山地边界层中场变量的动力学研究

采用与实测较接近的二次函数来表达Ekman层中的湍流粘性系数K,在圆形气压场条件下,求得了山地上空边界层中的风速,进而求得散度、涡度和垂直速度等场变量随高度的分布。并作图分析了这些场变量的一些动力学特征。改进了以往在求解析解时,略去运动方程中湍流粘性力项中的关于高度的一阶导数项,以及取山坡面上风速为零作下边界条件等欠合理欠精确的做法。所求得的风速、散度、涡度和垂直速度均用简单的初等函数表示出来,有助于边界层参数化和深化对边界层动力学的认识。     

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。     

移动性热岛边界层特征的数值研究

用二维非静力完全弹性的中－γ尺度数值模式模拟了移动性热岛的大气边界层特征。试验中，热岛移速取为４ｍ·ｓ＾－１，热岛强度取△θｇ＝６０Ｋ和３０Ｋ两种。△θｇ＝６０Ｋ时，在热岛后方出现了强烈的垂直运动并形成了水平尺度为３－５ｋｍ的局地环流，最大上升速度１００ｃｍ·ｓ＾－１，出现在低层３００－４００ｍ高度；△θｇ＝３０Ｋ时，移动热岛的边界效应比前大为减弱，且不再出现闭合的局地环流。     

MM5和ETA相似理论近地层方案对农田下垫面通量模拟比较研究

近地层湍流通量计算对于中尺度数值模式有重要意义, 湍流通量的参数化是当前大气边界层研究的重要课题之一。选择青藏高原东缘大理观象台边界层通量观测系统, 离线测试了WRF区域模式中的两种常用的近地层参数化方案(MM5相似理论非迭代方案A和ETA 相似理论迭代方案B), 并将参数化方案计算结果与边界层铁塔涡动相关法的观测值进行对比分析。在大理观象台观测场不同植被随季节交替的状况下, 根据边界层铁塔4层高度风速拟合, 发现近地层空气动力学粗糙度随季节变化特征明显。将拟合的空气动力学粗糙度输入模式参数化方案进行通量计算。结果表明:稳定度是影响近地层参数化方案精度的重要因素, 在不稳定条件下方案B低估了动量通量, 方案A优于方案B, 而在稳定条件下方案A低估了动量通量, 方案B优于方案A, 两种方案总体来看误差不大。对于大理边界层通量观测场地农田植被交替的环境条件, 不同季节下垫面植被类型的差异, 以及植被的稀疏对近地层参数化方案湍流通量计算结果的精度有显著影响。方案B考虑了空气动力学粗糙度z₀和热量粗糙度z_0h的差异, 不稳定条件下感热通量计算结果在裸土或稀少植被条件下明显优于方案A。针对方案B不稳定条件下感热通量计算结果在裸土下垫面仍出现高估的现象, 在使用了(Zeng, et al, 1998)提出的对于使用辐射地表温度在裸土下垫面时的订正方法后, 计算结果也有明显改善。     

“93.5”黑风暴发展结构和不同模式分辨率的数值试验

1993年5月4～6日在我国西北部地区发生了一次“黑风暴”。用改进的MM1和高分辨PBL参数化及40 km细网格控制试验能基本上模拟出“93.5”黑风暴的结构和演变。模拟结果表明,黑风暴发展时段,在PBL内与一个中尺度气旋性强涡旋相伴,在对流层内与一个垂直涡柱相伴。这个伸展至对流层顶的涡柱下（上）半部是与低（高）空强烈辐合（辐散）入（外）流相伴的气旋（反气旋）性涡柱。该黑风暴结构不同于一般锋面结构,其主要判别是：界面坡度陡,θe水平梯度大,斜压性强,PBL内暖心明显。该暖心结构与下垫面剧烈热力强迫有关。不     

古尔班通古特沙漠大气边界层参数化方案的模拟评估[1]

