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。     

对流边界层中泡状结构的大涡模拟研究

本文提出“连续垂直运动区”的概念，对边界层中的对流泡状运动进行了重新定义。由此将对流边界层划分为上升泡区、下沉泡区和环境气流区，并利用大涡模拟提供的对流边界层数值模拟结果研究这种泡状运动的结构。研究结果较好地解释了一些有关泡状运动结构方面的似乎相互矛盾的观测事实，并揭示了对流泡状运动的一些新的特征。     

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.       

对流边界层的大涡模拟研究

本文建立了一个均匀平坦地面上对流边界层的大涡模式,模式考虑了水汽,采用了考虑浮力和固壁影响订正的一阶闭合。并用所建模式进行了由热扰动发展的对流边界层的模拟及其对地表热状况变化响应的初步探讨性模拟工作。通过模拟认为,模式较好地反映了对流边界层的主要结构。     

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。     

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。     

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.     

日间对流边界层中的非局地动量混合

日间对流边界层最显著的结构特征是在热力作用下所形成的组织化对流。与小尺度湍涡不同的是,组织化对流具有边界层尺度的垂直相干性,可实现垂直贯穿边界层的非局地物质和能量传输。本文针对对流边界层中的动量混合,探究组织化对流对动量输送的贡献。以高精度大涡模拟数据为研究资料,通过傅里叶变换、本征正交分解和经验模态分解3种滤波方法,分离组织化对流和背景湍涡,计算与两者相关的非局地和局地动量通量,发现与组织化对流相关的非局地动量通量是总通量的重要组成部分,并主导混合层中的垂直动量输送。而后,基于协谱和相位谱分析,探究组织化对流的空间结构对动量传输的影响,发现在热力主导的不稳定环境中,单体型环流结构对动量的传输效率较低。而在风切较强的近中性环境中,滚涡型组织化结构可使垂直和水平流向扰动速度的相位差减小,从而提升动量传输效率。研究结果表明,边界层方案需要包含非局地动量通量项,其参数化应考虑整体稳定度对传输效率的影响。     

对流边界层大涡模式的改进及对夹卷速度的研究

对已建的对流边界层(CBL)大涡模式进行了改进，将次网格闭合方案改为次网格能量闭合，并考虑了水汽的源汇项和水汽相变潜热的作用。通过对均匀下垫面上由热扰动发展的对流边界层的模拟及与实验结果的比较表明，模式较好地模拟了对流边界层的主要物理结构，较好地反映了各物理量之间的对应关系。本文在一定的对流理查森数(Ri*)范围内给出了一些算例，对无量纲夹卷速度(We/W*)进行了研究。结果表明，无量纲夹卷速度随地表热通量(Qs)的增大而增大，随对流边界层上部温度递减率（γ)的增大而减小。当9.06≤Ri*≤45.29时，无量纲夹卷速度We/W*可以拟合成A(Ri*)-1的形式，其中A=0.226。并且与我们的对流槽实验结果，Sullivan等人的大涡模拟结果以及Deardorff等人的对流槽实验结果作了比较，四者吻合较好。     

水平非均匀对流边界层热量平衡和平流输送作用的大涡模拟

采用大涡模拟所获的数据结果，分析地面热通量沿平均风方向存在 突变的条件下对流边界层的热量平衡和平流输送作用。分析表明边界层内模拟所得结果 可以很好地满足热量平衡关系。除地面热通量项以外，平流项（包括水平平流和垂直平 流）对边界层加热率的作用可达地面热通量不均匀性差值的大小，是影响边界层内热量 平衡的最重要因子，平均速度散度项对热量平衡的作用也不可忽略，但湍流通量散度项 的作用则很小。     

VORTEX MOTIONS IN THE ATMOSPHERIC CONVECTIVE BOUNDARY LAYER

Large vortices with scales ranging from hundreds meters to tens of kilometers are generallyfound in the atmospheric convective boundary layer(CBL).These vortices play important roles in the vertical transport of momentum,heat,water vaporand other tracers in the boundary layer.On the basis of the view of interaction between theconvection in CBL and the gravity waves in the upper stable layer the authors developed aconvection-wave theory on the formation of large vortices.According to the theory thewavenumber spectrum of the large vortices mainly depends on the atmospheric conditions in bothof the upper and lower layers,such as wind speed,wind direction shear,stratification as well astemperature jump.In the present paper satellite image and weather data in a case of cold air outbreak over warmocean are analyzed to study every stage of the convective processes,such as cloud street,convective cell as well as their transformation.According to the theory the wavenumbercompositions for cloud street and convective cell are calculated,respectively,on the basis of theatmospheric conditions at every stage.The distributions of vertical motions,convergent band anddisturbed interface are obtained and compared with the cloud patterns in the convective processes.Thus the study seems to offer a likely explanation for the origin of large vortices in CBL.     

