利用大涡模式模拟黄土高原大气边界层特征

发布时间：2020-06-16 04:18

【摘要】：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_20:00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_20:00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312.9~314.4 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299.0~300.8 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312.9~314.0 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313.1~314.0 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298.9~300.3 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2.0~2.8 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1.8~2.4 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1.9~2.1 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3.0~3.3 g/kg,较无沙尘时高1.0 g/kg左右。在离地100~2000 m高度,水汽混合比的分布范围是3.0~3.1 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_10:00研究区域的边界层高度为1052~1122 m,边界层最大高度出现在正午14:00,是2700 m;凌晨03:00~06:00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301.7~302.3 K,混合层顶所在的1000 m高度处温度较地面降低7.7 K,为294.0~294.6 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。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P421.3
【图文】：

兰州大学硕士学位论文 利用大涡模式模拟黄土高原大气边界层特征第二章 数据与方法2.1 兰州大学半干旱气候与环境观测站数据兰州大学半干旱气候与环境观测站（Semi-Arid Climate and EnvironmentObservatory Location，SACOL）于 2005 年在兰州大学榆中校区萃英山顶（35.57 °N104.08 °E）建成，与兰州市相距约 48 km，海拔 1965.8 m。观测场附近是典型黄土高原下垫面，被原生稀疏矮草覆盖，夏季植被高度约 20 cm（Yue 等，2012），夏季和秋季地表覆盖率约为百分之八十（张文煜 等，2009）。SACOL 位于海拔较高的山顶，不受附近建筑物和人类活动的影响，可以代表附近几百千米范围内半干旱地区的气候状况（Huang 等，2008）。

最终输入大涡模式作为初始场的位温廓线、水汽混合比廓线如图3-1（a）和图 3-1（b）所示。在无沙尘的晴天背景下，近地 100 m 内位温随高度由 312.0 K 上升到 316.0 K，并在 200~3000 m 随高度逐渐降低至 310.0 K；3000 m处位温短暂突增又继续降低至 308.0 K。有沙尘的情形下，位温在 2000 m 以下基本保持在 297.0 K，之后随高度逐渐增加到 312.0 K。沙尘天气时的位温总体较无沙尘时低 15.0 K 左右，两者的差异随高度增加逐渐减小（图 3-1（a））。无沙尘时，水汽混合比随着近地层高度的增加而迅速下降，并在 100 m 高度内迅速从2.6 g/kg 降低至 1.9 g/kg；之后随高度增加，水汽混合比呈现波动降低趋势，由1.9 g/kg 逐渐降低至 1.0 g/kg。有沙尘时

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本文编号：2715526