适用于GRAPES模式C-P边界层方案的设计和实现

基于K廓线闭合方案,通过考虑不稳定边界层和稳定边界层中热量交换系数在半层上求取及下边界条件的设置,将温湿倾向在整层上直接计算,设计了Charney-Phillips跳点（简称C-P跳点）的边界层方案,使之与GRAPES全球模式的C-P跳点相协调,解决了Lorenz跳点物理过程与C-P跳点动力框架耦合时插值造成的不协调问题,同时避免了耦合时反复插值造成的误差,提高了边界层物理过程参数化方案及其反馈的准确性和合理性。试验表明:C-P跳点边界层方案因为避免了温度和湿度在垂直方向上的插值,消除了温湿变量在垂直方向上的锯齿状抖动,使温湿廓线分布更合理,减小了模式预报误差,形势场的预报效果也得到一定改善。C-P边界层方案的应用提升了GRAPES全球模式的总体预报性能。     

GRAPES全球模式浅对流过程和边界层云对低云预报的影响研究

在GRAPES全球模式云方案中加入浅对流卷出过程和边界层云对云水（冰）、云量的影响,改进模式低云预报,模拟比较改进前后预报结果,并与CERES（云和地球辐射能量系统）及YOTC（热带对流年科学计划）资料进行对比分析。结果表明：考虑浅对流卷出过程和边界层云后,主要增加了模式700 hPa以下低云量及低云中液态水凝物含量,改进后的结果与实际观测更接近。其中边界层层积云主要影响大气边界层顶附近较薄的一层云,影响厚度不超过200 hPa,浅对流卷出过程对云水和云量大小的影响与边界层云相当,而影响厚度则更广,对地面到700 hPa间的低云都会产生一定影响。进一步研究表明,由于低云预报的改进促进了地表和大气层顶云长短波辐射强迫的预报,云的辐射强迫得以增加。     

一个中尺度模式中高分辨边界层的参数化

建立一个高分辨大气边界层模式。然后,把该模式与一个中尺度数值预报模式进行耦合并把模式计算结果与实测结果进行了对比。结果表明,该耦合模式能够模拟出大气边界层的流场、温度场和气压场的特征。     

A Homogeneous Langevin Equation Model, Part ii: Simulation of Dispersion in the Convective Boundary Layer

We present a Lagrangian stochastic model of vertical dispersion in the convective boundary layer (CBL). This model is based on a generalized Langevin equation that uses the simplifying assumption that the skewed vertical velocity probability distribution is spatially homogeneous. This approach has been shown to account for two key properties of CBL turbulence associated with large-scale coherent turbulent structures: skewed vertical velocity distributions and long velocity correlation time. A 'linear-skewed' form of the generalized Langevin equation is used, which has a linear (in velocity) deterministic acceleration and a skewed random acceleration. 'Reflection' boundary conditions for selecting a new velocity for a particle that encounters a boundary were investigated, including alternatives to the standard assumption that the magnitudes of the particle incident and reflected velocities are positively correlated. Model simulations were tested using cases for which exact, analytic statistical properties of particle velocity and position are known, i.e., well-mixed spatial and velocity distributions. Simulations of laboratory experiments of CBL dispersion show that (1) the homogeneous linear-skewed Langevin equation model (as well as an alternative 'nonlinear-Gaussian' Langevin equation model) can simulate the important aspects of dispersion in the CBL, and (2) a negatively-correlated-speed reflection boundary condition simulates the observed dispersion of material near the surface in the CBL significantly better than alternative reflection boundary conditions. The homogeneous linear-skewed Langevin equation model has the advantage that it is computationally more efficient than the homogeneous nonlinear-Gaussian Langevin equation model, and considerably more efficient than inhomogeneous Langevin equation models.     

