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城市建筑动力学效应对对流边界层影响的敏感性试验 总被引：3，自引：1，他引：2
本文将大涡模拟应用于城市对流边界层(CBL)湍流结构和流场特征的研究,在大涡模式中,拖曳系数取与建筑物高度及建筑物高度标准差有关的表达式以考虑次网格建筑物对风速和湍流动能(TKE)的面积平均影响.模拟结果表明,由于城市建筑物对气流的拖曳作用,使建筑物冠层及整个CBL内风速大幅度减小,城市冠层内部风速减小尤为明显,在夹卷层内,风速有一明显的跃变.在边界层中部对流运动已经发展成为较强的热泡,城市建筑物的动力学效应使热泡的水平尺度增大,CBL内平均上升气流速度和下沉气流速度减小,同时使CBL中上升气流所占比例比平坦地面增大.城市建筑物使CBL低层热通量、动量通量、速度方差和位温方差明显增大,但对近地层高度以上的湍流量影响不大. 相似文献
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晴天充分混合的对流边界层(CBL)中常采用相对简单的零阶近似平板模式.在该模式中,通常假设边界层顶的夹卷通量与地面通量有着固定的线性关系作为其闭合条件,即/(wθ)h=-A/(wθ)s.由于受观测资料的限制,参数A通常是由大涡模拟(LES)的方法得到,并利用有限的观测资料加以验证.作者基于ARM(Atmospheric RadiationMeasurement Program)观测资料,利用最优化参数算法,确定该闭合参数,使得对流混合层模式能最大可能地再现实际边界层的发展过程.首次尝试了最优参数算法在确定真实物理过程参数中的应用.模拟结果分析表明,在观测资料足够多的情况下,最优化方法应是确定该闭合参数的行之有效的方法. 相似文献
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《高原气象》2020,(3)
边界层湍流所引起各物理量的垂直输送在大气过程中起着重要作用。研究对流边界层特征对分析污染物扩散条件,认识陆气间物质、能量的输送交换机制和提高数值模式模拟能力具有重要意义。受限于目前许多地区通量观测站较少、资料时空分辨率较低,为了研究黄土高原地区大气边界层结构及其特征,将中尺度气象模式WRF(The Weather Research and Forecasting Model)与大涡模式WRF Large-Eddy Simulation(WRF-LES)嵌套使用,分析了黄土高原夏季温湿廓线情形下,由热力驱动的边界层结构特征。结果表明:(1)WRF-LES模拟的地面风温场能较好地显示边界层典型湍流结构,其他气象要素的模拟结果也比较符合边界层实际。(2)混合层顶所在的1000 m高度处垂直湍流强度最大,强夹卷作用导致湍涡尺度减小且涡旋数量增多。(3)在模拟区选定的参数化方案下,采用夏季实际粗糙度0.062 m替换模式默认值0.1 m,发现使用实际粗糙度的模拟温度较之前低0.4 K,与模拟区中心处的观测数据更接近,说明采用合理的粗糙度对提高WRF-LES模拟效果有重要作用。 相似文献
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用大涡模式研究对流边界层湍流 总被引：1，自引：0，他引：1
利用三维对流边界层的大涡模拟模式研究对流边界层湍流统计特征量,模拟结果与前人的同类模拟工作及实验观测结果相比较,得到了一致的结论.
