海面粗糙度可变时定常非中性大气边界层数值模式

本文结出一个海面粗糙度可变时定常非中性大气边界层数值模式,其中粗糙度是摩擦速度的函数,湍流交换系数是湍流热通量和风切变的函数,而热通量在海气温差已知时由近地层通量梯度关系求出。解得的风和若干边界层特征参数符合观测及理论考虑。因此,只要知道地转风、纬度及海气温差即可用本模式计算海面大气边界层中不同高度的风。     

自由大气非定常扰动对大气边界层的内参数的影响

本文用大气边界层运动方程的数值积分方法,研究了当自由大气(边界层顶)风作非定常的周期扰动时,对非中性层结的大气边界层的内参数u*/G(u*为摩擦速度,G为自由大气风速)和角α(地面风与自由大气风向的夹角)的影响。并将其结果与中性层结大气边界层的相应结果作了对比。最后对斜压大气情形也作了相应讨论。说明了大尺度模式中边界层的参数化的结果应考虑层结、斜压性与非定常过程的共同作用。     

边界层特征参数对旋转减弱的影响

根据作者提出的含边界层层结特征参数如层结稳定度、粗糙度等的Ekman抽吸速度公式,研究了稳定度、粗糙度、斜压性等参数对旋转减弱的影响。计算实例表明,稳定度影响旋转减弱最强,典型的不稳定情况旋转减弱进行的速度比稳定时大一个量级;粗糙度的影响主要表现于层结不稳定时,陆上要比海上快2倍以上。斜压性在不稳定时也有影响,此外风速也是影响旋转减弱的主要因子。本文结论有助于边界层与自由大气间相互作用的认识,并能给出某些气压系统维持与衰减的可能解释。     

斜压大气中海面边界层摩擦偏角的动力学研究

本文在Ekman动量近似下，引入关于水面粗糙度的Charnock公式，求得了斜压大气中海面边界层的风速的解析表达式，进一步得到边界层摩擦偏角的公式，并获得了边界层摩擦偏角的有关结论。例如海面的摩擦偏角远小于陆地的摩擦偏角；低纬的摩擦偏角比高纬的要大：理论分析和个例计算均表明，垂直平流惯性力与水平平流惯性力对摩擦偏角分别起着减小和增大的相反作用，而且反气旋性涡度处与气旋性涡度处的摩擦偏角可相差达20多度。冷暖平流下的摩擦偏角相差很大，甚至可达七、八十度。这些结论对斜压大气中的海面边界层风场摩擦偏角的预后都具有指导性作用。     

下垫面特性突变时的内边界层数值研究

本文建立了一个考虑层结的二维内边界层数值模式,研究了下垫面粗糙度、温度、湿度突变引起的内边界层。结果表明:下垫面温度突变引起的温度内边界层与下垫面粗糙度突变引起的速度内边界层具有明显的差异。     

一次冬季锋面暴风雪天气过程的斜压边界层特征的观测分析

对STORM-FESTIOP17一次冬季锋面暴风雪天气过程的斜压边界层结构演变及特征进行了分析。发现：暖湿空气沿锋面抬升凝结成云，产生降水过程中释放的大量潜热显著增加锋两侧的水平温度差异，产生锋生。与锋生相伴，在锋前产生低空急流和高空急流。当锋生至最强时，锋两侧温差可达20K，锋前低空急流开始减弱，锋后低空急流增强，锋后冷平流开始主导锋两侧的环流系统。该冷平流削弱锋两侧的温度水平梯度，产生锋消作用。对这次锋面斜压对流边界层的湍流特征分析表明：在边界层之上切应力wv明显增大；湍能收支分析表明在边界层之上的风切变产生项很强，即大尺度天气系统有利于斜压对流边界层的发展，边界层内各量充分混合。这次冬季锋面暴风雪天气过程，冷锋前的低空南风急流从墨西哥湾携带来的充足水汽及锋区边界层大气的强斜压性是其产生的关键因子：冷锋过后，大尺度高空急流的作用更有利于对流边界层的充分发展。     

Ekman动量近似下中间边界层模式中的风场结构

发展了一个准三维的、中等复杂的边界层动力学模式，该模式包含了EKman动量近似下的惯性加速度和Blackadar的非线性湍流粘性系数，它进一步改进了Tan和Wu(1993）提出的边界层理论模型。该模型在数值计算复杂性上与经典Ekman模式相类似，但由于包含了Ekman动量近似下的惯性项，使得该模式比传统Ekman模式更近于实际过程。中详细地比较了该模式与其他简化边界层模式在动力学上的差异，结果表明：在经典的Ekman模式中，由于忽略了流动的惯性项作用，导致在气旋性切变气流（反气旋性切变气流）中风速和边界层顶部的垂直速度的高估（低估），而在半地转边界层模式中，由于高估了流动惯性项的作用，结果与经典Ekman模式相反。同样，该模式可以应用于斜压边界层，对于Ekman动量下的斜压边界层风场同时具有经典斜压边界层和Ekman动量近似边界层的特征。     

