边界层参数化方案对华南一次暖区强对流过程的模拟影响研究

基于天气研究和预报模式(WRF)中尺度数值模式,比较分析四种边界层参数化方案(YSU、MYJ、MYNN、 ACM2)对华南暖区强对流过程模拟的影响。结果表明:(1)四个方案均模拟出广东区域午后有强对流天气发展,但模拟的平均降水量比实况偏小,最大降水强度出现时间滞后1~2 h。(2)四个方案模拟的气温垂直分布与实况非常接近,模拟的850 h Pa以下的低层湿度整体偏大,而模拟的800~950 h Pa风速整体偏小。(3)相比之下,YSU非局地闭合方案模拟的对流回波形态整体与实况最接近,MYJ方案对低层区域800~950 h Pa的风速模拟效果更好,且模拟的较强降水出现时段更接近实况。(4)MYJ和MYNN虽同为局地闭合方案,但模拟结果有较大差异,MYNN方案模拟的低层风速、地面感热通量和潜热通量要明显小于MYJ方案,而YSU和ACM2方案模拟结果差异相对较小。

风切变对边界层对流影响的大涡模拟研究

利用"西北干旱区陆-气相互作用野外观测实验"加密观测期间在敦煌站的观测资料以及大涡模式,模拟了对流边界层的发展,以及示踪物从混合层向残留层传输的时空变化。模拟的对流边界层的结构及演变特征与实测结果基本一致。进一步通过有风切变和无风切变的敏感性数值试验,研究了风切变对垂直速度、位温和示踪物浓度的水平分布以及示踪物传输高度的影响。研究结果表明,在有风切变的试验中(甚至风切变仅存在于近地层中),对流边界层的增长加强,而且示踪物被传输的高度也较高。与浮力驱动的对流边界层相比,由浮力和风切变共同驱动的边界层中上升气流较弱而下沉气流较强,但前者的上升气流与下沉气流的分布在垂直方向上更为倾斜。由于夹卷作用的增强,浮力和风切变共同驱动的对流边界层较浮力驱动的对流边界层暖。在夹卷层,浮力和风切变共同驱动的边界层对流的上升气流和下沉气流都比浮力驱动的边界层对流中的强,而且垂直速度的概率密度函数分布也较对称,其位温和示踪物浓度的概率密度函数分布也比浮力驱动的边界层中的平直。对湍流动能收支的分析也表明风切变对湍流动能有重要影响,尤其对夹卷层中的湍流动能切变产生项影响较大。示踪物浓度的概率密度函数垂直分布显示,浮力驱动的边界层中示踪物浓度随高度变化较小,而浮力和风切变共同驱动的边界层中示踪物浓度随高度递减,但是示踪物传输的高度比较高。

边界层辐合线对强对流系统形成和发展的作用

应用天津CINRAD/SA雷达探测到的边界层辐合线信息,对2008—2009年6—9月发生在天津地区的边界层辐合线进行了统计分析,与2002—2007年海风锋触发形成的局地强对流天气分析相结合,研究结果表明:天津地区边界层辐合线的雷达低仰角基本反射率因子产品的回波特征一般表现为弱的窄带回波,回波强度仅为15～25 dBZ,宽度一般为3～10 km。在合适的层结状态和水汽条件下,这些边界层辐合线的演变和碰撞与强对流天气的发生、发展密切相关。单一边界层辐合线一般不能形成大范围的雷暴天气;两条以上边界层辐合线之间碰撞,一般在碰撞交叉处能够形成强对流天气。若已存在强对流天气,则强对流天气将加强。

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 .

我国西部高原大气边界层中的对流活动

利用 1 998年第 2次青藏高原野外试验中的多普勒声雷达探测、低空探测观测以及卫星观测资料对高原大气边界层内的对流现象进行分析研究。声雷达探测到了高原边界层内有强烈的对流活动。这种对流泡中心的垂直速度可超过 1m/s,并存在尺度为 1个多小时的周期性 ,表现为中小尺度的有组织的湍流活动。高原边界层强对流得以发展和维持的物理机制是 :强辐射加热、复杂的地形地貌形成的下垫面不均一性造成边界层斜压性、边界层内的平流活动等 ,这些现象都有利于对流的发展。在这些条件的作用下 ,边界层内可以产生一系列有组织的强湍流大涡旋活动 ,这些大涡旋形成的热泡在向上发展的过程中有的能够发生合并 ,变得更大也更为猛烈 ,达到凝结高度以上可形成对流云 ,并发生充分的对流混合。成云过程凝结潜热释放更有利于对流运动进一步发展 ,使对流云逐步发展成更大的对流云团 ,从而产生卫星云图中显示的云团发展过程。

