干旱区陆面过程和大气边界层研究进展

干旱区陆面过程和大气边界层不仅与气候、生态、水资源密切相关,而且影响我国气候格局和东亚大气环流,是一个十分重要的研究领域,近20多年已取得了比较系统的研究进展.从干旱区陆面热力和水分过程特征、干旱区大气边界层结构特征、干旱区陆面过程参数及其参数化公式、非均匀下垫面大气边界层理论、干旱城市大气边界层特征与污染机理等方面归纳总结了干旱区陆面过程和大气边界层领域取得的部分研究进展.并且,认为科学试验的代表性、复杂下垫面的影响、尺度转化、地表能量不平衡、极端天气过程的相互作用、水分过程的复杂性等问题是干旱区陆面过程和大气边界层研究领域的突出问题和未来研究重点.     

城市气象与边界层数值模拟研究

综合评述关于城市气象与边界层数值模拟的近期研究进展,主要就城市气候研究、城市能量平衡、城市热岛研究以及城市陆面过程与城市地表能量平衡模式等方面国内外主要研究工作,结合作者近期的研究工作和认识作一评述.从中提出一些现实与观点方面的问题,给出一些看法和讨论.最后,就当今比较流行并显示十分有效的城市气象和城市边界层数值模拟作一些讨论,着重对这一领域面临的现行研究和未来的挑战,提出一些思考.评述结果表明:①今后需针对我国不同气候区、不同城市特点和建筑物形态特征,开展城市气候、城市地表能量平衡、城市热岛等方面的观测与模拟研究;②在城市气象观测方法与技术导则、观测站网布局、新型观测手段的综合使用等方面的深入研究需进一步展开;③需建立基于时间、天气条件、建筑特征的简单的城市热岛强度预报方法;④可探索采用计算流体力学(CFD)模式作为桥梁,检验并改进中尺度模式对城市地区的模拟效果.     

青藏高原西部及东南周边地区季风前大气边界层结构分析

利用2008年JICA项目第一阶段(2008年2月25日至3月19日)的加密探空资料,分析了青藏高原西部及东南周边的大气边界结构特征.结果表明:青藏高原位温廓线均有明显的日变化,午后白天对流边界层达到最大,夜间稳定边界层在清晨达到最大.理塘和大理的稳定边界层绝大多数情况下在傍晚就开始发展,凌晨开始增强,清晨达到最大.对...     

地震声波数值模拟中人工边界条件的差别与组合

地震数值模拟中选取的有限计算区域产生的边界反射会干扰正常波场模拟结果,因此引入人工边界条件来降低边界反射的影响。本文针对PML（perfectly matched layer）边界条件的解耦与非解耦差分形式,应用不同空间差分阶数进行地震波场数值模拟。空间差分阶数提高后,非解耦PML差分形式在计算效率和实现方式上均更具优势。针对CE（Clayton Engquist）边界条件受入射波入射角度限制、边界处精度低吸收效果不好等问题,将2阶CE边界条件和PML边界条件组合成一种新的组合边界条件,在保证吸收效果的同时减少衰减带厚度,从而达到提高计算效率的目的。数值模拟结果验证了算法的有效性。     

极端干旱荒漠区典型晴天大气热力边界层结构分析

利用极端干旱区敦煌野外观测试验资料,分析了极端干旱荒漠区夏季典型晴天位温、风速、比湿等主要物理要素的垂直结构特征及其地表热力和近地层大气运动特征的日变化规律。发现在极端干旱地区夏季晴天大气热力边界层结构十分独特。在夜间,贴地逆温层最低在900 m以上,最厚可以达到1 750 m,逆温层上面的残余层一般能达到4 000 m左右的高度。在白天,位温超绝热递减层高达1 000 m,超绝热递减层上面的混合层最高达3 700 m,混合层顶上还有大约450 m甚至更厚的夹卷层。当白天对流层发展达到残余层以后,混合层的发展明显加快。风速和比湿垂直廓线特征很好地印证了大气热力边界层独特的结构特征,地表热力和近地层大气运动特征也为这种独特的大气热力边界层结构提供了较好的物理支持。     

珠峰北坡地区近地层大气湍流与地气能量交换特征

利用珠峰北坡曲宗地区连续一年的大气观测资料（2005年4月至2006年3月）,分析了珠峰北坡地区近地层大气湍流宏观统计特征和西南季风爆发前后地气能量交换特征。研究表明在珠峰北坡地区Monin Obukhov相似定律同样适用。拟合得到了珠峰北坡曲宗地区近地层无因次风速分量方差以及温度和湿度归一化标准差和静力学稳定度的函数关系。研究得出曲宗地区能量平衡各分量（净辐射通量、感热通量、潜热通量和土壤热通量）以及地面加热场具有明显的季节变化和日变化规律。尤其是在西南季风的影响下,曲宗地区感热通量和潜热通量在季风爆发前后具有明显相反的变化趋势。其它特征参数（波文比和地表反射率）在西南季风爆发前后的变化规律也十分明显。     

