收藏本站
《兰州大学》 2008年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

不同下垫面上行星边界层对流的数值模拟研究

黄倩  
【摘要】: 边界层对流在热量、水汽、动量以及气溶胶的传输中起着重要作用。不同的下垫面不仅影响空气中的物理特性,而且还能影响边界层对流的形式及其发展高度。边界层对流卷是平坦地形上较常见的边界层对流。当控制深对流触发的中尺度辐合较弱时,边界层对流可以触发深对流的发生。地形的变化能改变边界层的气流,如在起伏不平的山地,对流的分布往往是由迎风坡的坡度和宽决定的。而在极端干旱的沙漠地区,较强的地表感热通量引起的深厚边界层干对流使沙漠地区夏季的边界层厚度可以达到5km以上的高度。深厚的边界层对流对沙尘的传输也有重要影响。本文利用一大涡模式(LEM)模拟研究了平坦地形上边界层对流卷形成和消散的地表热通量和风切变的条件,比较了对流卷和非对流卷在深对流的触发中的不同。还选取了一实际的半干旱复杂山区用复杂地形上的边界层模式(BLASIUS),在不同的天气条件下模拟研究了半干旱山区上空的垂直速度场分布和对流特征以及地形对热力对流活动的影响。最后在极端干旱的沙漠地区,用LEM模式模拟了撒哈拉沙漠地区特有的边界层结构,并探讨了非均匀的地表热通量对撒哈拉对流边界层和撒哈拉残留层、以及对流边界层到残留层之间传输的影响。 边界层中有不同形式的对流活动。而水平对流卷是边界层中普遍存在的对流形式之一。它在深对流的触发中起着重要作用。对流卷不仅可以与中尺度辐合带相互作用为深对流的发展提供有利地点,而且它本身也可以触发深对流。本文利用英国气象局的三维大涡模式(LEM)模拟研究了Small Cumulus Microlohysical Study(SCMS)外场试验期间8月15日观测的水平对流卷。模拟的边界层变量与实测的探空廓线和飞机观测结果相比,尽管模拟的虚位温和水汽混合分别比观测的大0.5K和减小0.2gkg~(-1),但是模拟和观测的垂直速度场具有相似的变化范围(-2或-3 ms~(-1)到2.5ms~(-1)),而且模式能较合理地模拟出实测的边界层对流卷。利用此模式我们还考察了对流卷的形成对地表热通量和地转风切变值的大小依赖关系。模拟的个例结果显示对流卷维持所需要的地表热通量的上限是110Wm~(-2)(由于模式运行所需的自旋(spin-up)时间的限制,我们无法判断对流卷维持所需的地表热通量值的下限)。当边界层风切变大于5×10~(-3) s~(-1)时,有对流卷形成。模拟结果还表明,当5≤-Zi/L≤45时,对流卷开始消散。这个临界值的大小与包含风切变、对流边界层高度和对流速度尺度的无量纲量(如(?))有关。我们还对垂直速度场和余弦函数进行了二维相关分析,从而定量地评估了边界层对流卷的线性(用0.25作为对流卷形成的临界值)。 为了探讨边界层对流卷在深对流触发中的重要性,我们比较了边界层对流卷和非对流卷的个例(对流卷和非对流卷的实验中,除了风和风切变不同,其它模拟条件都相同)。结果表明,在对流卷和非对流卷的个例中,是初始气块的变化对对流抑制能量(CIN)的大小有主要贡献,而初始气块抬升逆温层顶的过程对CIN的变化影响较小。另外,非对流卷具有较强的湿上升气流,而在对流卷中上升和下沉运动的分布较对称,而且它的下沉气流比非对流卷的强。因此非对流卷具有更小的CIN值,这使非对流卷的云顶高度较对流卷的早15分钟开始增加。而对流卷的个例中云层的加深较非对流卷的迅速,从而使两者的云顶高度约在同一时间达到最大(2.7km)。 本文还利用高分辨率的数值模式(BLASIUS),从西北地区选取了一实际的复杂山区进行了一系列的理想数值模拟。分析了在不同天气条件下(不同的大尺度地转风和大气静力稳定度下)山区上空的垂直速度场分布和对流特征以及地形对热力对流活动的影响。