一维大气边界层二阶闭合的有限元数值模式 I. 对流边界层模拟

利用有限元法用于二阶湍流闭合大气对流边界层模式,并模拟了Wangara试验33天的对流边界层的发展过程,计算结果表明,该模式能真实的模拟出对流边界层的发展过程,并且准确地反映对流边界层中湍流扩散和输送过程。     

深凹地形边界层风场与湍流场结构及扩散规律的数值研究

建立了一个模拟小尺度复杂地形边界层平均流场和湍流场结构分布特征的三维非静力细网格高阶矩湍流闭合模式,并将此模式与一个拉格朗日粒子随机游动大气扩散数值模式相联结,以边界层气象模式的输出作为扩散模式的输入,构成了一个大气扩和模拟系统,成功地模拟了某地实际深凹露天矿区和理想凹坑地形两种情况下的平均流场、雷诺应力和湍流通量场,分析了其分布特征,并模拟了矿坑内污染物的散布规律     

一个对流边界层中的随机扩散模式

通过对对流边界层(CBL)湍流结构的分析,首次提出用两种不同尺度的湍流模拟CBL中的铅直扩散.在此基础上发展了一个随机扩散模式,并用它模拟了典型对流条件下两种高架连续点源的扩散.与Willis水槽模拟和Lamb等人数值模拟以及CONDORS计划外场试验的结果的比较表明,本模式能成功地模拟CBL中的横向积分浓度.与其它数值模式相比,还具有输入参数少、计算量极小和更加简单实用的优点.     

一个直接考虑大涡、小涡作用的大气对流边界层模式

本文建立了一个大气对流边界层模式,构造此模式时,假设对流边界层中水平动量和热量在垂直方向上的湍流输送、扩散是由大涡与小涡组成的系统完成的。文中,用此模式作了一实例模拟,计算结果表明:模拟的结果与实测的结果相当一致。     

对流边界层中粒子随机扩散模式和高斯模式的比较

用粒子随机扩散模式和高斯模式模拟的对应３种源高的横风向各分浓度的结果与水槽试验的结果进行比较，发现粒子随机扩散模式能较好地模拟出水槽试验结果，说明该模式能用来模拟对流边界层的扩散，而高斯模式不能完全反映对流边界层的扩散。比较两种模式的模拟结果，发现粒子随机扩散模式由于考虑了对流边界中由卷流和热泡引起的垂直方向上湍流的非均一性，比高斯模式能较好的模拟出污染物在垂直方向上充分混合较快、水平方向上扩散范     

夜间大气边界层的高阶矩数值模拟

本文建立了一个二阶矩模式,用此摸式对Wangara资料进行了实例模拟.结果表明,该模式能模拟出夜间边界层发展以及湍流结构的一些主要特征.计算发现在夜间边界层发展过程中存在一种突变现象.     

黑河绿洲区不均匀下垫面大气边界层结构的大涡模拟研究

采用RAMS模式中大涡模拟的方法,加入高分辨率的植被和土壤资料,模拟了黑河（张掖地区）不均匀下垫面条件下大气边界层演变过程。分析了模拟的地表通量、边界层的平均结构和湍流二阶量,并用黑河试验的观测资料检验了模式的模拟性能。结果表明,模拟的平均结构较好地展现了不均匀下垫面条件下边界层内从稳定层结到混合层发展,夹卷层形成,底层逆温层出现,混合层过渡到残留层等的演变过程,呈现出了从初始的稳定边界层发展到对流边界层,最后又形成夜问稳定边界层的日变化规律。湍流二阶量的分析显示,在非均匀下垫面条件下边界层内湍流二阶量的垂直分布与边界层的发展相对应,白天湍流二阶量出现两个峰值,分别位于近地层和混合层顶。与观测资料和现有研究的对比表明,RAMS中陆面模块（LEAF）地表参数不能较好地反映黑河地区的植被特征,模拟的白天地表感热和潜热通量偏小,气温白天偏低、夜间偏高,相对湿度也有偏差。     

