利用尺度自适应大气边界层湍流参数化方案对一次陆地浓雾的数值模拟

为提高大气数值模式的模拟能力,改进大气边界层水汽、热量湍流输送计算和大雾天气的模拟效果,选用WRF三维非静力模式,采用具有局地和非局地垂直湍流尺度自适应计算能力的MYNN_SA参数化方案,对2017年12月28—29日我国华北—江淮地区的大范围浓雾过程进行了数值模拟研究,探讨从中尺度到灰区尺度分辨率范围,模式的尺度自适应大气边界层湍流参数化方案对稳定大气边界层发展、湍流输送和大雾天气模拟的影响。利用中国地面气象站观测资料和ERA5再分析数据,在接近灰区尺度的网格分辨率上,利用尺度自适应大气边界层湍流MYNN_SA参数化方案较之中尺度参数化MYNN方案,可明显改善次网格湍流输送计算,以及陆地浓雾的强度、空间分布和时间演变特征,可更精确地模拟云水混合比、逆温层和雾区的垂直结构。     

WRF模式中QNSE方案的湍流长度尺度系数的调整试验研究

边界层参数化方案中湍流混合对数值模拟起着重要的作用,湍流混合作用的恰当描述对于温度、湿度、风场以及降水的准确模拟至关重要。我国长江中下游流域人口密集,暴雨灾害频发,很有必要寻找一种适合该地区降水模拟的边界层参数化方案。本文运用WRF（Weather Research and Forecasting）中尺度数值模式,以QNSE（Quasi-Normal Scale Elimination）边界层参数化方案为基础,将其中湍流混合长度尺度系数调整为可变参数。本文将Noh et al.（2003）提出的Prandtl公式与Janji?提出的修正湍流长度尺度系数的方法相结合,通过考虑非局地项的强迫、地表稳定度与边界层高度对湍流长度尺度系数的影响,强调大气的动力结构特征与热力结构特征对湍流混合的共同影响,从而提高QNSE边界层参数化方案在不同地理环境下的模拟能力。文章通过进行长江中下游地区的典型暴雨试验,将调整参数后的QNSE方案与原方案进行比较,重点分析调整参数后的方案与原方案对关键基本气象要素场、边界层结构特征以及降水的模拟能力,并将模拟结果与观测结果进行对比,结果表明:调整参数后的方案一定程度上改进了地表温度、边界层结构以及降水的模拟效果。进一步研究表明,调整参数后的方案主要通过改变边界层混合缓解水汽混合比、位温模拟方面的误差。     

尺度自适应大气边界层参数化改进及其对一次海雾的数值模拟研究

大气边界层湍流运动是地球大气运动最重要的能量输送过程之一。当数值模式分辨率接近活跃含能湍涡长度尺度时，湍流运动被部分解析，被称为“灰色区域”，传统的边界层方案不适合此时模式湍流问题的描述。为了提高模式边界层方案在包括“灰色区域”的不同网格尺度上的描述能力，适应不同分辨率模式的需要，在雷诺平均湍流理论基础上，修正Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino (MYNN)方案湍流长度尺度参数和非局地湍流的参数表达，改进湿度和温度在“灰色区域”的湍流输送参数化及对网格尺度的自适应能力。利用改进的MYNN尺度自适应方案，分别采用3 km和1 km、1.5 km和0.5 km分辨率单向嵌套网格WRF中尺度模式，对2014年2月26日的一次黄海海雾过程进行模拟试验，检验不同分辨率下改进后的MYNN大气边界层参数化方案的合理性和对海雾的模拟效果。尺度自适应MYNN大气边界层参数化方案在千米级网格尺度上获得稳定、合理的湍流垂直输送计算结果。参照雾区卫星云图，不同分辨率模式低层云水混合比模拟结果具有稳定表现，模拟的雾区分布和温度、湿度等物理量结构都较好地再现了再分析“观测事实”，初步表明该参数化方案有较高的网格尺度自适应能力。      