VORTEX MOTIONS IN THE ATMOSPHERIC CONVECTIVE BOUNDARY LAYERM*

Large vortices with scales ranging from hundreds meters to tens of kilometers are generally found in the atmospheric convective boundary layer(CBL).These vortices play important roles in the vertical transport of momentum,heat,water vapor and other tracers in the boundary layer.On the basis of the view of interaction between the convection in CBL and the gravity waves in the upper stable layer the authors developed a convection-wave theory on the formation of large vortices.According to the theory the wavenumber spectrum of the large vortices mainly depends on the atmospheric conditions in both of the upper and lower layers,such as wind speed,wind direction shear,stratification as well as temperature jump.In the present paper satellite image and weather data in a case of cold air outbreak over warm ocean are analyzed to study every stage of the convective processes,such as cloud street,convective cell as well as their transformation.According to the theory the wavenumber compositions for cloud street and convective cell are calculated,respectively,on the basis of the atmospheric conditions at every stage.The distributions of vertical motions,convergent band and disturbed interface are obtained and compared with the cloud patterns in the convective processes.Thus the study seems to offer a likely explanation for the origin of large vortices in CBL.     

论边界层中的大气扩散PDF模式

基于大气扩散Ｋ理论，用作为风速脉动均方差和拉氏时间尺度函数的湍流交换系数，得到了直接利用风速脉动几率密度而不用扩散参数的大气扩散ＰＤＦ模式。分别研究了对流边界层上升气流区与下降区垂直速度的统计特征，求得双正态ＰＤＦ模式。在给定ＣＢＬ自身参数如对流特征速度ｗ＊，顶高ｈｉ和源高度上的平均风速时，该模式计算出的无量纲浓度分布与室内外测试结果一致。     

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。     

圆形涡旋非线性大气边界层中风的分布

在圆形涡旋的行星边界层中,考虑梯度风随半径变化的一般情况,在K=l2|∂V/∂z|的假定下,解边界层运动方程得到风及边界层某些参数的分布.还计算了边界层顶部的垂直速度,并将其与某些其他工作中的垂直速度作了比较.     

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     

试探大气边界层湍流运动的若干问题

对湍流运动的几个基本理论问题作了一定程度的探讨，并根据湍流动能方程分析了大气边界层湍流产生和发展的能量机制，以此为判据推导了滴运动的凡主范围和物理含意较为清楚的混合长表达式。     

ON THE PDF MODELS FOR ATMOSPHERIC DIFFUSION IN BOUNDARY LAYER

In this paper, taking its turbulent exchange coefficient as a function of the Lagrangian timescale and standard variance of the turbulence in atmosphere, the atmospheric dispersion PDFmodels are obtained on the basis of atmospheric diffusion K-theory. In the model the statistics ofwind speed are directly used as its parameters instead of classic dispersion parameters. The bi-Gaussian PDF is derived in convective boundary layer (CBL), from the statistics of verticalvelocity in both of the downdraft and updraft regions that are investigated theoretically in the otherpart of this paper. Giving the driven parameters of the CBL (including the convective velocity scalew* and the mixing depth h_i) and the time-averaged wind speed at release level, the PDF model isable to simulate the distribution of concentration released at any levels in the CBL. The PDF'ssimulations are fairly consistent with the measurements in CONDORS experiment or the resultsbrought out by some numerical simulations.     

梅雨锋暴雨的Doppler雷达观测研究:边界层中尺度涡旋系统

使用南京气象学院的Ｄｏｐｐｌｅｒ雷达资料分析了１９９１年７月９日的江淮梅雨锋大暴雨过程。结果表明：当天的大暴雨与边界层中尺度涡旋系统活动密切相关,同时揭示了暴雨区大气低层的气流垂直结构特征。