三维山体过山气流流场特征的数值模拟

采用高阶矩湍流闭合方案，建立了一个细网格、高分辨率、三维非静力ＰＢＬ数值模式，并由其模拟了三维山体条件下的流场结构和湍流场特征。为反映数值模拟结果的可靠性，对中性条件下三维山体流场进行了风洞试验。与数值模拟结果对比分析表明，数值计算与风洞试验结果有较好的一致性；使用该模式模拟山体条件下的流场结构能取得较好的结果；将模拟结果作为随机游动扩散模式的三维风场及湍流场资料输入，为复杂地形条件下大气污染的研     

用大涡模式研究对流边界层湍流

利用三维对流边界层的大涡模拟模式研究对流边界层湍流统计特征量,模拟结果与前人的同类模拟工作及实验观测结果相比较,得到了一致的结论.       

大气对流边界层中热力湍流过程的研究

本文利用实测资料讨论了对流边界层内的湍流结构,重点分析复盖递温层附近风速和温度的方差以及垂直速度三阶矩的垂直分布。此外,还讨论了对流边界层顶部附近温度的垂直分布,得出温度梯度随高度分布呈—2次幂关系。     

辐射雾中振荡现象的数值研究

本文利用一维二阶矩闭合边界层土壤藕合模式模拟了夜间边界层中辐射雾的形成、发展和消亡过程。结果表明:湍流场和辐射场的相互作用对辐射雾的形成和发展有重要的影响。雾中液态水含量以及一些特征参量呈现准周期振荡变化，这种振荡和雾中湍涡的涨落有关。模拟结果和观测基本符合。     

对流边界层中夹卷作用的研究

本文采用从大涡旋模拟结果得到的湍流交换系数K,用K模式对对流边界层的结构、发展以及其顶部夹卷作用进行了研究。结果表明:边界层顶部夹卷对对流边界层的发展有重要影响;另外,我们把这种从理论上来说仅适用于温度、湿度等标量的湍流交换系数K应用到风速分量的计算中,也取得较好效果。     

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。     

多模式对美国中部草原大气边界层模拟的对比分析

利用DICE试验的4个大气模式(UM、GEM、LMD和WRF)模拟结果,结合探空资料,对比分析了不同模式对1999年10月23—26日美国中部草原白天对流边界层和夜间稳定边界层的模拟效果。结果表明:对于白天对流边界层,不同模式之间存在明显差异,这与各自的边界层参数化方案密切相关。其中,UM和LMD模式中,边界层和自由大气之间强的卷夹作用导致了偏强的湍流混合,进而使模拟的混合层高度高于观测值;GEM模式模拟的白天湍流混合偏弱,边界层为不稳定的大气层结,且模拟的风速在边界层中随高度基本呈递增趋势,但与观测值差异较大;所有模式中WRF模式模拟效果最佳,成功模拟出24日边界层与自由大气之间的水汽干层和低风速区。对于夜间稳定边界层,不同模式之间差异较小。其中,UM和GEM模式模拟的24、25日夜间低空急流偏弱,而LMD和WRF模式模拟的夜间低空急流更接近实况。     

对流边界层中地面源的铅直扩散模拟

对流边界层(CBL)中高架源浓度轴线下倾而地面源浓度轴线上升。本文分析了形成这种相反的几何图象的机理，从而认为:只要能够恰当模拟CBL中铅直湍流结构的特征，一个粒子随机扩散模式应既能模拟高架源的扩散，也能模拟地面源的扩散。因此，用作者早先模拟高架源的模式模拟了地面源的铅直扩散，同样获得较好的结果，进一步证实了模式的有效性。本文还应用Thomson准则检验了模式，讨论了它在理论上的合理性和适用范围。     

一个预测沿岸陆上熏烟扩散的随机游动模式

本文建立了一个对流边界层中的随机游动扩散模式,并用KNRC试验No.64的资料作了验证.然后考虑混合层顶不规则夹卷界面的作用,应用于楠蒂科克沿岸陆上熏烟扩散问题,将模拟的地面轴线浓度与观测资料以及三个熏烟扩散预测模式的结果作了比较.结果表明:模式的模拟效能良好.所有数值计算均可在微机上实现,便于推广应用,更具实用性.     