海面粗糙度可变时定常非中性大气边界层数值模式

本文结出一个海面粗糙度可变时定常非中性大气边界层数值模式,其中粗糙度是摩擦速度的函数,湍流交换系数是湍流热通量和风切变的函数,而热通量在海气温差已知时由近地层通量梯度关系求出。解得的风和若干边界层特征参数符合观测及理论考虑。因此,只要知道地转风、纬度及海气温差即可用本模式计算海面大气边界层中不同高度的风。     

关于非中性层结大气边界层湍流交换系数参数化公式的探讨

运用湍流半经验理论求解大气边界层的运动方程和大气污染物扩散方程的过程中,必须知道全边界层内湍流交换系数随高度的分布规律。本文利用平均场观测(如双经纬仪小球测风和低空探空)资料对目前理论计算中常用的四种非中性层结的km模式进行了计算分析,在此基础上得到中性和非中性层大气边界层参数化的km模式。     

一个统计低云方案及其在大气环流模式中应用初探

文中利用湍流耗散特征时间尺度和湍流垂直扩散系数对湍流二阶距进行参数化 ,将一个统计云方案与一阶湍流闭合方案进行耦合。基于数值试验 ,在不同的相对湿度、温度垂直梯度、以及湍流耗散特征时间尺度条件下 ,对该方案云量模拟能力的分析 ,发现该统计云方案对其采用的参数及湍流耗散特征时间尺度敏感。基于该数值模拟分析 ,修改了该统计云方案 ,并结合其他边界层积云参数化方案 ,给出了一个基于统计的低云参数化方案。将其初步应用于NCARCCM 3后发现 :该方案可以显著增强CCM 3对副热带低云的模拟能力 ,可以合理地模拟出大洋东部大陆西岸冷海域低云量大值中心 ,显示出该方案对于改进大气环流模式低云参数化具有潜在的应用前景。     

中尺度数值模拟中的边界层多尺度湍流参数化方案

该文在多尺度湍流理论的研究成果基础上, 将边界层湍流风谱与平均量的梯度相联系, 建立了边界层多尺度湍流参数化子模式, 之后放入MM5模式中进行了个例模拟研究, 并与MM5模式附带的M RF边界层参数化、Blackadar高分辨率边界层参数化的模拟结果进行比较和分析。结果表明, 多尺度湍流理论能够反映出实际大气边界层中热量垂直输送的规律, 将其用于中尺度数值预报模式的边界层物理过程参数化是可行的; 多尺度湍流参数化在地表层和边界层内各个层次上都着重考虑含能量最大的涡的作用以及水平热力不均匀性的影响, 因此在地形和下垫面比较复杂的区域, 对中尺度天气系统的模拟有进一步发展的前景。     

边界层参数化方案对陆气相互作用影响的模拟研究

利用湍流动能闭合方法对区域气候模式RegCM3中的边界层参数化方案进行了改进,然后利用中国东部典型旱、涝年资料进行了改进效果对比试验,并着重分析了边界层参数化方案改进对陆气相互作用的影响,结果表明:采用湍流动能闭合方法可以更合理的描述边界层的高度及其日变化,较为真实地描述边界层的物理过程,使得陆—气间通量及大气各层垂直...     

高阶矩模式模拟对流边界层的可行性研究

本文建立了二阶矩闭合的大气边界层数值模式,并模拟了Wangara资料第33天09:00—18:00时对流边界层的发展过程。计算结果与实测资料比较吻合,同时利用该模式研究了高阶矩模式模拟对流边界层的可行性,结果指出:二阶矩方程中的湍流扩散项对模拟对流边界层内的挟卷和反梯度现象起主要作用。而局地时间变化项仅影响对流边界层内的边界湍流扩散项。因此,假如处理好二阶矩方程中的湍流扩散项,高阶矩模式和大涡模式一样可以很好地模拟对流边界层的发生、发展。     