模式结果表明,当地转风速较小(如风速为5ms~(-1)和10ms~(-1)的情况)(Froude数小于0.5的情况)的条件下,气流往往被山峰阻塞而在迎风坡造成地形强迫和辐合性抬升,从而易在迎风坡触发深对流活动;在背风坡则由于迎风坡的绕流重新辐合而造成垂直运动。绕流的辐合是触发深对流活动的另一重要因子。当地转风速较大时(20ms~(-1)),气流很容易越过山脊,地形重力波容易在山地下游被激发。 另外还分析了复杂地形上空热力对流的特征。结果显示,模式积分3h后,有对流卷在山脊的周边产生;模式积分6h后,一些强度较弱的对流卷开始消失或者与其它的对流卷合并,而且对流卷的波长也有所增加。另外,在大气静力稳定度较小时,对流卷的强度也较强。因此对流活动在稳定度较小时可以延伸到更高的高度。如果对流上升运动正好与重力波相拌的上升运动区相合,在此区域内的垂直上升运动将得到加强。相反地,如果对流上升运动正好与重力波相伴的下沉运动区相重合,在此区域内的对流上升运动将受到抑制。重力波除了与对流活动相耦合,使气团上升到较高的高度外,如果重力波的走向与对流卷的走向夹角不大时,重力波对对流卷走向的影响较显著。因此我们认为重力波的走向很可能会影响到深对流系统的传播路经。 实测结果表明撒哈拉对流边界层(CBL)增温2K与撒哈拉地表反照率分布不均匀(如尺度约为20km的岩石区地表反照率是0.2,而周围沙漠的地表反照率为0.45)密切相关。进而猜测地表反照率分布不均匀也可能影响撒哈拉残留层(SRL)的垂直混合。由于缺少SRL的观测资料,这一猜测只能由数值模拟结果来证实。因此我们GERB Intercomparison of Longwave and Shortwave Radiation(GERBILS)外场试验期间两个观测个例为基础,利用大涡模式进行了大量的敏感性数值模拟实验,研究了非均匀的地表热通量对撒哈拉对流边界层、撒哈拉气层及CBL到SRL的传输的影响。 模拟结果表明,地表较热的区域里(在模式的底层取一小块,使它表面的热通量高于周围区域表面的热通量)CBL中产生的上升和辐合运动,加强了CBL到SRL的传输;而热区周围的下沉运动又抑制了CBL的增长。在环境风速较小,非均匀的地表热通量加强的条件下,如果保持模拟区域的地表热通量保持不变,即增加热区地表热通量但减少热区周围的地表热通量时,导致对流边界层变冷、厚度减小;如果是热区周围区域的地表热通量保持不变,则对流边界层变暖,且厚度减小。 为了进一步研究地表热通量的非均匀性对CBL和SRL之间物质传输的影响,我们在模式的底层(200m高度以下)加入了被动示踪物(值为100)。通过分析不同的(?)或(?)(这里M和D分别是地表热通量和热区水平尺度的增大倍数,U是1000m高度上的初始风速)。对应的示踪物浓度的垂直廓线表明,(?)或MD增大时(风速较小,非均匀的地表热通量强度较大时)不仅使对流边界层(CBL)的厚度减小,而且可以加强示踪物从对流边界层(CBL)到撒哈拉残留层(SRL)的传输。模拟结果还显示,当环境风速增加时,由于热区引起的辐合运动加强了它西侧的风速,从而导致示踪物在热区西侧的抬升有所加强。而且当环境风速较低时(小于15ms~(-1)),由于非均匀的地表热通量可以引起局地风速的增大,从而增加了总体示踪物抬升的趋势。
【学位授予单位】:兰州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:P404

手机知网App
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 巢纪平;非均匀层结大气中的重力惯性波及其在暴雨预报中的初步应用[J];大气科学;1980年03期
2 赵思雄,周晓平,张可苏,刘苏红;中尺度低压系统形成和维持的数值实验[J];大气科学;1982年02期
3 龚佃利,吴增茂,傅刚;一次华北强对流风暴的中尺度特征分析[J];大气科学;2005年03期
4 江吉喜,范梅珠;夏季青藏高原上的对流云和中尺度对流系统[J];大气科学;2002年02期
