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大涡模式垂直分辨率在夹卷及示踪物垂直传输模拟结果分析中的作用 总被引：1，自引：0，他引：1
基于敦煌野外观测资料和大涡模式,研究了垂直方向不同尺度湍涡对夹卷及示踪物垂直传输的影响,明确了模式垂直分辨率在模拟结果分析中的作用。结果表明:垂直方向上小尺度湍涡对夹卷作用贡献更大,小尺度湍涡较多时夹卷层相对更暖,而夹卷层厚度、夹卷强度和风速变化受垂直方向湍涡尺度影响较小。当垂直分辨率为50 m时,越往夹卷层上部,上升气流和下沉气流分布较多且强度较大;分辨率为10、20和30 m时,夹卷层各高度垂直速度、位温和示踪物浓度分布较接近。另外,垂直方向湍涡尺度对示踪物垂直传输高度影响不大,而对示踪物的空间分布有一定作用。当大尺度湍涡较多且强度较强时,越有利于将高浓度的示踪物向上传输。综合考虑到模式采用较高分辨率模拟时产生的噪音及计算时间等问题,认为模式采用30 m的垂直分辨率,既能较好地模拟出夹卷层平均结构特征,又能模拟出夹卷层湍流的精细分布,是较为理想的选择。 相似文献
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为研究黄河源区边界层湍流特征及其对物质和能量输送的影响,本文首次采用大涡模拟的方法,对比分析了黄河源区两种不同下垫面上（鄂陵湖和湖边草地）对流边界层（CBL）中精细的湍流结构特征。使用资料为2012年夏季黄河源区鄂陵湖流域野外观测实验的GPS探空资料、涡动相关观测资料。分析表明,模拟的黄河源区草地和湖上CBL的平均结构与实测结果吻合较好,但草地和湖上CBL的湍流结构特征差异较明显。模拟结果显示,草地CBL内湍能收支、湍流特征量的时空分布和湍涡结构特征均与陆地上热力驱动CBL的研究结果一致;湖上CBL顶部存在明显的对流卷特征,且夹卷层的湍流强度比草地的强,而草地近地面湍强则更大。通过改变水平分辨率的模拟试验,发现两个不同下垫面上模拟结果对模式分辨率的敏感性不同,湖面CBL的模拟要选择较高的水平分辨率（50～100 m）,以提高近湖面和夹卷层对湍流动能和湍流通量模拟的精度,也充分模拟出各种尺度的波对湍流通量的累积贡献。考虑到计算时间等影响,模拟草地边界层精细的湍流结构时建议选择网格距为100～200 m。 相似文献
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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 总被引：1，自引：0，他引：1
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。 相似文献
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利用大涡模式模拟了对流边界层结构演变以及深对流触发过程。通过改变鲍恩比的敏感性试验研究不同大气初始状况下湿润和干旱下垫面湍流特征及其对深对流触发过程的影响。结果表明:干旱下垫面的混合层干而暖,厚度较大;湿润下垫面相反。由于地表感热通量对热力湍流形成的作用更大,干旱下垫面上湍流混合和夹卷作用更强,使得水汽和相当位温在边界层内分布更均一,而在边界层顶有较大的负扰动;干旱下垫面上对流强度较湿润下垫面大,但均表现为泡状对流,水平方向上呈网状结构。不同下垫面上深对流的发生与大气初始状况有关,当初始时刻1—3 km的逆温强度较弱时（0.15 K/（100 m））,边界层内湍流迅速发展,深对流首先在干旱下垫面发生,但因对流有效位能较小,云层厚度小于湿润下垫面。当1—3 km的逆温强度增加到0.55 K/（100 m）时,云层形成时间较晚,云层厚度明显减小,仅当边界层顶的比湿较大时,有深对流发生,但仍首先发生在干旱下垫面,考虑贯穿对流在边界层顶引起的较强冷却作用,云层厚度大于湿润下垫面。 相似文献
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基于大涡模拟评估GRAPES模式对对流边界层的模拟性能 总被引：3，自引：1，他引：2
为检验GRAPES半拉格朗日动力框架在大涡尺度上的模拟性能,为未来发展千米及其以下高分辨尺度的数值模式奠定基础,并构造GRAPES大涡模式以检验和发展边界层湍流参数化提供科学工具。通过在GRAPES模式中加入Smagorinsky-Lilly小尺度湍涡参数化,并将模式分辨率提高至50 m,构建GRAPES大涡模式(GRAPES_LES),以便分析GRAPES模式在大涡尺度上的适用性。同时利用广泛应用的已有大涡模式UCLA_LES作为参考,通过对干对流边界层湍流的模拟分析及与UCLA_LES模拟结果的对比,得出如下主要结论:GRAPES半拉格朗日动力框架能够模拟出与已有的大涡模式相似的边界层湍流特征;同时,通过分析也证明GRAPES存在由于采用半拉格朗日平流计算而带来过度耗散的问题:当使用相同的滤波尺度(Smagorinsky 常数)时,GRAPES_LES模拟出的速度场更为平滑,小尺度湍流结构过于光滑,通过对湍流能量的能谱分析更清楚地表明了这一点。进一步,对不同的Smagorinsky常数(对应不同的滤波尺度)进行了敏感性试验,表明可以通过改变滤波尺度,有效地缓解半拉格朗日框架隐含的耗散问题,得到更接近UCLA_LES所模拟的湍流特征。 相似文献
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随着计算能力的提升,台风数值模拟大量采用了大涡尺度模拟,其水平分辨率已达到数10 m的量级,而垂直分辨率提升不大,其问题是数值模式的垂直分辨率对台风大涡模拟的影响如何?因此,本文利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式开展理想台风模拟,在不同的模式垂直层次(42,69和90层)情况下,研究并讨论数值模式垂直分辨率对台风大涡模拟的影响。结果表明,42层的垂直分辨率明显不足,而69层和90层的垂直分辨率则都能模拟出细致的台风边界层小尺度结构,龙卷尺度涡旋出现较多。与69层试验相比,90层试验模拟的台风强度要弱、龙卷尺度涡旋数量要少,但模拟的台风强度更稳定,模拟的小尺度涡旋也更精细。 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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精细的城市边界层模拟中热力粗糙度引入的初步研究 总被引：1，自引：4，他引：1