城市边界层湍流和下垫面空气动力学参数观测研究

城市大气边界层中的湍流交换和下垫面空气动力学参数的观测研究是城市环境气象研究的重要内容。文章概述了城市大气边界层中湍流的观测方法和计算城市下垫面空气动力学参数的可行性方案。对城市湍流的基本特性和城市边界层的垂直结构、城市边界层观测的历史、城市下垫面空气动力学参数的估算以及存在的问题进行了讨论。     

风廓线雷达反演大气比湿廓线的初步试验

基于湍流散射理论,运用边界层风廓线雷达 (WPR) 联合RASS (Radio Acoustic Sounding System), GPS/PWV (Global Position System/Precipitable Water Vapor) 进行全遥感系统的大气比湿廓线反演试验,并对影响因子进行分析。利用2011年8—9月云南大理综合探测试验数据的反演结果与探空数据进行比较分析,结果表明:WPR联合探空的温度廓线和起始边界比湿 (q₀) 反演大气比湿廓线,与探空大气比湿廓线相比具有相同的变化趋势,标准差为0.84 g·kg-1,误差随高度增加呈递增趋势;WPR联合RASS, GPS/PWV数据反演大气比湿廓线,与探空大气比湿廓线的标准差为0.85 g·kg-1。参加反演的数据中,折射指数结构常数C_n2与谱宽σ_turb2对反演影响最大,反演算法中大气折射指数梯度M符号的判断对反演精度也有较大影响。     

The Adaptation of the Atmospheric Boundary Layer to a Change in Surface Roughness

The adaptation of the atmospheric boundary layer to a change in the underlying surface roughness is an interesting problem and hence much research, theoretical, experimental, and numerical, has been undertaken. Within the atmospheric boundary layer an accurate numerical model for the turbulent properties of the atmospheric boundary layer needs to be implemented if physically realistic results are to be obtained. Here, the adaptation of the atmospheric boundary layer to a change in surface roughness is investigated using a first-order turbulence closure model, a one-and-a-half-order turbulence closure model and a second-order turbulence closure model. Perturbations to the geostrophic wind and the pressure gradients are included and it is shown that the second-order turbulence closure model, namely the standard k - model, is inferior to a lower-order closure model if a modification to limit the turbulent eddy size within the atmospheric boundary layer is not included within the model.     

Using a Modified Soil-Plant-Atmosphere Scheme （MSPAS） to Simulate the Interaction between Land Surface Processes and Atmospheric Boundary Layer in Semi-Arid Regions

This paper uses a Modified Soil-Plant-Atmosphere Scheme (MSPAS) to study the interaction betweenland surface and atmospheric boundary layer processes. The scheme is composed of two main parts:atmospheric boundary layer processes and land surface processes. Compared with SiB and BATS, which arefamous for their detailed parameterizations of physical variables, this simplified model is more convenientand saves much more computation time. Though simple, the feasibility of the model is well proved inthis paper. The numerical simulation results from MSPAS show good agreement with reality. The schemeis used to obtain reasonable simulations for diurnal variations of heat balance, potential temperature ofboundary layer, and wind field, and spatial distributions of temperature, specific humidity, vertical velocity,turbulence kinetic energy, and turbulence exchange coefficient over desert and oasis. In addition, MSPAS isused to simulate the interaction between desert and oasis at night, and again it obtains reasonable results.This indicates that MSPAS can be used to study the interaction between land surface processes and theatmospheric boundary layer over various underlying surfaces and can be extended for regional climate andnumerical weather prediction study.     

Numerical Simulation Experiment of Land Surface Physical Processes and Local Climate Effect in Forest Underlying Surface

Based on the basic principles of atmospheric boundary layer and plant canopy micrometeorology, a forest underlying surface land surface physical process model and a two-dimensional atmospheric boundary layer numerical model are developed and numerical simulation experiments of biosphere and physiological processes of vegetation and soil volumetric water content have been done on land surface processes with local climate effect. The numerical simulation results are in good agreement with realistic observations, which can be used to obtain reasonable simulations for diurnal variations of canopy temperature, air temperature in canopy, ground surface temperature, and temporal and spatial distributions of potential temperature and vertical wind velocity as well as relative humidity and turbulence exchange coefficient over non-homogeneous underlying surfaces. It indicates that the model developed can be used to study the interaction between land surface process and atmospheric boundary layer over various underlying surfaces and can be extended to local climate studies. This work will settle a solid foundation for coupling climate models with the biosphere.     

