下垫面特性突变时的内边界层数值研究

本文建立了一个考虑层结的二维内边界层数值模式,研究了下垫面粗糙度、温度、湿度突变引起的内边界层。结果表明:下垫面温度突变引起的温度内边界层与下垫面粗糙度突变引起的速度内边界层具有明显的差异。     

海面对流边界层垂直结构的数值模拟

冬季冷空气爆发进入暖海面时,海面边界层属与典型的对流边界层。此情况下,一般而言梯度输送理论(即一阶K闭合方法)是无能为力的。Wgnsaard(1984)提出了被动保守标量场的底直向上(bottom-up)和顶直向下(top-down)湍流交换模型。本文将它推广应用到风场相温度场,并用它模拟了冷气团入海期间海面边界层的结构。与实测资料比较,两者能吻合较好。     

盆地绿洲边界层特征的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V3．5非静力平衡模式,通过三重嵌套的降尺度方法,没计理想化的圆形盆地地形和绿洲,模拟研究了盆地绿洲环流及边界层特征。发现盆地感热随地形高度而变化潜热随地形高度没有变化,仅与下垫面特征有关。盆地绿洲感热小,潜热大,绿洲气候效应明显。盆地绿洲形成的环流与地形环流一致,这有利于加强地形环流。但地形形成的环流强度比绿洲环流要弱得多。盆地绿洲对大气边界层的湿度影响很明显。绿洲的水汽输送通过地形下沉气流加强,使山谷绿洲的气候效应得到加强。结果表明,盆地绿洲由于其地形环流与绿洲环流一致,故使绿洲效应加强。     

北京海淀地区大气边界层的数值模拟研究

采用北京大学的三维复杂地形中尺度数值模式,利用Landsat-TM卫星影像图得到的地表状况计算陆气之间的能量平衡过程,模拟了北京海淀地区大气边界层的风、温场结构以及污染物浓度分布,进而模拟了由于汽车尾气的排放而转化成的气溶胶的浓度分布.模拟表明城郊之间存在热岛效应,边界层风场受到热岛的热力作用以及地形的动力作用影响.污染物及气溶胶浓度也存在城乡差别,最大浓度出现在城区的下风方向.     

城市湍流边界层内汽车尾气扩散规律数值模拟研究

以纳维斯托克斯方程组、大气平流扩散方程、湍流动能及湍流动能耗散率方程组为基础．采用伪不定常方法,建立了一个数值模式．利用该模式列城市湍流边界层内流场结构及汽车排放污染物扩散规律进行了研究。结果表明：街谷内会形成一个涡旋型流场．汽车排放污染物浓度在地面及建筑物背风面产生堆积,且其沿高度方向的梯度变化在背风面大．迎风而小。随着街谷两侧建筑物屋顶风速的增大,峡谷内形成的涡旋流场的强度增大,污染物扩散速率增大：当屋顶来流与街道之间的夹角逐渐增大时．涡旋中心位置由街道中心偏向于背风面及更高层且污染物扩散速度加快。     

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.     

复杂地形边界层风场的三维局地尺度数值模拟

设计了一个基于有限元方法的中γ尺度复杂地形条件下的三维非静力边界层风场数值模式,利用该模式对河南省登封市阳城工业区周围的实际三维地形进行了数值模拟,并将模拟结果与河南省气象科学研究所的实测资料进行了对比。结果表明,模式对峡谷地形的加速作用、山体的抬升与绕流均有较好的模拟,但是对背风坡涡旋的模拟不太理想。与实测资料的对比显示,在一定的条件下,模式可以得到较好的模拟结果。     

边界层参数化方案对暴雨数值模拟的影响

选取2003年7月4-5日南京暴雨个例，采用非静力中尺度模式MM5进行模拟，着重研究了不同边界层参数化方案对雨量中心强度、雨区分布的影响。结果表明：对于不同的边界层参数化方案，垂直速度场、水汽通量散度场、涡度场、水平风场的散度以及θse场都表现出不同的特征；合理边界层方案的引入对预报效果有明显的改进；结合边界层和自由大气的动力、热力结构进行了综合分析，给出了边界层作用与自由大气动力、热力结构的配置情况。说明这种配置对暴雨的形成是至关重要的。     