城市陆面过程与边界层结构研究

通过城市边界层观测、卫星遥感以及城市边界层数值模拟等途径,获取对城市陆面过程特性的认识,研究建立精细城市边界层模式,引入合理城市区陆面过程参数化方案,并进行城市边界层结构影响研究。研究结果表明：①城市下垫面能量平衡过程迥异于自然地表,引入合理的参数化方案是改善数值模拟性能的关键。②高分辨卫星观测信息是认识城市地表参数状况及其变化的有效途径。 ③人为热排放参数化方案的合理引入是准确描述地表能量平衡过程的又一重要课题。需根据实际情况确定人为热排放的引入方案及量值变化。④应从合理描述城市建筑物下垫面对热力输送及大气动力场的影响出发,研究建立了多层城市冠层模式。⑤应建立更完善的多尺度城市边界层模式系统并引入更新的城市效应参数化方案和数据同化处理,以增强并完善城市边界层数值模拟能力。     

藏北高原地区干、雨季大气边界层结构的不同特征

利用2004年4月预试验期(PIOP)和8月加强期(IOP)的无线电探空仪观测资料,分析了藏北高原地区干、雨季大气边界层结构的不同特征.结果显示:藏北高原地区边界层虚位温、比湿等日变化大,对流混合层高度较高,高度干季在2 211～4 430 m之间,雨季在1 006～2 212 m之间,干季的对流混合层高度明显高于雨季...     

数值模拟查明地下水系统隐伏边界位置及其性质方法探讨

本文以瓮安县老虎洞磷矿岩溶水系统为实验场,以群孔干扰抽水试验资料为依据,利用数值模拟的方法对地下水系统隐伏边界的位置和性质进行了探讨,提出了在复杂岩溶水系统利用数值模拟方法查明隐伏边界的方法。     

评估两类模式对陆面状态的模拟和估算

针对夏季土壤变干过程,利用观测系统模拟试验,比较离线的陆面模式(LSM)和耦合大气边界层的陆面模式(SCM)对土壤温度、湿度和地表热通量等陆面状态的模拟,然后借助数据同化方法,评估2类模式对陆面状态的估算能力.结果显示:2类模式除对地表长波辐射和感热通量的模拟差别较大外,对其余量则较小;只同化表层土壤湿度观测时,LSM对土壤湿度和感热通量的估算好于SCM,对土壤温度的估算则相反,而对潜热通量估算的差距很小;同时同化表层土壤温度、湿度观测会使地表热通量的估算差距增大;最后对2类模式不同表现的可能原因进行分析讨论.上述数值模拟和同化结果:当用某一类模式的模拟结果或同化产品为另一类不同模式提供初边界条件时必须注意它们之间的差异,避免出现输入量引起的模式状态量间的动力不协调现象.     

边界层参数化影响“梅花”台风的敏感性试验

以GRAPES-TCM为试验模式,对1109台风“梅花”进行了36次72 h的预报试验,通过试验分析了2种边界层参数化方案——MRF方案与YSU方案在不同情况下对台风预报的影响.结果显示:“梅花”路径与强度对边界层方案的变化都表现出一定的敏感性,敏感性大小与对流参数化方案、台风的初始强度等因素有关,强度的敏感性比路径更明显;对弱台风的路径与强度,YSU方案的总体预报效果优于MRF方案,对于强台风,2种边界层方案中MRF方案的路径预报效果更好,哪种方案的强度预报效果更好与对流参数化方案有关;无论何种情况,YSU方案预报的“梅花”强度都明显强于MRF方案,YSU方案预报的降水及感热通量与潜热通量总体上大于MRF方案;YSU方案时更多的感热通量和潜热通量与该方案时边界层更强的湍流混合有关,更多的潜热通量导致更多的降水,从而释放更多的潜热,更多的潜热释放以及更多的感热通量导致台风强度更强.     

封闭、开放边界条件下冻土抛石护坡路堤数值模拟比较研究

采用"块石模型"对青藏铁路抛石护坡路堤进行封闭边界条件和开放边界条件下的数值模拟计算,并对结果进行了比较分析.研究表明:在封闭边界条件下,冬季抛石层内部空气的运动趋势为冷空气下渗占据主导地位,夏季空气的主要运动方向为沿斜坡向上,其综合效果有利于路堤保冷.当采用开放边界条件时,抛石层内部的空气运动主要受到外界环境的影响,路堤内的温度场在很大程度上取决于环境温度的变化.因此,抛石层的铺设对于路堤的保冷效果没有封闭边界条件下明显和有效.     