5 吴池胜;地形对重力惯性波发展的影响[J];大气科学;1994年01期
6 姜彤,施雅风;全球变暖、长江水灾与可能损失[J];地球科学进展;2003年02期
7 刘德祥,白虎志,董安祥;中国西北地区冰雹的气候特征及异常研究[J];高原气象;2004年06期
8 康凤琴,张强,渠永兴,冀兰芝,郭学良;青藏高原东北侧冰雹微物理过程模拟研究[J];高原气象;2004年06期
9 康凤琴,张强,马胜萍,乔艳君,郭学良;青藏高原东北边缘冰雹形成机理[J];高原气象;2004年06期
10 张强,卫国安,侯平;初夏敦煌荒漠戈壁大气边界结构特征的一次观测研究[J];高原气象;2004年05期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 刘舸;张庆云;孙淑清;;2005年夏季中国登陆台风的环流特征[J];大气科学;2007年05期
2 刘式适,刘式达;大气中的波作用量及其守恒性[J];北京大学学报(自然科学版);1985年02期
3 吴庆丽,郑永光,李亚萍,高慧琳,李万彪;1998年7月20~25日湖北暴雨中尺度对流系统的分析研究[J];北京大学学报(自然科学版);2003年01期
4 蔡旭晖,陈家宜;从不稳定到近中性大气边界层的大涡模拟[J];北京大学学报(自然科学版);2003年04期
5 黄艳芳,郑永光;1998年二度梅雨锋的演变及结构特征[J];北京大学学报(自然科学版);2004年05期
6 刘引鸽;张掌权;惠崇江;;宝鸡渭北冰雹成因及其对策[J];宝鸡文理学院学报(自然科学版);2006年03期
7 罗德海;Lagrange变分和大气中惯性重力内波的稳定性[J];成都信息工程学院学报;1989年04期
8 刘勇,王川,张科翔;西安市一次短时强风暴天气过程分析[J];成都信息工程学院学报;2003年01期
9 秦年秀,姜彤,许崇育;长江流域径流趋势变化及突变分析[J];长江流域资源与环境;2005年05期
10 原峰,姜彤;荆江分洪区土地利用时空动态变化研究[J];长江流域资源与环境;2005年05期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 刘锡兰;;一次副高边缘飑线天气的临近预报[A];中国气象学会2007年年会天气预报预警和影响评估技术分会场论文集[C];2007年
2 苗秋菊;徐祥德;柏晶瑜;施小英;;中国西南地区异常多雨中心水汽输送结构特征[A];新世纪气象科技创新与大气科学发展——中国气象学会2003年年会“气候系统与气候变化”分会论文集[C];2003年
3 王远超;;强热带风暴“黑格比”引发的致洪特大暴雨诊断分析[A];新世纪气象科技创新与大气科学发展——中国气象学会2003年年会“热带气旋和季风”分会论文集[C];2003年
4 谌芸;李泽椿;;青藏高原东北部区域性大到暴雨的诊断分析及数值模拟[A];推进气象科技创新加快气象事业发展——中国气象学会2004年年会论文集(上册)[C];2004年
5 叶成志;刘志雄;黄小玉;周雨华;;“03.7”湘西北特大致洪暴雨的触发机制数值研究[A];中国气象学会2005年年会论文集[C];2005年
6 熊秋芬;胡江林;张耀存;;梅雨锋降水带中不同地域暴雨的对比分析[A];中国气象学会2005年年会论文集[C];2005年
7 张光智;徐祥德;杨元琴;王继志;卞林根;;北京大雾过程的热力和动力结构特征[A];中国气象学会2005年年会论文集[C];2005年
8 郑祚芳;范水勇;;北京“7.10”城区灾害性强降水分析[A];中国气象学会2005年年会论文集[C];2005年
9 陈忠明;何光碧;高文良;闵文彬;;“2004.9.2-6”持续性强暴雨过程的诊断分析[A];中国气象学会2005年年会论文集[C];2005年
