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。     

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。     

绿洲与荒漠相互影响下大气边界层特征的模拟

用发展的二维中尺度土壤－植被－大气连续体数值模式模拟了绿洲与荒漠相互影响下的大气边界层特征。得到了绿洲和临近荒漠之间的边界层高度、风螺线、风速廓线、位温廓线和比湿廓线的差别,并给出了绿洲对其上游和下游荒漠大气的不同影响。基本再现了白天绿洲大气逆温和临近绿洲的荒漠大气逆湿。模拟实验研究不仅验证了外场观测结果,而且也使我们对复杂下垫面边界层结构有了一些新的认识。     

敦煌绿洲夏季边界层特征的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V3．6非静力平衡模式,采用三重嵌套方法,模拟研究了沙漠绿洲的环流及边界层特征。并且与无绿洲试验进行了比较。结果表明：沙漠中的绿洲在夏季是一个冷源,地面感热通量和潜热通量与周围的沙漠地区存在较大差异。在绿洲区,感热通量小,潜热通量大;在沙漠区,感热通量大,潜热通量小。绿洲边界层顶低,沙漠边界层顶高。绿洲可以改变沙漠地区的大气稳定度,使得原来大气层结不稳定的沙漠地区出现较稳定的大气层结。沙漠绿洲改变了原有沙漠地区的环流结构及温、湿场的分布,使得在绿洲上空大气下沉,沙漠上空大气上升,从而产生了绿洲上空大气干冷,沙漠上空大气暖湿的边界特征。绿洲边缘的沙漠形成的较大的湿气柱围绕着绿洲,起到了保护绿洲的作用。沙漠绿洲低空呈现辐散气流,使得绿洲上风方的沙漠地区风速减小,绿洲下风方的沙漠地区风速增大。     

不同尺度绿洲环流和边界层特征的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V3．4非静力平衡模式,通过三重嵌套,模拟研究了西北地区不同尺度绿洲环流及边界层特征,发现不同绿洲系统地面能量和水分的输送是不同的,尺度较小的绿洲其地面潜热大,感热相对小。R度在15km以上的绿洲可以形成绿洲一沙漠环流和绿洲的小气候,有较低的边界层,同时在绿洲边缘的沙漠形成湿气柱。尺度在儿公里的绿洲不能形成绿洲一沙漠环流和绿洲边缘的湿气柱。尺度较大的绿洲形成的温度和湿度边界层结构和环流配合,使绿洲形成具有自我保护的绿洲小气候环境,有利于绿洲生态的发展。     

金塔绿洲大气边界层特征的数值模拟研究

利用美国NCAR中心的天气研究与预报模式WRF(weather Research and Forecast Model),对金塔绿洲的环流场、温度场及湿度场结构及其日变化进行了较为全面细致的模拟研究,WRF模式很好地模拟出了绿洲一沙漠环流的日变化特征和这种局地热力环流的空间结构,模拟再现了绿洲“冷岛效应”和邻近绿洲的沙漠“逆湿”等边界层特征．模拟还发州了白天绿洲湿度场“凹型槽,,式分布的特征。     

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。     

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。     

HEIFE区边界层某些结构特征

我们于１９９１年８，１０月，在ＨＥＩＦＥ实验区的三种下垫面（农田绿洲、戈壁、沙漠）上进行了边界层探测，分析结果表明，被大片戈壁或沙漠包围的绿洲在整个时次上２００－３００ｍ以下边界层内温度低于周围环境，湿度大于周围环境，绿洲“冷岛效应”明显，其影响高度可达２００ｍ。实验区的风具有明显的日变化特征。     

On the nonlinear dynamics of the boundary layer of intense atmospheric vortex

The paper describes a stationary model of the boundary layer of a large-scale vortex. The model takes into account two types of nonlinearities: (1) advection of the momentum and centrifugal accelerations, that is related to large values of the Rossby number; (2) a nonlinear turbulent friction on the lower boundary (generally speaking, not only quadratic, but also more complicated). Nevertheless, the model may be studied analytically. This approach allows discovery and analysis of several universal regularities, which are not revealed by numerical modeling. The model provides the actual values for the speed of the surface wind and the angle of cross-isobar surface flow in the tropical cyclones.     

热带西太平洋边界层的多层结构分析

本文主要利用第一次“中美热带西太平洋海气相互作用联合调查”所获得的海洋水文、气象及大气探测资料,分析了热带西太平洋暖水区边界层大气层结特征,指出热带西太平洋边界层大气具有多层结构和多层送温现象,边界层内各层厚度及气温、位温、混合比随高度的变化趋势如下:超绝热层位于地面以上50m左右,气温、位温、混合比迅速减小,系绝热不稳定层;第一层为混合层,平均厚度为351m,位温、混合比变化不明显;混合层上又是逆温层大多为30—100m厚,位温迅速增大,混合比迅速减小,系绝对稳定层;700—1000m为浅对流云活跃层,     

Ekman动量近似下中间边界层模式中的风场结构

发展了一个准三维的、中等复杂的边界层动力学模式，该模式包含了EKman动量近似下的惯性加速度和Blackadar的非线性湍流粘性系数，它进一步改进了Tan和Wu(1993）提出的边界层理论模型。该模型在数值计算复杂性上与经典Ekman模式相类似，但由于包含了Ekman动量近似下的惯性项，使得该模式比传统Ekman模式更近于实际过程。中详细地比较了该模式与其他简化边界层模式在动力学上的差异，结果表明：在经典的Ekman模式中，由于忽略了流动的惯性项作用，导致在气旋性切变气流（反气旋性切变气流）中风速和边界层顶部的垂直速度的高估（低估），而在半地转边界层模式中，由于高估了流动惯性项的作用，结果与经典Ekman模式相反。同样，该模式可以应用于斜压边界层，对于Ekman动量下的斜压边界层风场同时具有经典斜压边界层和Ekman动量近似边界层的特征。     

