基于激光雷达遥感和参数化模式研究城市混合层的发展机制

利用北京大学的微脉冲激光雷达(MPL)观测的偏南气流条件下的混合层高度和夹卷层厚度探测资料,研究简单天气条件下城市混合层的发展机制并与GB94的参数化方案相互映证。通过激光雷达遥感的混合层高度和夹卷层厚度计算了混合层顶的夹卷率A,得到其平衡夹卷阶段的值为0.24。在不考虑机械混合前提下反演了地面感热通量,结果表明遥感的反演值与梯度法的计算值有系统性偏差,但总体上仍旧有较好的相关。偏差量的大小反映了影响混合层发展的机械湍流的参数B,进一步通过GB91模式的模拟确定该参数的最佳值约为3.5。在此基础上讨论了混合层顶夹卷和机械湍流对城市混合层发展的相对重要性。采用以上分析结果开展了个例模拟研究,结果表明GB91模式可以较好地模拟城市下垫面的混合层发展,但大尺度天气系统造成的垂直运动对模拟结果的影响是不容忽视的。

二维时间发展混合层噪声的直接数值模拟

为了考查不同波长的初始扰动对二维时间发展混合层流动与噪声的影响,采用直接数值模拟的方法进行了研究。采用多尺度展开技术从耦合双分布函数玻尔兹曼方程中恢复出质量、动量和能量守恒方程;融合特征边界条件与玻尔兹曼方程来满足边界的无反射特征;运用高精度的时空离散格式求解玻尔兹曼方程并直接模拟了5种不同工况下的时间发展混合层。结果表明:高频扰动主要控制混合层中旋涡的对并和缠绕,低频扰动主要控制旋涡的迁移和旋转;涡对的演化过程类似于一个旋转的四极子源模型;扰动能以平面波的形式向远场辐射并且以当地声速传播。该结果可为混合层湍流机理研究提供参考。