细网格非静力二维高阶闭合模式对山体流场特征的模拟分析

本文采用二阶矩湍流闭合方案，分别就非静力和准静力两种条件建立ＰＢＬ数值模式，并模拟了二维山脊流场的结构，计算了二维山体对气流平均场和湍流场的影响。计算结果表明，无论是平均场还是湍流场，采用准静力假设都会造成模拟结果的较大偏差，且对平均场的影响比对湍流场的影响更为显著。两种模式计算结果的差别还随地形坡度和背景风增大而增大。     

三维山体过山气流流场特征的数值模拟

采用高阶矩湍流闭合方案，建立了一个细网格、高分辨率、三维非静力ＰＢＬ数值模式，并由其模拟了三维山体条件下的流场结构和湍流场特征。为反映数值模拟结果的可靠性，对中性条件下三维山体流场进行了风洞试验。与数值模拟结果对比分析表明，数值计算与风洞试验结果有较好的一致性；使用该模式模拟山体条件下的流场结构能取得较好的结果；将模拟结果作为随机游动扩散模式的三维风场及湍流场资料输入，为复杂地形条件下大气污染的研     

三维非静力二阶闭合PBL模式的初步研究

采用二阶距湍流闭合方案，建立了一个复杂地形下的三维非静力边界层预报模式。通过该模式，细致了模拟了北京地区的风、温时空变化和湍流场变化。结合地面、探空和气象塔的实测资料，进一步研究了该方案在三维空间上对平均场和湍流场的预报模拟效能。结果表明该模式能较好地进行平均量和湍流量的模拟和预报。     

青岛地区边界层结构的数值模拟

本文建立了一个非静力的三维细网格边界层模式，对青岛地区复杂下垫面条件下的边界层结构和湍流特征作了数值模拟，模式采用能量闭合方案，舍弃了静力近似，以提高空间分辨率和模式精度。模拟以实测资料为初始输入，对该地区风场和湍流场作了较细致的模拟分析，与观测资料相比，结果合理地一致。结果表明了陡峭地形和不规则海岸线对局地风场和湍流场影响很大。     

海岸边界层的非静力模式

建立了一个３级非静力边界层模式,并采用一种新的非局地反梯度闭合方案在杭州附近复杂地形区进行了数值模拟。通过与实测资料和静力条件下的模拟结果的比较,进一步分析了非局地闭合下非静力３级边界层模式的效能。结果表明,该模式比静力模式更能合理地模拟海岩边界层的风温场和湍流场,且模拟结果与实测更接近。     

高大建筑物影响城市粗糙副层流场特征的数值研究

用数值模拟方法研究了高大建筑物对城市粗糙副层气流场特征的影响。数值模式采用基于雷诺平均纳维—斯托克斯方程组的应用计算流体力学FLUENT软件,次网格湍流参数化选用k-ε闭合方案。建筑物用立方体表示,并规则排列于模拟区域内。通过改变高大建筑物的数量与位置,对建筑物阵列内及其上空的气流特征进行了多个算例的数值模拟。依据模拟结果计算获得建筑物区域的面积平均风速廓线,结果表明各算例的粗糙副层风速廓线各不相同。运用动力学方法由风速廓线计算出各算例的零平面位移高度和粗糙度,并与几种计算零平面位移高度和粗糙度的形态学方法进行了比较检验。结果表明两种形态学方法(Ba、Ma)计算所得的零平面位移高度与动力学方法计算结果很接近,但对于粗糙度而言,几种形态学方法的计算结果都明显偏高。     

深圳海岸复杂地形气流与湍流特征的数值模拟

利用三维非静力能量闭合（Ｅ－ε）的边界层模式，以深圳海岸复杂地形进行了实际模拟。结果给出了该地区海陆风情形下气流和湍流孤变化特征。在海风发展盛期，气流方向由大面积的水域和内陆的位置决定，不规则海岸线对局地气流影响不大，夜间陆风时，不规则海岸线对局地气流影响较大，湍流能量高值颁在陆地上空的不稳定层内，水面上湍能很小。模拟结果与实测结果上比较吻合。     

