地形上空边界层流中低层锋面结构的理论研究II:暖锋、均匀地转流

利用一个有地形、边界层摩擦作用、简化的二层浅水锋面模型,在理论上研究了地形上空边界层流动中地面暖锋的结构及环流分布特征问题.暖锋的坡度主要取决于其暖域地转流、锋面移速,它随锋面移速增大而减小,这与冷锋特征相反.地形对暖锋坡度的影响作用较小.与无地形作用时相比,静止性暖锋冷域中,位于锋面界面附近的闭合正环流系,当暖锋位于地形上游,其伸展范围增大;当暖锋位于迎风坡时,其伸展范围缩小,中心位置上抬;锋面移至背风坡时,其伸展范围重新增大.对于冷域中远离地面暖锋的另一支正环流系来说,当暖锋位于地形上游或迎风坡时,它可被地形完全阻塞于背风侧,地形高度越高,地形阻塞作用越大.在暖锋锋区附近主要存在三支垂直上升运动带:(a)由于边界层摩擦辐合作用,导致在地面暖锋后缘暖区中形成一支水平尺度较小、强度较大的垂直运动带,它随着暖锋移速增大而减弱.该垂直运动带,当暖锋位于地形迎风侧,强度增加;暖锋位于地形背风侧,其强度减弱.(b)在锋区暖域沿锋面存在均匀的上升运动,(c)在冷域远离地面暖锋处,存在一支水平范围较宽,其中心位于边界层顶部附近的垂直运动带,当暖锋位于迎风坡时,这支垂直运动带可被地形阻塞于地形背风侧.     

地形上空边界层流中低层锋面结构的理论研究Ⅱ:暖锋、均匀地转流

利用一个有地形、边界层摩擦作用、简化的二层浅水锋面模型,在理论上研究了地形上空边界层流动中地面暖锋的结构及环流分布特征问题。暖锋的坡度主要取决于其暖域地转流、锋面移速,它随锋面移速增大而减小,这与冷锋特征相反。地形对暖锋坡度的影响作用较小。与无地形作用时相比,静止性暖锋冷域中,位于锋面界面附近的闭合正环流系,当暖锋位于地形上游,其伸展范围增大;当暖锋位于迎风坡时,其伸展范围缩小,中心位置上抬;锋面移至背风坡时,其伸展范围重新增大。对于冷域中远离地面暖锋的另一支正环流系来说,当暖锋位于地形上游或迎风坡时,它可被地形完全阻塞于背风侧,地形高度越高,地形阻塞作用越大。在暖锋锋区附近主要存在三支垂直上升运动带：（a）由于边界层摩擦辐合作用,导致在地面暖锋后缘暖区中形成一支水平尺度较小、强度较大的垂直运动带,它随着暖锋移速增大而减弱。该垂直运动带,当暖锋位于地形迎风侧,强度增加;暖锋位于地形背风侧,其强度减弱。（b）在锋区暖域沿锋面存在均匀的上升运动,（c）在冷域远离地面暖锋处,存在一支水平范围较宽,其中心位于边界层顶部附近的垂直运动带,当暖锋位于迎风坡时,这支垂直运动带可被地形阻塞于地形背风侧。     

一个修改的σ坐标初始方程斜压模式

本文提出一个修改的σ坐标初始方程数值模式,在模式大气的下层具有σ坐标特性,而上层保持P坐标性质。用它来发展过去所设计的一个包括地形和非绝热作用的初始方程三层模式。模式提高了空间分解性能,改变了静力关系的差分方案,并与一般的σ坐标作了比较。在物理因子中除辐射、感热、蒸发和大尺度凝结外,本文进一步包括了积云对流的作用。最后给出了预报个例的结果。     

大地形附近气流爬绕运动的一个动力学分析

本文在正压条件假设下,对一组σ坐标系中的运动方程作无量纲处理,引入地形坡度特征参数,用动力学方法初步分析得到了大地形纯动力作用所产生的流场爬坡和绕坡这两种形式,比较了各种地形坡度情况下爬绕成份的相对大小,指出爬坡在地形南北坡的差异及其物理成因。最后本文还简单探讨了陡坡地形附近绕流调整快变过程的机制。     

华东沿海地形对登陆热带气旋运动影响的理想数值研究

利用中尺度数值模式设计一组高分辨率理想试验,采用位涡趋势方法定量诊断分析热带气旋在登陆我国华东沿海地形时,其运动发生的精细化变化以及不同因子的贡献。结果表明,平地的存在使得登陆热带气旋移速相对更快,当华东沿海地形存在时,热带气旋移速显著增大,这种增速现象主要是由于平地和地形所引起的非对称气流以及相应的引导气流变化所致,这很可能是导致预报路径误差的一个重要原因。平地试验中,陆地在热带气旋低层激发出中小尺度的非对称气流,与之不同的是,实际地形的加入激发出更大尺度并且更强的非对称偏南气流。位涡趋势方法的诊断结果表明,非引导效应总体而言对热带气旋运动贡献较小,这是因为这些因子相互抵消,但在不同的垂直层次上,不同的非引导因子贡献存在明显的差异。     

