夏季青藏高原对流边界层高度东西差异对环流场的影响

基于2013—2015年6—8月“第三次青藏高原大气科学试验(TIPEX-Ⅲ)”和常规气象业务探空观测资料、欧洲中期天气预报中心(ECMWF)第5代再分析(ERA-5)数据以及“国际卫星云气候计划(ISCCP)”云量资料,采用统计分析和物理量诊断分析方法,研究了夏季青藏高原(简称高原)大气对流边界层高度东西差异对高原地区天气尺度环流的影响。结果表明:高原对流边界层高度东西差异表现出明显的日变化,且这种差异呈现西高东低的分布特征,主要由西部对流边界层高度明显增大所致。当中午对流边界层高度东西向差异增大时,午后地面虚位温6 h变差呈西部高、东部低的特征,且西部变化更明显,高原西部对流边界层内温度升高,东部略降低,并伴随着高原西部对流边界层内气压降低、高层升高且低压系统较浅薄,而东部低层气压升高;高原低层东高西低的气压场特征产生了异常东西向气压梯度,引起高原中部低层出现偏南风异常,伴随着西部的低层异常辐合和高层异常辐散;同时,浅薄的低压有助于当地低云发展。

对流槽模拟对流边界层实验研究

叙述了利用对流槽 (长×宽×高为 2 0 0cm× 4 0cm× 4 5cm)模拟对边界层 (CBL)的温度场结构特征的实验研究工作 ,包括平均温度、垂直热通量、温度脉动、温度谱等 ,以及混合层顶部夹卷特征 .模拟实验结果表明对流槽能很好地模拟对流边界层发展过程中边界层结构特征和湍流特征 ,并且细致观测到混合层顶部夹卷过程 ,为揭示夹卷机制提供实验依据 .

夏季巴丹吉林沙漠残余层与深厚对流边界层的关系研究

利用2012年7月＂巴丹吉林沙漠陆气相互作用及其对区域气候的影响研究＂实验所得到的观测资料和中尺度气象模式WRF,对夏季巴丹吉林沙漠对流边界层高度发展的特征及其影响因素进行了研究。结果表明：（1）2012年7月在巴丹吉林沙漠连续观测到厚度超过3500 m的深厚对流边界层,其最大高度可达4000 m以上;当这种深厚对流边界层出现之前,当地中低层大气（1000～4000 m）存在近中性的残余层,而在没有近中性残留层出现时,即便地表感热通量较大,当天最大对流边界层高度却明显偏低;（2）WRF模式模拟结果表明残余层稳定度和对流边界层高度之间的负相关关系在空间区域成立,残余层位温直减率与当地对流边界层高度在时间和空间分布上都呈现显著的负相关关系;残余层位温直减率与对流边界层高度的空间相关系数最大值可达-0.51;（3）观测和模拟结果均表明残余层稳定度会直接影响由感热通量产生的对流边界层的发展效率,进而影响对流边界层的最大高度。通过研究发现,除感热通量外,近中性的残余层是巴丹吉林地区深厚对流边界层出现的关键条件之一。

对流边界层大涡模式的改进及对夹卷速度的研究

对已建的对流边界层（ＣＢＬ）大涡模式进行了改进，将次网格闭合方案改为次阿格能量闭合，并考虑了水汽的源汇项和水汽相变潜热的作用。通过对均匀下垫面上由热扰动发展的对流边界层的模拟及与实验结果的比较表明，模式较好地模拟了对流边界层的主要物理结构，较好地反映了各物理量之间的对应关系。本文在一定的对流理查森数（Ｒｉ＊）范围内给出了一些算例，对无量纲夹卷速度（Ｗｅ／Ｗ）进行了研究。结果表明，无量纲夹卷速度随地表热通量（Ｑｓ）的增大而增大，随对流边界层上部温度递减率（γ）的增大而减小。当９．０６≤ Ｒｉ ≤ ４５．２９时，无量纲夹卷速度Ｗｅ／ Ｗ＊可以拟合成Ａ（Ｒｉ＊）－１的形式，其中Ａ＝０．２２６。并且与我们的对流槽实验结果，Ｓｕｌｌｉｖａｎ等人的大涡模拟结果以及Ｄｅａｒｄｏｒｆｆ等人的对流槽实验结果作了比较，四者吻合较好。