梅雨涡旋与环境场动能的相互作用

在过渡湍流理论基础上建立二维非局地闭合模式，并用所建模式研究沿海地区中尺度海陆风环流和内国界层结构，得到了合理的平均场和湍流场。     

静力平衡模式在中尺度大气模拟中的适用性问题

静力平衡模式是目前数值天气预报的主要模式。近年来随着模式分辨率的提高,非静力平衡模式在中国的研制和ＭＭ５等模式的引进,从理论研究和应用的角度看,有必要对这两种模式在中尺度大气模拟中的适用性问题作细致的分析研究。本文从理论上分析了静力平衡假定下重力波频率模拟的误差,指出其相对误差随Δｘ增大成平方的减少。当Δｘ≥２０ｋｍ时,相对误差小于４％,当Δｘ≤１０ｋｍ时,相对误差可能大于１６％。和一般顾名思义的概念不同,静力模式计算的重力波频率被夸大,计算的垂直加速度也由于略去惯性项而夸大。推导的准静力平衡模式,对静力平衡模式作了惯性项订正,个例试验也肯定了上述结果。     

山地雪被边界层及融雪过程数值模拟

雪被边界层及融雪过程的模拟涉及大气、雪被、土壤三部分。对雪被及土壤，主要考虑其垂直于表面的热传导过程和融雪水渗透过程；对雪被边界层则建立了一个二维的准静力的中尺度模式加以模拟。模拟结果揭示了山地自然雪被及采取融雪措施后的受污雪被的风温场结构及其日变化。此外，还研究了反射率、粗糙度、坡地方位，山体大小对融雪效果的影响。     

中尺度熏烟扩散的数值研究

本文针对熏烟扩散过程建立了粒子烟团轨迹模式，利用该模式成功地模拟日出后逆温层破坏的熏烟扩散过程和TIBL下的熏烟扩散过程，证实了所建模式在模拟熏烟扩散方面的可行性和适用性，揭示了两种熏烟扩散过程中的熏烟扩散特征及其随时间的变化。将粒子烟团轨迹模式和提供平均场和湍流场输入的三维非静力能量团合模式相联接，可以较好地预测城市逆温层破坏条件下和沿岸陆上TIBL中的熏烟扩散特征及其随时间的变化。     

海岸边界层模式中闭合方案的模拟分析

本文建立一个三维非静力边界层模式对杭州湾附近复杂地形域区进行了数值模拟。要用常用的能量闭合和一 新的非局地反梯度闭合方案结合实测资料,以验证不同闭合方案模拟实际大气的能力,进一步分析三维边界层模式的效能结果表明,两种闭合方案都能较好的模拟澳陆环流及温度场,而反梯度闭合比能量闭合更能细致、敏感的模拟湍流场随地形的变化,且模拟结果与实测接近。     

一个改进的湍流垂直扩散过程参数化方案

研究了数值天气预报模式中次阿格湍流垂直扩散过程的参数化问题。以Ｂｏｕｇｅａｕｌｔ和Ｌａｃａｒｒｅｒｅ（１９８９）的参数化方案为基础，改进了处理湍流混合长的方法，使湍流混合长和热力混合长分别依赖于基本气流的静力稳定度和风场切变。新方案的基本思路是把ＶｏｎＫａｒｍａｎ（１９３０）提出的动力（风场切变）湍流扰动假设与ＢＬ－８９方案提出的热力（静力稳定度）湍流扰动假设结合在一起，强调了大气的热力结构、动力结构和湍流动能对湍流混合过程的共同影响。新方案和ＢＬ－８９方案的二维对比数值试验结果表明，在大气处于静力较稳定而风场切变明显条件下的湍流扰动表现能力方面，新方案比原方案有明显的改进。     

深凹地形边界层风场与湍流场结构及扩散规律的数值研究

建立了一个模拟小尺度复杂地形边界层平均流场和湍流场结构分布特征的三维非静力细网格高阶矩湍流闭合模式,并将此模式与一个拉格朗日粒子随机游动大气扩散数值模式相联结,以边界层气象模式的输出作为扩散模式的输入,构成了一个大气扩和模拟系统,成功地模拟了某地实际深凹露天矿区和理想凹坑地形两种情况下的平均流场、雷诺应力和湍流通量场,分析了其分布特征,并模拟了矿坑内污染物的散布规律     

