單柱模式是目前氣候模式中物理過(guò)程參數(shù)化方案研究的重要手段之一,能更好地揭示其物理過(guò)程的特征和本質(zhì)。論文將單柱模式應(yīng)用于海洋行星邊界層的研究中,針對(duì)單柱模式計(jì)算中存在的問(wèn)題,提出了將有限元方法、Doolittle算法用于求解模式方程組和框架方案,通過(guò)編寫(xiě)的模式對(duì)南中國(guó)海的行星邊界層進(jìn)行了數(shù)值試驗(yàn),使用ERA-Interim再分析資料對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,初步探討了海洋行星邊界層的變化特征。研究結(jié)果表明:單柱模式框架和計(jì)算方案采用有限元方法、Doolittle算法之后,與原框架和計(jì)算方案相比提高了約51倍,較好地解決了計(jì)算速度問(wèn)題,為三階及高階閉合方案計(jì)算在模式中的大范圍應(yīng)用提供了參考。論文提出的新的框架計(jì)算方案,模擬的溫度、比濕、風(fēng)速的結(jié)果與ERA-Interim數(shù)據(jù)相比有較好的一致性,并更好地反映了邊界層的層結(jié)結(jié)構(gòu)特征。模擬的長(zhǎng)波凈輻射通量無(wú)云時(shí),隨高度增加而增大,日變化在低層受低空大氣影響,在下午出現(xiàn)一個(gè)極值區(qū),14:00左右達(dá)到最低值;受云影響,長(zhǎng)波凈輻射通量變化與無(wú)云時(shí)相比出現(xiàn)了顯著的差異。模擬的短波凈輻射通量存在明顯的日變化,無(wú)云時(shí),日變化受低空大氣影響,在下午出現(xiàn)一個(gè)極值區(qū),14:00左右達(dá)到最大值;有云時(shí),短波凈輻射通量變化與無(wú)云時(shí)相比同樣存在著顯著的差異。模擬的比濕值受蒸發(fā)影響,在晴空狀態(tài)下,隨時(shí)間抬升;云發(fā)展初期其值變率較大,變化隨高度存在延遲現(xiàn)象。模擬的液態(tài)水在日出后逐漸增大,云生成之后變化不大。從分析結(jié)果來(lái)看,新的框架計(jì)算方案能夠較好地模擬行星邊界層特征。
【學(xué)位單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類(lèi)】：P456.7;P421.3
【部分圖文】：

蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 適用于行星邊界層單柱模式的研發(fā)和數(shù)值試驗(yàn)的初步研究第三章 單柱模式框架和計(jì)算方案單柱模式是垂直氣柱的一維模式，由三維氣候模式中垂直部分的物理過(guò)程模塊組成。該模式中僅研究這些物理過(guò)程參數(shù)化模塊的特性，而不考慮氣候模式其它部分反饋的影響，由于排除了發(fā)生在大尺度模式中復(fù)雜的非線性影響，更能夠揭示物理過(guò)程參數(shù)化的特征和本質(zhì)，目前單柱模式已經(jīng)成為氣候模式物理過(guò)程參數(shù)化研究的重要手段之一，但在發(fā)展過(guò)程中仍然存在一些問(wèn)題。針對(duì)單柱模式中的湍流閉合與計(jì)算量等問(wèn)題，本章內(nèi)容結(jié)合現(xiàn)代軟件開(kāi)發(fā)思路建立了單柱模式框架，并提出利用有限元方法、大型稀疏矩陣、Dolittle 算法的計(jì)算方案，以提高模式數(shù)值分析過(guò)程的計(jì)算速度，具體流程圖如圖 3.1 所示，主要包括四個(gè)部分：預(yù)處理部分、單柱模式系統(tǒng)、數(shù)值分析過(guò)程以及后處理部分。

如圖 3.2 所示。圖 3.2 單柱模式系統(tǒng)的主要組成及示意圖3.2.1 初始場(chǎng)初始場(chǎng)，主要由分析/再分析資料提供天氣背景、云覆蓋狀況等信息，也可融入一些觀測(cè)資料或其他模式的資料。本文在試運(yùn)行期間的初始資料為NCEP/NCAR 再分析資料。3.2.2 基本控制方程組基于 NS 理論的流體力學(xué)框架，建立了模式框架的大氣運(yùn)動(dòng)控制方程組。方程組主要包括三部分：平均氣象要素控制方程、二階雷諾平均方程組、三階雷諾平均方程組。3.2.2.1 平均氣象要素控制方程N(yùn)-S 方程是描述流體湍流垂直過(guò)程的方程組，對(duì)其進(jìn)行雷諾平均。為寫(xiě)出動(dòng)量方程組常用的簡(jiǎn)化形式，做出以下假設(shè)：1）流場(chǎng)水平均一，對(duì) x、y 方向的導(dǎo)數(shù)為零；2）用地轉(zhuǎn)風(fēng)定義替代水平氣壓梯度項(xiàng)；3） ；4）忽略數(shù)量級(jí)小的分子粘性力項(xiàng)。處理后得到一維大氣邊界層平均氣象要素控制方程組，如下：

采用南中國(guó)海區(qū)域的 1998 年 5 月 21 日 02 時(shí)（北京時(shí)，全文中如未注為北京時(shí)，便于分析邊界層的變化）的 NECP/NCAR 的再分析數(shù)據(jù)作為始場(chǎng)，對(duì)經(jīng)度為 102.5°E、緯度為 2.5°N 的地區(qū)進(jìn)行了數(shù)值模擬試驗(yàn)，為 1998 年 5 月 21 日 02 時(shí)至 23 日 02 時(shí)。該地區(qū)位于東亞季風(fēng)區(qū)，有汽來(lái)源，終年高溫潮濕，屬于熱帶海洋氣候。模擬結(jié)果與 ERA-Interim 數(shù)據(jù)的對(duì)比分析為驗(yàn)證發(fā)展的單柱模式框架與計(jì)算方案模擬結(jié)果的性能，將模擬結(jié)果與的 ERA-Interim 再分析數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。在 ERA-Interim 資料中，垂直據(jù)，每天只提供 4 個(gè)時(shí)次，即世界時(shí) 00 時(shí)、06 時(shí)、12 時(shí)、18 時(shí)，對(duì)時(shí)為 08 時(shí)、14 時(shí)、20 時(shí)、02 時(shí)。4.1.1 溫度廓線的比較
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