非均匀下垫面近地层风动力降尺度研究
南京夏季非均匀下垫面近地层湍流观测及模拟研究
南京夏季非均匀下垫面近地层湍流观测及模拟研究人类的生存环境与大气边界层息息相关。
而城市是人类生活的重要载体,对城市边界层大气动力和热力特征及其相互作用机理的研究已成为影响人类生活的重要课题。
本研究利用2010年南京夏季湍流三维观测试验资料,采用观测资料分析和数值模拟方法,研究了南京夏季城、郊边界层湍流特征。
主要结论如下：(1)夜间,城市大气的不稳定层结易形成混合层；白天城市的大气混合层发展速度和高度均大于郊区。
2010年夏季南京城市的混合层高度夜间300m、白天1300m,城市混合层顶高度随着城市的发展而不断抬升。
城、郊的低层风场均受到城市覆盖层影响,城市夜间逆温层和大风区随着城市发展而抬升,且大风急流出现在逆温层顶,与夜间混合层的发展高度比较一致。
(2)对南京城、郊近地层湍流特征的研究结果表明：不稳定层结条件下,南京城、郊三个方向的无量纲风速标准差(σu/u*、σv/u*、σw/u*)与稳定度参数ε均呈1/3幂次关系,并给出相应的拟合公式。
无量纲水平速度标准差随下垫面粗糙程度的增加而降低,即城市无量纲水平速度标准差小于郊区；而垂直方向上没有明显差异,郊区略小于城市。
(3)WRF模式应用于南京城市边界层气象特征模拟是可行的,模拟结果与观测结构基本一致,进一步揭示了由于城市地表性质的不同,对城市边界层的结构产生显著影响。
城市地区昼夜均在边界层内形成热岛,白天城市湍流动能在
200-700m达到高值1.2m2s-2,是郊区的两倍,夜晚在城市储热释放热量,湍流动能仍然大于郊区。
《大气科学概论》大气湍流机理和复杂下垫面边界层结构研究
大气湍流机理和 复杂下垫面边界层结构研究
胡非
（大气边界层物理和大气化学国家重点实验室） 2005 年 4 月 9 日
湍流是大气边界层理论研究的核心问题，湍 流也是自然科学著名的难题之一，湍流研究具有 极大的理论意义和实际价值。
难点：能量级串和相干
结构。长期以来始终是国际 上湍流研究的前沿课题。
北面
城市化发展引起下垫面粗糙度和近地层 湍流特性变化（例：北京325米气象塔附近）
下垫面粗糙度： 1987年：0.6 m 1999年: 3.8 m 2002年: 4.3 m
常通量层厚度：
1987年：~ 50m 1999年: ~ 80m 2002年: ~ 100m
南面
2004.8.8 北京325米气象塔15米高度上测得
出“硬湍流”特性 3、实验证实了我们导出的湍流温度场
高阶结构函数理论公式
概念模型－康托集
325米气象塔三层湍流 观测资料计算结果
同步级串是一种自相似级串 ！
我们曾经提出湍流温度场可能出现“硬湍流”，且满足自相 似性级串，由此导出了高阶结构函数的理论公式,但在当时 缺少实验证实。
Kolmogorov 1941：常能量耗散率模型 “2/3定律”
表2、大气湍流吸引子的关联维 u wT k q
黑河(白天) 3.95 4.10 2.26 3.30 － 黑河(晚上) 4.06 4.23 3.98 3.73 － 北京(白天) 3.43 4.13 4.30 4.53 7.03 北京(晚上) 3.63 4.43 4.17 3.64 7.11 美国(白天) 4.10 4.10 5.80 － － （k 代表湍流动能，其余符号为常用）
论文在物理学权威刊物 Phys. Rev.上 发表后，引起国际同行关注。
干旱区均匀裸土下垫面近地层能量平衡及中尺度运动对湍流的影响
干旱区均匀裸土下垫面近地层能量平衡及中尺度运动对湍流的影响干旱区均匀裸土下垫面近地层能量平衡及中尺度运动对湍流的影响近年来，全球干旱地区的面积不断扩大，这对该地区的生态环境和人类活动造成了巨大的影响。
干旱地区的均匀裸土下垫面是干旱环境下的典型特征，它与近地层能量平衡以及大尺度运动之间存在着密切的关系。
