大涡模式水平分辨率对边界层夹卷过程及示踪物垂直传输的影响

利用敦煌干旱区野外加密观测资料,结合大涡模式模拟研究模式水平分辨率对边界层对流、夹卷过程及示踪物垂直传输的影响。结果表明:模式水平分辨率越高,模拟的边界层对流泡个数越多,尺度越小,且对流强度越强;提高模式水平分辨率,夹卷层位温方差增大,水平速度方差减小,垂直速度方差增大,且上升冷气流对夹卷层热通量的贡献最大。模式水平分辨率越高,垂直速度、位温及示踪物绝对质量浓度概率密度函数分布变化范围相对越广,且模拟的细微变化特征越清晰。另外,提高模式水平分辨率,模拟的示踪物空间分布特征更加细致,示踪物传输高度也较高。综合考虑到分辨率越高在模拟过程中产生的噪音越大且计算时间越久等问题,认为采用200 m水平分辨率时,模式既能较好地模拟出边界层对流的平均结构,又能模拟出边界层湍流的较细微分布特征,是较为理想的选择。     

数值模式垂直分辨率对台风大涡模拟的影响

随着计算能力的提升,台风数值模拟大量采用了大涡尺度模拟,其水平分辨率已达到数10 m的量级,而垂直分辨率提升不大,其问题是数值模式的垂直分辨率对台风大涡模拟的影响如何?因此,本文利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式开展理想台风模拟,在不同的模式垂直层次(42,69和90层)...     

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。     

边界层对流对示踪物抬升和传输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"加密观测期间敦煌站的实测资料以及大涡模式, 通过一系列改变地表热通量和风切变的敏感性数值试验, 分析了地表热通量和风切变对边界层对流的强度、形式, 以及对对流边界层结构和发展的影响。模拟结果显示风切变一定, 增大地表热通量时, 由于近地层湍流运动增强, 向上输送的热量也较多, 使对流边界层变暖增厚, 而且边界层对流的强度明显增强, 对流泡发展的高度也较高。当地表热通量一定, 增大风切变时, 由于风切变使夹卷作用增强, 将逆温层中的暖空气向下卷入混合层中, 使对流边界层增暖增厚, 但是对流泡容易破碎, 对流的强度也较弱。另外通过在模式近地层释放绝对浓度为100的被动示踪物方法, 用最小二乘法定量地分析了地表热通量和风切变分别与示踪物抬升效率和传输高度的关系。分析结果表明, 风切变小于10.5×10-3 s-1时, 增大地表热通量加强了上层动量的下传, 使示踪物的抬升效率也线性增大;地表热通量小于462.5 W m-2时, 增大风切变减弱了边界层对流的强度, 从而使示踪物的抬升效率减弱。当风切变一定时, 示踪物的平均传输高度随地表热通量增加而增大, 而地表热通量一定, 只有风切变大于临界值时, 示踪物平均传输高度才随风切变的增加而增大, 而临界风速的大小由地表热通量决定。     

西南涡对流云中夹卷率的模拟研究

本文使用中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecasting Model)模拟了2010年7月8—9日发生在四川盆地的一次西南涡降水天气过程,并计算该过程中零度层以下对流云中的夹卷率。从云内垂直特征看:云内的含水量、垂直风速和浮力都在云底之上随高度递增,而在云顶附近随高度递减;云内的湿静力能则主要随高度递减;夹卷率在云底以上随高度递减,而在云顶附近随高度递增,但是云顶高度越高,在云顶附近的递增趋势越不明显。另外,夹卷率和云内的云水、雨水含量都呈负相关,说明夹卷抑制了对流云的发展以及地面降水。当假设被夹卷的环境空气来自云边界附近时,计算所得的夹卷率值要大于假设夹卷空气远离云边界所得值,但这两种假设中夹卷率的其他特征是类似的。从演变特征看,夹卷率总体上随时间减小,这和这段时间内对流云整体发展增高有关。     

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。     

P-σ坐标区域气候模式的垂直分辨率对模拟结果的影响

在原五层P σ坐标模式的基础上 ,发展了一个九层 1°× 1°P σ坐标区域气候模式 ,并用多年平均的NCEP再分析资料月平均场与五层模式进行了模拟对比检验。对比检验表明 ,改进后的九层模式对高度场、温度场及降水场的模拟均要优于原五层模式。对于风场的模拟 ,在冬季对流层中下层 ,九层模式的模拟要好于五层模式 ,夏季九层模式的模拟不如五层模式。但总的来讲 ,垂直分辨率的提高对P σ坐标模式的模拟具有较显著的改进效果 ,这为进一步发展区域海气耦合模式打下了基础     