地形与斜压边界层的动力分析

利用摄动方法,解析求解了含有地形的非线性斜压行星边界层的风场及其顶部的垂直速度。将所得结果与其它工作比较,说明了斜压性、地形和非线性平流对边界层中风场分布和顶部垂直速度的影响。     

层结性对大气边界层风场的影响

本文在地转动量[1]近似下，采用与Agee[2]公式相近的分段常数来描述湍流粘性系数K及其一阶导数（湍流摩擦力所包含的两项和均得到考虑），求得了层结大气中的边界层风场分布和边界层顶垂直速度的解析表达式。计算结果表明；不稳定层结的K比稳定层结的大，且Ekman抽吸作用强；在边界层低层，不稳定层结的全风速比稳定层结的大，而在中层以上则相反。还有，摩擦力中的一阶导数项和二阶导数项量级相同，以往忽略一阶导数项的做法会导致在边界层低层，不稳定层结的全风速反而较小，这与事实不符。因而考虑一阶导数项将进一步完善边界层动力学的理论和应用。     

非线性多层行星边界层风场

本文利用小参数展开法研究非线性行星边界层,将其分为近地层和Ekman层,而Ekman层又分为若干层。在近地层中,取湍流粘性系数K为高度的线性函数;在Ekman层中,取K为逼近O′Brien[1]公式的分段常数。利用上下边界条件和分层界面上由风速连续和粘性应力连续而列出的衔接条件,求得了各层的风速和边界层顶的垂直速度的解析表达式,并计算和作图分析了特定的圆形轴对称气旋和反气旋的个例,得到了一些新的结论。例如,边界层中风速与其顶部风速的最大夹角远小于Wut的结果,只有25°左右,而近地层风速却远大于Wu的结果,50米处即可达地转风的一半左右。这些都与实测更趋于一致。再者,此个例还表明,Wu所得到的关于摩擦作用造成的边界层顶垂直速度在中心处达最大值,而我们得到的却是零,这与近中心处地转风很小,使边界层顶风速很小,因而风速切变很小,摩擦作用便很微弱的结论是一致的。由此可见,边界层中的风分布对湍流粘性系数是敏感的。     

一个诊断非平坦地形上边界层风的数值模式

根据半地转大气边界层模式，由大尺度数值模式并考虑了下垫面地形及粗糙度的水平非均匀性及大尺度气压场的时空变化，给出了一个诊断边界层风的数值模式。对低纬度运用塔层风模式进行诊断。诊断结果与实测资料比较，风向风速均达到了一定的精确度。     

The Adaptation of the Atmospheric Boundary Layer to a Change in Surface Roughness

The adaptation of the atmospheric boundary layer to a change in the underlying surface roughness is an interesting problem and hence much research, theoretical, experimental, and numerical, has been undertaken. Within the atmospheric boundary layer an accurate numerical model for the turbulent properties of the atmospheric boundary layer needs to be implemented if physically realistic results are to be obtained. Here, the adaptation of the atmospheric boundary layer to a change in surface roughness is investigated using a first-order turbulence closure model, a one-and-a-half-order turbulence closure model and a second-order turbulence closure model. Perturbations to the geostrophic wind and the pressure gradients are included and it is shown that the second-order turbulence closure model, namely the standard k - model, is inferior to a lower-order closure model if a modification to limit the turbulent eddy size within the atmospheric boundary layer is not included within the model.     

关于边界层阻力定律在非定常均匀条件下的推广

用自由大气实际风速取代地转风,得到了非定常均匀条件下阻力定律和边界层内参数的一些性质及相似性函数Ａ、Ｂ的特性。该方法和结果可应用于大气模式中的边界层参数化以及与相似性函数有关的一些研究。     

Parameterisation of the Planetary Boundary Layer for Diagnostic Wind Models

The planetary boundary-layer (PBL) parameterization is a key issue for the definition of initial wind flow fields in diagnostic models. However, PBL theories usually treat separately stable, neutral, and convective stability conditions, so that their implementation in diagnostic wind models is not straightforward. In the present paper, an attempt is made to adopt a comprehensive PBL parameterisation, covering stable/neutral and unstable atmospheric conditions, which appears suitable to diagnostic models. This parameterisation is implemented into our diagnostic mass-consistent code. A validation of the consistency between the implemented PBL parameterisations has been checked through an analysis of the sensitivity of the vertical wind profiles to atmospheric stability.     