为准确描述我国最大的固定/半固定沙漠-古尔班通古特沙漠区域的大气边界层结构,本文利用该沙漠腹地2017年的梯度铁塔和通量观测数据,基于中尺度气象模式WRF (Weather Research and Forecast v3.7.1),分析了5种边界层参数化方案在古尔班通古特沙漠的适用性。结果表明：1）采用WRF模拟沙漠腹地近地层内的边界层特征时,2m气温的模拟存在冷偏差,5种边界层参数化方案均能较好地模拟出四个季节2m气温的日变化特征,其中非局地方案ACM2(Asymmetric Convective Model version 2)对2m气温效果最好,局地方案BL方案的模拟偏差最大;2）5种边界层参数化方案均能够模拟出10m风速的日变化特征,其中局地方案BL(Bougeault-Lacarrere)对10m风速效果最佳;3）采用WRF模拟沙漠近地层内的地表通量特征时,感热通量存在高估现象,潜热通量存在低估现象,5种边界层参数化方案均能较好地模拟出四个季节模拟时间段内地表净辐射通量的日变化特征,其中局地方案MYJ(Mellor-Yamada-Janjie)的模拟精度最高。     

边界层参数化方案在“灰色区域”尺度下的适用性评估

随着数值预报模式分辨率的提高,当模式网格距与含能湍涡的长度尺度相当时,模式动力过程可解析一部分湍流运动,而剩余的湍流运动仍需参数化,此时便产生了湍流参数化的“灰色区域”问题。对传统的PBL（Planetary Boundary Layer）方案在“灰色区域”下的适用性评估,是改进PBL方案以使其能够适应分辨率变化的前提和基础。本研究基于干对流边界层的大涡模拟试验,比较了WRF（Weather Research and Forecast Model）模式中四种常用的边界层参数化方案[YSU（Yonsei University）、MYJ（Mellor-Yamada-Janjic）、MYNN2.5（Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino Level 2.5）、MYNN3）]在“灰色区域”尺度下的表现。研究表明,混合层内总热通量对所使用的参数化方案和水平分辨率均不敏感。不同参数化方案中次网格与网格通量的比例表现出对水平网格距不同的依赖性。局地PBL方案（MYJ、MYNN2.5）在混合层内的平均位温随网格距减小而增大,次网格通量随网格距减小而减小,较参考湍流场对次网格通量有所低估。YSU方案的非局地项几乎不随水平格距改变而变化,对次网格通量的表征并未表现出较强的分辨率依赖性,且过强的非局地次网格输送使混合层内温度层结呈弱稳定,抑制了可分辨湍流输送,不易于激发次级环流。MYNN3方案的非局地次网格通量（负梯度输送项）随网格距减小而减小,使其对次网格通量的表征具有较好的分辨率依赖性。PBL方案在“灰色区域”尺度下的适用性与具体分辨率有关。以分辨率500 m为例,四种PBL方案中不存在一种最佳方案,能对边界层的热力结构和湍流统计特征均有准确的描述。     

基于WRF模式的风电场短期风速集成预报方法研究

风能始源于大气的运动,具有很大的随机性和间歇性。风速预测是风电场风功率预测的基础,其准确性具有重要的意义。对于复杂地形条件下,风速的预报一直是各国研究的难点和重点。为了提高风电场短期风速预报的准确性,本研究采用多种边界层参数化方案来集成预报风速,将各单一边界层参数化方案预报的风速及相应的实测风速数据,应用随机森林算法建立集成预报模型,对风电场的短期风速进行集成预报研究。试验结果表明,采用集成预报风速方法,预报的风速误差相比于单一边界层参数化方案预报的风速误差明显减小,对研究区域的风速、风向等气象要素有着较好的模拟效果,能够有效提高风速预报的准确率。     

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。     

绿洲与荒漠相互影响下大气边界层特征的模拟

用发展的二维中尺度土壤－植被－大气连续体数值模式模拟了绿洲与荒漠相互影响下的大气边界层特征。得到了绿洲和临近荒漠之间的边界层高度、风螺线、风速廓线、位温廓线和比湿廓线的差别,并给出了绿洲对其上游和下游荒漠大气的不同影响。基本再现了白天绿洲大气逆温和临近绿洲的荒漠大气逆湿。模拟实验研究不仅验证了外场观测结果,而且也使我们对复杂下垫面边界层结构有了一些新的认识。