西北干旱区对流边界层发展的热力机制模拟研究

观测发现,西北干旱区对流边界层高度在夏、冬两季极大值分别达到4km和800m。利用热力学方法对西北干旱地区深厚对流边界层的原因进行了定量分析。用建立的热力数值模型模拟表明,平均而言,夏季和冬季对流边界层高度的51.5%和61.4%分别由感热产生,对于夏、冬季对流边界层高度可分别达到4km和800m的极大值,感热贡献更大,为63.4%和73.1%,感热对对流边界层的贡献率冬季明显大于夏季;夏、冬季浮力夹卷对对流边界层的贡献是18.1%和9.4%;包括感热和浮力夹卷的热力因素可以解释夏、冬季对流边界层高度的69.6%和70.8%,而对于对流边界层极大值,则其解释可高达81%和84.6%。热力因素是西北干旱区对流边界层产生的主要原因,其中,感热又是最根本原因。

对流边界层中过山气流的数值模拟

采用 ＡＲＰＳ ４０非静力中尺度气象模式模拟了对流边界层中气流过山引起的地形波，讨论了地形及大气条件改变对其的影响。模拟表明，当大气边界层是对流边界层时，气流过山引起的地形强迫，仍能在上部稳定层结中造成足够的垂直扰动，产生向上传播的重力内波，重力内波引起的波动阻力仍不可忽略。

斜压对流边界层中风廓线和湍流特征的研究

在美国Ｋａｎｓａｓ和Ｎｅｂｒａｓｋａ交界处于１９９２年进行的ＳＴＯＲＭ－ＦＥＳＴ（ＳＴｏｒｍ－ｓｃａｌｅ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ－Ｆｒｏｎｔｓ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｓｔ）资料基础上，分析了 斜压对流边界层中温度、湿度和风速的垂直分布．分析表明，在对流边界层中温度和湿度常 显示很好的混合；但风速分量有时混合很好，有时则存在切变．计算了存在和不存在风切变 两种情况下的湍流动能收支．最后，讨论了对流边界层中风切变形成的可能原因．

城市建筑动力学效应对对流边界层影响的敏感性试验

本文将大涡模拟应用于城市对流边界层(CBL)湍流结构和流场特征的研究,在大涡模式中,拖曳系数取与建筑物高度及建筑物高度标准差有关的表达式以考虑次网格建筑物对风速和湍流动能(TKE)的面积平均影响。模拟结果表明,由于城市建筑物对气流的拖曳作用,使建筑物冠层及整个CBL内风速大幅度减小,城市冠层内部风速减小尤为明显,在夹卷层内,风速有一明显的跃变。在边界层中部对流运动已经发展成为较强的热泡,城市建筑物的动力学效应使热泡的水平尺度增大,CBL内平均上升气流速度和下沉气流速度减小,同时使CBL中上升气流所占比例比平坦地面增大。城市建筑物使CBL低层热通量、动量通量、速度方差和位温方差明显增大,但对近地层高度以上的湍流量影响不大。

对流边界层湍流通量及逆梯度输送参数化分析

"K"理论是众多气象预报模式中运用最广泛的湍流参数化方案之一,但无法解释"逆梯度"的输送,必须进行修正。最具代表性的修正方案有三种:方案Ⅰ(Deardroff方案)、方案Ⅱ(Holtslag和Moeng方案)和方案Ⅲ(刘烽方案)。本文利用香河的边界层观测资料对上述三种方案进行验证和比较,发现方案Ⅰ的结果在整个对流边界层(Convective Boundary Layer,CBL)呈系统性偏低,与观测不符;方案Ⅱ在CBL中上部能够再现逆梯度输送现象,基本能给出合理的湍流通量垂直分布,但在CBL的下部和上部与观测不符;方案Ⅲ的逆梯度项与高度有关,并在CBL中部达到最大,而其他两个方案中逆梯度项随高度不变。该方案不但在CBL中上部与方案Ⅱ的结果一致,并能合理表达整个CBL内的湍流通量分布,更接近观测结果。