非静力平衡模式的中尺度非均匀初始场试验和锋面模拟

用非静力平衡二维中β－γ尺度大气模式,选取１９８７年欧洲的一次冷锋过程为个例,以法国的静力平衡模式的模拟结果为初始场,选用５ｋｍ,２５ｋｍ,４５ｋｍ３种水平格距进行了水平范围为２０００ｋｍ的模拟,结果表明：（１）中尺度非静力平衡模式应用非均匀初始场,而不加人为的初始扰动是可行的;（２）扰动量的初始场中π′的精度要求很高,应严格符合静力平衡条件,否则就会产生严重误差,甚至在一个时步内改变垂直速度;（３）５ｋｍ,２５ｋｍ,４５ｋｍ３种格距的对比模拟表明,５ｋｍ格距的非静力平衡模式能模拟出锋面上的多个中β尺度对流,且垂直速度场分布与实际最接近,而后两种格距只能模拟出锋面上的大范围上升区,不能细致地描述锋面对流结构。     

准静止波强迫对1998年和1991年江淮洪涝影响的数值模拟

为了进一步检验青藏高原、北方冷空气及西太副高对1998年和1991年江南北部和江淮洪涝的影响,利用NCEP/NCAR的再分析格点资料和MM5中尺度模式分别对该两年夏季的两段强暴雨个例作了对照和滤波试验。模拟结果表明:在两次强暴雨个例中,考虑了中高纬度环流、青藏高原热力作用和低纬西太副高影响的对照试验,能相当好地再现中高纬度环流的平均场特征及形势演变的情景;而不包括上述准静止波异常影响的滤波试验的模拟结果与对照试验的结果相差较大,更接近多年平均的7月气候场。这证实北方冷空气活动、高原热力作用和西太副高位置对该两个个例中雨带的重要影响。同时,本文模拟也显示中尺度模式MM5有相当强的模拟中高纬度形势演变的能力,这种保留或滤除准静止波异常的模拟方法不失为一种讨论大尺度准静止波异常对区域气候影响的有效方法。     

复杂地形上湍流扩散的数值模拟

本文采用准静力大气热力——动力学方程组和平流扩散方程的数值解方法,模拟了汾河河谷地区的流场、温度场和浓度场。所得结果和1984年春该地区进行的一次SF6示踪试验资料做了对比。计算浓度场采用了三种方法:一般网格的数值模式、套网格数值模式和正态模式。和实测值的比较表明,套网格模式给出较好的计算结果,并且不需要增加过多的计算时间。     

近地层组合法确定湍流通量精度的研究

近地层组合法的实质是将廓线法和地面能量平衡方程联立而计算湍流参数和通量的一种方法。本文利用实测的脉动场和平均场的同步梯度资料研究组合法的精确性及其应用价值。     

复杂下垫面模拟域大气边界层非局地闭合模拟研究

在非局地闭合大气边界层模拟研究基础上,选取黑河实验研究资料（HEIFE）,利用二维模式对绿洲和沙漠交界地区的内边界层结构进行了模拟研究,模式考虑了两种下垫面条件下动力、热力特性的不同,并加入了湿度及水汽通量的预报。模拟结果表明:二维非局地闭合模式能得到合理的TIBL结构的基本特征,包括平均场、湍流场等,并能模拟给出一些由下垫面特性形成的大气现象,如沙漠地区逆湿现象的生消过程、绿洲的冷岛效应、绿洲与沙漠因热力差异而形成的局部环流形势等细致结构,符合沙漠站白天观测事实的典型特征。     

山谷地形对盛行气流影响的数值模拟

本文考虑的地形为理想的南北向长谷。建立了地形坐标下的二维非静力模式，详细研究了谷地中的风速和风向随盛行气流和谷轴的交角β、谷地的宽度、谷地的深度、谷地的相对深度以及温度层结的变化规律。模式计算的结果与三峡实际观测的统计结果相当一致。