精细的城市边界层模拟中热力粗糙度引入的初步研究

运用南京大学城市尺度边界层模式（UBLM）以100 m水平网格距的精细高分辨率，诊断分析小规模城市（水平范围在一二十公里）的气象环境与边界层结构。就高分辨率精细模拟分析研究了两个问题:（1）在模式中引入热力粗糙度，就引入热力粗糙度前后的模拟结果与实测结果进行对比，结果表明引入后的模拟结果与自动气象站的观测结果吻合较好，能够很好地反映出地面气温的日变化规律。冬季，白天不引入热力粗糙度比引入热力粗糙度会高估小规模城市地区感热通量约60 W/m2，而对乡间农作物地区约10 W/m2。（2）以四种不同水平网格距对同一下垫面及气象条件进行诊断分析，结果表明以100 m网格距精细模拟效果明显优于以较大网格距进行的模拟效果。以这样的精细高分辨率模式所获模拟结果分析了小规模城市的边界层特征，表明:冬季白天和夜间小规模城市与乡村气温差分别为0.8℃和0.6℃；风速明显低于乡村地区；湍能高于乡村地区，白天和夜间湍能一般为乡村的3倍左右；白天混合层发展较乡村迅速，且高度高于乡村地区。这样的特征在当今城市规划布局工作中，为特大型城市的卫星城市的建设规划提供了有益的科学实验依据。模拟效果表明以如此高的水平分辨率实施的模式和模拟是可行和有意义的。     

不同行星边界层参数化方案对新疆降水模拟的影响研究

使用NCEP-FNL全球分析资料作为WRF模式的初始场和边界场,利用该模式中6种行星边界层参数化方案对新疆进行2006年10月1日至2008年1月1日的模拟积分试验,重点考察模式在10 km水平分辨率下不同行星边界层参数化方案对新疆降水模拟的敏感性。结果表明:1）采用6种行星边界层参数化方案的模式都能较好地模拟出年、雨季总降水量的空间分布及月降水的季节循环。2）对于新疆整体来说,采用Grenier-Bretherton-McCaa（GBM）方案模拟雨季降水更接近观测,偏差在±30%以内。对于天山地区来说,采用Bougeault-Lacarrere（BouLac）方案模拟年降水更接近观测,偏差为－19.13%;采用GBM方案模拟中雨和大雨的TS评分最高分别为0.37和0.33,并且能够较好地模拟7月5次较大降水日中不同下垫面类型的昼夜降水,偏差在5 mm以内。3）BouLac方案能够较好地模拟天山地区年降水的时空分布特征,GBM方案更适合模拟新疆整体雨季期间降水。因此利用WRF模式开展新疆降水模拟研究时应考虑不同行星边界层参数化方案的适用范围。     

AREM模式中引入MYJ边界层方案介绍及其试验

业务实践表明,AREM模式对中国暴雨有较好的模拟能力。当前AREM模式中可供选择的边界层参数化方案比较单一,而不同边界层方案对暴雨的模拟差异较大,所以在AREM中引入一种新的边界层方案是提高其性能的一个重要方面。本文介绍了在AREM模式中引入Mellor-Yamada-Janjić(MYJ)边界层方案的关键技术与流程,并对MYJ方案的模拟能力进行了评估。模式对2008年四川暴雨的模拟结果表明,MYJ方案有助于改善模式预报的降雨落区位置。     

AREM模式中引入MYJ边界层方案介绍及其试验

业务实践表明,AREM模式对中国暴雨有较好的模拟能力。当前AREM模式中可供选择的边界层参数化方案比较单一,而不同边界层方案对暴雨的模拟差异较大,所以在AREM中引入一种新的边界层方案是提高其性能的一个重要方面。本文介绍了在AREM模式中引入Mellor-Yamada-Janjic′（MYJ）边界层方案的关键技术与流程,并对MYJ方案的模拟能力进行了评估。模式对2008年四川暴雨的模拟结果表明,MYJ方案有助于改善模式预报的降雨落区位置。     

中尺度数值模拟中的边界层多尺度湍流参数化方案

该文在多尺度湍流理论的研究成果基础上, 将边界层湍流风谱与平均量的梯度相联系, 建立了边界层多尺度湍流参数化子模式, 之后放入MM5模式中进行了个例模拟研究, 并与MM5模式附带的M RF边界层参数化、Blackadar高分辨率边界层参数化的模拟结果进行比较和分析。结果表明, 多尺度湍流理论能够反映出实际大气边界层中热量垂直输送的规律, 将其用于中尺度数值预报模式的边界层物理过程参数化是可行的; 多尺度湍流参数化在地表层和边界层内各个层次上都着重考虑含能量最大的涡的作用以及水平热力不均匀性的影响, 因此在地形和下垫面比较复杂的区域, 对中尺度天气系统的模拟有进一步发展的前景。     