对流边界层发展受覆盖逆温影响的大涡模拟研究

本文运用大涡模拟方法研究了存在覆盖逆温时对流边界层顶部的夹卷过程特征,并通过敏感性试验着重分析了在此情况之下的夹卷速度参数化问题,以及风切变的作用。模拟结果表明,初始覆盖逆温改变了夹卷层的结构特征,使得夹卷层结构参数明显增大,风切变使这一效应略有增强,以往关于夹卷速度的参数化方案不再适用。分析研究表明,在有覆盖逆温的情况下,夹卷层结构参数是控制夹卷速度的关键因子,应该将夹卷层结构参数作为变量引入夹卷速度参数化方案,该方案能够很好地预报出受覆盖逆温影响的对流边界层的发展过程。     

大涡模式分辨率对海洋信风区大气边界层结构和演变模拟的影响

利用BOMEX（巴巴多斯海洋与气象学试验）的探空资料和LEM（大涡模式）,通过改变LEM水平分辨率的敏感性数值试验,对比分析不同尺度的湍涡对信风积云边界层中混合层和云层的结构、演变以及对流形式和强度的影响。结果表明,水平分辨率较高时模拟的湍涡尺度较小、混合层顶的夹卷作用较强,模拟的混合层较暖、较干,而且模拟的对流泡尺度较小、强度较大,能够模拟出较精细的边界层结构;而水平分辨率较低时则相反。模拟的湍涡尺度对海洋信风区边界层积云中液态水混合比的模拟结果影响较大:LEM模拟的湍涡尺度较小时模拟的信风积云形成的时间较早、云顶高度较高,单个云块的体积较小但数目较多,液态水含量较高;而模拟的湍涡尺度较大时则相反。虽然水平分辨率为50 m和125 m的试验都能模拟出较精细的信风边界层中混合层、云层的结构和演变特征,但是,考虑到提高分辨率在模拟过程中产生的噪音信号对结果的影响以及计算时间等问题,LEM采用125 m的水平网格距是对海洋信风边界层积云对流模拟较为理想的选择。      

绿洲灌溉对垂直湍流热通量影响的大涡模拟研究

为了研究湍涡对中尺度绿洲灌溉的响应,利用WRF模式大涡模拟模块（WRF-LES）在西北半干旱区绿洲区开展灌溉前和灌溉后两个大涡模拟试验（分别简称为BI和AI）,其中灌溉可能会改变绿洲非均匀强度。利用面积平均的办法计算湍流热通量并利用小波分析将湍流热通量模态分解到不同的尺度。结果表明灌溉增加了土壤湿度,引起绿洲内部非均匀强度增加,灌溉对垂直热通量以及通量频散都有较大影响。AI中的湍涡为网状,与BI中一致。AI与BI中的感热通量的频散高度都随着感热通量的减小而减小。AI与BI中感热通量小波能量谱尺度一致,但是BI中强度比AI小。潜热通量的频散高度依赖于感热通量,且潜热通量能量谱随高度减小。空间滞后相关系数的结果表明由于灌溉前地表加热较强,感热通量对地表热通量的响应高度在灌溉之前（BI）比灌溉后（AI）更高。灌溉后的通量模态的飘移距离小于灌溉前的。     

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。     

建筑物对大气污染物扩散影响的大涡模拟

利用一个大涡模式对一个方形建筑物周围的气流场进行了模拟,并与相应的风洞实验结果进行比较,对比结果表明大涡模拟方法可以精细地反映建筑物周围的流场特征.在此基础上,将拉格朗日随机游动扩散模式与大涡模式相结合,对在受建筑物影响的气流场中的大气污染物扩散进行模拟,模拟结果表明该方法可以很好地模拟出在建筑物影响下的气流变形所引起的各种污染物散布情况.建筑物周围的气流结构特性使得建筑物顶部污染源位置的细小变化可能造成建筑物周围污染物分布形势的很大不同,特别是对建筑物背风侧的空腔区内地面污染物浓度有着很大的影响.当排放     