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。     

Numerical Study of Boundary Layer Structure and Rainfall after Landfall of Typhoon Fitow(2013): Sensitivity to Planetary Boundary Layer Parameterization

The boundary layer structure and related heavy rainfall of Typhoon Fitow(2013), which made landfall in Zhejiang Province, China, are studied using the Advanced Research version of the Weather Research and Forecasting model, with a focus on the sensitivity of the simulation to the planetary boundary layer parameterization. Two groups of experiments—one with the same surface layer scheme and including the Yonsei University(YSU), Mellor–Yamada–Nakanishi–Niino Level 2.5,and Bougeault and Lacarrere schemes; and the other with different surface layer schemes and including the Mellor–Yamada–Janjic′ and Quasi-Normal Scale Elimination schemes—are investigated. For the convenience of comparative analysis, the simulation with the YSU scheme is chosen as the control run because this scheme successfully reproduces the track, intensity and rainfall as a whole. The maximum deviations in the peak tangential and peak radial winds may account for 11% and 33%of those produced in the control run, respectively. Further diagnosis indicates that the vertical diffusivity is much larger in the first group, resulting in weaker vertical shear of the tangential and radial winds in the boundary layer and a deeper inflow layer therein. The precipitation discrepancies are related to the simulated track deflection and the differences in the simulated low-level convergent flow among all tests. Furthermore, the first group more efficiently transfers moisture and energy and produces a stronger ascending motion than the second, contributing to a deeper moist layer, stronger convection and greater precipitation.     

边界层方案对华北低层O3垂直分布模拟的影响

利用WRF-Chem模式,采用3种边界层参数化方案 (YSU, MYJ和ACM2),针对1个晴空、静稳日 (2013年8月26日20:00—27日20:00(北京时)) 进行模拟,着重分析不同边界层参数化方案对夜间残留层形成及日出前后O₃浓度垂直分布形式的模拟效果,并与固城站地面及垂直同步观测资料进行对比。结果表明:3种边界层参数化方案均能够模拟出温度及风速的区域分布形式以及风温垂直结构的变化特征;相比之下,MYJ方案模拟的夜间边界层高度较YSU方案和ACM2方案明显偏高,该对比结果可能是导致近地面污染物浓度模拟差异的重要原因;在夜间稳定层结至日出后稳定状态打破的边界层结构演变过程中,采用YSU方案和ACM2方案模拟的温度和风速垂直扩线形式与观测结果更为接近;同样采用非局地闭合的YSU方案和同时考虑局地和非局地闭合的ACM2方案,对于边界层高度内O₃浓度垂直分布形式的模拟效果具有明显优势。     

Large-Eddy Simulation Of The Stably Stratified Planetary Boundary Layer

In this work, we study the characteristics of a stably stratifiedatmospheric boundary layer using large-eddy simulation (LES).In order to simulate the stable planetary boundary layer, wedeveloped a modified version of the two-part subgrid-scalemodel of Sullivan et al. This improved version of themodel is used to simulate a highly cooled yet fairly windy stableboundary layer with a surface heat flux of(W)_o = -0.05 m K s^-1and a geostrophic wind speed of U_g = 15 m s^-1.Flow visualization and evaluation of the turbulencestatistics from this case reveal the development ofa continuously turbulent boundary layer with small-scalestructures. The stability of the boundary layercoupled with the presence of a strong capping inversionresults in the development of a dominant gravity wave atthe top of the stable boundary layer that appears to be relatedto the most unstable wave predicted by the Taylor–Goldsteinequation. As a result of the decay of turbulence aloft,a strong-low level jet forms above the boundary layer.The time dependent behaviour of the jet is compared with Blackadar'sinertial oscillation analysis.     