而中尺度运动作为湍流的重要组成部分，对湍流能量的传输和再分配起着重要作用。
因此，研究干旱区均匀裸土下垫面近地层能量平衡及中尺度运动对湍流的影响具有重要意义。
首先，干旱区裸土下垫面的能量平衡是影响该地区气温和湿度的重要因素。
由于干旱地区降水稀缺，裸土的反照率较高，相对植被覆盖区较低，会导致裸土表面吸收更多的太阳辐射，并迅速转化为热量。
这样的特性会造成地表温度升高，从而影响到近地层的大气温度。
裸土地表较高的温度也会增强对近地层风场的影响，进而影响大气湍流的发展。
其次，干旱区均匀裸土下垫面还会对湍流运动产生重要影响。
湍流主要由大尺度和中尺度运动组成。
而近地层湍流的中尺度运动往往受到地表条件的影响最为显著。
均匀裸土下垫面存在的干旱地区，由于缺乏植被和土壤水分，会导致地表粗糙度较小、阻力较低。
这样一来，对近地层风场的扰动和影响就相对较小，从而减弱了中尺度运动湍流产生的条件。
此外，干旱地区的裸土表面也存在较强的水汽蒸发能力，这会导致大气的稳定性增加，阻碍湍流的发展。
因此，干旱区均匀裸土下垫面的存在对湍流运动的影响不容忽视。
最后，干旱区均匀裸土下垫面近地层能量平衡及中尺度运动对湍流的影响带来了一系列的环境问题。
首先，裸土表面的高温会导致大气温度升高，进而影响气候变化与能量平衡。
其次，裸土表面的干旱条件使得土壤的质地变得疏松，容易产生沙尘暴等大尺度气象灾害，对人类和生态环境造成威胁。
此外，湍流的缺乏也可能导致气象灾害的发生频率增加，例如风暴和龙卷风等强风天气。
因此，研究干旱区均匀裸土下垫面近地层能量平衡及中尺度运动对湍流的影响，有助于深入理解干旱地区的气候特征与环境问题，并为应对这些问题提供科学依据。
不同下垫面登陆台风的风特性研究的开题报告
不同下垫面登陆台风的风特性研究的开题报告
一、研究背景
台风是我国常见的自然灾害之一，其对我国南海及东海等海域、以及对沿海地区的影响很大。
而在台风登陆沿海地区的过程中，下垫面会对其风特性产生影响。
目前，关于不同下垫面的影响台风风特性的研究较为有限，因此有必要对此进行深入探究。
二、研究目的
本研究旨在探究：不同下垫面（如城市、海洋及森林等）对登陆台风风特性的影响。
三、研究内容及方法
1.收集相关文献，了解不同下垫面对风场的影响及其机理；
2.运用CFD（Computational Fluid Dynamics）方法，模拟不同下垫面下的台风
风场的影响，从而分析不同下垫面对台风登陆的影响；
3.通过对比实际案例和模拟结果，验证CFD方法的正确性和可靠性。
四、研究意义
1.为实际应用提供依据。
可以为相关部门提供决策参考，为灾害预防和防护提供技术支持。
2.为深入了解自然环境提供基础。
通过研究不同下垫面对台风风特性的影响，在一定程度上可以增加对自然环境的了解。
五、预期成果
1.能够系统性地分析不同下垫面对登陆台风的风场特性的影响；
2.通过CFD方法分析不同下垫面对登陆台风风特性的变化规律；
3.验证CFD方法的可靠性和正确性。
六、研究进度安排
1.文献查阅和资料收集：2021年10月-11月；
2.模拟方法的选择：2021年11月-12月；
3.模拟结果分析：2022年1月-2月；
4.论文撰写以及结果总结：2022年3月-4月。
青藏高原东北边坡复杂地形重力波的数值模拟
青藏高原东北边坡复杂地形重力波的数值模拟作者：王蓉吴稀稀岳平黄倩丑岩张丰伟来源：《大气科学学报》2023年第05期摘要基于2007年7月青海祁连站的野外加密探空资料，结合高分辨率的三维边界层模式，模拟研究了青藏高原东北边坡复杂地形条件下，边界层对流引起的干动力过程对该地区地形重力波产生及传播的影响机理。
结果表明：在不同的背景场强迫下，高原东北边坡复杂地形上空对流和重力波的空间结构存在较大差异。
