非均匀边界层流场特征及城市影响海风环流的大涡模拟研究

发布时间：2017-12-29 21:07

本文关键词：非均匀边界层流场特征及城市影响海风环流的大涡模拟研究　出处：《南京大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：本文主要通过大涡模拟实验,分别研究了小尺度地表非均匀加热的影响、海风环流的发展特征和启动机制、沿海城市对海风环流的影响等三个问题。主要研究内容与结论如下：(1)利用DALES,本文研究了理想一维、二维地表非均匀加热对有风切变对流边界层湍流特征的影响。地表热力非均匀的波长λ为4.8 km。在一维非均匀加热情形下,当风向平行于条状加热区域时,边界层的发展高度zi较高。同时,在边界层中有卷状次级环流生成,并且背景风场有利于这种环流的维持。相应的湍流方差廓线在垂直分布以及数值上都发生了显著变化。例如,近地层的u方差是随时间减小的,v方差分别在近地层和夹卷层底部出现了极大值,而w方差的最大值所在高度上升到了0.6～0.7zi。当风向垂直于条状加热区域时,仍然可以分辨出有组织环流的存在,但环流的结构十分松散且强度较弱。这种情形下的湍流方差廓线在垂直分布上与均匀加热时的相同,但数值偏小。在二维非均匀加热情形下,当风向垂直于马赛克方块的一组对边时,spin-up阶段后对流边界层中的湍流混合就已经十分充分,与均匀加热时的湍流场十分相似。然而当风向平行于马赛克方块的对角线时,边界层湍流场中出现了与一维情形下风向垂直于非均匀方向类型的湍流场相类似的结构特征,即有次级环流的生成。当风向介于两者之间时,也可以激发出卷涡状的次级环流,而且这种湍流结构同样促进了边界层的发展。再对二维非均匀加热下风向沿对角线时引起的次级环流结构进行敏感性实验,敏感因子为非均匀尺度和背景风速。实验结果表明,次级环流的维持时间依赖于无量纲因子A/zi。而且,当λ大于对流边界层中大涡的水平尺度(即λ/Zi大于某一临界值)时,适当的增大风速可以有效加强次级环流的发展。(2)本文应用WRF-LES模式,采用尺度分析法研究了在地表加热日周期变化的条件下理想海风环流的发展特征。通过多组在不同地表热通量和大气稳定度条件下的模拟实验,结果发现地表热通量越大,海风环流的体积与强度发展得越快；海风厚度Zsb与环流前方边界层高度同步发展；大气稳定度显著影响海陆环流的垂直高度,但对宽度的影响很小；海风风速Usb与海风锋的前进速度成正比；环流最大垂直上升速度Wmax与海风风速Usb的变化趋势是阶段性相同的；在发展期,海风风速极大值Umax的变化特征可以用边界层湍流垂直运动的特征速度w*来描述。此外,本文还证明Steyn (1998)提出的关于Zsb和l尺度因子是不适用的。本文检验了Steyn (1998)提出的关于Zsb和Usb的尺度关系定律。结果表明,对于海风环流发展的整个阶段来说,尺度关系定律是不成立的；只有满足条件ωt≈1才近似成立。结合环流各个物理量的尺度分析结果,本文对尺度关系定律作出修正,将关系定律中出现的ω全部替换成1/t。对于海风启动的问题,本文根据实验现象将环流最大向岸风速的位置发生移动的时刻定义为海风的启动时刻,并发现海风启动时伴随有环流前缘近地层处的局地高温低压和气流辐合现象,同时内陆边界层的高度也恰好赶超向岸气流的厚度,即h≥Zsb。基于以上现象,本文提出了海风的启动概念模型。当hZsb时,环流前端的扰动处于向岸气流的水平运动背景中,受到了抑制,因此不会影响向岸气流中风速的空间分布,环流不发生移动。当h≥Zsb时,扰动发生在环流的上升支当中,扰动可以被不断放大和加强,引发环流向岸气流前端的风速不断增大,最终导致了环流产生移动。海风启动的同时又会引发环流前缘处出现气流辐合,于是辐合上升运动造成了辐合区的局地低压；同时低压又会引来周围更多的暖空气,进一步加剧辐合上升过程,形成正反馈循环。此后,正反馈循环进一步加强海陆温差和气压梯度,引导和促进了海风环流的发展。(3)在前一章实验设置的基础上加入理想城市下垫面,研究了城市对海风环流发展的影响。研究结果显示理想化城市的出现显著改变了海风环流各个物理量的变化趋势。当城市直接与海洋相接时,粗糙的地表抑制了海风风速Usb的发展,同时却促进了环流的垂直上升运动,但影响效果不显著；另外还会延迟海风的启动时间。城市地表的高值热通量能够加速海陆风环流的发展；城市内陆边界处的热岛环流通过与海风环流发生耦合作用,阻碍了海风锋的前进,增强了环流的垂直上升运动；城市的粗糙地表同样也会促进热岛环流的垂直上升运动,从而增强两个环流的耦合作用。增大城市热岛强度会使海风提前启动并进一步加快海风环流的发展,同时也增强了内陆边界处的热岛环流使得两个环流发生耦合的强度更加剧烈。增加城市的宽度会推迟海风环流与热岛环流发生耦合的时间,由于两个环流都已经过了较长时间的独立发展,因此耦合的强度也更加剧烈。在离岸城市中,城市上下游边界上都有热岛环流出现。在海风环流进入城市的过程中,海风环流与城市近海岸热岛环流保持各自相对独立的发展；当近海岸热岛环流的低层水平气流逐渐与海风强度相当时,两个环流合并成一个新的海风环流。合并的海风环流由于前段在城市而后段在非城市区域影响下,因此出现了形状和强度上的不对称——海风前段较厚、风速较大；当海风环流与内陆边界处热岛环流相遇时,风速较大的海风头部会加强近地层的辐合作用,从而引发更强烈的耦合上升运动。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P732

【参考文献】