利用大涡模式模拟黄土高原大气边界层特征
一次高原涡过境的不同云-降水垂直结构和特征研究
一次高原涡过境的不同云-降水垂直结构和特征探究引言：高原涡是指在高原地区形成并挪动的一种大标准天气系统。
高原涡过境期间，云和降水现象比较普遍，对气候和水文循环等方面都有重要影响。
因此，探究高原涡过境期间云-降水的垂直结构和特征，对于更好地理解和猜测高原地区的天气和气候具有重要意义。
方法：本探究选择了一次典型的高原涡过境事件进行观测和分析。
利用卫星遥感数据、雷达数据和地面观测数据，得到了云和降水的垂直结构。
同时，结合大气环境条件和垂直风场的变化，对云和降水形成的机制进行了分析。
结果与谈论：观测和分析结果表明，在高原涡过境期间，云和降水主要分布在涡旋中心周边。
依据云的类型和云顶高度，我们将云分为对流云、层云和降水云三种类型。
对流云主要出此刻高原涡过境的前期和后期，具有较高的云顶和厚度，降水主要发生在云顶部分。
层云多出此刻涡旋中心的周边，云顶相对较低，降水主要发生在云底部分。
降水云则在涡旋中心周边形成，并且具有较高的云顶和厚度。
进一步分析发现，高原涡过境时的大气环境条件和垂直风场的变化对云和降水形成产生了显著影响。
在涡旋中心周边，大气层结稳定，湿度较高，有利于云和降水的进步。
同时，涡旋中心周边的垂直风场存在较大的切变，有利于形成对流云和降水云。
进步。
结论：本探究通过观测和分析高原涡过境期间的云-降水垂直结构和特征，揭示了不同类型云和降水的分布规律和形成机制。
探究结果对于猜测高原地区的天气和气候演变具有重要意义。
将来，我们可以进一步利用模式模拟和数据同化的方法，深度探究高原涡的形成和演变过程，以及对云和降水的影响机制，为高原地区的气象灾难预警和水资源管理提供科学依据。
高原涡过境是指涡旋系统穿过高原地区的天气现象。
涡旋是指大气中的一种低气压系统，具有旋转的特点。
在涡旋过境期间，由于大气环流的变化和地形的影响，高原地区的云和降水会发生一系列特殊的变化。
本文将继续探讨高原涡过境期间云和降水的分布规律和形成机制。
切变对流和热力对流的大涡模拟实验
切变对流和热力对流的大涡模拟实验大气边界层通常是指大气的最低部分受地面影响的一层，平均厚度约为地面以上1km范围[1]。
大气边界层内空气的运动的根本特点是湍流。
人们对湍流的研究已有近百年的历史，1839年，G.汉根在实验中首次观察到由层流到湍流的转变。
1883年，O.雷诺又在圆管水流实验中找出了层流过渡到湍流的条件。
在理论研究方面，1895年雷诺曾把瞬时风速分解为平均风速和叠加在上面的湍流脉动速度两部分，得到湍流运动方程组(雷诺方程)，提出湍流粘性力（雷诺应力）的概念。
1925年，L.普朗特在此基础上提出了混合长度的概念，得出边界层内风速随高度变化的规律，即在对数坐标中风速随高度增加而呈线性增长[2]。
在大气边界层中，此结果被许多实验所证实。
1915年，G.I.泰勒提出了研究大气湍流微结构的统计理论。
1920年，L.F.理查孙研究了大气温度分布对湍流的影响，研究结果表明温度的铅直分布对大气湍流的影响，取决于大气静力稳定度。
一般可用理查孙数(R)判别稳定度对湍流的作用。
1941年，A.H.科尔莫戈罗夫又提出了局地各向同性理论，以上这些理论，合理地解释了湍流中的微结构。
当地表受热形成热泡或气流受到障碍物的阻挡发生扰流都能形成边界层湍流，当这种湍流进一步发展，就会形成对流。
一般把边界层对流分成两种形式：切变对流和热力对流。
边界层中切变对流其实主要与风切变有关，而风切变是气流的运动速度大小和方向突然发生变化，它可以出现在垂直方向上和水平方向上。
近年来，边界层切变对流的研究受到越来越多的重视，例如受风切变影响较大的边界层顶夹卷过程是接影响对流边界层的发展, 并且对对流边界层与自由大气之间物质和能量交换有重要作用。
Hoxit L R.的研究表明,夹卷过程能够显著影响着边界层中的风廓线和湿度垂直分布, 对于数值天气预报模式和空气污染模式也是非常重要的一个过程[3-5]。
以往对夹卷层的研究主要针对纯浮力驱动的对流边界层,对夹卷过程的参数化相对比较简单。
边界层的基本概念课件
边界层的特征
边界层具有很薄的厚度，其厚 度通常远小于流体中的其他尺 度，如流动的长度和速度。
在边界层内，流体的流动状态 从自由流转变为受壁面限制的 流动，流体的速度和方向发生 急剧变化。
边界层内的流体会产生摩擦阻 力，对流体流动产生重要影响 。