10 余贞寿;冀春晓;王忠东;楼丽银;吴孟春;;自动站资料对台风“云娜”的数值模拟的改进[A];中国气象学会2005年年会论文集[C];2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王慧;青藏高原正涡度源的形成及其对中国东部梅雨的影响[D];南京信息工程大学;2005年
2 周率;西昌卫星发射场区中尺度强对流天气研究[D];南京信息工程大学;2005年
3 濮梅娟;暴雨天气动力过程及强降水增幅机理的研究[D];南京信息工程大学;2005年
4 马艳;台风海面风场的动力分析、四维同化及数值试验[D];中国科学院海洋研究所;2000年
5 王汉青;高大空间多射流湍流场的大涡数值模拟研究[D];湖南大学;2003年
6 刘成国;蒸发波导环境特性和传播特性及其应用研究[D];西安电子科技大学;2003年
7 邵海燕;大气中非线性亚临界不稳定的研究[D];南京气象学院;2004年
8 覃丹宇;梅雨暴雨云团的卫星观测及其形成和发展机理研究[D];南京气象学院;2004年
9 谌芸;青藏高原东北部地区大到暴雨天气过程的研究[D];南京气象学院;2004年
10 毕宝贵;中尺度地形对陕南暴雨的影响研究[D];南京气象学院;2004年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 付翔;长江中下游地区降水再循环研究[D];中国气象科学研究院;2005年
2 李文娟;山东省冰雹云宏微观特征观测及数值模拟研究[D];中国气象科学研究院;2005年
3 李剑东;青藏高原那曲地区风廓线结构的观测研究[D];中国气象科学研究院;2005年
4 侯青;大气运动矢量资料所揭示的对流层上部环流形势和我国夏季主要雨带之间的关系[D];中国气象科学研究院;2005年
5 王莉萍;一次冷涡暴雨的诊断分析和数值模拟研究[D];南京信息工程大学;2004年
6 陈基纯;大珠江三角洲与长江三角洲可持续发展测评比较研究[D];华南师范大学;2005年
7 杨静;“99.6”梅雨锋降水云物理过程研究[D];中国气象科学研究院;2001年
8 柳俊杰;梅雨锋中的低涡结构及发展机制分析[D];南京气象学院;2003年
9 付丹红;产生灾害性大风的强风暴的形成机理与数值模拟研究[D];南京气象学院;2003年
10 罗建英;梅雨锋急流暴雨日变化的地理原因研究及地形对低空急流日变化影响的数值模拟[D];南京气象学院;2003年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李峰;东亚季风和中国梅雨暴雨研究的评述[J];成都气象学院学报;2000年01期
2 李麦村;重力波对特大暴雨的触发作用[J];大气科学;1978年03期
3 陶诗言,丁一汇,周晓平;暴雨和强对流天气的研究[J];大气科学;1979年03期
4 巢纪平;非均匀层结大气中的重力惯性波及其在暴雨预报中的初步应用[J];大气科学;1980年03期
5 杨颂禧,刘棠福,龚乃虎,徐家骝;一次雹暴回波和雹块微结构分析[J];大气科学;1981年02期
6 吕克利;地形对低空地转气流上重力惯性波稳定性的影响[J];大气科学;1986年02期
7 刘式适,刘式达;地球流体惯性重力内波的波作用量与稳定性[J];大气科学;1987年01期
8 孙淑清;梅雨锋中大振幅重力波的活动及其与环境场的关系[J];大气科学;1990年02期
9 吴池胜;层结大气中重力惯性波的发展[J];大气科学;1990年03期
10 吴池胜;地形对重力惯性波发展的影响[J];大气科学;1994年01期
【相似文献】
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 黄倩;不同下垫面上行星边界层对流的数值模拟研究[D];兰州大学;2008年
中国知网广告投放
相关机构
>兰州大学
相关作者
>黄倩
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026