运用南京大学城市尺度边界层模式（UBLM）以100 m水平网格距的精细高分辨率，诊断分析小规模城市（水平范围在一二十公里）的气象环境与边界层结构。就高分辨率精细模拟分析研究了两个问题:（1）在模式中引入热力粗糙度，就引入热力粗糙度前后的模拟结果与实测结果进行对比，结果表明引入后的模拟结果与自动气象站的观测结果吻合较好，能够很好地反映出地面气温的日变化规律。冬季，白天不引入热力粗糙度比引入热力粗糙度会高估小规模城市地区感热通量约60 W/m2，而对乡间农作物地区约10 W/m2。（2）以四种不同水平网格距对同一下垫面及气象条件进行诊断分析，结果表明以100 m网格距精细模拟效果明显优于以较大网格距进行的模拟效果。以这样的精细高分辨率模式所获模拟结果分析了小规模城市的边界层特征，表明:冬季白天和夜间小规模城市与乡村气温差分别为0.8℃和0.6℃；风速明显低于乡村地区；湍能高于乡村地区，白天和夜间湍能一般为乡村的3倍左右；白天混合层发展较乡村迅速，且高度高于乡村地区。这样的特征在当今城市规划布局工作中，为特大型城市的卫星城市的建设规划提供了有益的科学实验依据。模拟效果表明以如此高的水平分辨率实施的模式和模拟是可行和有意义的。 相似文献
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一次夏季东北冷涡中积云发展过程的数值模拟 总被引：3，自引：7，他引：3
运用中国科学院大气物理所设计开发的三维冰雹云模式,对2002年7月11日至15日期间,发生在中国东北地区的一次由冷涡天气诱发的积云对流变化过程进行三维数值模拟。模拟结果表明:(1)冷涡诱发的积云自然降水呈中小尺度复合体的特征;(2)积云起源于低层暖湿区域里,并由强上升气流抬升到高层,得到充分发展;(3)冷涡中积云同样存在液态水累积区,一般出现在最大上升气流上,其中液态水含量随着积云的发展而变化,冰雹即在此液态水累积区0℃以下的区域内生长;(4)在模拟区域内,模拟出了多个积云单体的并合现象,而后发展为积云团;(5)模拟出的积云形态与雷达回波基本吻合。 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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利用 1 998年第 2次青藏高原野外试验中的多普勒声雷达探测、低空探测观测以及卫星观测资料对高原大气边界层内的对流现象进行分析研究。声雷达探测到了高原边界层内有强烈的对流活动。这种对流泡中心的垂直速度可超过 1m/s,并存在尺度为 1个多小时的周期性 ,表现为中小尺度的有组织的湍流活动。高原边界层强对流得以发展和维持的物理机制是 :强辐射加热、复杂的地形地貌形成的下垫面不均一性造成边界层斜压性、边界层内的平流活动等 ,这些现象都有利于对流的发展。在这些条件的作用下 ,边界层内可以产生一系列有组织的强湍流大涡旋活动 ,这些大涡旋形成的热泡在向上发展的过程中有的能够发生合并 ,变得更大也更为猛烈 ,达到凝结高度以上可形成对流云 ,并发生充分的对流混合。成云过程凝结潜热释放更有利于对流运动进一步发展 ,使对流云逐步发展成更大的对流云团 ,从而产生卫星云图中显示的云团发展过程。 相似文献
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利用WRF模式结合不同的边界层参数化方案,对2007年7月3—5日发生在江淮流域的一次梅雨锋暴雨过程进行多组数值模拟试验。结果发现,边界层方案的选取对于降水的落区和强度模拟会产生较显著的影响;在降水率及地面要素的模拟上,各方案在降水中后期的模拟差异明显大于降水发生阶段;不同边界层方案的选取对于降水时段内的水平风场、垂直运动和假相当位温的垂直分布都产生影响,直接影响降水时空分布的模拟;不同方案都模拟出了在降水发生之后不同于晴空日变化的湍流动能垂直分布,经分析发现与局地较强的垂直风切变和近地面强湍流气团被抬升有关,而浮力项起着耗散作用;各方案的湍流交换特征与湍流动能特征基本吻合,相比于其他方案,MYJ方案在降水区域的湍流动能及湍流交换强度明显偏弱,对热通量的输送也偏弱;GBM方案在边界层内的湍流混合偏弱而在边界层以上湍流混合显著偏强,热通量输送在边界层以上的高度上误差明显,影响了对降水区域气象要素的模拟能力,仍需要进一步改进。 相似文献
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一个统计低云方案及其在大气环流模式中应用初探 总被引：3，自引：1，他引：3
文中利用湍流耗散特征时间尺度和湍流垂直扩散系数对湍流二阶距进行参数化 ,将一个统计云方案与一阶湍流闭合方案进行耦合。基于数值试验 ,在不同的相对湿度、温度垂直梯度、以及湍流耗散特征时间尺度条件下 ,对该方案云量模拟能力的分析 ,发现该统计云方案对其采用的参数及湍流耗散特征时间尺度敏感。基于该数值模拟分析 ,修改了该统计云方案 ,并结合其他边界层积云参数化方案 ,给出了一个基于统计的低云参数化方案。将其初步应用于NCARCCM 3后发现 :该方案可以显著增强CCM 3对副热带低云的模拟能力 ,可以合理地模拟出大洋东部大陆西岸冷海域低云量大值中心 ,显示出该方案对于改进大气环流模式低云参数化具有潜在的应用前景。 相似文献
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Maryam Gharaylou Peyman Zawar-Reza Abbas-Ali A. Bidokhti Majid-M. Farahani 《Meteorology and Atmospheric Physics》2013,122(3-4):145-158
A one-dimensional Explicit Time-dependent Tilting cloud Model (ETTM) that separates updraft and downdraft columns and takes into account the effect of cloud tilting on precipitation is introduced and incorporated into the Advanced Regional Prediction System (ARPS). Results of the stand-alone ETTM are compared with that of cloud resolving simulations using the ARPS mesoscale model. Inter-comparison is performed by qualitative examination of