对流边界层顶部夹卷速度参数化的分析研究

应用 1979年 7月美国CIRCE试验边界层观测资料对两个夹卷速度参数化方案进行了对比验证 ,结果表明 :基于简单夹卷层结构模型的参数化方案we/w =A·Ri- 1 只适用于自由对流边界层 ,当对流边界层中存在较强机械湍流时 ,该方案变得不再适用 ;而基于“侵吞模型”的参数化方案we/w =B·θ /(Γzi)则不仅适用于自由对流边界层 ,对于含有较强机械湍流的对流边界层也能较好地符合 ,因而具有较强的适用性 .当对流边界层受机械湍流和浮力湍流共同驱动时 ,仅以浮力对流速度w 表征混合层垂直湍流速度尺度是不恰当的 ,还应该包含机械湍流的贡献 .对比验证表明 ,这一改进非常有效 ,不仅使物理意义更加合理 。

水平非均匀对流边界层热量平衡和平流输送作用的大涡模拟

采用大涡模拟所获的数据结果， 分析地面热通量沿平均风方向存在突变的条件下对流边界层的热量平衡和平流输送作用。分析表明边界层内模拟所得结果可以很好地满足热量平衡关系。除地面热通量项以外， 平流项（包括水平平流和垂直平流） 对边界层加热率的作用可达地面热通量不均匀性差值的大小， 是影响边界层内热量平衡的最重要因子， 平均速度散度项对热量平衡的作用也不可忽略， 但湍流通量散度项的作用则很小。

对流边界层中泡状结构的大涡模拟研究

本文提出“连续垂直运动区”的概念，对边界层中的对流泡状运动进行了重新定义。由此将对流边界层划分为上升泡区、下沉泡区和环境气流区，并利用大涡模拟提供的对流边界层数值模拟结果研究这种泡状运动的结构。研究结果较好地解释了一些有关泡状运动结构方面的似乎相互矛盾的观测事实。

对流边界层相对扩散的大涡模拟研究

采用大涡模拟方法获得对流边界层中的湍流运动场及其时间变化 ,在这些场中以随机游走方法模拟被动粒子的扩散行为 ,了解烟团在对流边界层中的扩散路径和相对扩散速率 .结果清楚显示了被动污染物质的扩散过程 ,表明烟团扩散路径与前人的烟流轴线变化结果有较好的对应关系 .相对扩散的速率与现有相似性理论预示的变化趋势十分相符 ,并与现有近距离相对扩散经验关系相一致 ,而与连续烟流扩散的结果相比较则明显偏小 .模拟结果还显示平均风速可能在水平和垂直扩散中有一定的作用 .

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。

平坦非均匀地面对流边界层的准定常态

用大涡模拟方法研究对流边界层大气对非均匀地面条件的适应性。研究限于无风、平坦地形条件 ,地面热通量在一个水平方向作非均匀变化 ;平均地面热通量为 0 .15K·ms- 1、非均匀性变化幅度为 0 .0 5K·ms- 1;地面非均匀性的尺度在 2 0km之内。模拟结果表明 ,在充分长的时间后 ,边界层达到一种适合于地面条件的准定常态。这种准定常态和向其过渡的过程中 ,水平平均的边界层廓线性质 ,如平均位温廓线、垂直热通量廓线等几乎与平坦均匀地面的结果相同 ,或差异极小。地面非均匀性的主要作用是使边界层动能增大 ,并以地面非均匀性变化方向的动能增加为主。边界层动能以一种振荡衰减的形式向其准定常态过渡。可以引入边界层平均动能达到其第 1个峰值所需的时间tc 和准定常态无因次动能 Eeq为这一过渡过程的 2个特征量。此 2个特征量与地面非均匀性尺度的定性关系是 ,非均匀性尺度越大 ,过渡时间tc 越长 ,达到的准定常态无因次动能 Eeq也越大。