中纬度地形影响大尺度运动简化方程及其物理过程的初步分析

将σ-坐标的运动方程组进行尺度分析,考虑水平尺度为10~3公里的系统,得到一组封闭的简化方程组。在涡度方程中,凸起的地形脊对流场的影响和一固定的气旋式流场相当;在热力学方程中和一固定的高温区相当。因此,引入了地形相当涡度和地形相当温度的概念来近似表示这种影响。当把运动分解为平流变化和调整变化的相互作用来考察,并且平均气流和切变气流均为西风时,调整变化所造成的垂直运动和边界条件的强迫作用相反,有利于保持大尺度运动的准水平性。但在某些特殊条件下,调整变化可和边界的强迫作用相一致,可进一步加强边界条件的影响。     

正压大气中青藏高原地形影响的数值试验

本文用不计摩擦和绝热的正压原始方程和Lagrange平流格式试验了青藏高原地形的动力作用,网格距取为1×1经纬度,用双三次样条函数值的高原真实地形作为地形场,分别试验了几种不同的初始场的自然爬绕、绕流和爬坡过程。结果表明:高原地形能使越过高原的气流在其主体及其东侧产生低值系统,而强迫抬升的爬坡运动尤其有直接的作用;在爬坡过程中,低涡的生成受初始场的影响较小,不同的初始场在地形强迫的爬坡过程的动力影响下,最后趋于形成大体上相似的高度场,东亚大槽和印度孟加拉湾低压的生成和维持与高原地形的动力作用有一定关系,低纬东风的存在有利于印度低压的生成和维持。     

对流边界层中过山气流的数值模拟

采用ARPS4.0非静力中尺度气象模式模拟了对流边界层中气流过山引起的地形波,讨论了地形及大气条件改变对其的影响.模拟表明,当大气边界层是对流边界层时,气流过山引起的地形强迫,仍能在上部稳定层结中造成足够的垂直扰动,产生向上传播的重力内波,重力内波引起的波动阻力仍不可忽略.     

一个用阶梯山脉坐标表示的大气环流模式：模式的描述及其对中期预报的有效性

阶梯山脉或η垂直坐标已成为消除在沿陡坡面计算气压梯度力时出现的数值误差而建议的一种解决方法。这篇文章的主要目的是描述采用η坐标而设计的全球大气环流模式的发展，并检验该模式对中期预报的能力。首先，给出极地边界和极地滤波的处理。为了检验极地处理，给出了用浅水波方程得到的数值结果；其次，还把各种物理过程参数化引入多层η坐标模式。为了证实该模式有效，给出了几个１月份个例的数值积分。η坐标所列方程与随地形起伏的σ坐标所列方程很相似，允许用其中一种垂直坐标试验模式。于是，在同样的物理过程参数化下，我们用η坐标大气环流模式和σ坐标的大气环流模式进行了比较。另外，还与σ坐标的谱模式作了比较。还就模式的有效性，用几种不同的水平分辨率，４种观测的初始状态作了１０天积分。对相对低的分辨率的模式，预报结果稍微有利于谱模式和σ坐标模式。然而，采用较高分辨率，η坐标模式预报技巧评分与σ坐标模式结果不再有明显的差别。给出的其它结果还证实了η坐标在陡峭地形附近的优势以及与地表边界层处理有关的η坐标的潜在缺陷。     

三维非静力E—ε闭合模式对山体流场及浓度分布的模拟

本文采用三维非静力E-ε闭合模式,在对流层边界层方程组中,加入湍能和耗散率方程描述边界层中的湍流运动。求解孤立三维山地地形上的流场、湍流场和浓度场,并分析地形对气流的影响及对污染物浓度分布的影响。同时做了不同坡度和不同风速下的孤立三维山体的流场、湍流场和浓度场比较。数值计算结果表明,地形能改变气流运动,气流过山时将出现分支现象,山后背坡有反向回流出现,并且回流区大小随着山体坡度的增大而增大。山体对气流的阻挡作用随山体高度的增加而更明显,随风速的增加而减弱。湍能及耗散率随高度衰减较快。随着山体坡度增加,山前气流的垂直速度也增加,湍流运动更强。风速大时湍流运动越显著。污染物在山前出现辐散,迎风坡是浓度高值区,山后背风坡也是相对高值区。山坡度越大,山前迎风坡污物浓度越高。     

