A Hybrid Spectral/Finite-Volume Algorithm for Large-Eddy Simulation of Scalars in the Atmospheric Boundary Layer

Pseudospectral methods are frequently used in the horizontal directions in large-eddy simulation of atmospheric flows. However, the same approach often creates unphysical oscillations for scalar fields if there are horizontal heterogeneities in the sources and/or sinks, as is usual in air pollution problems. A hybrid approach is developed to combine the use of pseudospectral representation of the velocity field and bounded finite-volumes for the scalar concentration. An interpolation scheme that yields a divergence-free interpolated velocity field is derived and implemented, and its importance is illustrated by two sample applications.     

Large-Eddy Simulation of Flows over Random Urban-like Obstacles

Further to our previous large-eddy simulation (LES) of flow over a staggered array of uniform cubes, a simulation of flow over random urban-like obstacles is presented. To gain a deeper insight into the effects of randomness in the obstacle topology, the current results, e.g. spatially-averaged mean velocity, Reynolds stresses, turbulence kinetic energy and dispersive stresses, are compared with our previous LES data and direct numerical simulation data of flow over uniform cubes. Significantly different features in the turbulence statistics are observed within and immediately above the canopy, although there are some similarities in the spatially-averaged statistics. It is also found that the relatively high pressures on the tallest buildings generate contributions to the total surface drag that are far in excess of their proportionate frontal area within the array. Details of the turbulence characteristics (like the stress anisotropy) are compared with those in regular roughness arrays and attempts to find some generality in the turbulence statistics within the canopy region are discussed.     

蒙特卡罗不确定性分析在O3模拟中的初步应用

利用蒙特卡罗不确定性分析方法,分析了嵌套网格空气质量模式系统(NAQPMS/IAP)中154个模式输入变量不确定性对臭氧模拟的影响,量化了模式在北京奥运会期间臭氧模拟的不确定性,并确定出了主要不确定性因子。结果表明:(1)在奥运会期间(2008年8月8日～2008年8月24日),北京城区臭氧模拟的平均不确定性为19ppb,不确定性存在明显的日变化特征,白天不确定性大,夜间不确定性小。(2)在白天,北京城区近地层臭氧模拟最重要的不确定性来源是局地前体物排放,其次是NO2光解系数、风向、北京周边前体物排放和垂直扩散系数。另外,地面约150m以上,对臭氧模拟影响最大的不确定性因子是风向和北京周边前体物排放;夜间,北京城区近地层臭氧模拟的最大不确定性来源是局地NOx排放和垂直扩散系数。     

2008年北京奥运会开幕式化学危害预测数值模拟

针对2008年北京奥运会安保,建立了一个复杂的系统,包括两个气象预报模式MM5和RAMS6.0以及一个复杂地形上有毒云团的扩散模式CDM。开发了MM5和RAMS6.0接口模块,发展了基于RAMS6.0气象场预报结果的CDM,实现了对未来36h内的精细气象场和扩散场进行模拟,气象场预报的分辨率为500～1000m,扩散场的分辨率可达到50～200m。基于T213数据,应用MM5进行了水平分辨率为3km的气象场初步预报,将该预报结果转化为RAMS6.0识别的数据格式,应用RAMS6.0对气象场进行分辨率为500～1000m的精细预报,得出北京奥运会期间的风场与湍流量的预报结果。基于该气象场,根据想定,应用CDM对北京奥运会国家体育场"鸟巢"附近发生化学事件时进行了模拟研究,得出危害范围、危害等级、危害开始时间、危害持续时间等时空分布,为奥运会开幕式化学危害应急提供技术支持。     

一次α中尺度低涡暴雨的数值模拟

用WRF模式对2007年4月21—22日的一次中α低涡暴雨过程进行了高分辨率模拟,结果表明:(1)该低涡的产生与湖北西部的地形条件有一定的联系,低压倒槽系统为其提供了必要的环流背景,反演自FY-2 C卫星的TBB资料较好地反映了该中α低涡的整个活动过程。(2)对低涡发展最强阶段的动力和热力结构分析表明,低涡右侧为较强的上升运动,而其左侧则为下沉运动,在中低层冷空气上部有南侧暖湿空气上爬造成的次级上升运动;低涡左侧存在较明显的湿斜压锋区,后部则有明显的干冷气切入;南风风量对总体水汽输送的贡献要大于西风风量。(3)WRF模式中NOAH和热扩散陆面方案的对比分析表明,NOAH方案更加有利于低涡中心的发展,因此能够产生较热扩散方案更强的中心区降水,但是这种增强作用主要分布在低涡区附近,其他地区差别不大。     

一个气候系统模式对小冰期外强迫变化的平衡态响应

本文利用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室发展的气候系统模式FGOALS_gl, 通过设定小冰期的太阳辐射变化, 模拟了小冰期的气候平衡态, 讨论了小冰期气候变化的机理。数值试验结果表明, 由太阳辐照度变化和火山活动共同作用造成的太阳辐射减少是小冰期气候的重要成因, 模拟的小冰期表层气温变化分布与重建资料在全球大多数地区较为一致。就全球平均情况而言, 小冰期的年平均气温较之1860年偏冷0.15℃, 较之20世纪平均情况偏冷0.6℃左右。小冰期温度变化存在显著的地域和季节特征, 表现为北半球降温幅度大于南半球, 高纬地区降温幅度大于低纬地区, 夏季的降温幅度大于冬季。东亚地区小冰期温度较之1860年和20世纪分别偏冷0.3℃和0.6℃。小冰期的降水异常中心位于低纬地区, 主要表现为赤道中东太平洋降水负异常和赤道中西太平洋降水正异常, 以及位于热带印度洋的降水偶极子型。除欧洲和北美外, 全球其他地区陆地降水均减少。东亚地区小冰期夏季降水的变化最为显著, 较之1860年, 华北、 东北地区降水增加, 而长江流域以南降水则减少; 较之20世纪, 东部降水异常表现出华北地区偏多、长江流域偏少、华南地区偏多的“三极型” 分布特征。     