对流边界层顶部特性的对流槽实验模拟研究

利用对流槽研究对流边界层的顶部特性。实验结果表明，产生于混合层的上冲热泡可在对流边界层顶上的覆盖逆温层中激发出重力波；夹卷层的湍流结构表现出各向异性，水平尺度大于垂直尺度，与混合层中的湍流结构明显不同；利用可视图像直观显示了夹卷过程，夹卷层的温度谱表现出独特的结构特征，湍流能谱有明显的分区现象，谱幂率与现有理论分析结果有较大偏离。在实验结果的基础上，提出了关于夹卷速率的新参数化方案，夹卷速率可由地面热通量、混合层高度和覆盖逆温强度确定，方案中的系数C由实验测量数据拟合得出：C=0.95，与Deardroff等的对流槽实验数据的拟合结果（C=1.11）非常接近。

大气对流边界层发展的模拟研究

室内水槽模拟是大气边界层研究的一种重要手段。利用室内模拟水槽对大气边界层的发展进行了模拟,通过处理平均温度廓线和光斑图像得到了对流边界层顶部位置h2和边界层高度zi。结果表明,不同测量方法得到的结果一致性很好,与实际大气的边界层发展情况也较为接近。同时,根据试验情况确定初始条件和边界条件,使用边界层参数化模型进行了数值模拟,其结果与室内模拟的结果也较吻合。

对流边界层的大涡模拟研究

本文建立了一个均匀平坦地面上对流边界层的大涡模式，模式考虑了水汽，采用了考虑浮力和固壁影响订正的一阶闭合。并用所建模式进行了由热扰动发展的对流边界层的模拟及其对地表热状况变化响应的初步探讨性模拟工作。通过模拟认为，模式较好地反映了对流边界层的主要结构。

热力非均匀下垫面对流边界层流场结构特征研究

利用对流水槽成功模拟热力非均匀下垫面对流边界层的发生发展.仿照数值模拟中常用的马赛克方法在对流水槽的底部铺了一些导热率缓慢的材料(橡胶薄板),使下垫面的加热存在差异,进而产生非均匀加热。利用温度廓线和准直光系统共同决定边界层顶部的位置和对流速度尺度.采用PTV测量技术获得高精度的二维流场,看到流场具有复杂的空间结构和尺度特征。相对于均匀下垫面来说,底部的非均匀加热使得混合层湍流的组织性得到加强,具有稳定的环流结构。非均匀下垫面对流边界层的方差随高度的变化曲线与均匀下垫面的特征明显不同。为了分析非均匀下垫面对流边界层的环流特征和水平输送对湍流变化的贡献,计算了湍流动能的湍流输送。计算结果表明,加热开始不久,由于不同下垫面的的温差较大,水平输送也较大;而当一段时间后,温差变小,水平输送也变小了。由此可以看出非均匀下垫面对流边界层的水平输送依赖于下垫面的非均匀强度。

沙尘重粒子在对流边界层中的扩散模拟

用拉格朗日随机模式 (LagrangianStochasticModel)结合大涡模拟所得对流边界层三维湍流场的时间序列 ,研究沙尘类重粒子在大气中的扩散特性。对地转驱动风速为 0、2、4m·s-1的对流边界层情况和重粒子落速为 0 2、0 4、0 6m·s-1的情况 (对应沙尘粒子直径约 5 3、80和 10 4 μm)分别进行模拟 ,并与被动粒子扩散的情况进行比较。模拟的被动扩散情况与水槽实验及前人的数值研究结果相符甚好。对重粒子扩散的模拟结果显示了 2方面的内容。一方面 ,较小的颗粒 (5 3μm)在边界层中的扩散特征与被动扩散接近 ,较大的颗粒 (10 4 μm)则不易扩散到边界层上层 ,这与经验直观的情况相符。另一方面 ,若保持其他条件相同 ,较强的平均风有利于较重的粒子在边界层中的沉降 ,这一结果有待观测验证。