相似文献
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一个对流边界层中的随机扩散模式 总被引：1，自引：0，他引：1
通过对对流边界层(CBL)湍流结构的分析,首次提出用两种不同尺度的湍流模拟CBL中的铅直扩散.在此基础上发展了一个随机扩散模式,并用它模拟了典型对流条件下两种高架连续点源的扩散.与Willis水槽模拟和Lamb等人数值模拟以及CONDORS计划外场试验的结果的比较表明,本模式能成功地模拟CBL中的横向积分浓度.与其它数值模式相比,还具有输入参数少、计算量极小和更加简单实用的优点. 相似文献
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黑河绿洲区不均匀下垫面大气边界层结构的大涡模拟研究 总被引：11，自引：4，他引：7
采用RAMS模式中大涡模拟的方法,加入高分辨率的植被和土壤资料,模拟了黑河（张掖地区）不均匀下垫面条件下大气边界层演变过程。分析了模拟的地表通量、边界层的平均结构和湍流二阶量,并用黑河试验的观测资料检验了模式的模拟性能。结果表明,模拟的平均结构较好地展现了不均匀下垫面条件下边界层内从稳定层结到混合层发展,夹卷层形成,底层逆温层出现,混合层过渡到残留层等的演变过程,呈现出了从初始的稳定边界层发展到对流边界层,最后又形成夜问稳定边界层的日变化规律。湍流二阶量的分析显示,在非均匀下垫面条件下边界层内湍流二阶量的垂直分布与边界层的发展相对应,白天湍流二阶量出现两个峰值,分别位于近地层和混合层顶。与观测资料和现有研究的对比表明,RAMS中陆面模块（LEAF）地表参数不能较好地反映黑河地区的植被特征,模拟的白天地表感热和潜热通量偏小,气温白天偏低、夜间偏高,相对湿度也有偏差。 相似文献
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应用WRF v4.0模式五种边界层参数化方案（YSU、MYJ、MYNN2、ACM2和SH）,对2016 年汛期（5～9月）在川渝盆地东部造成暴雨的所有西南涡过程进行了数值模拟,检验评估了它们对各量级降水的预报能力,并基于加密的L波段秒级探空资料对比分析了模拟与实况边界层结构的差异,结合各方案对湍流运动的算法特点探讨了其差异的原因,最后对ACM2方案进行了湍流强度调整,由此改善其对于川渝盆地边界层与西南涡降水的模拟能力。结果表明:ACM2和YSU方案TS评分表现较好,相对其它方案ACM2空报较少,这种可以根据周围环境的稳定性切换局地或非局地算法的方案更适合于盆地西南涡降水模拟,但边界层方案对西南涡降水的空报都较普遍,尤以大量级降水更明显;精细的探空资料进一步表明,所有方案模拟的白天边界层高度都偏高,湍流混合强度都偏强。通过参数调整而降低混合强度的ACM2方案,模拟的边界层温湿结构则更符合实际观测,其边界层下部温度更低、湿度更高,减少了大量级降水的空报,使盆地西南涡降水模拟有一定改善;边界层参数化方案对西南涡模拟的差别主要体现为不同的西南涡位置与降水强度,但归根到底都源于方案的局地或非局地特性、不同的混合强度这两方面原因。因此,根据不同特定区域下垫面环境与气候状况合理选择方案的特性和混合强度是准确模拟边界层结构及其降水过程的关键。 相似文献
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"K"理论是众多气象预报模式中运用最广泛的湍流参数化方案之一,但无法解释"逆梯度"的输送,必须进行修正。最具代表性的修正方案有三种:方案Ⅰ(Deardroff方案)、方案Ⅱ(Holtslag和Moeng方案)和方案Ⅲ(刘烽方案)。本文利用香河的边界层观测资料对上述三种方案进行验证和比较,发现方案Ⅰ的结果在整个对流边界层(Convective Boundary Layer,CBL)呈系统性偏低,与观测不符;方案Ⅱ在CBL中上部能够再现逆梯度输送现象,基本能给出合理的湍流通量垂直分布,但在CBL的下部和上部与观测不符;方案Ⅲ的逆梯度项与高度有关,并在CBL中部达到最大,而其他两个方案中逆梯度项随高度不变。该方案不但在CBL中上部与方案Ⅱ的结果一致,并能合理表达整个CBL内的湍流通量分布,更接近观测结果。 相似文献
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高原东南缘大气近地层湍能特征与边界层动力、热力结构相关特征 总被引：3，自引：2，他引：1
基于云南省大理2008年3、5、7月GPS加密探空试验时段(14和02时)资料,结合边界层铁塔综合观测资料,采用温度梯度法、逆温强度法和涡动相关法分别计算高原东南缘对流边界层(convective boundary layer,CBL)及稳定边界层(stable boundary layer,SBL)顶高度,通过计算获取感热通量、潜热通量、湍流动能、切变项以及浮力项与大气动力、热力过程垂直相关特征综合分析,可发现湍能方程中浮力项、感热、潜热通量与NCEP再分析资料计算获取的大气视热源相关特征显著,这某种程度反映了高原东南缘近地层大气湍流动量、热量输送对低层大气视热源Q_1的重要贡献。低层视热源Q_1亦表现出与湍能方程分量类似的日变化周期,此特征反映了高原东南缘大气热源变化与下垫面水热过程及其湍流输送日变化密切相关;浮力项与湍能等项对大气低层热源与涡动特征、热力混合结构的形成有重要作用;低层大气视热源、水汽汇均与边界层高度有显著相关,综合分析结果某种程度描述了青藏高原东南缘近地层湍流动量、热量输送状况与低层大气热源,热力混合边界层结构的综合相关物理图像,初步探索了高原东南缘对流活跃区大气湍流运动与大气动力、热力过程相互作用特征。研究表明近地层湍流通量变化某种程度可反映未来局地大气视热源垂直结构变化的"强信号"特征。本文上述研究结论也可启发我们进一步关注近地层湍流通量异常变化特征及其对局地降水过程大气热源结构演变的影响问题。 相似文献
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风切变对边界层对流影响的大涡模拟研究 总被引：5，自引：0，他引：5