MT有限元模拟中截断边界的影响

利用有限元方法进行大地电磁正演数值模拟时,由于是在有限网格区域上的数值计算,模拟计算时的网格边界为截断边界,而有限元数值模拟时的大地电磁场边界条件需要在足够远处才能够满足,所以截断边界的存在可能会使大地电磁正演模拟的边界条件无法满足,致使对计算结果和计算精度产生影响。利用有限元二维正演程序,在网格边界处加载一维情况下的大地电磁场,然后固定研究区域的网格剖分,并对一维地电模型和二维地电模型在改变有限元网格边界大小的情况下进行计算。在对一维模型进行模拟计算时,截断边界对边界条件没有影响,边界条件自然满足。而对二维模型进行模拟计算时,截断边界的存在对计算结果有较大影响。利用趋肤深度作为有限元网格边界变化的量度,通过改变网格边界大小,对不同的二维地电模型进行计算比较,总结出适合大地电磁有限元正演模拟的参考网格边界。     

非定常边界多年冻土活动层温度的积分渐近计算

对微分形式的热传导方程进行积分变换,将其转变成等价的积分形式的热传导方程式,然后应用渐近序列方法于非定常边界条件下存在相变的多年冻土活动层的温度计算中,提出新的多年冻土活动层温度解析近似计算公式.尽管渐近序列不是收敛的级数,但当级数变量趋向某个值时,只需取渐近序列前几项既可以获得某种极限条件下具有相当精度的近似解.计算模式采用随时间变化函数的非定常边界条件,改进了定常边值条件的冻土相变温度计算的Stefan公式,退化到定值条件下渐近解和Stefan公式有相同的计算结果.     

格子玻尔兹曼方法及其在大气湍流研究中的应用

文章的目的是对格子玻尔兹曼方法进行系统的介绍，格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method)的出现直接来源于20世纪60年代的元胞自动机(Cellular Automata)思想，而这一方法用于解决流动现象时，又可以追溯到19世纪的分子运动论，求解的是Boltzmann提出的玻尔兹曼输运方程，因此将这一方法称为格子玻尔兹曼方法，之前也被称为格子气自动机(Lattice Gas Automaton)。该方法多用于研究复杂现象，如材料晶体凝聚时的生长过程、城市土地利用的演化等方面。在20世纪70年代由Hardy、Pomeau和Pazzis建立了第一个用于研究流体运动的格子气自动机，此后，这一方法被广泛用来模拟各种流动问题，诸如二相流、孔隙介质中的渗流等，并根据这一方法开发了相应的商业软件PowerFlow。同时，格子玻尔兹曼方法由于其在微观水平描述运动的特点，成为研究湍流的一个很好的数值计算工具，特别是用其进行直接数值模拟(DNS)计算，成为继传统的差分法、有限体积法和谱方法之后的又一有力的手段。而作为大气运动的一个主要现象的大气湍流，比普通湍流更加复杂，在这里着重介绍了大气湍流的特点和应用格子玻尔兹曼方法模拟湍流的发展过程。     

The mean and turbulence structure simulation of the monsoon trough boundary layer using a one-dimensional model withe-l ande-ε closures

An attempt has been made here to study the sensitivity of the mean and the turbulence structure of the monsoon trough boundary layer to the choice of the constants in the dissipation equation for two stations Delhi and Calcutta, using one-dimensional atmospheric boundary layer model withe-ε turbulence closure. An analytical discussion of the problems associated with the constants of the dissipation equation is presented. It is shown here that the choice of the constants in the dissipation equation is quite crucial and the turbulence structure is very sensitive to these constants. The modification of the dissipation equation adopted by earlier studies, that is, approximating the Tke generation (due to shear and buoyancy production) in theε-equation by max (shear production, shear + buoyancy production), can be avoided by a suitable choice of the constants suggested here. The observed turbulence structure is better simulated with these constants. The turbulence structure simulation with the constants recommended by Aupoixet al (1989) (which are interactive in time) for the monsoon region is shown to be qualitatively similar to the simulation obtained with the constants suggested here, thus implying that no universal constants exist to regulate dissipation rate. Simulations of the mean structure show little sensitivity to the type of the closure parameterization betweene-l ande-ε closures. However the turbulence structure simulation withe-ε. closure is far better compared to thee-l model simulations. The model simulations of temperature profiles compare quite well with the observations whenever the boundary layer is well mixed (neutral) or unstable. However the models are not able to simulate the nocturnal boundary layer (stable) temperature profiles. Moisture profiles are simulated reasonably better. With one-dimensional models, capturing observed wind variations is not up to the mark.     