雷暴云首次放电前两种非感应起电参数化方案的比较

在三维强风暴动力-电耦合数值模式中分别引入两种基于不同实验室结果的非感应起电参数化方案S91和SP98, 对比分析了一次雷暴单体首次放电前, 利用两种方案模拟得到的非感应电荷转移区域、极性、量级和电荷结构的演变特征, 及其与有效液态水、温度、粒子分布和对流之间的关系。结果表明, S91中, 起电区域逐渐由高温、高有效液水区向低温、低有效液水区转移。电荷转移量快速增加, 且由以正极性为主过渡为以负极性为主。电荷结构由偶极性转变到三极性。SP98中, 淞附增长率的大值区范围较大, 霰以携带正电荷占绝对优势, 易形成反极性的电荷结构, 但有进一步转变为三极性的趋势。两种方案的共同点表现为: 电荷层较高, 位于对流区上部及雷暴移动方向前侧出流区; 正电荷转移多发生在高有效液态水(或淞附增长率)和高温区, 负电荷转移都发生在低有效液态水(或淞附增长率)和低温区; 转移电荷的正中心均位于霰的累积区中心, 负中心易出现在冰晶和霰共存区的中心。     

一次飑线过程的数值模拟及诊断分析

利用NCAR、NCEP和FSL/NOAA等共同研制的WRF中尺度数值模式,对2009年6月3日河南地区发生的一次飑线过程进行数值模拟,并利用模式输出的高分辨率资料对该次过程进行诊断分析。结果表明:WRF模式成功地再现了高低空环流形势演变及强对流的分布发展特征,高空冷涡后部冷空气南下,近地层较暖,形成了上冷下暖的位势不稳定层结及地面辐合线是这次强对流和飑线天气过程的触发机制。强对流发生时,该地区出现的低空增温增湿、低空急流的爆发及低层急流核向东南快传、高空急流轴稳定在强对流天气发生地上空,对流有效位能积累和释放随时间的演变过程及垂直螺旋度大值中心等对此次强对流天气过程有较好的指示意义。     

Parameterization of Sheared Convective Entrainment in the First-Order Jump Model: Evaluation Through Large-Eddy Simulation

In this note, two different approaches are used to estimate the entrainment-flux to surface-flux ratio for a sheared convective boundary layer (CBL); both are derived under the framework of the first-order jump model (FOM). That suggested by Sun and Wang (SW approach) has the advantage that there is no empirical constant included, though the dynamics are described in an implicit manner. The second, which was proposed by Kim et al. and Pino et al. (KP approach), explicitly characterizes the dynamics of the sheared entrainment, but uncertainties are induced through the empirical constants. Their performances in parameterizing the CBL growth rate are compared and discussed, and a new value of the parameter A ₃ in the KP approach is suggested. Large-eddy simulation (LES) data are employed to test both approaches: simulations are conducted for the CBL growing under varying conditions of surface roughness, free-atmospheric stratification, and wind shear, and data used when the turbulence is in steady state. The predicted entrainment rates in each case are tested against the LES data. The results show that the SW approach describes the evolution of the sheared CBL quite well, and the KP approach also reproduces the growth of the CBL reasonably, so long as the value of A ₃ is modified to 0.6.     

三江源地区草地退化对中国区域气候影响的数值模拟研究

人类活动导致的土地利用变化是区域气候变化的一个重要驱动因素.位于青藏高原腹地的三江源地区,生态系统十分脆弱,其独特的地理位置决定了源区的生态环境对中国乃至全球的气候变化、生态环境均有十分重要的影响.该研究应用区域气候模式RegCM3,通过两组数值模拟试验结果的对比分析,探讨三江源地区的草地退化对中国区域气候的影响.模拟试验的区域模式水平分辨率为60 km,模拟区域中心位于35°N,105°E,水平格点数为92×82,相当于5520 km×4920 km的范围.研究结果表明:RegCM3对中国区域气候具有较好的模拟能力,能够用于定量研究土地利用变化对区域气候的影响.三江源地区的草地退化引起的气候变化在不同的地区是不一致的,变化最明显的地区是青藏高原地区.草地退化将会引起青藏高原地区的冬季降温和其他季节升温,气温变化最显著的季节是春季(0.46℃),冬季变化最小(0.03℃);三江源地区的草地退化对中国中、东部地区的气候影响较复杂,主要表现为夏季长江以北地区有不同程度的升、降温现象.由于青藏高原夏季热源作用的加强,导致夏季青藏高原低层大气的热低压有所加强,太平洋副热带高压向东退缩.降水量的变化主要表现在夏季降水的普遍减少.草地退化后,青藏高原地区的气候有向暖于方向发展的趋势.