黄海海雾WRF数值模拟中垂直分辨率的敏感性研究

基于WRF模式探究不同垂直分辨率下模式对黄海海雾的模拟表现。将3种垂直分层方案（35η、44η与63η）和2种边界层方案（YSU、MYNN）组合,对10次海雾做模拟研究。统计分析了水平雾区与雾顶高度对垂直分辨率的敏感性,并利用1次典型个例剖析了雾顶长波辐射与雾体湍流的作用。统计结果显示,提高垂直分辨率能显著改进水平雾区的模拟效果,改善明显的个例在不同垂直分辨率试验下的雾顶高度差异也较大;YSU方案相比于MYNN方案更敏感,从35η层增至44η层其试验个例的击中率（POD）和公正预兆得分（ETS）的平均改进率分别提高了13.29%和10.22%。典型个例研究结果揭示,模式对雾顶长波辐射和雾体湍流作用的模拟程度强烈依赖垂直分辨率：粗垂直分辨率给出的湍流强度很弱,导致模拟失败;雾顶存在“云水含量增多→长波辐射增强→降温加大→云水含量增多”的正反馈过程,细垂直分辨率比粗垂直分辨率更容易维持与增强此反馈;只有细垂直分辨率才能模拟出雾顶长波辐射冷却产生的贯穿雾体直抵海面、强度不弱于近海面机械湍流的浮力湍流,它导致雾体降温而出现符合观测事实的海温高于气温的现象。     

强台风海鸥登陆期间近地层风特性分析

利用位于海南文昌市的90 m测风塔观测的强台风海鸥多层测风数据,分析了台风海鸥登陆期间近地层风场时空特征、湍流强度、垂直风切变及阵风因子等风场特性,分析结果表明:台风海鸥登陆期间,近地层各高度风速呈现"M"型双峰特征,最大风速出现在台风后风圈;台风过境前后,风向旋转了180°;近地层风速随高度升高而增大,各高度风速垂直切变符合对数和指数规律;粗糙度长度、风廓线幂指数、湍流强度、阵风系数等风场特性与风速呈负相关关系,随着风速的增加而降低;从台风外围至台风眼,粗糙度长度随风速呈现"增大-减小-增大"特征;台风眼内部风速垂直切变剧烈,前后风圈的风速垂直切变较弱;强风区湍流强度较弱,弱风区湍流强度较强;台风风圈的湍流强度随高度增加而减小,台风眼内湍流强度随高度先减小再增加;台风影响各阶段阵风系数随高度升高而减小,各高度层阵风系数遵循指数定律;阵风系数随风速的增大而减小,当风速达到一定强度时,阵风系数随风速变化不明显。     

IEC的风机选型参数估算方法在中国的适用性研究

国际电工委员会编制的《风力发电机组设计要求》(IEC 61400-1)推荐了针对风电机组安全等级评估的极端风速和湍流强度特征值估算方法,因其简单便捷,在风电领域被广泛采用。利用全国风能资源专业观测网的193座测风塔观测数据,对IEC推荐的极端风速计算方法与我国规范推荐的基于极值I型概率分布方法进行比较,发现两种方法计算的193座塔70 m高度层50年一遇10 min平均最大风速,仅有7座测风塔较为一致,差异在±1%;IEC推荐方法的计算结果多数偏小,其中偏小10%以上的测风塔有121座,偏小30%以上的有44座测风塔,而偏大10%以上的只有9座测风塔;IEC方法计算的极值风速大幅度偏小的测风塔主要分布在台风影响的东南沿海地区,偏差较小的测风塔主要分布在西北和华北地形平缓区域,但同时偏大10%以上的测风塔也多分布在这一地区。以目前行业领域普遍采用的以15 m·s~(-1)风速的平均湍流强度作为风电机组选型指标,与严格按照规范,以15 m·s~(-1)风速段所有样本湍流强度的90%分位数处的值作为指标进行风电机组等级确定作对比,发现193座塔中有46座塔的选型是不安全的,甚至相差两个等级。     

两方程湍流模型对内背风波数值模拟的影响

为了深入理解非静力近似下的波-湍相互作用问题,本研究在σ坐标的海洋环境研究和预报模型(MERF)中引入常用的Mellor-Yamada两方程湍混合参数化方案(MY2.5),评估垂向湍混合对小尺度背风波传播过程的影响.瞬时状态场的模拟结果表明,无论是否为非静力近似条件,上述湍参数化方案的引入都会减弱背风波传播的模拟效果.从时间平均场的试验结果来看,垂向湍混合过程会显著减小非静力近似和静力近似之间的差异.此外,能量收支分析的诊断结果表明,MY2.5方案会显著抑制陆坡地形下的背风波传播过程,进而将更多的潮能转化到不可逆的湍混合过程中.     