边界层的形成
当流体与固体壁面接触时，由于壁面 的限制作用，流体的速度和方向发生 变化，导致流体的切向应力与法向应 力发生突变，形成边界层。
湍流边界层
在流体流动中，靠近固体表面的 薄层，流速较高，流动方向复杂 ，各层速度梯度较大，流动呈现 湍流状态。
热边界层和流动边界层
热边界层
在传热过程中，靠近固体表面的薄层 ，温度梯度较大，热量传递速率较高 。
流动边界层
在流体流动中，靠近固体表面的薄层 ，流速较高或较低，流动方向或湍或 层，与流体主体存在明显的速度梯度 。
边界层的基本概念课件
目 录
• 边界层定义 • 边界层的重要性 • 边界层的分类 • 边界层方程 • 边界层模拟方法 • 边界层的应用
01
边界层定义
边界层的定义
01
边界层是指流体在运动过程中， 流体的切向应力与法向应力发生 突变的位置，通常出现在流体与 固体壁面接触的地方。
02
在边界层内，流体的流动受到壁 面的限制，流体的速度和方向发 生急剧变化，导致流体的物理性 质发生显著变化。
物理边界层和化学边界层
物理边界层
主要涉及流体的物理特性变化，如温度、压力、速度等。
化学边界层
主要涉及流体的化学特性变化，如浓度、组分、化学反应等 。
04
边界层方程
连续性方程
连续性方程是描述流体运动过程中质 量守恒的方程。
大气边界层气象学研究综述
文章编号:1006-7639(2003)-03-0074-05大气边界层气象学研究综述张 强(中国气象局兰州干旱气象研究所,甘肃兰州 730020)摘 要:文中回顾了大气边界层气象学的发展历史,总结了目前大气边界层气象学的主要进展,并指出国内外在未来大气边界层气象学研究方面面临的一些主要科学问题,以及对未来大气边界层气象学的发展方向提出若干建议,同时还指出了大气边界层气象学在思想上和方法上应该注意的一些相关问题。
关键词:大气边界气象学;研究进展;主要问题;发展方向中图分类号:P404 文献标识码:A引 言什么是边界层?广义讲:在流体介质中,受边界相对运动以及热量和物质交换影响最明显的那一层流体。
具体到大气边界层,是指受地球表面摩擦以及热过程和蒸发显著影响的大气层。
大气边界层厚度,一般白天约为1.0km ,夜间大约在0.2km 左右,地表提供的物质和能量主要消耗和扩散在大气边界层内。
大气边界层是地球-大气之间物质和能量交换的桥梁。
全球变化的区域响应以及地表变化和人类活动对气候的影响均是通过大气边界层过程来实现的。
1 大气边界层气象学发展历史大气边界层气象学是大气科学中一门重要的基础理论学科,大气边界层气象学的发展,不仅受到观测系统和探测技术的制约,也受到数学、物理学等基础支撑学科发展水平的影响,并随着它们的发展而发展。
大气边界层气象学是以湍流理论为基础的,研究大气和它下垫面(陆面和洋面)相互作用以及地球—大气之间物质和能量交换的一门新型气象学科分支。
什么是湍流?英文湍流为“turbulence ”,日文为“乱流”,湍流简单定义:流体微团进行的有别于一般宏观运动的不规则的随机运动,从宏观上看,它没有稳定的运动方向,但它能够象分子运动一样通过其随机运动过程有规律地传递物质和能量。
从1915年由Taylor [1]提出大气中的湍流现象到1959年Priestley [2]提出自由对流大气湍流理论,可以说,到20世纪50年代以前经典的湍流理论基本上已经形成。
大涡模式水平分辨率对边界层夹卷过程及示踪物垂直传输的影响
大涡模式水平分辨率对边界层夹卷过程及示踪物垂直传输的影响王蓉;黄倩;岳平【摘要】利用敦煌干旱区野外加密观测资料,结合大涡模式模拟研究模式水平分辨率对边界层对流、夹卷过程及示踪物垂直传输的影响.结果表明:模式水平分辨率越高,模拟的边界层对流泡个数越多,尺度越小,且对流强度越强;提高模式水平分辨率,夹卷层位温方差增大,水平速度方差减小,垂直速度方差增大,且上升冷气流对夹卷层热通量的贡献最大.模式水平分辨率越高,垂直速度、位温及示踪物绝对质量浓度概率密度函数分布变化范围相对越广,且模拟的细微变化特征越清晰.另外,提高模式水平分辨率,模拟的示踪物空间分布特征更加细致,示踪物传输高度也较高.综合考虑到分辨率越高在模拟过程中产生的噪音越大且计算时间越久等问题,认为采用200 m 水平分辨率时,模式既能较好地模拟出边界层对流的平均结构,又能模拟出边界层湍流的较细微分布特征,是较为理想的选择.