simulated parameters such as vertical distribution of fluxes of mass, heat, and moisture. Although there is a great degree of similarity between the vertical profiles, ETTM systematically underestimates magnitudes of all fluxes. Sensitivity tests carried with ETTM show that the effect of varying cloud radius and tilting angle is considerable on the simulated cloud behavior. Increasing the cloud radius, results in a corresponding increase in fluxes of mass, heat, and moisture, while increasing the cloud tilt angle has the opposite effect. Since ETTM showed promise as a suitable sub-grid cumulus parameterization scheme; it was incorporated into ARPS as an additional cumulus parameterization scheme (CPS) to be available for the wider community. Results of simulations using ETTM and other CPSs already available in ARPS were compared for 2, 4 and 10 km grid spacings to assess its utility. Simulation results of the 2 km grid showed that at this resolution, the simulated time series of updraft velocities using the new scheme (ETTM) compared well with the results of other schemes in the ARPS model. The simulations with horizontal resolution of 4 km that was compared with the convection resolving reference run (No-CPS-2KM) showed almost consistent results for all schemes except for one using KF scheme. The results of the simulation with the ETTM scheme and other schemes in the model with resolution of 10 km showed that at this resolution, there is not significant difference between the uses of these schemes. 相似文献
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利用高分辨率WRF单气柱模式,选取了两种边界层参数化方案(YSU,MYJ),对TWP-ICE(Tropical Warm Pool International Cloud Experiment)试验期间的个例进行数值模拟,比较了两种方案对边界层结构、云和降水模拟的影响。结果表明:季风活跃期,YSU方案模拟的湍流交换系数较小,湍流混合偏弱,边界层内热通量偏小,使地表热量和水汽不易向上输送,水汽含量在近地表明显偏多,而在边界层及其以上大气层具有显著的干偏差,因此该方案模拟的云中液态水和固态水含量偏低,云量偏少,降水率偏小;MYJ方案对于季风活跃期的边界层结构具有较好的模拟能力,其模拟的云和降水更为准确。季风抑制期,MYJ方案模拟的夜间边界层结构存在较大误差,这是因为该方案模拟的夜间湍流交换系数较大,湍流混合偏强,边界层内热通量偏大,模拟的位温和水汽混合比在边界层内随高度变化较小,而观测廓线在边界层内存在较大梯度。季风抑制期两种方案模拟的云和降水均比观测值偏多,方案之间的差异较小。 相似文献
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Buoyancy fluxes in the marine atmospheric boundary layer (MABL) for the cloud street regime, observed during the Genesis of Atlantic Lows Experiment (GALE), have been analyzed using the technique of joint frequency distribution. For the lower half of the MABL, the results suggest that the buoyancy flux is mainly generated by the rising thermals and the sinking compensating ambient air, and is mainly consumed by the entrainment and detrainment of thermals, penetrative convection, and the entrainment from the MABL top.The results are compared to those from previous studies of mesoscale cellular convection (Air-Mass Transformation Experiment, AMTEX), the dry convective boundary layer, and the trade-wind MABL. For the lower MABL, the quadrant buoyancy fluxes, fractional coverages, and