利用"西北干旱区陆-气相互作用野外观测实验"加密观测期间在敦煌站的观测资料以及大涡模式,模拟了对流边界层的发展,以及示踪物从混合层向残留层传输的时空变化。模拟的对流边界层的结构及演变特征与实测结果基本一致。进一步通过有风切变和无风切变的敏感性数值试验,研究了风切变对垂直速度、位温和示踪物浓度的水平分布以及示踪物传输高度的影响。研究结果表明,在有风切变的试验中(甚至风切变仅存在于近地层中),对流边界层的增长加强,而且示踪物被传输的高度也较高。与浮力驱动的对流边界层相比,由浮力和风切变共同驱动的边界层中上升气流较弱而下沉气流较强,但前者的上升气流与下沉气流的分布在垂直方向上更为倾斜。由于夹卷作用的增强,浮力和风切变共同驱动的对流边界层较浮力驱动的对流边界层暖。在夹卷层,浮力和风切变共同驱动的边界层对流的上升气流和下沉气流都比浮力驱动的边界层对流中的强,而且垂直速度的概率密度函数分布也较对称,其位温和示踪物浓度的概率密度函数分布也比浮力驱动的边界层中的平直。对湍流动能收支的分析也表明风切变对湍流动能有重要影响,尤其对夹卷层中的湍流动能切变产生项影响较大。示踪物浓度的概率密度函数垂直分布显示,浮力驱动的边界层中示踪物浓度随高度变化较小,而浮力和风切变共同驱动的边界层中示踪物浓度随高度递减,但是示踪物传输的高度比较高。 相似文献
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Roll vortices,which often appear when cold air outbreaks over warm ocean surfaces,are an important system for energy and substance exchange between the land surface and atmosphere.Numerical simulations were carried out in the study to simulate roll vortices in the convective boundary layer(CBL).The results indicate,that with proper atmospheric conditions,such as thermal instability in the CBL,stable stratification in the overlying layer and suitable wind shear,and a temperature jump between the two layers in a two-layer atmosphere,convective bands appear after adding initial pulses in the atmosphere.The simulated flow and temperature fields presented convective bands in the horizontal and roll vortices in the crosswind section. The structure of the roll vortices were similar to those observed in the cloud streets,as well as those from analytical solutions.Simulations also showed the influence of depth and instability strength of the CBL, as well as the stratification above the top of the CBL,on the orientation spacing and strength of the roll vortices.The fluxes caused by the convective rolls were also investigated,and should perhaps be taken into account when explaining the surface energy closure gap in the CBL. 相似文献
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涡旋相关法测定湍流通量偏低的研究 总被引：15，自引：3，他引：12
针对野外实验所发现的不同观测法测定地表能通量不平衡问题,进行了均匀加热大气边界层的大涡模拟实验.用模拟的湍流风、温度和湿度涨落的时间序列证实,对流边界层低频涡普遍存在,并经常以一簇一簇热泡的形式出现.风速较小时,有限时长的取样不足以捕捉低频涡的贡献,可造成涡旋相关法测量的统计量异常偏低.仿照涡旋相关法的步骤进行数据处理发现,经去除平均或趋势计算的温度和湿度通量偏低程度在边界层下部随观测高度的增高而显著,其中尤以湿度通量为甚.其结果在一定程度上可以解释低风速条件下地表能通量测量的不闭合问题,但是尚不能完全解释诸如青藏高原实验出现的严重不闭合.文中对此作了探讨性的讨论. 相似文献
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Michail A. Strunin Tetsuya Hiyama Jun Asanuma Tetsuo Ohata 《Boundary-Layer Meteorology》2004,111(3):491-522
This study investigates the convective boundary layer (CBL) that develops over anon-homogeneous surface under different thermal and dynamic conditions. Analysesare based on data obtained from a Russian research aircraft equipped with turbulentsensors during the GAME-Siberia experiment over Yakutsk in Siberia, from April to June 2000.Mesoscale thermal internal boundary layers (MTIBLs) that radically modified CBLdevelopment were observed