【期刊名称】《干旱气象》【年(卷),期】2019(037)001【总页数】9页(P48-56)【关键词】大涡模拟;水平分辨率;边界层;夹卷;示踪物;垂直传输【作者】王蓉;黄倩;岳平【作者单位】甘肃省人工影响天气办公室,甘肃兰州 730020;兰州大学大气科学学院,半干旱气候变化教育部重点实验室,甘肃兰州 730000;中国气象局兰州干旱气象研究所,甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室,甘肃兰州 730020【正文语种】中文【中图分类】P421引言对流边界层也就是通常所说的混合层，在边界层中受地面影响最强烈。
尽管地表热通量和风切变是影响边界层对流发展的重要机制[1-3]，然而除了地面加热向上传输热量使得大气边界层发展以外，对流边界层以上自由大气中浮力较强的暖空气向下混合进入边界层，以及来自边界层的上冲热泡形成的夹卷过程对边界层对流发展的贡献也不能忽视[4]。
夹卷过程的本质是对流边界层湍流与自由大气在夹卷层进行的混合作用，其不仅直接影响边界层对流的发展，还对污染物的扩散、低云中降水的形成、气溶胶间接效应的评估、低云和气候之间的反馈以及雷达遥感云水含量的准确度有着十分重要的影响[5-8]。
大涡模拟方法在非均匀边界层研究中的应用
天文学,地球科学大涡模拟方法在非均匀边界层研究中的应用姜金华 胡 非(中国科学院大气物理研究所大气边界层物理与大气化学国家重点实验室,北京100029)摘要 首先回顾了大涡模拟方法在边界层研究中的应用,总结了该方法在非均匀性研究中的概况。
然后,用大涡模拟方法,并且启用陆面模块,模拟了真实下垫面条件下地表热量通量和动量通量的分布和边界层气象场,初步分析了非均匀下垫面对边界层结构的影响。
关键词 非均匀下垫面 大涡模拟 地表通量 边界层中图法分类号 P435+.1; 文献标识码 A2004年1月6日收到国家自然科学基金(40233030)资助 大涡模拟是参数化小的涡动、求解大的涡动的数值模拟方法。
自20世纪70年代初Deard orff [1]用大涡模式模拟了中性和不稳定边界层以来,大涡模拟方法已逐渐发展成熟,并且在边界层研究中得到广泛的应用。
最初该方法主要用于研究平坦地形、均匀加热的下垫面之上边界层的湍流运动特性(如Deard orff [2]、M oeng 等[3]、蔡旭辉等[4]和苗世光等[5]的工作)。
由于受到计算量和外场观测资料的限制,非均匀边界层的模拟研究起步较晚。
上世纪90年代初,随着计算机技术的迅速发展和系统的边界层野外试验的开展,大涡模拟方法开始用于非均匀性的影响研究。
这些研究主要有两类:一是研究地形起伏的影响,比如针对地形坡度和水平尺度的理想试验[6]。
二是考虑地表热通量不均匀分布。
例如假设地表热通量呈一维正弦函数分布[7]、二维周期分布[8]或者是突变的情况[8],然后将结果与均匀分布的结果比较,以分析非均匀的影响。
比较接近实际情况的是用外场观测的感热和潜热资料作为下边界的模拟。
Hechtel 等[10]和Avissar 等[11]分别用BLX 83(Boundary Layer Experiment 1983)和FIFE 试验的观测资料作为初始场和下边界条件(后者考虑了地形起伏),对比分析了热通量均匀分布与由观测资料统计得到的不均匀分布的条件下边界层内平均量和二阶矩统计量的不同,认为热通量不均匀分布的影响不明显。
第五章：大气边界层风特性及其风洞模拟技术
五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术
5.2 大气边界层风特性
5.2.1 平均风剖面（廓线） 幂函数律
¾ 幂函数律是历史上最早被用来
描述水平均一地貌上的平均风 剖面的函数形式：
U ( z ) = U r ( z zr ) = U G ( z H G )
α α
z α — 幂函数指数，常被称为地表粗糙度指数，
U (Z)
结构抗风试验
五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术
5.2 大气边界层风特性
5.2.2 阵风因子
¾ 阵风风：
Gv = U g U
¾ 阵风因子是一个反映风速阵性程度的参数，影响大小的因
素有许多：
z 平均风速的时距越短，平均风速越大，阵风因子越小 z 天气过程变化越剧烈，阵风因子越大 z 雷暴大风的阵风因子最大，热带风暴次之，寒潮大风（冷空气）最小 z 地表越粗糙阵风因子越大 z 离地越近阵风因子越大 z 平均风速越小阵风因子越大