利用尺度自适应大气边界层湍流参数化方案对一次陆地浓雾的数值模拟

为提高大气数值模式的模拟能力,改进大气边界层水汽、热量湍流输送计算和大雾天气的模拟效果,选用WRF三维非静力模式,采用具有局地和非局地垂直湍流尺度自适应计算能力的MYNN_SA参数化方案,对2017年12月28—29日我国华北—江淮地区的大范围浓雾过程进行了数值模拟研究,探讨从中尺度到灰区尺度分辨率范围,模式的尺度自适应大气边界层湍流参数化方案对稳定大气边界层发展、湍流输送和大雾天气模拟的影响。利用中国地面气象站观测资料和ERA5再分析数据,在接近灰区尺度的网格分辨率上,利用尺度自适应大气边界层湍流MYNN_SA参数化方案较之中尺度参数化MYNN方案,可明显改善次网格湍流输送计算,以及陆地浓雾的强度、空间分布和时间演变特征,可更精确地模拟云水混合比、逆温层和雾区的垂直结构。     

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。     

Large-Eddy Simulations of the Stable Boundary Layer Using the Standard Kolmogorov Theory: Range of Applicability

Large-eddy simulations (LES) of the Stable Atmospheric Boundary Layer (SBL) are difficult because the turbulence is not isotropic for strong stratification and the Kolmogorov theory might be no longer valid. This fact compells us to work on modifications to the subgrid turbulence schemes, although there is not any widely accepted theory on anisotropic turbulence. In this work, a LES model is used to see what range of stable stratification can still be simulated with a subgrid turbulence scheme using the Kolmogorov theory for the dissipation. Twenty simulations of increasing stability have been performed using a horizontal resolution of 5 m. The model is able to simulate weakly and moderately stable conditions and experiences runaway cooling for strong stability. The goodness of the successful simulations is inspected through comparison to observations from the experimental campaigns SABLES-98 and CASES-99. Other supplementary tests have been performed on the resolution and the surface boundary condition.     

由地基遥感资料确定大气边界层特征

中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室拥有用于边界层垂直结构探测的相控阵声雷达（PA2）、低层大气廓线仪（LAP-3000）以及无线电声雷达（RASS）。本文研究如何利用这些设备获取的遥感观测资料,确定边界层湍流热通量的垂直分布、地面热通量以及边界层高度等问题。     

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.       

利用TWP-ICE试验资料对比两种边界层参数化方案

利用高分辨率WRF单气柱模式,选取了两种边界层参数化方案(YSU,MYJ),对TWP-ICE(Tropical Warm Pool International Cloud Experiment)试验期间的个例进行数值模拟,比较了两种方案对边界层结构、云和降水模拟的影响。结果表明:季风活跃期,YSU方案模拟的湍流交换系数较小,湍流混合偏弱,边界层内热通量偏小,使地表热量和水汽不易向上输送,水汽含量在近地表明显偏多,而在边界层及其以上大气层具有显著的干偏差,因此该方案模拟的云中液态水和固态水含量偏低,云量偏少,降水率偏小;MYJ方案对于季风活跃期的边界层结构具有较好的模拟能力,其模拟的云和降水更为准确。季风抑制期,MYJ方案模拟的夜间边界层结构存在较大误差,这是因为该方案模拟的夜间湍流交换系数较大,湍流混合偏强,边界层内热通量偏大,模拟的位温和水汽混合比在边界层内随高度变化较小,而观测廓线在边界层内存在较大梯度。季风抑制期两种方案模拟的云和降水均比观测值偏多,方案之间的差异较小。     

