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《南京信息工程大学》 2019年
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临界理查森数对边界层标量输送模拟的敏感性研究

孙永  
【摘要】:临界理查森数(Ricr)在YSU边界层参数化方案中为一重要参数,被用来诊断边界层高度(PBLH),随着大气稳定度的变化,临界理查森数也会随之变化。本文利用WRF-Chem模式探讨不同临界理查森数对边界层高度诊断以及对地面气象场影响,并基于YSU边界层参数化方案湍流扩散方程,输出局地通量项、非局地通量项和夹卷通量项,分析临界理查森数对各通量项影响以及各通量项对总通量的贡献,同时探讨临界理查森数对污染物扩散的影响。结果表明:(1)WRF-Chem模式能够较好地模拟出2m温度、2m湿度以及污染物的时空变化,对气象场的模拟与观测较为吻合,相关系数在0.9以上,对污染物浓度模拟的相关系数为0.7左右。同时模式模拟的边界层温、湿及风速廓线与探空观测趋势一致,能够模拟边界层内各要素变化特征。(2)YSU边界层参数化方案中临界理查森数变化会对边界层高度诊断产生影响,总体上看,模式诊断的边界层高度随着临界理查森数的增加而增加。临界理查森数对边界层高度诊断的影响在时间和空间上分布不均匀,在时间上临界理查森数对边界层高度诊断的影响主要体现在下午15-16时,最大差异可达500m;临界理查森数对边界层高度在空间上的影响受到云量模拟的干扰,这是造成空间上分布不均匀的主要原因。(3)临界理查森数对地气交换的影响体现为对地面热通量的影响,这种影响可以分为直接影响和间接影响。其中间接影响为主要影响方式,表现为不同临界理查森数对云量模拟存在差异,从而导致地面接收到的太阳辐射不同,进而影响地表通量的计算,对地气交换产生影响。与此同时,临界理查森数对地面热通量的影响还会影响边界层高度的诊断,这是造成临界理查森数对边界层高度诊断影响在空间上分布不均匀的主要原因。临界理查森数对地气交换的直接影响较小,不同算例无明显差别。(4)YSU边界层参数化方案湍流扩散方程可拆分为三个部分,局地项、非局地项和夹卷项,临界理查森数主要通过夹卷通量项来影响边界层内标量的扩散,小的临界理查森数对应大的夹卷通量,边界层顶与自由大气交换作用加强,自由大气干而暖的空气向下夹卷使得边界层上部变得更暖更干,导致模拟出的边界层整体的稳定度就越高。(5)临界理查森数对边界层内污染物模拟的影响分为直接影响和间接影响,其对污染物的直接影响与水汽类似,都是由于临界理查森数改变影响了边界层顶夹卷通量的计算,进而对边界层上部污染物浓度产生影响。临界理查森数对污染物浓度的间接影响则是通过影响边界层整体的稳定度来实现,临界理查森数越小,模拟出的边界层越稳定,对污染物扩散的抑制作用就越强,污染物在边界层中下部堆积,导致边界层中下部污染物浓度偏高。
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