本文關鍵詞：非均勻邊界層流場特征及城市影響海風環(huán)流的大渦模擬研究　出處：《南京大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：本文主要通過大渦模擬實驗,分別研究了小尺度地表非均勻加熱的影響、海風環(huán)流的發(fā)展特征和啟動機制、沿海城市對海風環(huán)流的影響等三個問題。主要研究內(nèi)容與結論如下：(1)利用DALES,本文研究了理想一維、二維地表非均勻加熱對有風切變對流邊界層湍流特征的影響。地表熱力非均勻的波長λ為4.8 km。在一維非均勻加熱情形下,當風向平行于條狀加熱區(qū)域時,邊界層的發(fā)展高度zi較高。同時,在邊界層中有卷狀次級環(huán)流生成,并且背景風場有利于這種環(huán)流的維持。相應的湍流方差廓線在垂直分布以及數(shù)值上都發(fā)生了顯著變化。例如,近地層的u方差是隨時間減小的,v方差分別在近地層和夾卷層底部出現(xiàn)了極大值,而w方差的最大值所在高度上升到了0.6～0.7zi。當風向垂直于條狀加熱區(qū)域時,仍然可以分辨出有組織環(huán)流的存在,但環(huán)流的結構十分松散且強度較弱。這種情形下的湍流方差廓線在垂直分布上與均勻加熱時的相同,但數(shù)值偏小。在二維非均勻加熱情形下,當風向垂直于馬賽克方塊的一組對邊時,spin-up階段后對流邊界層中的湍流混合就已經(jīng)十分充分,與均勻加熱時的湍流場十分相似。然而當風向平行于馬賽克方塊的對角線時,邊界層湍流場中出現(xiàn)了與一維情形下風向垂直于非均勻方向類型的湍流場相類似的結構特征,即有次級環(huán)流的生成。當風向介于兩者之間時,也可以激發(fā)出卷渦狀的次級環(huán)流,而且這種湍流結構同樣促進了邊界層的發(fā)展。再對二維非均勻加熱下風向沿對角線時引起的次級環(huán)流結構進行敏感性實驗,敏感因子為非均勻尺度和背景風速。實驗結果表明,次級環(huán)流的維持時間依賴于無量綱因子A/zi。而且,當λ大于對流邊界層中大渦的水平尺度(即λ/Zi大于某一臨界值)時,適當?shù)脑龃箫L速可以有效加強次級環(huán)流的發(fā)展。(2)本文應用WRF-LES模式,采用尺度分析法研究了在地表加熱日周期變化的條件下理想海風環(huán)流的發(fā)展特征。通過多組在不同地表熱通量和大氣穩(wěn)定度條件下的模擬實驗,結果發(fā)現(xiàn)地表熱通量越大,海風環(huán)流的體積與強度發(fā)展得越快；海風厚度Zsb與環(huán)流前方邊界層高度同步發(fā)展；大氣穩(wěn)定度顯著影響海陸環(huán)流的垂直高度,但對寬度的影響很��；海風風速Usb與海風鋒的前進速度成正比；環(huán)流最大垂直上升速度Wmax與海風風速Usb的變化趨勢是階段性相同的；在發(fā)展期,海風風速極大值Umax的變化特征可以用邊界層湍流垂直運動的特征速度w*來描述。此外,本文還證明Steyn (1998)提出的關于Zsb和l尺度因子是不適用的。本文檢驗了Steyn (1998)提出的關于Zsb和Usb的尺度關系定律。結果表明,對于海風環(huán)流發(fā)展的整個階段來說,尺度關系定律是不成立的；只有滿足條件ωt≈1才近似成立。結合環(huán)流各個物理量的尺度分析結果,本文對尺度關系定律作出修正,將關系定律中出現(xiàn)的ω全部替換成1/t。對于海風啟動的問題,本文根據(jù)實驗現(xiàn)象將環(huán)流最大向岸風速的位置發(fā)生移動的時刻定義為海風的啟動時刻,并發(fā)現(xiàn)海風啟動時伴隨有環(huán)流前緣近地層處的局地高溫低壓和氣流輻合現(xiàn)象,同時內(nèi)陸邊界層的高度也恰好趕超向岸氣流的厚度,即h≥Zsb�；谝陨犀F(xiàn)象,本文提出了海風的啟動概念模型。