flux intensities are in good agreement with those of mesoscale cellular convection (AMTEX) and the dry convective boundary layer. The results suggest that, if the buoyancy flux is primarily driven by the temperature flux, the physical processes for generating buoyancy flux mentioned above are about the same for the lower boundary layers over land and ocean, even with different convective regimes. For the trade-wind MABL, the buoyancy flux is mainly driven by the moisture flux; the quadrant flux intensities are stronger than those of the other three studies except for the buoyant updrafts (thermals). These results suggest that the entrainment and detrainment of thermals are more effective in the trade-wind MABL than in the boundary layers driven by the temperature flux.Scale analysis of the buoyancy flux is in good agreement with that of AMTEX. For the lower half of the MABL, the buoyancy flux is mainly generated by the intermediate scale (200 m to 2 km), which includes the dominant convective thermals in the surface layer and the mixed layer. The scale smaller than 200 m is important only in the surface layer. The scale larger than 2 km, which includes the roll vortices, increases its significance upward. While most of the positive and negative fluxes are associated with the updrafts for the intermediate scale, the downdrafts are as important as updrafts for the larger scale.ST Systems Corporation, Lanham, MD, 20706, U.S.A. 相似文献
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The modification of a relatively cold air mass over the warm water of Lake Michigan is studied by using a two-dimensional nonlinear mesoscale model. Considerable amounts of heat and water vapor are supplied from the water surface to the lower atmosphere by turbulent eddies. A convective mixed layer develops and grows toward the downwind region with stratocumulus clouds over the lake.The model simulates the warming and moistening of the mixed layer, the development of a boundary layer, the divergence and convergence of wind near the coastlines, and the turbulent fluxes.The model warming of the mixed layer across the lake was about 2.2 °K and the moistening of the mixed layer was about 0.8 g kg–1, which are comparable to 2.7 °K and 0.8 g kg–1 observed by Lenschow (1973). The convective boundary layer, which includes the cloud layer, subcloud layer, and superadiabatic layer near the water surface, is well simulated. The tilt of the inversion which coincides with the cloud top is also well reproduced. When a prescribed cooling rate is applied at the cloud top, stronger turbulence and a deeper cloud layer are generated. Without the cooling, the cloud is shallow and the shape of the cloud base is determined by surface conditions. The rise of the inversion is due to upward vertical motion, and deepening of the convective layer in the downwind region. 相似文献