山丘地形的陆面过程及边界层特征的模拟

将模式NP-89的陆面过程参数化方法应用到北京大学的三维复杂地形中尺度数值模式中, 得到了一个较理想的三维陆面过程及边界层模式, 利用这个改进的三维模式对20 km×20 km范围的山丘地形的陆面过程及边界层特征进行了数值模拟。模拟结果表明, 由于地形阻挡所造成山后的湍流较山前强, 进而造成近地面温度梯度和感热支出小, 最终造成山后的温度比山前的温度明显偏高; 而且随着山高的增加, 这种现象更加明显, 即该模式对山丘地形条件下的陆面过程和大气边界层特征具有较强的模拟能力; 模拟结果合理, 对研究过山气流形成机制、起伏地形大气边界层物理特征和污染物的扩散具有理论和应用价值。     

沙漠-绿洲大气边界层结构的数值模拟

利用美国NCAR新版中尺度MM5V3．6非静力平衡模式,采用三重嵌套的模拟方法,模拟研究了沙漠绿洲的环流及边界层特征。结果表明：在没有西风气流背景的影响下,绿洲沙漠环流和大气边界层结构是对称的。沙漠绿洲改变了原有沙漠地区环流结构及温、湿场的分布,绿洲上空大气下沉,沙漠上空大气上升,从而产生了绿洲上空大气冷干,沙漠上空大气暖湿的边界层特征。绿洲边缘形成了由干到湿的强湿度梯度带围绕着绿洲,起到了保护绿洲的作用。在有西风背景气流的影响下,绿洲沙漠环流和大气边界层结构是非对称的。但是,西风背景气流的存在可以破坏绿洲系统对称的环流结构,不利于绿洲系统的稳定发展。     

一个对流边界层大涡模式的建立与调试

本文介绍一个适合于对流边界层的大涡模式的建立及其调试结果。该大涡模式建立过程中注重于计算的节省，同时也强调原理与方法的简单和合理性。模式的调试表明，对于平坦均一地形的情况，模拟可以获得合理的结果。调试同时显示了模式对较低水平分辨率的适用条件，以及模式应用于模拟较大水平范围问题的可能性。     

Observation-based Estimation of Aerosol-induced Reduction of Planetary Boundary Layer Height

Radiative aerosols are known to influence the surface energy budget and hence the evolution of the planetary boundary layer. In this study, we develop a method to estimate the aerosol-induced reduction in the planetary boundary layer height(PBLH) based on two years of ground-based measurements at a site, the Station for Observing Regional Processes of the Earth System(SORPES), at Nanjing University, China, and radiosonde data from the meteorological station of Nanjing. The observations show that increased aerosol loads lead to a mean decrease of 67.1 W m-2for downward shortwave radiation(DSR) and a mean increase of 19.2 W m-2for downward longwave radiation(DLR), as well as a mean decrease of 9.6W m-2for the surface sensible heat flux(SHF) in the daytime. The relative variations of DSR, DLR and SHF are shown as a function of the increment of column mass concentration of particulate matter(PM2.5). High aerosol loading can significantly increase the atmospheric stability in the planetary boundary layer during both daytime and nighttime. Based on the statistical relationship between SHF and PM2.5column mass concentrations, the SHF under clean atmospheric conditions(same as the background days) is derived. In this case, the derived SHF, together with observed SHF, are then used to estimate changes in the PBLH related to aerosols. Our results suggest that the PBLH decreases more rapidly with increasing aerosol loading at high aerosol loading. When the daytime mean column mass concentration of PM2.5reaches 200 mg m-2, the decrease in the PBLH at 1600 LST(local standard time) is about 450 m.     

边界层过程对"98·7"长江流域暴雨预报影响的数值试验研究

通过ETA模式对"98@7"长江流域暴雨过程的数值试验研究,讨论了行星边界层过程对暴雨数值预报的影响,结果表明边界层过程在这次暴雨预报中有重要作用.具体结论为:(1)降水大范围落区是受大尺度流场所决定的,但边界层过程对暴雨预报具有重要的作用;(2)不考虑边界层过程会影响对天气系统的正确预报,包括影响大气低层的运动场、水汽及大气不稳定度,从而影响暴雨的预报;(3)从时间层次上看,由于地表通量有着显著的日变化,边界层过程的作用不仅与暴雨本身发生发展及消亡的阶段有关,也与各阶段的时间(白天或夜间)有联系;(4)在空间范围内,边界层过程对大气的影响是通过大气流场重新分布来影响降水的环境条件,故地表通量分布和低层流场的相互配置作用十分重要.长江南北的情况有所不同,长江流域南侧区是地表通量的大值区,也是长江流域雨区水汽和不稳定能量的源区,它对长江流域的暴雨可能有着更为重要的作用.