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。     

基于大涡模拟的冬奥赛区风环境精细化评估

风是北京冬奥会场外赛事考虑的首要气象因素, 精细评估竞赛场地核心区域风环境对赛道施工建设、遴选防风方案及赛事安排非常必要。以北京冬奥会延庆赛区为中心, 将2009—2021年冬奥赛事月份(2—3月)天气环流场进行客观天气环流分型(分为93组), 采用北京城市气象研究院睿图-大涡模式系统对各组的典型个例开展37 m×37 m分辨率风场模拟。利用赛道周边12个自动气象站数据检验结果显示: 2 m温度、10 m风速和风向平均偏差分别为0.45℃, 1.51 m·s-1, 11.23°, 预报技巧较高。基于分型模拟数据获得赛场平均风、极大风分布及大风风险概率, 高山滑雪赛场赛道起点平均风速为15 m·s-1, 超出影响决策点概率为60%, 风险较大; 而赛道中、后段风险较小, 超过影响决策风速概率小于2%。     

WRF模式分辨率对新疆异常降雨天气要素模拟的影响

利用新一代中尺度气候数值模式WRF对中国西北干旱典型地区——新疆2000年10月的异常降雨事件进行模拟,主要研究了不同水平分辨率、垂直分辨率以及不同积云参数化过程对气温、降雨和土壤温度模拟的影响。结果表明：不同分辨率的模拟基本上均模拟出了地面气温的分布特征,且随着水平分辨率的提高,模式模拟能力显著提高,对地面气温值、分布范围的模拟渐趋合理,同时模式对于地形引起的温度分布变化的模拟更加趋近实际。水平分辨率、垂直分辨率的提高同样改善了模式对降水的模拟能力,分辨率的提高不仅改进了模式对降雨分布区模拟的精度,也增强了对于地形引起的降雨变异的模拟能力。在土壤温度模拟上,不同分辨率的试验均能模拟出土壤温度的分布特征,较高水平分辨率有利于描述土壤温度分布细节,但更容易出现“数值点风暴”现象。     

壁面局部粗糙对大涡结构作用的非线性演化研究

在构建大涡结构理论模型的基础上,采用局部喷入和吸出的结构来模拟局部粗糙壁面诱导的感应扰动场,数值研究局部粗糙对大涡结构之间非线性作用的影响问题。数值结果表明,局部粗糙壁面诱导的感应扰动改变了原平均速度剖面的稳定性特性及感应扰动流场的三维性对激励大涡结构的快速增长起了关键性的作用。     

大空间建筑物室内气流的大涡模拟

利用大涡模式对大空间建筑物室内气流进行模拟研究,并取得了良好的效果。模拟的内容包括:(1)在机械通风情况下,当存储货物的仓库发生火灾时,将会改变室内的温度场和流场的分布;(2)在自然通风情况下,简单方形钝体建筑物以及大型体育馆室内的流场状况。对以上模拟结果的分析表明,发生火灾时,室内流场主要是由热力作用支配,通风口的位置、通风气流的热力性质、室内物品的堆放方式以及室内物品的热力属性都会在很大程度上影响室内的流场和温度场。在自然通风情况下,室外的气流状况和通风口的位置对室内的气流都有很大的影响,室外的风速大小和风向分别对室内风速的大小和流场分布有重要影响,而通风口的位置主要影响室内气流分布状况。由于决定室内气流的因素很多,所以像体育馆这种对室内气流和空气质量要求比较高的建筑物,要评价以及设计其通风效果及室内空气品质必须针对具体情况从多个方面作具体分析。     

Influence of Coriolis Parameter Variation on Langmuir Turbulence in the Ocean Upper Mixed Layer with Large Eddy Simulation

Langmuir turbulence is a complex turbulent process in the ocean upper mixed layer. The Coriolis parameter has an important effect on Langmuir turbulence through the Coriolis–Stokes force and Ekman effect, however, this effect on Langmuir turbulence has not been systematically investigated. Here, the impact of the Coriolis parameter on Langmuir turbulence with a change of latitude (LAT) from 20°N to 80°N is studied using a non-hydrostatic large eddy simulation model under an ideal condition. The results show that the ratio of the upper mixed layer depth to Ekman depth scale (RME) RME = 0.266 (LAT = 50°N) is a key value (latitude) for the modulation effect of the Coriolis parameter on the mean and turbulent statistics of Langmuir turbulence. It is found that the rate of change of the sea surface temperature, upper mixed layer depth, entrainment flux, crosswind velocity, downwind vertical momentum flux, and turbulent kinetic energy budget terms associated with Langmuir turbulence are more evident at RME ≤ 0.266 (LAT ≤ 50°N) than at RME ≥ 0.266 (LAT ≥ 50°N). However, the rate of change of the depth-averaged crosswind vertical momentum flux does not have a clear variation between RME ≤ 0.266 and RME ≥ 0.266. The complex changes of both Langmuir turbulence characteristics and influence of Langmuir turbulence on the upper mixed layer with latitude presented here may provide more information for further improving Langmuir turbulence parameterization.