济南章丘大气边界层风温场特征研究

基于章丘气象站2004—2009年实测资料,研究了当地大气边界层风向、风速、气温的时空分布特征,并利用SPSS 17.0数据统计软件的曲线参数估计法,探讨了符合章丘实际的风速随高度变化的拟合曲线及其数学函数关系。结果显示:研究地区大气边界层盛行风向为SSW,且呈现随高度增加沿顺时针方向偏转的特征;风速变化特征在10—300 m和350—1500 m不同高度层存在显著差异,春、夏、秋季和年平均风速随高度变化的指数曲线拟合结果总体好于幂函数曲线,而冬季则相反;气温变化特征四季基本一致,近地面层存在逆温现象,冬季逆温日数最多;逆温强度冬半年的大于夏半年的。     

农林复合带一维非静力大气边界层模式及其模拟分析

建立了一个农林复合带地区一维非静力大气边界层能量闭合模式，对1000m以下的大气边界层内的风、温、湿作了24h的预报，并对下垫面3种不同参数化方案(农作物、森林、无植被)的输出结果与实测值进行了分析和比较；同时通过敏感性试验，突出比较了农作物和森林下垫面对大气边界层垂直流场，湍流垂直交换和湍能的影响。结果表明，本模式能改善边界层风速、位温和湿度预报的模拟效果，下垫面植被对边界层气象要素大小和分布有显著的作用，对湍能垂直分布有一定影响。     

乌鲁木齐冬季大气边界层温度和风廓线观测研究

为了进一步认识乌鲁木齐冬季大气边界层的结构特征及其对大气污染的影响,为改进城市空气污染预报和污染治理提供科学依据,利用2008年1月11—13日系留气艇对乌鲁木齐市城区大气边界层过程进行观测试验的资料,分析了观测期间乌鲁木齐风、温廓线和混合层厚度的变化特征,并探讨了大气边界层结构对乌鲁木齐大气污染的影响。结果表明:观测期间乌鲁木齐近地面全天存在悬浮逆温,且有时为多层逆温,大气层结稳定;受逆温层的影响,近地面全天风速都很小,均在4m/s以下,风向随高度变化规律明显;观测期间乌鲁木齐大气混合层厚度平均为274m。乌鲁木齐冬季大气边界层风、温廓线的特征及混合层厚度,对大气污染的影响作用显著,是造成该地区冬季多污染的主要原因之一。     

北京地区一次特大强风过程边界层结构的研究

利用北京325 m气象塔资料对1993年4月9日北京地区出现的一次特大强风过程的边界层结构（风、温、风切变及阵风特征）进行了分析。随着该次大风的过境，边界层内风场出现数个风速高值中心，高度位于200～300 m，时间间隔1～3 h。伴随上层风速垂直切变和阵风特性。湍流能谱的计算结果表明了大尺度涡旋对边界层湍流微结构的影响。     

不同边界层参数化方案在中国西南地区东部高分辨率气候模拟中的敏感性研究

为了进一步评估和提高区域模式对西南地区东部高分辨率气候的模拟能力,利用 WRF模式,采用 多种边界层参数化方案（下称“不同方案”）对西南地区东部 1998—2019年夏季降水和气温进行双重嵌套模拟 （外层为D01,内层为D02）。对比不同方案模拟结果表明：多年平均降水量在D01中基本为湿偏差;D02中在四 川盆地和重庆低海拔地区为干偏差,湿偏差主要位于贵州和重庆的城口、石柱和武隆一带的地形复杂区;总体 上D01中ACM2方案误差最小,D02中MYJ方案误差最小。对多年平均气温的模拟在D01中除了四川盆地一 带为暖偏差外其余大部地区基本为冷偏差,D02 中大部地区为暖偏差;总体上 D01 和 D02 中 MYJ方案误差最 小,YSU方案最大。对于降水量和平均气温年际变化的模拟技巧在D01和D02中相对较高的地区均集中在重 庆中西部和湖北大部地区;降水量总体为 YSU 方案最高,MYJ 方案最低;平均气温总体为 MYJ 方案最高, ACM2方案最低。因此,提升模式分辨率至对流尺度后对不同气象要素模拟技巧最优的方案存在差异,需根据 业务情况选择适合本地的参数化方案。