辽宁绥中地区海陆风的多普勒测风激光雷达观测与特征提取

2019年3月,利用相干多普勒测风激光雷达首次在辽东湾西部绥中地区进行了风廓线测量试验。根据研究区域海岸线走向采用风向的十六分位法定义局地海风和陆风,分析和提取海陆风特征验证了多普勒测风激光雷达在春季季风间断期间观测海陆风的可行性,并计算和分析了大气边界层湍流能量的变化以及回流水平变化等特性。结果表明：1）绥中地区春季存在明显的海陆风环流特征,测风激光雷达观测海陆风出现的时间与地面自动气象站观测的数据较为一致,符合海陆风日的定义。2）海陆风日发生时,水平局地回流指数（RF）较小,1.2 km以下的RF值小于0.5,使得污染物循环累积,较易形成雾霾天气;但是海风时大气边界层的高度可达1 km以上,有利于低层大气污染物向高层扩散,减轻低层大气污染。研究结果为该地边界层参数化方案的设计和污染的防治提供了参考依据。     

湍流能谱与分数维

本文首先根据间隙湍流结构的自相似性和KdV—Burgers方程的鞍—焦异宿轨道行波解,求得了间隙湍流的分数维D与波数比b以及D与自相似结构尺度R的关系;其次,模拟了在不同R下的D—b关系以及不同b下的D—R关系;最后,还求得了湍流能谱和分数维以及能谱指数与D的关系。模拟结果表明,(d|β|/dD)>0,这和A.J.Chorin的结论是一致的。     

HEIFE戈壁地区近地层大气的湍流结构和输送特征

根据黑河地区地气相互作用实验研究(HEIFE)1988年POP和1990年PIOP实验的观测资料,分析了戈壁地区近地层大气的湍流结构,主要是风速分量和温度方差的相似关系,以及各有关量的功率谱和湍流通量的协谱。1988年POP期间发现的戈壁近地层大气中白天经常出现的水汽由上而下输送等特殊现象,在1990年PIOP中得到进一步的验证。文中分析了有关物理机制,认为这一现象和众所周知的“绿洲效应”是戈壁-绿洲这一地区性中尺度环流影响的两个侧面。     

一个非定常边界层模式的设计

对一般的非定常边界展模式,在铅直坐标的变换、时间差分方案的确定、湍流交换系数K的选取等方面,进行了一系列的试验和比较,得到一个优化方案。结果表明:该优化方案具有较大的、较广泛的实用性。但是,即使在其它方面被优化的模式,仍然存在着对不同K公式的协调性问题。     

风沙湍流的间隙性,稳定性分布及分形特征

根据风沙湍流本身的不均匀性、间隙性,用稳定性分布研究了含沙量M随高度h的变化得M(h)∝h~(-D),求得分维D=2.36(h>10cm),D=1.465(h<10cm),速度分布W(|u|)=a_2|u|~((-D)/(2-1))。沙粒扩散<|x(t)|>∝t~(2/D);结合Kdv-Burgers方程的行波解,得风沙流的标度律(υ/β)ξ Dlnh=A,揭示了耗散性υ、弥散性β、风速ξ和高度h之间的一种本质联系。被空气湍流吹动的沙粒起始半径r_e=(c’/(5-D)ρ)[(β/υ)In(E_1/E_2)]~((5-D)/3),起动风速V_1=V_(2exp)[(υ/2β)γ_c~3ρ~3(2.65/c’)~3],最后讨论了风沙流的多重分形特征。     

核爆炸玻璃、撞击玻璃和玻璃陨石源岩

本文根据核爆炸岩石熔融玻璃的地球化学研究结果,与超速陨石撞击坑的熔岩进行比较,获得在远离热力学平衡条件下,各种玻璃和熔岩在化学成分上分布十分均匀的重要结论。岩石玻璃和熔岩是由基岩各组成岩石按一定比例混合熔融形成的。它们的主量元素和痕量元素丰度受基岩元素背景值制约。文中根据熔体和靶岩的化学成分,计算了熔岩各组成岩石的百分比。玻璃陨石是地壳岩石受撞击熔融形成的。同一撒布区的玻璃陨石化学成分相近,说明起源于同一源坑;而玻璃陨石化学成分的不同,则说明母岩组成分量的差异。因此,文中通过模拟计算,得出各玻璃陨石的组成源岩。澳大利亚撒布区的玻璃陨石,Al₂O₃,K₂O 和Na₂O 与 SiO₂及 K₂O/Na₂O 比值不完全相同,说明澳大利亚撒布区存在着几个不同的源岩和源坑,至少有印支、爪哇、菲律宾和澳大利亚四个相应撞击坑。