【摘要】：大氣邊界層內(nèi)各物理量的湍流垂直輸送是實(shí)現(xiàn)地表與大氣之間物質(zhì)和能量交換的關(guān)鍵因素,在陸氣過程中起著重要作用,而邊界層結(jié)構(gòu)決定著湍流輸送的強(qiáng)弱,深入研究邊界層結(jié)構(gòu)對(duì)認(rèn)識(shí)陸氣間物質(zhì)、能量輸送交換機(jī)制和提高數(shù)值模式模擬能力具有重要意義。針對(duì)目前黃土高原地區(qū)通量觀測(cè)站較少、資料時(shí)空分辨率較低的限制,本文將中尺度氣象模式The Weather Research and Forecasting Model(WRF)與大渦模式WRF Large-Eddy Simulation(WRF-LES)嵌套起來進(jìn)行數(shù)值模擬研究。在模式得到驗(yàn)證的基礎(chǔ)上模擬分析了黃土高原夏季溫濕廓線,進(jìn)而考查由熱力驅(qū)動(dòng)的對(duì)流邊界層特征。利用WRF-LES,結(jié)合中國(guó)氣象局高空氣象數(shù)據(jù),進(jìn)行了高時(shí)空分辨率的大氣邊界層模擬試驗(yàn)。在兩組模擬試驗(yàn)中,通過控制輸入有/無沙塵情形下的溫度廓線、水汽混合比廓線和風(fēng)分量廓線,分析沙塵天氣對(duì)黃土高原地區(qū)大氣邊界層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。主要結(jié)果如下:(1)榆中站探空資料顯示,2018-04-02_20:00無沙塵的晴天背景下,近地100 m高度內(nèi)位溫隨高度由312.0 K上升至316.0 K;水汽混合比從地面至100 m高度由2.6 g/kg迅速降低至1.9 g/kg,100 m以上呈現(xiàn)波動(dòng)降低趨勢(shì),從1.9 g/kg逐漸降低至1.0 g/kg。2018-04-04_20:00有沙塵時(shí),位溫在2000 m以下基本保持為297.0 K,之后隨高度逐漸增加到312.0 K;近地層內(nèi)水汽混合比隨高度增加下降較快,由3.0 g/kg降至2.6 g/kg;100 m至2500 m高度內(nèi),水汽混合比基本不隨高度變化,維持在2.7 g/kg。沙塵天氣時(shí)的位溫總體較晴天低15.0 K左右,兩者的差異隨高度增加逐漸減小。(2)利用WRF-LES模擬得到無沙塵時(shí)不同高度位溫和水平風(fēng)場(chǎng)的空間分布情況,位溫的分布范圍是312.9~314.4 K,位溫的水平分布特征在低層各高度層基本一致且位溫水平梯度較大,說明離地100 m高度內(nèi)邊界層混合作用不強(qiáng)。相比之下高層混合作用強(qiáng)、位溫水平分布更均勻。有沙塵時(shí),位溫的分布范圍為299.0~300.8 K,較無沙塵時(shí)低13.9 K。低層位溫場(chǎng)以模擬區(qū)域東北角為低值中心,呈不規(guī)則環(huán)狀交錯(cuò)結(jié)構(gòu)。與無沙塵情形相比,有沙塵時(shí)位溫和風(fēng)場(chǎng)的水平分布情況隨高度變化更快。(3)由WRF-LES模擬的南北方向位溫垂直分布剖面得出,無沙塵時(shí)模擬區(qū)域南部的位溫垂直剖面分布范圍是312.9~314.0 K,近地面位溫最高且分布最不均勻,表現(xiàn)為沿東西方向冷暖氣團(tuán)交替分布,位溫水平梯度較大。模擬區(qū)域中部的位溫垂直剖面分布范圍是313.1~314.0 K,高位溫氣團(tuán)從地面延伸發(fā)展至1500 m高度。有沙塵時(shí)模擬區(qū)域南部、中部和北部的位溫垂直剖面分布范圍均為298.9~300.3 K,地面強(qiáng)位溫中心向上發(fā)展至距地1200 m左右。沙塵天氣時(shí)不同位置垂直剖面的空間分布形勢(shì)更類似,說明有沙塵時(shí)模擬區(qū)域不同位置的垂直發(fā)展強(qiáng)度更加均勻。(4)WRF-LES模擬的無沙塵情形下,水汽混合比在離地10 m高度的水平分布范圍是2.0~2.8 g/kg,呈現(xiàn)不規(guī)則網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在離地100 m高度,水汽混合比的分布范圍是1.8~2.4 g/kg,網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不再明顯,模擬區(qū)域內(nèi)主要是均勻分布的水汽混合比為1.8 g/kg的低濕區(qū)域。在離地1000 m高度,水汽混合比的分布范圍是1.9~2.1 g/kg,水汽混合比的水平分布較低層更加均勻,湍渦尺度有所減小。有沙塵時(shí),各高度層水汽混合比數(shù)值均顯著高于無沙塵情形。在離地10 m高度,水汽混合比的分布范圍是3.0~3.3 g/kg,較無沙塵時(shí)高1.0 g/kg左右。在離地100~2000 m高度,水汽混合比的分布范圍是3.0~3.1 g/kg,水汽混合比的水平梯度較地面有所減小,水平分布逐漸均勻。(5)2007-08-13_10:00研究區(qū)域的邊界層高度為1052~1122 m,邊界層最大高度出現(xiàn)在正午14:00,是2700 m;凌晨03:00~06:00邊界層高度小于100 m。當(dāng)?shù)卮怪狈较虻耐牧鲝?qiáng)度從地表至1000 m隨高度增加而增大,在1000 m附近達(dá)到最大值0.07,1000 m以上隨高度增加而減小。結(jié)合邊界層高度的模擬結(jié)果,1000 m正是SACOL上午10:00混合層頂所在高度,區(qū)域平均位溫廓線也在1000m高度處存在明顯的梯度不連續(xù),說明在混合層頂?shù)拇怪蓖牧鲝?qiáng)度最大,湍流垂直混合最劇烈。水平方向湍流強(qiáng)度在近地層內(nèi)隨高度增加略有減小,再向上湍流強(qiáng)度先接近常數(shù)(0.46)然后減小,并在2000 m處再次增大。從區(qū)域平均的位溫廓線可知,2000 m高度以上存在一較厚的逆溫層。(6)WRF-LES模擬的地面溫度為301.7~302.3 K,混合層頂所在的1000 m高度處溫度較地面降低7.7 K,為294.0~294.6 K。WRF-LES模擬的地面溫度場(chǎng)呈現(xiàn)不規(guī)則網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),高溫、低溫區(qū)互相交錯(cuò)且無序,顯示了對(duì)流邊界層的典型大渦結(jié)構(gòu)。以實(shí)際粗糙度0.062 m替換模式默認(rèn)粗糙度0.100 m后,大渦模式模擬的地面溫度整體較之前低0.4 K,與模擬區(qū)域中心SACOL的觀測(cè)數(shù)據(jù)更接近,說明采用合理的粗糙度對(duì)提高WRF-LES模擬效果有重要作用。
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：P421.3
【圖文】：