The Ekman boundary layer over orography: An analysis of vertical motion

A model of the planetary boundary layer is used to determine the field of vertical motion over large-scale orography. This model represents Ekman boundary-layer dynamics modified by the inclusion of accelerations of the geostrophic wind under the geostrophic momentum approximation. The orography is represented by a circular mountain. The inviscid solution is provided by the sum of a constant translation and a steady, uniform potential vorticity, anticyclonic vortex. The boundary-layer solution vanishes on the mountain, but is matched to the inviscid solution as the top of the boundary layer is approached. The vertical velocity field at the top of the boundary layer is determined by integration of the continuity equation. The field of motion is largely determined by descent from above into the anticyclonic circulation, as in the classical Ekman model. Contributions that arise from the inclusion of accelerations are associated with boundary-layer advection and ageostrophic divergence that produce vorticity tendencies. Finally, the boundary-layer vertical motion is shown to be comparable in magnitude to the vertical motion forced by inviscid flow over the orography, although the distributions of each are significantly different. Effects of mountain asymmetry and a changing pressure field, that can be treated more fully by numerical model simulations, are not considered in the present study.On leave at the University of Colorado, 1990.     

边界层动力学中的Ekman动量近似

自由大气中,大气运动的基本状态是地转风,近年来发展的地转动量近似,是为了进一步研究非均匀地转流的动力学问题,然而,在边界层大气中,运动的基本状态是经典的Ekman流,所以对边界层运动来说,地转动量近似是不合适的,需作一推广。本文提出了一种所谓Ekman动量近似,它相似于自由大气中的地转动量近似,并讨论了Ekman动量近似的物理基础,对边界层的风场结构及边界屋顶部的垂直速度也作了详细分析。     

An Approximate Analytical Solution For The Baroclinic And Variable Eddy Diffusivity Semi-Geostrophic Ekman Boundary Layer

The WKB method has been used to develop an approximate solutionof the semi-geostrophic Ekman boundary layer with height-dependenteddy viscosity and a baroclinic pressure field. The approximate solutionretains the same simple form as the classical Ekman solution. Behavioursof the approximate solution are discussed for different eddy viscosityand the pressure systems. These features show that wind structure inthe semi-geostrophic Ekman boundary layer depends on the interactionbetween the inertial acceleration, variable eddy viscosity and baroclinicpressure gradient. Anticyclonic shear has an acceleration effect on theair motion in the boundary layer, while cyclonic shear has a decelerationeffect. Decreasing pressure gradient with height results in a super-geostrophicpeak in the wind speed profile, however the increasing pressure gradient withheight may remove the peak. Anticyclonic shear and decreasing the variableeddy viscosity with height has an enhanced effect on the peak.Variable eddy viscosity and inertial acceleration has an important role in thedivergence and vorticity in the boundary layer and the vertical motion at the top of the boundary layer that is called Ekman pumping. Compared to the constanteddy viscosity case, the variable eddy diffusivity reduces the absolute value ofEkman pumping, especially in the case of eddy viscosity initially increasing with height. The difference in the Ekman pumping produced by different eddy diffusivity assumptions is intensified in anticyclonic flow and reduced in cyclonic flow.     

The wind field in the nonlinear multilayer planetary boundary layer

By use of the small parameter expansion method, the nonlinear planetary boundary layer (PBL) is studied in this paper. The PBL is divided into the surface layer and the Ekman layer, which is divided into several sublayers. In the surface-layer, the eddy coefficient K is taken as a linear function of height; in the Ekman layer, different constant K values are taken within different sublayers: these values are determined from O'Brien's formula (O'Brien, 1970) approximately. Under the upper and lower boundary conditions and the continuity conditions of the wind velocities and turbulent stresses at each boundary between sublayers, analytical expressions for wind velocity in all sublayers and the vertical velocity at the top of the PBL are obtained. A specific example of steady axisymmetrical circular high and low pressure areas is analysed, and some new conclusions are obtained. The results are in better agreement with reality than previous results. This example also shows that the vertical velocity at the top of the PBL caused by friction approaches zero near the center of a high or low pressure system for this model, but attains its maximum absolute values near the center of the high or low pressure area for Wu's (1984) model. This is due to the fact that in our model, the geostrophic wind speed near the center of this specific vortex approaches zero, which causes the wind shear and the friction effect to be very weak. Therefore the wind distribution in the PBL is very sensitive to the type of eddy coefficient.     