0.844 0.958
结构抗风试验
五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术
5.2 大气边界层风特性
5.2.1 平均风剖面（续） 幂函数律－对数律比较
600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
A 类：HG=300m, UG=50m/s:
幂函数律 α= 0.12 对数律 z0=0.01
@ w(t) —与平均风方向垂直的竖向脉动分量，简称为竖向脉动风速
结构抗风试验
五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术
5.2 大气边界层风特性
¾ 平均风速计算时距
z 需要足够长 z 据国际上气象领域的实践经验，在大多数国家（包括中国）平均
大气边界层概述(1)
图1 三种边界层方案(YSU、MYJ和ACM2)模拟的与观测的 （a）西固二水厂和（b）兰州站的地面温度（2m）日变化对比
8
Time
（b）兰州站（52889）
Time
（a）西固二水厂
111111111111111111.................22222222222222222.2555555666666777777-----------------100111200111200112026048226048226482 111111111111111111111111........................222222222222222222222222555555556666666677777777------------------------000111220001112200011122258147032581470325814703
d. Mellor-Yamada Nakanishi and Niino Level 2.5 PBL (5). Predicts sub-grid TKE terms. New in Version 3.1.
e. LES PBL: A large-eddy-simulation (LES) boundary layer is available in Version 3.
面临的主要问题 （1）非均匀和复杂下垫面边界层 （下垫面性质非均匀分布、
地形起伏和山脉的作用、 城市大气边界层) （2）特殊地区边界层特征 （ 干旱荒漠区的大气边界层特 征 、 青藏高原寒区边界层特征 ） （3） 沙尘暴等特殊天气边界层特征 （4）湍流如何在模式中更合理的参数化
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1.什么是传统机械按键设计？
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利用大涡模式模拟黄土高原大气边界层特征大气边界层内各物理量的湍流垂直输送是实现地表与大气之间物质和能量
交换的关键因素,在陆气过程中起着重要作用,而边界层结构决定着湍流输送的
强弱,深入研究边界层结构对认识陆气间物质、能量输送交换机制和提高数值模式模拟能力具有重要意义。
针对目前黄土高原地区通量观测站较少、资料时空分辨率较低的限制,本文将中尺度气象模式The Weather Research and Forecasting Model（WRF）与大涡模式WRF Large-Eddy Simulation（WRF-LES）嵌套起来进行数值模拟研究。
在模式得到验证的基础上模拟分析了黄土高原夏季温湿廓线,进而考查由热力驱动的对流边界层特征。
利用WRF-LES,结合中国气象局高空气象数据,进行了高时空分辨率的大气
边界层模拟试验。
在两组模拟试验中,通过控制输入有/无沙尘情形下的温度廓线、水汽混合比廓线和风分量廓线,分析沙尘天气对黄土高原地区大气边界层结构产生的影响。
主要结果如下:（1）榆中站探空资料显
示,2018-04-02<sub>2</sub>0:00无沙尘的晴天背景下,近地100 m高度内位温
随高度由312.0 K上升至316.0 K;水汽混合比从地面至100 m高度由2.6 g/kg 迅速降低至1.9 g/kg,100 m以上呈现波动降低趋势,从1.9 g/kg逐渐降低至1.0 g/kg。