under unstable atmospheric conditions. It was found thatMTIBLs strongly influenced the vertical and horizontal structures of virtual potentialtemperature, specific humidity and, most notably, the vertical sensible and latent heatfluxes. MTIBLs in the vicinity of the Lena River lowlands were confirmed by clouddistributions in satellite pictures.MTIBLs spread through the entire CBL and radically modify its structure if the CBL isunstable, and strong thermal features on the underlying surface have horizontal scalesexceeding 10 km. MTIBL detection is facilitated through the use of special parameterslinking shear stress and convective motion.The turbulent structure of the CBL with and without MTIBLs was scaled usingthe mosaic or flux aggregate approach. A non-dimensional parameterLRau/Lhetero (where LRau is Raupach's length and Lhetero is the horizontal scale of the surface heterogeneity)estimates the application limit of similarity and local similarity scaling models forthe mosaic parts over the surface. Normalized vertical profiles of wind speed, airtemperature, turbulent sensible and latent heat fluxes for the mosaic parts withLRauLhetero < 1 could be estimated by typical scalingcurves for the homogeneous CBL. Traditional similarity scaling models for the CBLcould not be applied for the mosaic parts with LRau/Lhetero > 1.For some horizontally non-homogeneous CBLs, horizontal sensible heat fluxes werecomparable with the vertical fluxes. The largest horizontal sensible heat fluxes occurred at the top of the surface layer and below the top of the CBL.Formerly affiliated to the Frontier Observational Research System for Global ChangeFormerly affiliated to the Frontier Observational Research System for Global Change 相似文献
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A laboratory study of the turbulent velocity characteristics in the convective boundary layer 总被引：4，自引：0，他引：4
Based on the measurement of the velocity field in the convective boundary layer （CBL） in a convection water tank with the particle image velocimetry （PIV） technique, this paper studies the characteristics of the CBL turbulent velocity in a modified convection tank. The experiment results show that the velocity distribution in the mixed layer clearly possesses the characteristics of the CBL thermals, and the turbulent eddies can be seen obviously. The comparison of the vertical distribution of the turbulent velocity variables indicates that the modeling in the new tank is better than in the old one. The experiment data show that the thermal＇s motion in the entrainment zone sometimes fluctuates obviously due to the intermittence of turbulence. Analyses show that this fluctuation can influence the agreement of the