风切变对边界层对流影响的大涡模拟研究

利用"西北干旱区陆-气相互作用野外观测实验"加密观测期间在敦煌站的观测资料以及大涡模式,模拟了对流边界层的发展,以及示踪物从混合层向残留层传输的时空变化。模拟的对流边界层的结构及演变特征与实测结果基本一致。进一步通过有风切变和无风切变的敏感性数值试验,研究了风切变对垂直速度、位温和示踪物浓度的水平分布以及示踪物传输高度的影响。研究结果表明,在有风切变的试验中(甚至风切变仅存在于近地层中),对流边界层的增长加强,而且示踪物被传输的高度也较高。与浮力驱动的对流边界层相比,由浮力和风切变共同驱动的边界层中上升气流较弱而下沉气流较强,但前者的上升气流与下沉气流的分布在垂直方向上更为倾斜。由于夹卷作用的增强,浮力和风切变共同驱动的对流边界层较浮力驱动的对流边界层暖。在夹卷层,浮力和风切变共同驱动的边界层对流的上升气流和下沉气流都比浮力驱动的边界层对流中的强,而且垂直速度的概率密度函数分布也较对称,其位温和示踪物浓度的概率密度函数分布也比浮力驱动的边界层中的平直。对湍流动能收支的分析也表明风切变对湍流动能有重要影响,尤其对夹卷层中的湍流动能切变产生项影响较大。示踪物浓度的概率密度函数垂直分布显示,浮力驱动的边界层中示踪物浓度随高度变化较小,而浮力和风切变共同驱动的边界层中示踪物浓度随高度递减,但是示踪物传输的高度比较高。     

青藏高原纳木错湖区大气边界层结构分析

利用2007年8月8~19日期间系留气球低探空和GPS无线电探空资料,分析了纳木错湖区大气边界层高度、风、温、湿等要素的垂直结构。结果表明:纳木错湖的冷湖效应推迟了边界层湍流混合及对流边界层出现的时间,边界层高度日变化非常明显,对流边界层高度最高可达1750 m;在晴天条件下,边界层内湖陆风日变化非常明显,湖陆风控制范围常超过边界层高度,可达对流层中部;边界层内比湿变化呈V型变化,白天减小,夜间增大,早晨08:00出现峰值。     

湍流高阶矩模式中的参数研究

该文为高阶矩湍流方程组的二阶矩闭合方案提供了参数组选择。此参数组是用近地层实测资料结合湍流方程二阶矩闭合方案推算出的。然后，将其与Mellor等人在实验室所得的参数组分别代入湍流二阶矩闭合方程组拟合，得动量(ΦM(ξ))、热量(ΦH(ξ))与稳定度(ξ)的二组关系曲线，可见此二组曲线几乎重合，且与Businger野外近地层实测结果符合较好。拟合的垂直速度方差((W*2)1/2(ξ))、温度方差((θ*2)1/2(ξ))与ξ的二组关系曲线相对于UTAH资料，所得曲线偏差比Mellor曲线偏差小得多，而相对于KANSAS资料，所得曲线偏差稍大于Mellor曲线。     

利用大涡模式模拟黄土高原地区对流边界层特征

边界层湍流所引起各物理量的垂直输送在大气过程中起着重要作用。研究对流边界层特征对分析污染物扩散条件,认识陆气间物质、能量的输送交换机制和提高数值模式模拟能力具有重要意义。受限于目前许多地区通量观测站较少、资料时空分辨率较低,为了研究黄土高原地区大气边界层结构及其特征,将中尺度气象模式WRF(The Weather Research and Forecasting Model)与大涡模式WRF Large-Eddy Simulation(WRF-LES)嵌套使用,分析了黄土高原夏季温湿廓线情形下,由热力驱动的边界层结构特征。结果表明:(1)WRF-LES模拟的地面风温场能较好地显示边界层典型湍流结构,其他气象要素的模拟结果也比较符合边界层实际。(2)混合层顶所在的1000 m高度处垂直湍流强度最大,强夹卷作用导致湍涡尺度减小且涡旋数量增多。(3)在模拟区选定的参数化方案下,采用夏季实际粗糙度0.062 m替换模式默认值0.1 m,发现使用实际粗糙度的模拟温度较之前低0.4 K,与模拟区中心处的观测数据更接近,说明采用合理的粗糙度对提高WRF-LES模拟效果有重要作用。