精细PBL模式及其诊断应用

在已建立的一种三维非静力细网格Ｅ－ε湍能闭合的动力学框架基础上,作了一些改进的技术处理和试验,包括：（１）利用ＧＩＳ提供的地形资料,较精确地计算太阳辐射,进而诊断地面温度;（２）引进位势流概念,处理稳定层结条件下初始内插风场的风向变化;（３）引入动力学调整项Ｇ（αｏｂｓ－α）。在此基础上,就地理信息系统（ＧＩＳ）提供的一个 ６０ｋｍ×４８ｋｍ区域作了边界层结构和湍流特征的数值模拟试验,并与实测作了比较,讨论了精细ＰＢＬ模式的模拟效果,结果表明,新建的ＰＢＬ模式能较好地模拟表征出复杂下垫面地域的陡峭地形和不规则海岸线对局地风场和湍流场的动力和热力学作用。     

冬奥会小海坨山赛区边界层风场大涡模拟研究

北京市延庆区小海坨山将承担2022年第24届冬季奥运会部分高山滑雪、高山速降等室外赛事。由于室外赛事对近地面风场有着极其严格要求,需要提供百米内分辨率风预报产品。目前广泛使用的高分辨率(1 km)中尺度模式尚不能满足这一预报需求。本文基于中尺度气象模式(WRF)的大涡模拟(LES)功能,针对冬奥小海坨山地区构建在线耦合中-微尺度WRF-LES模式系统,采用四重单向嵌套将水平分辨率从中尺度1 km降至微尺度37 m,对发生在该地区2017年1月13日晴天大风个例开展边界层风场的精细模拟。结合观测,通过设计模式水平、垂直、地形分辨率及边界层方案敏感性试验,检验和评估了WRF-LES作为真实大气模拟工具在复杂地形区域的适用性。结果表明,由于LES能解析大气湍流中部分湍涡能量,相比普通中尺度模式WRF,百米或更高分辨率WRF-LES能捕捉更多大气小尺度运动特征,刻画出局地流场结构,获得更精细、准确的近地面风场信息。为实现精确模拟,模式需引入与水平分辨率相匹配的高分辨率地形高程数据,结合计算资源能力设置垂直网格距。模拟结果表明WRF-LES对复杂山地近地面风场具有超高分辨率模拟应用的潜力和价值,表现出较好的预报能力,可为冬奥会精细气象服务提供技术支持。     

青岛地区边界层结构的数值模拟

本文建立了一个非静力的三维细网格边界层模式，对青岛地区复杂下垫面条件下的边界层结构和湍流特征作了数值模拟，模式采用能量闭合方案，舍弃了静力近似，以提高空间分辨率和模式精度。模拟以实测资料为初始输入，对该地区风场和湍流场作了较细致的模拟分析，与观测资料相比，结果合理地一致。结果表明了陡峭地形和不规则海岸线对局地风场和湍流场影响很大。     

逐层平滑地形的平缓地形追随坐标在高分辨率GRAPES模式中的应用研究

高分辨率GRAPES模式如3 km模式对地形的识别程度更高,模式中各高度坐标面可识别的地形坡度也更大,地形作用带来的气压梯度力计算误差和平流输送误差更突出。平缓地形追随坐标可以通过多种方式衰减坐标面上的地形影响进而减小这些计算误差。选择一种逐层平滑地形的平缓地形追随坐标,基于GRAPES-3km模式进行理想试验和批量模拟试验。试验结果显示:逐层平滑地形的平缓地形追随坐标相对其他平缓地形追随坐标对地形重力波模拟更接近解析值;24 h滚动预报月连续模拟试验中逐层平滑地形的平缓地形追随坐标一定程度上能降低高层月平均的温度场、风场的模拟误差,月平均的降水评分也有所提高。逐层平滑地形的平缓地形追随坐标应用于GRAPES-3km模式有较好的模拟效果。      

台风“莫拉菲”登陆期间深圳排牙山周边风场结构的数值模拟研究

以计算流体力学软件FLUENT为工具,模拟台风“莫拉菲”登陆期间深圳大鹏半岛排牙山周边的风场三维结构。通过研究得到了强风条件下山地风场的概念模型,并得到以下结论:(1) FLUENT可较合理地模拟出强风条件下复杂地形的三维风场结构,描述山体对于风场和湍流场的影响;(2) 山体的动力学效应可使高大山体迎风侧和山顶之上的局地风速加大;(3) 高大山体背风侧为弱风区、风速强切变区和强湍流区。      