蘭州大學(xué)碩士學(xué)位論文 利用大渦模式模擬黃土高原大氣邊界層特征第二章 數(shù)據(jù)與方法2.1 蘭州大學(xué)半干旱氣候與環(huán)境觀測(cè)站數(shù)據(jù)蘭州大學(xué)半干旱氣候與環(huán)境觀測(cè)站（Semi-Arid Climate and EnvironmentObservatory Location，SACOL）于 2005 年在蘭州大學(xué)榆中校區(qū)萃英山頂（35.57 °N104.08 °E）建成，與蘭州市相距約 48 km，海拔 1965.8 m。觀測(cè)場(chǎng)附近是典型黃土高原下墊面，被原生稀疏矮草覆蓋，夏季植被高度約 20 cm（Yue 等，2012），夏季和秋季地表覆蓋率約為百分之八十（張文煜 等，2009）。SACOL 位于海拔較高的山頂，不受附近建筑物和人類活動(dòng)的影響，可以代表附近幾百千米范圍內(nèi)半干旱地區(qū)的氣候狀況（Huang 等，2008）。

最終輸入大渦模式作為初始場(chǎng)的位溫廓線、水汽混合比廓線如圖3-1（a）和圖 3-1（b）所示。在無沙塵的晴天背景下，近地 100 m 內(nèi)位溫隨高度由 312.0 K 上升到 316.0 K，并在 200~3000 m 隨高度逐漸降低至 310.0 K；3000 m處位溫短暫突增又繼續(xù)降低至 308.0 K。有沙塵的情形下，位溫在 2000 m 以下基本保持在 297.0 K，之后隨高度逐漸增加到 312.0 K。沙塵天氣時(shí)的位溫總體較無沙塵時(shí)低 15.0 K 左右，兩者的差異隨高度增加逐漸減�。▓D 3-1（a））。無沙塵時(shí)，水汽混合比隨著近地層高度的增加而迅速下降，并在 100 m 高度內(nèi)迅速?gòu)?.6 g/kg 降低至 1.9 g/kg；之后隨高度增加，水汽混合比呈現(xiàn)波動(dòng)降低趨勢(shì)，由1.9 g/kg 逐漸降低至 1.0 g/kg。有沙塵時(shí)

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4 彭s

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