2018-04-04<sub>2</sub>0:00有沙尘时,位温在2000 m以下基本保持为297.0 K,之后随高度逐渐增加到312.0 K;近地层内水汽混合比随高度增加下降
较快,由3.0 g/kg降至2.6 g/kg;100 m至2500 m高度内,水汽混合比基本不随高度变化,维持在2.7 g/kg。
沙尘天气时的位温总体较晴天低15.0 K左右,两者的差异随高度增加逐渐减小。
（2）利用WRF-LES模拟得到无沙尘时不同高度位温
和水平风场的空间分布情况,位温的分布范围是312.9<sup>3</sup>14.4 K,位温的水平分布特征在低层各高度层基本一致且位温水平梯度较大,说明离地100 m 高度内边界层混合作用不强。
相比之下高层混合作用强、位温水平分布更均匀。
有沙尘时,位温的分布范围为299.0<sup>3</sup>00.8 K,较无沙尘时低13.9 K。
低层位温场以模拟区域东北角为低值中心,呈不规则环状交错结构。
与无沙尘情形相比,有沙尘时位温和风场的水平分布情况随高度变化更快。
（3）由WRF-LES模拟的南北方向位温垂直分布剖面得出,无沙尘时模拟区域南部的位温垂直剖面分布范围是312.9<sup>3</sup>14.0 K,近地面位温最高且分布最不均匀,表现为沿东西方向冷暖气团交替分布,位温水平梯度较大。
模拟区域中部的位温垂直剖面分布范围是313.1<sup>3</sup>14.0 K,高位温气团从地面延伸发展至1500 m高度。
有沙尘时模拟区域南部、中部和北部的位温垂直剖面分布范围均为
298.9<sup>3</sup>00.3 K,地面强位温中心向上发展至距地1200 m左右。
沙尘天气时不同位置垂直剖面的空间分布形势更类似,说明有沙尘时模拟区域不同位置的垂直发展强度更加均匀。
（4）WRF-LES模拟的无沙尘情形下,水汽混合比在离地10 m高度的水平分布范围是2.0<sup>2</sup>.8 g/kg,呈现不规则网状结构。
在离地100 m高度,水汽混合比的分布范围是1.8<sup>2</sup>.4 g/kg,网状结构不再明显,模拟区域内主要是均匀分布的水汽混合比为1.8 g/kg的低湿区域。
在离地1000 m高度,水汽混合比的分布范围是1.9<sup>2</sup>.1 g/kg,水汽混合比的水平分布较低层更加均匀,湍涡尺度有所减小。
有沙尘时,各高度层水
汽混合比数值均显著高于无沙尘情形。
在离地10 m高度,水汽混合比的分布范围是3.0<sup>3</sup>.3 g/kg,较无沙尘时高1.0 g/kg左右。
在离地100<sup>2</sup>000 m高度,水汽混合比的分布范围是3.0<sup>3</sup>.1 g/kg,水汽混合比的水平梯度较地面有所减小,水平分布逐渐均匀。
（5）2007-08-13<sub>1</sub>0:00研究区域的边界层高度为1052<sup>1</sup>122 m,边界层最大高度出现在正午14:00,是2700 m;凌晨03:00<sup>0</sup>6:00边界层高度小于100 m。
当地垂直方向的湍流强度从地表至1000 m随高度增加而增大,在1000 m附近达到最大值0.07,1000 m以上随高度增加而减小。
结合边界层高度的模拟结果,1000 m正是SACOL上午10:00混合层顶所在高度,区域平均位温廓线也在1000m高度处存在明显的梯度不连续,说明在混合层顶的垂直湍流强度最大,湍流垂直混合最剧烈。
水平方向湍流强度在近地层内随高度增加略有减小,再向上湍流强度先接近常数（0.46）然后减小,并在2000 m处再次增大。
从区域平均的位温廓线可知,2000 m高度以上存在一较厚的逆温层。
（6）WRF-LES模拟的地面温度为301.7<sup>3</sup>02.3 K,混合层顶所在的1000 m 高度处温度较地面降低7.7 K,为294.0<sup>2</sup>94.6 K。
WRF-LES模拟的地面温度场呈现不规则网状结构,高温、低温区互相交错且无序,显示了对流边界层的典型大涡结构。
以实际粗糙度0.062 m替换模式默认粗糙度0.100 m后,大涡模式模拟的地面温度整体较之前低0.4 K,与模拟区域中心SACOL的观测数据更接近,说明采用合理的粗糙度对提高WRF-LES模拟效果有重要作用。