當hZsb時,環(huán)流前端的擾動處于向岸氣流的水平運動背景中,受到了抑制,因此不會影響向岸氣流中風速的空間分布,環(huán)流不發(fā)生移動。當h≥Zsb時,擾動發(fā)生在環(huán)流的上升支當中,擾動可以被不斷放大和加強,引發(fā)環(huán)流向岸氣流前端的風速不斷增大,最終導致了環(huán)流產(chǎn)生移動。海風啟動的同時又會引發(fā)環(huán)流前緣處出現(xiàn)氣流輻合,于是輻合上升運動造成了輻合區(qū)的局地低壓；同時低壓又會引來周圍更多的暖空氣,進一步加劇輻合上升過程,形成正反饋循環(huán)。此后,正反饋循環(huán)進一步加強海陸溫差和氣壓梯度,引導和促進了海風環(huán)流的發(fā)展。(3)在前一章實驗設置的基礎上加入理想城市下墊面,研究了城市對海風環(huán)流發(fā)展的影響。研究結果顯示理想化城市的出現(xiàn)顯著改變了海風環(huán)流各個物理量的變化趨勢。當城市直接與海洋相接時,粗糙的地表抑制了海風風速Usb的發(fā)展,同時卻促進了環(huán)流的垂直上升運動,但影響效果不顯著；另外還會延遲海風的啟動時間。城市地表的高值熱通量能夠加速海陸風環(huán)流的發(fā)展；城市內(nèi)陸邊界處的熱島環(huán)流通過與海風環(huán)流發(fā)生耦合作用,阻礙了海風鋒的前進,增強了環(huán)流的垂直上升運動；城市的粗糙地表同樣也會促進熱島環(huán)流的垂直上升運動,從而增強兩個環(huán)流的耦合作用。增大城市熱島強度會使海風提前啟動并進一步加快海風環(huán)流的發(fā)展,同時也增強了內(nèi)陸邊界處的熱島環(huán)流使得兩個環(huán)流發(fā)生耦合的強度更加劇烈。增加城市的寬度會推遲海風環(huán)流與熱島環(huán)流發(fā)生耦合的時間,由于兩個環(huán)流都已經(jīng)過了較長時間的獨立發(fā)展,因此耦合的強度也更加劇烈。在離岸城市中,城市上下游邊界上都有熱島環(huán)流出現(xiàn)。在海風環(huán)流進入城市的過程中,海風環(huán)流與城市近海岸熱島環(huán)流保持各自相對獨立的發(fā)展；當近海岸熱島環(huán)流的低層水平氣流逐漸與海風強度相當時,兩個環(huán)流合并成一個新的海風環(huán)流。合并的海風環(huán)流由于前段在城市而后段在非城市區(qū)域影響下,因此出現(xiàn)了形狀和強度上的不對稱——海風前段較厚、風速較大；當海風環(huán)流與內(nèi)陸邊界處熱島環(huán)流相遇時,風速較大的海風頭部會加強近地層的輻合作用,從而引發(fā)更強烈的耦合上升運動。
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【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：P732

【參考文獻】

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1 陸希;壽紹文;;珠三角地區(qū)海陸風的數(shù)值模擬及城市化對其影響研究[J];安徽農(nóng)業(yè)科學;2009年01期

2 李明華;范紹佳;王寶民;吳兌;祝薇;劉吉;;秋季珠江口地區(qū)海風對城市群空氣污染的影響[J];中山大學學報(自然科學版);2008年04期

3 周明煜,曲紹厚,李玉英,宋錫銘;北京地區(qū)熱島和熱島環(huán)流特征[J];環(huán)境科學;1980年05期

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