变化涡动沾性系数的Ekman动量近似模式风场结构

在边界层动力学中，涡动粘性系数是影响边界层风场结构的一个重要参数。本文利用边界层动力学中的Ekman动量近似理论，给出了涡动粘性系数随高度缓变条件下的Ekman动量近似边界层模式解，着重讨论了边界层的风场结构、水平散度、垂直涡度以及边界层顶部的垂直速度。结果分析表明：与常值涡动粘性系数情况相比，在边界层低层随高度增加的涡动粘性系数可以导致低层边界层风速随高度迅速增加，即风速垂直切变增加，同时风速矢与地转风之间的夹角减小。惯性项作用可以导致上述作用在气旋性区域减小、而在反气旋性区域增大。随高度增加的涡动粘性系数导致水平散度绝对值、垂直涡度绝对值以及边界层顶部的垂直速度绝对值在气旋性区域减小，而在反气性旋区域增大。涡动粘性系数与惯性之间的非线性相互作用是边界层动力学中重要过程。     

A model for the height of the internal boundary layer over an area with an irregular coastline

A model for the time and space variation of the internal boundary-layer height over a land area with an irregular coastline is presented. It is based on the analytical model of the boundary-layer height proposed by Gryning and Batchvarova (1990) and Batchvarova and Gryning (1991), The model accounts for the temperature jump and the mean vertical air motion at the top of the internal boundary-layer. Four cases from experiments in Nanticoke and Vancouver are used for model validation. The agreement between the calculated and measured internal boundary layer height at the observational sites is fairly good. The input information for the model consist of wind speed and direction, friction velocity and kinematic heat flux in time and space for the area, and the potential temperature gradient and the mean vertical air motion above the internal boundary layer. For the experiments used in the validation the effect of subsidence is relatively important in the afternoon under low wind speed high pressure conditions, lowering the height of the internal boundary layer by up to 10%, and it is negligible in the morning hours. The effect of the mixing height over the sea is found to be negligible.     

地形影响的飞机颠簸及其数值仿真实验

首先利用中尺度数值模式ARPS模拟气流过山生成飞行数值仿真所需要的风场，然后利用飞机载荷因数变量方程进行飞机飞行的数值仿真试验。研究结果表明，气流过山产生的山脉重力波由于风切变临界层破碎，一方面能在对流层产生较强的湍流引起晴空飞机颠簸，另一方面也能在山脉背风面产生强烈下坡风，背风转子环流及低空湍流，影响飞机的起飞和着陆。揭示了飞机在过山脉地形背风面所产生的大气湍流中飞行时引起飞机颠簸的物理机制，有助于增强飞机颠簸的预测能力和飞行气象保障能力。     

Ekman动量近似下中间边界层模式中的风场结构

发展了一个准三维的、中等复杂的边界层动力学模式，该模式包含了EKman动量近似下的惯性加速度和Blackadar的非线性湍流粘性系数，它进一步改进了Tan和Wu(1993）提出的边界层理论模型。该模型在数值计算复杂性上与经典Ekman模式相类似，但由于包含了Ekman动量近似下的惯性项，使得该模式比传统Ekman模式更近于实际过程。中详细地比较了该模式与其他简化边界层模式在动力学上的差异，结果表明：在经典的Ekman模式中，由于忽略了流动的惯性项作用，导致在气旋性切变气流（反气旋性切变气流）中风速和边界层顶部的垂直速度的高估（低估），而在半地转边界层模式中，由于高估了流动惯性项的作用，结果与经典Ekman模式相反。同样，该模式可以应用于斜压边界层，对于Ekman动量下的斜压边界层风场同时具有经典斜压边界层和Ekman动量近似边界层的特征。     

山地边界层中场变量的动力学研究

采用与实测较接近的二次函数来表达Ｅｋｍａｎ层中的湍流粘性系数Ｋ，在圆形气压场条件下，求得了山地上空边界层中的风速，进而求得散度、涡度和垂直速度等场变量随高度的分布。并作图分析了这些场变量的一些动力学特征。改进了以往在求解析解时，略去运动方程中湍流粘性力项中的关于高度的一阶导数项，以及取山坡面上风速为零作下边界条件等欠合理欠精确的做法。所求得的风速、散度、涡度和垂直速度均用简单的初等函数表示出来，有助于边界层参数化和深化对边界层动力学的认识。     

冬奥会延庆赛区降雪与边界层东风的关系

受特殊地理环境影响,北京地区冬季降雪常与边界层东风相伴,边界层东风所引起的水汽输送和动力辐合效应对降雪发生发展有重要意义.不同于已有边界层东风对平原地区降雪影响的研究,本文结合2022年冬奥会北京延庆赛区的地形特征,对比相似天气背景下不同温湿特性、不同发展高度的边界层东风对降雪的作用机制,研究表明:(1)途经渤海湾的路...