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《兰州大学》 2011年
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下垫面非均一性影响边界层垂直速度场的数值模拟研究

王婵  
【摘要】:本文利用高分辨率的边界层模式(BLASIUS)系统地模拟研究了具有不同植被覆盖的下垫面非均一性对边界层热力对流活动的影响,同时探讨了下垫面非均一性在深对流触发和调整中所起的作用和影响。此外论文还模拟研究了地形对边界层垂直速度场的影响,分析了地形重力波在边界层内的演变特征。论文研究内容和取得的结论主要如下: 论文首先选取裸露土地和灌木植被两种不同的下垫面类型,通过理想数值模拟实验,模拟分析了在不同的背景风场下,在具有不同植被分布类型和分布形状(三条型和西洋棋盘型)的平坦下垫面上的热力对流活动的总体特征和差异。研究表明,当地转风为10 m s-1时,下垫面非均一性对边界层的影响仍然存在,这不同于以往的研究所指出的当风速大于5ms-1时,下垫面的非均一性对边界层热力对流活动的影响不再显著。当背景风风向垂直于具有不同下垫面植被类型的条状地表时,背景风速越大,地表非均一性引起的局地环流越不明显。这种由下垫面的非均一性引起的中尺度环流所伴随的垂直速度的大小约为0.5 cm s-1的量级,其空间分布与地表非均一性分布形式具有很高的相关性;当背景风风向与条状非均匀地表的走向平行时,热力对流活动的水平差异尤为显著,同时在植被和裸露地表的分界面附近对流活动出现明显的扰动。在微风条件下,地表非均一性对位温和水平风场的影响可达到对流边界层顶,最高可达到3.3 Zi以上。以上研究表明,下垫面的非均一性对边界层对流活动的影响高度范围取决于风速、风向以及下垫面非均一性的空间分布特征。 当背景风风向垂直于具有不同下垫面类型的条状地表时,在裸露土表和灌木覆盖地表的交界面附近是深对流活动容易发生的区域。对于这种条状分布的非均一下垫面,由于背景风和下垫面非均一性引起的二级环流的相互作用,在裸露地表和植被覆盖地表下风向交界面附近容易触发深对流。通过对具有不同下垫面植被类型的条状地表上空的对流有效位能(Convective Available Potential Energy, CAPE)和水汽场的进一步分析,研究了下垫面非均一性对对流触发和调整所起的作用,结果显示,随着热力对流的发展,CAPE的值不断变化,在微风条件下,当背景风风向垂直于具有不同下垫面植被类型的条状地表时,CAPE和抬升凝结高度(Lifting Condensation Level, LCL)在下风向的两种条状地表交界面附近出现最大值。此区域较高的CAPE为该区域发生深对流活动提供了必要的能量。在强风条件下,裸露地表和灌木覆盖地表上空的CAPE, LCL及比湿的差异很大的依赖于背景风风向与条状非均一地表的走向。当背景风风向与条状地表的走向垂直时,由于较强的平流作用,裸露地表和灌木覆盖地表上空的CAPE, LCL及比湿的差异随风速的增大变得越来越不显著。 本文还利用BLASIUS模式进一步模拟了地形对边界层垂直速度场的影响,分析了在不同的背景风场下,具有不同植被分布类型的地形对重力波的影响,及重力波在边界层内的演变特征,模拟结果表明,在夜间稳定层结下,山体上空的流场形式与背景风风速和山体的尺度以及大气静力稳定度有着密切的关系。 当背景风速较大时,气流越过山体,在背风坡形成强的下沉区,与此同时,在山体上空激发地形重力波,并不断向上传播,波在向上传输的过程中不断消散。当迎风坡风速大于等于6 m s-1时,地形重力波能够传输到较高高度层。在山体尺度和大气静力稳定度不变时,风速越大,地形重力波振幅越大,波长越长。在风速较小条件下,气流不易越过山体,相应的地形重力波信号也不明显。夜间气流的强迫抬升形成的地形重力波随着夜间风速和稳定度的增加,其振幅加大,直到地表热力活动开始发展,重力波开始减弱,减弱的重力波可以和初期刚形成的对流边界层内的热力对流活动相互作用,在波峰处向上的垂直运动趋于增强,波谷处向上的垂直运动趋于减弱。重力波的这种影响可延伸到山的下游地区。在热力活动较强时,近地面的稳定层结被破坏,地形重力波在低空已经完全消失。
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