当背景风向与山体垂直时，随着风速增加，山脊背风坡混合层顶附近大气不稳定能量加强，激发了下游区域较强的重力波信号，此时对流线组织性增强、重力波波列较长，高水汽含量的空气被波峰传输到较高的高度，为对流云发展提供了有利条件;当背景风向与山脊走向平行时，山顶上空对流发展旺盛，山脊背风坡混合层顶大气状态较稳定，激发的地形重力波信号较弱且波列较短，整个混合层顶附近水汽较少，对流云形成条件减弱;当背景大气浮力频率减小时，整个区域上空对流发展更加旺盛但组织性减弱，背风坡下游重力波向上传输的距离减小，信号不显著，混合层顶附近水汽分布均匀且变化幅度较小，有利于层状云发展。
关键词青藏高原东北边坡;边界层结构;地形重力波;数值模拟地球表面普遍存在不同尺度的非均匀下垫面（张强等，2017）。
地形起伏较大的下垫面不仅可以通过影响太阳辐射作用改变区域水热平衡（刘屹岷等，2020），而且还可以通过动力强迫作用改变区域风场和局地环流过程（付超等，2017）。
地形对气流的动力强迫主要表现为强迫性抬升和地形重力波，地形是重力波产生的一个重要来源。
这种由复杂地形强迫激发的周期性大气振荡，其传播和破碎过程中产生的动量垂直输送和不稳定能量释放，可以引起上下层大气之间物质和能量交换（魏栋等，2016），甚至触发中尺度强对流天气过程（覃卫坚等，2013），从而影响降水强度和落区（钟水新，2020）。
现实中，能够激发地形重力波的复杂下垫面十分常见，主要分为中小尺度的丘陵及山谷、高原或大地形引起的复杂山地，以及不同尺度地形过渡处及内部地形陡变区。
边界层气象学课件：CH08_非均一下垫面对边界层的影响
u*02 u(x, z)
u x,
z
u*02
ln
z z02
设x=0处hi=z02, 积分上式可得
hi x
ln
hi z02
1
B1
B11。上式的唯一不足是，完全没有考虑上游来流的影响。 目前，有关内边界层高度预测的进一步工作，大多数学者已 放弃了其解析表达式的推导，而采用数值模拟的方法
内边界层中u* (或切应力 = u*2)的变化难以测量，但地表切 应力 0或u*02的测量可以借助应力盘来完成
第八章 非均一下垫面对边界 层的影响
一、内边界层 二、山谷风和海陆风 三、过山气流 四、热岛环流 五、建筑物周围局地环流
在实际的地理条件下，很难找到有几十甚至上百公 里的均一平坦的下垫面。城镇建筑物、大面积水域、 森林、农作物以及地形的起伏分布，都对边界层的 结构产生了一定影响。从20世纪50年代末到80年代 初，边界层的研究工作重心逐渐转向了非均一下垫 面影响的理论研究，野外观测、数值模拟技术以及 环境风洞模拟实验对这方面的研究起了很大的推动 作用。这方面的工作重点多集中在中小尺度，从水 平距离百米尺度到数十公里尺度
下垫面性质不均匀（如陆地和水面、沙漠和植被）和地形起 伏不平等动力因素和热力因素的变化，都能引起地方性的气 流变化。这种局地环流一般是中、小尺度的，范围从几公里 到一百多公里，其中最常见的是山谷风和海陆风。应指出的 是，由于实际风是大尺度天气形势和局地环流综合作用的结 果，因此只有在主导风比较弱时，这种局地环流才能清楚地 表现出来。
u(z
f
z hi
u*01
0 ,
ln
z z01
u*02
ln
z z02
,
z hi
热力非均匀下垫面对流边界层流场结构特征研究
热力非均匀下垫面对流边界层流场结构特征研究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.作者：袁仁民罗涛吴徐平卢超孙鉴泞刘辉志 YUAN Ren-min LUO Tao WU Xu-ping LU Chao SUN Jian-ning LIU Hui-zhi 作者单位：袁仁民,罗涛,吴徐平,卢超,YUAN Ren-min,LUO Tao,WU Xu-ping,LU Chao(中国科学技术大学地球和空间科学学院,安徽,合肥,230026)孙鉴泞,SUN Jian-ning(南京大学大气科学系,江苏,南京,210093) 刘辉志,LIU Hui-zhi(中国科学院大气物理研究所大气边界层和大气化学国家重点实验室,北京,100029)刊名：大气与环境光学学报英文刊名：JOURNAL OF ATMOSPHERIC AND ENVIRONMENTAL OPTICS 年，卷(期)：2009 4(6) 分类号：P264 关键词：对流边界层热力非均匀水槽模拟水平输送。