WRF模式对青藏高原那曲地区大气边界层模拟适用性研究

采用WRF（Weather Research and Forecasting）模式4种边界层参数化方案对青藏高原那曲地区边界层特征进行了数值模拟,并利用"第三次青藏高原大气科学试验"在青藏高原那曲地区5个站点的观测资料对模拟结果进行验证,分析不同参数化方案在那曲地区的适用性。研究表明,YSU、MYJ、ACM2和BouLac方案对2 m气温和地表温度的模拟偏低。BouLac方案模拟的地表温度偏差较小。通过对能量平衡各分量的对比分析发现,温度模拟偏低可能是向下长波辐射模拟偏低以及感热通量和潜热通量交换过强导致的。对于边界层风、位温和相对湿度垂直结构的模拟,局地方案的模拟效果均优于非局地方案。BouLac方案对那曲地区近地层温度、边界层内位温和相对湿度的垂直分布模拟效果较好。      

Nocturnal stable boundary layer height model and its application

A model of the evolution of the nocturnal stable boundary layer height, based on the heat conservation equation for a turbulent flow, is presented. This model is valid for nights with weak winds and little cloudiness in rural areas. The model includes an expression of vertical profile of potential temperature within the boundary layer, which is obtained using micrometeorological information from Prairie Grass, Wangara and O'Neill Projects. The expression turned out to be a second-grade polynomial of the dimensionless height of the nocturnal stable boundary layer. The resulting model is a function of the Monin–Obukhov length, the surface potential temperature of air and the roughness length. This model was satisfactorily compared with micrometeorological data. It was applied at three stations of Argentina, using surface hourly meteorological information. From the results that were obtained, the monthly average values of the stable boundary layer thickness were analysed. The maximum monthly average values occur during the cold season and the minimum ones take place during the hot season. It was observed that the monthly average thickness increases with latitude.     

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。     

WRF模式边界层参数化方案对西南低涡模拟的影响

应用中尺度数值模式WRF(V3.3版本)选用4种行星边界层参数化方案(YSU、ACM2、MYJ和NOPBL)对2011年6月16—18日造成强降水的西南低涡过程进行敏感性试验,对比分析不同边界层参数化方案对西南低涡过程模拟的影响。模拟结果表明:4种边界层参数化方案均能较好地模拟出西南低涡以及暴雨带的东移,其中YSU方案对低涡路径、强度及降水的总体模拟效果最好。YSU和ACM2方案,与MYJ和NOPBL方案相比,模拟的低涡中心区域正涡度柱和垂直上升运动较强,达到的垂直高度更高。造成这种差异的主要原因是对边界层上的夹卷效应以及垂直混合作用考虑的不同。不考虑边界层作用的NOPBL方案模拟的地表风速异常偏大,造成地表热通量明显偏强、边界层高度偏高。YSU、ACM2和MYJ 3种方案模拟的边界层高度和热通量的日变化比较一致,夜间基本维持少变,白天变化大,其中MYJ模拟的边界层高度和热通量较大,ACM2模拟的较小。地表风速是造成热量输送以及边界层高度模拟差异的主要因子。     

Double-layer structure in the boundary layer over the baltic sea

Double-layered structures found over the Baltic Sea are investigated using radiosoundings and lidar measurements. Situations with double-layer structures are also simulated with the regional model REMO in a realistic manner. The double layer consists of two adjacent well-mixed layers, with a sharp inversion in between.Results from radiosoundings show that the double-layer structure over the Baltic Sea mainly occurs during the autumn with thermally unstable stratification near the surface. The structure is present in about 50 % of the radiosoundings performed during autumn. The presence of the double-layer structure cannot be related to any specific wind direction, wind speed or sea surface temperature.The lidar measurements give a more continuous picture of the time evolution of the double-layer structure, and show that the top of the lower layer is not a rigid lid for vertical transport. Two possible explanations of the double-layer structure are given, (i) the structure is caused by `advection' of land boundary-layer air over the convective marine boundary layer or, (ii) by development of Sc clouds in weak frontal zones connected to low pressure systems. Also the forming of Cu clouds is found to be important for the development of a double-layer structure.     

论大气边界层的局地相似性

本文利用日本气象厅研究所在筑波市213m气象塔1983年观测的湍流资料验证了大气边界层的局地相似性,求出了相似性函数的经验常数.进一步建立了局地湍流统计量同近地面层和边界层顶湍流通量之间的关系.     

大气边界层高度确定及应用研究进展

大气边界层高度是表征边界层特征的重要参量,影响边界层内水热、物质、能量的垂直分布,也是数值模拟、环境评估中的重要参数。从湍流运动、热力作用、动力作用以及物质分布等多视角总结了大气边界层高度的定义及确定方法,回顾了采用直接观测手段和遥感手段确定大气边界层高度的不同方法,对比了大气边界层高度不同获取手段的优缺点,梳理了大气边界层高度参数化方案,探讨了大气边界层高度确定中存在的问题,并提出未来相关研究和应用可能突破方向。