measurement data with the parameterization scheme, in which the convective Richardson number is used to characterize the entrainment zone depth. The normalized square velocity wi^2/w＊^2. at the top of the mixed layer seems to be time-dependent, and has a decreasing trend during the experiments. This implies that the vertical turbulent velocity at the top of the mixed layer may not be proportional to the convective velocity （w＊）. 相似文献
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大涡模式分辨率对海洋信风区大气边界层结构和演变模拟的影响 总被引：4，自引：1，他引：4
利用BOMEX（巴巴多斯海洋与气象学试验）的探空资料和LEM（大涡模式）,通过改变LEM水平分辨率的敏感性数值试验,对比分析不同尺度的湍涡对信风积云边界层中混合层和云层的结构、演变以及对流形式和强度的影响。结果表明,水平分辨率较高时模拟的湍涡尺度较小、混合层顶的夹卷作用较强,模拟的混合层较暖、较干,而且模拟的对流泡尺度较小、强度较大,能够模拟出较精细的边界层结构;而水平分辨率较低时则相反。模拟的湍涡尺度对海洋信风区边界层积云中液态水混合比的模拟结果影响较大:LEM模拟的湍涡尺度较小时模拟的信风积云形成的时间较早、云顶高度较高,单个云块的体积较小但数目较多,液态水含量较高;而模拟的湍涡尺度较大时则相反。虽然水平分辨率为50 m和125 m的试验都能模拟出较精细的信风边界层中混合层、云层的结构和演变特征,但是,考虑到提高分辨率在模拟过程中产生的噪音信号对结果的影响以及计算时间等问题,LEM采用125 m的水平网格距是对海洋信风边界层积云对流模拟较为理想的选择。 相似文献
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日间对流边界层最显著的结构特征是在热力作用下所形成的组织化对流。与小尺度湍涡不同的是,组织化对流具有边界层尺度的垂直相干性,可实现垂直贯穿边界层的非局地物质和能量传输。本文针对对流边界层中的动量混合,探究组织化对流对动量输送的贡献。以高精度大涡模拟数据为研究资料,通过傅里叶变换、本征正交分解和经验模态分解3种滤波方法,分离组织化对流和背景湍涡,计算与两者相关的非局地和局地动量通量,发现与组织化对流相关的非局地动量通量是总通量的重要组成部分,并主导混合层中的垂直动量输送。而后,基于协谱和相位谱分析,探究组织化对流的空间结构对动量传输的影响,发现在热力主导的不稳定环境中,单体型环流结构对动量的传输效率较低。而在风切较强的近中性环境中,滚涡型组织化结构可使垂直和水平流向扰动速度的相位差减小,从而提升动量传输效率。研究结果表明,边界层方案需要包含非局地动量通量项,其参数化应考虑整体稳定度对传输效率的影响。 相似文献
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Parameterization of Entrainment in a Sheared Convective Boundary Layer Using a First-order Jump Model 总被引：1，自引：0，他引：1
Si-Wan Kim Soon-Ung Park David Pino Jordi Vilà-Guerau de Arellano 《Boundary-Layer Meteorology》2006,120(3):455-475
Basic entrainment equations applicable to the sheared convective boundary layer (CBL) are derived by assuming an inversion layer with a finite depth, i.e., the first-order jump model. Large-eddy simulation data are used to determine the constants involved in the parameterizations of the entrainment equations. Based on the integrated turbulent kinetic energy budget from surface to the top of the CBL, the resulting entrainment heat flux normalized by surface heat flux is a function of the inversion layer depth, the velocity jumps across the inversion layer, the friction velocity, and the convection velocity. The developed first-order jump model is tested against large-eddy simulation data of two independent cases with different inversion strengths. In both cases, the model reproduces quite reasonably the evolution of the CBL height, virtual potential temperature, and velocity components in the mixed layer and in the inversion layer.The part of this work was done when the first author visited at NCAR. 相似文献