非均匀下垫面大气边界层研究进展
距 地 表 ｌ～ ｍ 的大 气 边 界 层 ， 仅 是 生 物 赖 以生 存 的 主要 空 ２ｋ 不 间 ， 是 地 球 大 气 动 量 、 量 和 各 种 物 质 上 下 输 送 的 重 要 通 道． 球 也 热 全 变 化 的影 响 、 表性 质 的改 变 以及 人类 活 动对 气 候 的 反馈 ， 地 都是 通 过 大 气边 界层 过程 实 现 的 ． 气 边 界 层 物 理 过 程 与 下 垫 面 物 理 性 质 联 大 系紧密 ， 表下 垫 面作为 大 气 唯 一 的物 理 边 界 ， 不 同时 空尺 度 上 影 地 在 响着大 气运 动状 态 和气 候变 化 ．
洪 雯 ， ． 均 匀 下 垫 面 大 气 边 界 层 研 究进 展 等 非
１ ５６
ＨＯＮ ｅ ｅ １Ｒｅ ｉ ｆ ｅｅ ｒ ｈ ｓｏ ｔ ｓ ｈ ｒ ｏ ｎ ａｙ ｌｙ ｒ ｖ ｒｈ ｔ Ｇ Ｗ ｎ，ｔａ． ｖｅ ｏ ｓａｃ ｅ ｎ ａｍｏｐ ｅｉ ｂ ｕ ｄ ｒ ａ ｅ ｅ ｅｅ ｅ ｅ ｕ ｎ ｅ ｌｉｇｓ ｒ ｃ ｗ ｒ ｃ ｏ ｍｇ ｎ ｏ ｓｕ ｄ ｒ ｎ ｕｆ ｅ ｙ ａ
文 章 编 号 ：６ ４７７ （ ０ ０ ０ －１５０ １７ —０ ０ 面大气边 界层研究进 展
洪 雯 王 毅 勇 ， 。
摘 要 总 结 了水 平 非 均 匀下 垫 面 的 大 气 边
０ 引言
Ｉ ｔｏ ｕ ｔｏ ｎ ｒ ｄ ｃ ｉｎ
界层研 究 ， 出干旱 区 的绿 洲具 有 明显 指 的“ 冷湿 岛效应 ” 并 可形成 边缘 逆 湿和 ， 区域 环 流 ， 而植 被 和 水 域 的 分 布 则 显 著
城 市 中绿 地 和 水 体 的 微 气候 效 应 ． 较 比
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非均匀下垫面近地层风动力降尺度研究
全球模式能够较好地表征大尺度环流状况,但由于分辨率较低,难以捕捉到与非均匀下垫面局地强迫有关的中小尺度系统过程。
动力降尺度指利用高分辨率有限区域模式来实现全球模式结果和局地强迫之间的非线性相互作用,以获取区域或局地的大气变化信息。
目前动力降尺度在地面气温和降水区域气候模拟和气候变化预估方面得到
了广泛研究,然而对近地层风的研究还不够深入和完整。
本文首先分别从城市群
和沿海复杂地形近地层风模拟的角度出发,重点讨论了下垫面动力和热力性质不均一分布对近地层风日变化特征的影响,然后对中国区域地面风速气候变化进行预估。
主要研究内容和结论如下： 1.利用较新的MODIS陆面类型资料以及
WRF/Noah/UCM耦合模拟系统对珠江三角洲地区2008年近地层风场进行1-km分辨率的模拟,并将模拟结果与风廓线雷达和地面站观测数据进行了比较分析,研究发现：地面风速具有明显的日变化特征,白天大、夜间小；上层风速则表现为白天小、夜间大。
模拟风速日变化与观测基本一致,较准确地再现上、下层风速反相变化特征。
模拟风速值在1000m以内存在正偏差；在1000m以上存在负偏差。
另外,通过将珠三角地区城市改为农田并进行敏感性试验,发现城市化使该地区地表能量收支结构发生了明显的改变,城市化使白天潜热通量减少,地面热通量增加,更多的热量存储于地面中并于夜间释放出来,夜间感热通量变大。
相应地,城市化使地面风速白天减小、夜间则增大(冬季除外),夏季夜间地面风速增大尤为显著,约为1m/s。
上述结果表明,WRF/Noah/UCM系统对于城市下垫。