利用大涡模拟分析地表加热和动力作用对边界层结构的影响

摘要：

大气边界层结构影响地气间物质能量交换、污染物扩散及人类健康.边界层结构受地表加热和动力作用影响显著,但实际观测中难以分离每种因素的影响,造成边界层结构和大气湍流参数化的困难.为此,利用中尺度天气模式WRF中的大涡模块WRF-LES,设置控制试验(Test1),地表热通量试验(Test2)、低层风切变试验(Test3)、地表粗糙度试验(Test4)及同时改变上述变量的试验(Test5),研究地表加热、低层风切变和地表粗糙度对平坦下垫面条件下的边界层结构的影响.模拟结果表明:(1)地表加热增强5倍使边界层升温,对流增强,夹卷层厚度增加120.8％,全边界层湍流动能增加45.7％,热力和动力边界层高度分别增大28.3％和29.9％.强烈的垂直混合作用有利于动量向下传递,使风速在边界层低层增大、中上层减小.(2)低层风切变增大0.5倍,使得热力和动力边界层高度分别增大11.9％和降低6％,夹卷层厚度增大31.2％,全边界层湍流动能增大25.7％.(3)粗糙度增加4倍,对湍流动能的影响主要集中在低层,动力边界层高度变化较小,但摩擦损耗作用使动力边界层内风速减小;同时,增加了边界层顶附近的夹卷作用,使边界层内位温升高.综合来看,地表加热和风切变对湍流动能和边界层结构的影响较为显著,而粗糙度的影响较小且主要集中在边界层低层.模拟结果能在一定程度上反映理想条件下边界层结构的变化特点,对气象因素影响污染扩散过程等问题有指示性意义.

关键词：大涡模拟、大气边界层结构、地表热通量、风切变、粗糙度

所属期刊栏目：41

分类号：P421.31(气象基本要素、大气现象)

资助基金：国家自然科学基金;国家自然科学基金

在线出版日期：2023-01-05（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共10页

页码：1232-1241