复杂地形风场的精细数值模拟

风能是一种重要气候资源,随着我国风电规模的迅速增大,发展风能资源评估系统和风功率预测系统已成为一项重要的研究内容。国内外对复杂地形风场结构的数值模拟有大量研究,随着计算机能力增强,以往用于空气动力学精细流场计算的计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模式越来越多地在气象领域得到应用,人们开始研究用中尺度预报模式和CFD模式结合进行复杂地形风场的数值模拟。本文的耦合模式系统采用中尺度气象模式(WRF),通过嵌套网格到内层尺度(一般是几公里),然后通过耦合CFD模式Fluent软件获得高分辨率(水平30~100 m,垂直150 m高度以下10 m)的风速分布资料,得到精细化的风场信息。通过对鄱阳湖北部区域和云南杨梅山复杂地形的风场模拟,提供了风能评估和预报的一种可行的方法。     

深凹露天矿内复环流和高湍能区的三维细网格非静力模拟

建立了一个准定常的三维非静力能量闭合的PBL模式模拟了深凹露天矿内复环流和高湍能区。针对露天矿具有范围小、地形复杂的特点,放弃了静力近似的假定,且采用了在复杂地形下应用较好的能量闭合方案,采用细网格系统对一个水平只有2 km×2 km的实际矿区进行了模拟,并将结果与同样条件下的风洞试验结果进行了比较。结果表明,矿坑的开口宽度与深度比和来流的性质对坑内气流和湍流情况有了较大影响。     

酒泉地区风能资源开发优势度分析

运用新一代中尺度模式WRF对酒泉部分地区进行了风场的数值模拟。结果表明,WRF模式对复杂地形条件下的风场具有较好的模拟能力,也能较好地模拟出地形对风速的影响。在此基础上,结合GIS技术在空间信息处理方面的优势,综合考虑各种地理要素的影响,对酒泉地区风能资源进行精细化研究,分析风能资源开发的优势度,发现(1)研究区域具有非常丰富的风能资源,较丰富区以上地区的面积将近达到研究区域的一半;(2)丰富风能资源区与该地区的地形有很好的对应关系,主要处于有地形狭口效应的区域;(3)最有利于风能资源开发的区域在玉门镇以南至昌马,这一片区域的地形平坦,风能资源丰富,又是戈壁,非常适合建设大型风力发电场。这些显示了酒泉地区风能资源开发的优势度分布,能为风电场的选址提供参考。     

基于高分辨率地形数据的模式地形构造与数值试验

针对2008年7月20-22日四川盆地区域性暴雨过程,通过引入高分辨率的地形数据构造不同的模式地形,进行了WRF模式综合地形处理方法(TESTC)、不同多项式截断阶数的切比雪夫滤波方案(TEST5)和5点权重平均处理方案(TEST7)的地形试验。结果表明:(1)引入不同分辨率的地形数据,且采用不同的地形滤波方法,对模式预报效果是不一样的。相对而言,基于高分辨率地形数据,采用90截断阶数的TEST5试验略显优势。(2)三种地形处理方案不同程度地反映了主要降雨带的位置和强度,TEST5试验模拟的四川盆地东部降水强度较实况偏强,但降水演变和降水落区更接近实况,TEST7试验总体模拟效果介于TESTC和TEST5之间。(3)不同地形处理方案带来四川盆地及周边地形高度和坡度的变化,通过影响与中尺度系统相伴的物理量,进而影响降水落区、强度与降水进程。(4)由于地形处理差异,在四川盆地东部地形坡度较大区,地形扰动增强风场脉动,TEST5试验带来更大的东西风切变,而水平风场的辐合使低涡系统加强,辐合上升运动加强,将更多的低层水汽带到高空。TEST5试验模拟的低涡更强、位置偏东,导致低涡影响下的降水强度更强,落区偏东。     

对流层物质垂直交换模式中的参数化处理

为了研究对流层(TL)中垂直涡旋扩散系数(K_z)随高度变化的参数化形式对物质垂直交换的贡献,用“高分辨TL物质交换模式”(EM3)对5种不同K_z型进行了数值对比模拟,结果表明:KK_z型较好地描述了行星边界层(PBL)内受下垫面影响的高频湍流和PBL以上TL由各种动力学和热力学过程产生的切变湍流;垂直运动和K_z对PBL下层的物质输送到TL上层和从源高度向下输送到PBL低层两者均有重要作用;垂直运动的作用具有间隙性,而K_z是连续的.