考虑边界层发展时溢流反弧段动水压强的确定

溢流反弧段流线的曲率呈沿程变化,而反弧上下切点位置处边壁曲率却发生突变。通过在反弧上下切点位置补充定义使其曲率连续,并假定在该位置附近流线曲率呈线性变化,考虑了重力及离心力的影响,计入边界层发展,推出溢流反弧段动水压强计算公式,验证表明,该公式正确可靠。     

Thermal and wind structure of the monsoon trough boundary layer

Radiosonde data from Jodhpur, taken at 0530, 1730 and around 1100 hr IST during MONTBLEX 1990, reveal that the distribution of virtual potential temperature0 _v below about 500 hPa has a structure characterized by up to three layers each of approximately constant gradient. We are thus led to introduce a characterization of the observed thermal structure through a sequence of the symbolsN, S andU, standing respectively for neutral, stable or unstable conditions in the different layers, beginning with the one closest to the ground. It is found that, of the 29 combinations possible, only the seven classes,S, SS′, SNS′, NS, NSS′, USS′ andUNS are observed, whereS′ stands for a stable layer with a different gradient of0 _r. than in the layerS. It is also found that, in 90% of the launches at 0530 hr, 48% of the launches at 1730 hr and 69% of the launches around 1100 hr, the first radiosonde layer near the ground is stable; the classical mixed layer was found in only 11 % of the data set analysed, and, if present on other occasions, must have been less than 250 m in height, the first level at which radiosonde data are available. Supplementing the above data, sodar echograms, available during 82% of the time between June and August 1990, suggest a stable layer up to a few tens of metres 48% of the time. A comparative study of the radiosonde data at Ranchi shows that the frequent prevalence of stability near the surface at Jodhpur cannot be attributed entirely to the large scale subsidence known to be characteristic of the Rajasthan area. Further, data at Jodhpur reveal a weak low level jet at heights generally ranging from 400 to 900 m with wind speeds of 6 to 15 m/s. Based on these results, it is conjectured that the lowest layers in the atmosphere during the monsoons, especially with heavy clouding or rain, may frequently be closer to the classical nocturnal boundary layer than to the standard convective mixed layer, although often with shallow plumes that penetrate such a stable layer during daytime.     

通量上边界与水头上边界方法的地下水流系统模拟对比

水头上边界方法（简称水头法,GHB）给定了潜水面形态和固化了排泄点,限制了不同地下水流系统模式的形成与转化。分别用数值法进行了通量上边界（简称通量法,FUB）与水头上边界的地下水流系统对比模拟。结果表明：嵌套式多级地下水流系统（Tóth典型模式）在运用水头法和通量法进行系统转化模拟时,得出的水流模式可能相似或完全不同;通量法在条件（盆地形态、入渗强度等）改变时潜水面能够自动形成,从而得出不同变化条件下的水流系统特征;水头法由于给定了潜水面和固化了排泄点,在改变盆地其他因素时,盆地补给（排泄）也发生同步改变,此时地下水流模式不是单因素变化的结果,因此在给定条件下不能得出完整的地下水流系统变化模式。基于通量法与水头法在地下水流系统模拟中的优势与不同,在进行盆地地下水流系统理论和实际研究时,应该综合2种方法的特点,结合实际资料条件进行方法的选取与应用。     

The Simulation of Stratocumulus and Its Impacts on SST:Based on the IAP Near-Term Climate Prediction System

The near-term climate prediction system (DecPreS) is built on the initialization of the ocean state, which can be regarded as a full-coupled system with “adjusted” air-sea interactions. The relationship between stratocumulus and Sea Surface Temperature (SST ) is an essential part of air-sea interactions. In this study, we investigated such a relationship in DecPreS of the Institute of Atmospheric Physics, in which the merge of the Ensemble Optimal Interpolation (EnOI) and Incremental Analysis Update (IAU) scheme was employed. EnOI-IAU generally reproduces the spatial pattern of SST and low-clouds. However, the simulated cloud fraction/liquid water path are underestimated while the SST is overestimated in stratocumulus regimes, especially in the subtropical East Pacific and South Ocean. It is partly because the unrealistic air-sea interaction dominates these regions that the underestimated stratocumulus allows more input of incoming shortwave flux (20 W/m²). The deficient stratocumulus is highly related to the unrealistic vertical structure of Atmospheric Boundary Layer (ABL), in which the moisture, temperature and vertical heat transports concentrate at the surface layer. Our results imply that stratocumulus and ABL be important in DecPreS. Clarifying the importance of ABL and stratocumulus will provide a possible way to improve the DecPreS.