春季黄海海雾WRF参数化方案敏感性研究

利用2005—2011年10次春季黄海海雾个例开展WRF模式参数化方案敏感性研究。结果表明:边界层方案对WRF模式雾区模拟结果起决定作用,而微物理方案影响较小,它主要影响海雾浓度和高度。边界层与微物理方案的最佳组合为YSU与Lin方案,最差为Mellor-Yamada与WSM5方案;Mellor-Yamada和QNSE方案模拟的近海面湍流过强,导致边界层过高,不利于海雾的发展与维持;而MYNN与YSU方案刻画的湍流强度与边界层高度合适,有利于海雾发展与维持。MYNN方案虽与YSU方案相当,但在大多数海雾个例中,后者明显优于前者,而在有些个例中却刚好相反。因此对于某一具体海雾个例而言,所用边界层方案仍需在它们之中选择最优者。这些信息可为黄海海雾WRF模式边界层与微物理方案的选择与改进提供参考。     

Fronts and the boundary layer – some numerical studies

In this paper, we consider boundary-layer effects on atmospheric fronts. For this purpose we developed a dry, hydrostatic, two-dimensional numerical model with turbulence parameterized with the 1/2 -order eddy viscosity closure of Mellor and Yamada. In the surface layer we use Monin–Obukhov similarity and there is an interactive soil model to obtain lower boundary conditions for the atmospheric model. First, effects of turbulence are studied without thermal forcing at the surface and comparisons are made between inviscid and turbulent conditions. Sensitivity studies with respect to surface roughness are also performed. Subsequently we study effects of surface thermal forcing on fronts. The results show that, during summer, fronts display strong diurnal variation. Vertical velocities increase significantly during the day while gradients in temperature and vorticity across the front strengthen in the evening and at night. In winter the diurnal variation is much less pronounced. We attempt to find physical mechanisms responsible for such frontal behaviour and we compare our results with available observations.     

On wakes and the net forces produced by surface-mounted obstacles in neutrally stratified atmospheric boundary layers

Wakes well downstream of obstacles in the neutrally stratified atmospheric boundary layer are studied using numerical models with eddy viscosity and mixing-length closure hypotheses. Variations of eddy viscosity with height near the ground are shown to exert a strong influence on the rates of wake decay. In the planetary boundary layer, it is shown that a significant proportion of the initial momentum flux deficit in the wake can be balanced by changes in the Coriolis force.     

不稳定边界层下地形重力内波

水槽实验及线性理论研究表明,当低层大气处于近中性或不稳定时,如果地形引起的动力扰动足够强,地形扰动可在上部稳定层结中激发出重力内波,波动反过来影响低层流场,引起动量输送。低层大气处于近中性或不稳定时,地形波同样对大气运动可产生波阻,这应引起模式工作者的重视。最后讨论了大气粘性对中性或不稳定层结下地形波的影响。     

森林下垫面陆面物理过程及局地气候效应的数值模拟试验

文中基于大气边界层和植被冠层微气象学基本原理 ,建立了一个森林植被效应的陆面物理过程和二维大气边界层数值模式。并应用该模式进行了植被和土壤含水量等生物和生理过程在陆面过程和局地气候效应方面的数值模拟试验。所得数值模拟试验结果与实际情况相吻合。结果表明 ,应用该模式可获得植被温度、植被冠层内空气温度、地表温度日变化特征 ;森林下垫面大气边界层风速、位温、比湿、湍流交换系数的时空分布和日变化特征。该模式还可应用于不同下垫面 ,模拟陆面物理过程与大气边界层相互作用机制及其局地气候效应的研究 ,这将为气候模式与生物圈的耦合研究奠定一个良好的基础。