增厚大陆岩石层热边界层对流剥离的数值模拟

用数值模拟方法模拟了增厚大陆岩石层热边界层被对流地幔剥离并为软流层物质替代的动力学过程．结果表明，在初始温度分层分布、侧向均匀但存在微小热扰动的流场中，80km厚的增厚岩石层热边界层约需60Ma才能被完全剥离，剥离的速率微弱地依赖扰动的强度；在已建立好的流场中，同样厚度的增厚热边界层只需约10Ma就可被剥离．模拟结果暗示青藏高原地壳及岩石层在岩石层增厚和剥离以前就很热，其下伏地馒中可能已存在建立好的上地幔小尺度对流系统。

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。

边界层对流对示踪物抬升和传输影响的大涡模拟研究

利用"西北干旱区陆气相互作用野外观测实验"加密观测期间敦煌站的实测资料以及大涡模式,通过一系列改变地表热通量和风切变的敏感性数值试验,分析了地表热通量和风切变对边界层对流的强度、形式,以及对对流边界层结构和发展的影响。模拟结果显示风切变一定,增大地表热通量时,由于近地层湍流运动增强,向上输送的热量也较多,使对流边界层变暖增厚,而且边界层对流的强度明显增强,对流泡发展的高度也较高。当地表热通量一定,增大风切变时,由于风切变使夹卷作用增强,将逆温层中的暖空气向下卷入混合层中,使对流边界层增暖增厚,但是对流泡容易破碎,对流的强度也较弱。另外通过在模式近地层释放绝对浓度为100的被动示踪物方法,用最小二乘法定量地分析了地表热通量和风切变分别与示踪物抬升效率和传输高度的关系。分析结果表明,风切变小于10.5×10-3 s-1时,增大地表热通量加强了上层动量的下传,使示踪物的抬升效率也线性增大;地表热通量小于462.5 W m-2时,增大风切变减弱了边界层对流的强度,从而使示踪物的抬升效率减弱。当风切变一定时,示踪物的平均传输高度随地表热通量增加而增大,而地表热通量一定,只有风切变大于临界值时,示踪物平均传输高度才随风切变的增加而增大,而临界风速的大小由地表热通量决定。

梅雨锋上两类中尺度对流系统形成的边界层特征

采用具有较高时空分辨率的地面观测资料以及WRF(Weather reasearch and forecasting)模式输出资料,分析了2009年6月29—30日梅雨锋暴雨过程中两类不同的中尺度对流系统(mesoscale convective system,MCS)边界层特征及边界层对两类MCS的触发维持机理,重点分析了海平面气压场特征、边界层冷池、干线及其在MCS中的影响。结果表明:两类中尺度对流系统的海平面气压特征存在着明显的差异,对流爆发阶段地面风场存在辐合线,再次激发阶段气压场呈"跷跷板"型的中尺度扰动,即由前置中低压和后置中高压组成,最强的对流带位于中低压和中高压之间的过渡区内;边界层辐合线是第一类中尺度对流系统(MCS1)维持的重要因素;MCS1爆发后边界层冷池生成,冷池前的冷出流与低层环境风产生的强辐合触发了第二类中尺度对流系统(MCS2);存在于中低压和中高压之间的中尺度干线是MCS2的重要特点之一。

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。

盛夏渤海湾大气边界层辐合线触发对流风暴对比分析

本文对渤海湾2008—2009年,由大气边界层辐合线引起的对流风暴进行了分析。结果表明,在高温、高湿不稳定大气层结环境条件下:(1)单一的海风锋在其端点可产生对流性降水。(2)海风锋与弱冷锋相遇,或者两条海风锋相交,或者雷暴单体的出流边界与海风锋相遇均会产生强对流风暴。(3)渤海湾边界层辐合线触发对流风暴大多发生在每年7 8月,且在副热带高压控制渤海湾后东退的过程中,此时大气层结处在高温、高湿不稳定状态。辐合线触发的对流风暴是沿辐合线移动,移动方向取决于辐合线两侧的主导风向。(4)边界层辐合线触发对流风暴,具有突发性强,持续时间短等特点,分析渤海湾边界层辐合线的移动与演变能提高强对流风暴的临近预报、预警,减少突发性天气引起的灾害。

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．

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。

变壁温平板空气强迫对流边界层扩展方程及相似解

从控制真实流体流动的 NS方程出发 ,在一种新的近似假设基础上 ,推得了变壁温平板空气强迫对流边界层扩展方程的数学模型 ,对其中的动量方程和能量方程进行了相似性处理和数值求解 ,给出了壁面温度呈指数规律变化时的无量纲速度、温度分布曲线 .该结果在中。

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。

表面张力对流对BaB_2O_4晶体生长界面边界层的作用

利用高温光学实时观察方法,实时地观察了BaB_2O_4(BBO)高温熔体的表面张力对流效应以及BBO单晶的旋转生长过程,计算了固液界面附近的浓度、温度以及动量边界层厚度δ_C,δ_T和δ_V,并研究了热毛细对流对边界层厚度的影响.结果发现,浓度边界层厚度远远小于温度以及动量边界层厚度,说明晶体生长过程中,质量扩散在界面输运过程中起着主导性作用,同时发现,边界层厚度随体系无量纲Marangoni数的增大而线性地减小.

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。

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。