The influence of weakly–nonlinear vertical advection on the wind field of PBL with large–scale orography

The analytical solutions of the PBL wind distribution under the equilibrium of four forces including both horizontal and vertical advections are obtained in this paper using small parameter method. Utilizing this simple PBL model, we also compute the wind spirals of a certain circular vortex over level ground and over a west-east ranged mountain, respectively. The results show that when there exsits large-scale orographic forcing, vertical advection may exert considerable influence on the wind distribution of PEL, the angle between geostrophic flow and surface wind, and the height of the top of PBL     

The Influence of Weakly-Nonlinear Vertical Advection on the Wind Field of PBL with Large-Scale Orography

ＴｈｅＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＷｅａｋｌｙ－ＮｏｎｌｉｎｅａｒＶｅｒｔｉｃａｌＡｄｖｅｃｔｉｏｎｏｎｔｈｅＷｉｎｄＦｉｅｌｄｏｆＰＢＬｗｉｔｈＬａｒｇｅ－ＳｃａｌｅＯｒｏｇｒａｐｈｙ①ＷａｎｇＬｉｎｇ（王岭）ａｎｄＸｕＹｉｎｚｉ（徐银梓）Ｄｅｐａｒｔｍ...     

北京地区夏季边界层结构日变化的高分辨模拟对比

使用WRF中尺度数值模式, 分别选用两种不同的边界层参数化方案 (MYJ, YSU) 和3种陆面参数化方案 (SLAB, Noah, RUC), 对2004年7月1日08:00—7月4日20:00 (北京时) 北京地区夏季边界层结构进行1 km的高分辨模拟。对比分析了近地面层风场、温度场以及边界层的日变化特征, 结果发现:WRF模式基本模拟出了北京夏季边界层的日变化特征; 在边界层方案中, MYJ方案描述的边界层结构较YSU方案合理; Noah陆面模式较好地反映了城市的热岛效应; 无降水时, 风速及边界层高度对于陆面过程不敏感, 而降水发生后, 陆面过程对于边界层结构的影响增大; 各方案模拟的城区风速明显偏大, 这是因为没有充分考虑城市建筑物的阻力作用。     

台风数值模拟中边界层方案的敏感性试验I.对台风结构的影响

通过比较不同边界层方案下中尺度数值模式模拟的台风地表特征量以及形势场和风场, 表明台风边界层通过摩擦混合和辐射等作用与地表产生水汽、热量和动量的交换, 并通过湍流效应和积云的夹卷作用将边界层的影响扩展至整个自由大气.对台风Dan的模拟个例表明, 由于边界层过程的差异导致台风尺度大小不同, 风场、形势场的水平和垂直分布结构都有所差异.不同边界层方案模拟的台风结构的差异必然导致强度的差异, 与此相对应, 在不同边界层方案下, Eta方案模拟的台风强度偏大; 而Burk-Thompson和Blackadar方案略次之,在没有边界层方案的情况下模拟的强度非常弱,体现了边界层过程对台风发生发展的巨大影响.     

An Analytical Study of the Diurnal Variations of Wind in a Semi-geostrophic Ekman Boundary Layer Model

A time-dependent semi-geostrophic Ekman boundary-layer model based on the geostrophic momentum approximation is used to study the diurnal wind variation in the planetary boundary layer (PBL) and the evolution of the low-level nocturnal jet (LLJ). The coefficient of eddy viscosity varies periodically with time, varies linearly with height in the surface layer and is constant above the surface layer. The influence of horizontal advection of momentum on the diurnal wind variation in the PBL, the development of inertial oscillations (IOs) and the formation of the LLJ are examined.In comparison with the Ekman solutions, the diurnal wind variation in semi-geostrophic Ekman boundary-layer dynamics has the following features: (1) the phase angle of the diurnal wind wave shifts with height, the rate of shifting is increased in anticyclonic regions and decreased in cyclonic regions, (2) the time of occurrence of the low-level maximum wind speed is later in anticyclonic regions and earlier in cyclonic regions, (3) the height of occurrence of the maximum wind speed is higher in the anticyclonic and lower in cyclonic regions, (4) the wind speed maximum and the amplitude of the diurnal wind variation are larger in anticyclonic and smaller in cyclonic regions, (5) the period of IOs is larger in anticyclonic regions and smaller in cyclonic regions, (6) anticyclonic vorticity is conducive to the generation of LLJ in the PBL. These features are interpreted by means of the physical properties of semi-geostrophic Ekman boundary-layer dynamics and inertial oscillation dynamics.