單柱模式是目前氣候模式中物理過程參數化方案研究的重要手段之一,能更好地揭示其物理過程的特征和本質。論文將單柱模式應用于海洋行星邊界層的研究中,針對單柱模式計算中存在的問題,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,通過編寫的模式對南中國海的行星邊界層進行了數值試驗,使用ERA-Interim再分析資料對模擬結果進行了對比分析,初步探討了海洋行星邊界層的變化特征。研究結果表明:單柱模式框架和計算方案采用有限元方法、Doolittle算法之后,與原框架和計算方案相比提高了約51倍,較好地解決了計算速度問題,為三階及高階閉合方案計算在模式中的大范圍應用提供了參考。論文提出的新的框架計算方案,模擬的溫度、比濕、風速的結果與ERA-Interim數據相比有較好的一致性,并更好地反映了邊界層的層結結構特征。模擬的長波凈輻射通量無云時,隨高度增加而增大,日變化在低層受低空大氣影響,在下午出現一個極值區(qū),14:00左右達到最低值;受云影響,長波凈輻射通量變化與無云時相比出現了顯著的差異。模擬的短波凈輻射通量存在明顯的日變化,無云時,日變化受低空大氣影響,在下午出現一個極值區(qū),14:00左右達到最大值;有云時,短波凈輻射通量變化與無云時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。從分析結果來看,新的框架計算方案能夠較好地模擬行星邊界層特征。
【學位單位】：蘭州大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：P456.7;P421.3
【部分圖文】：

蘭州大學碩士研究生學位論文 適用于行星邊界層單柱模式的研發(fā)和數值試驗的初步研究第三章 單柱模式框架和計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程模塊組成。該模式中僅研究這些物理過程參數化模塊的特性，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雜的非線性影響，更能夠揭示物理過程參數化的特征和本質，目前單柱模式已經成為氣候模式物理過程參數化研究的重要手段之一，但在發(fā)展過程中仍然存在一些問題。針對單柱模式中的湍流閉合與計算量等問題，本章內容結合現代軟件開發(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 算法的計算方案，以提高模式數值分析過程的計算速度，具體流程圖如圖 3.1 所示，主要包括四個部分：預處理部分、單柱模式系統(tǒng)、數值分析過程以及后處理部分。

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 初始場初始場，主要由分析/再分析資料提供天氣背景、云覆蓋狀況等信息，也可融入一些觀測資料或其他模式的資料。本文在試運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 理論的流體力學框架，建立了模式框架的大氣運動控制方程組。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-S 方程是描述流體湍流垂直過程的方程組，對其進行雷諾平均。為寫出動量方程組常用的簡化形式，做出以下假設：1）流場水平均一，對 x、y 方向的導數為零；2）用地轉風定義替代水平氣壓梯度項；3） ；4）忽略數量級小的分子粘性力項。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：

采用南中國海區(qū)域的 1998 年 5 月 21 日 02 時（北京時，全文中如未注為北京時，便于分析邊界層的變化）的 NECP/NCAR 的再分析數據作為始場，對經度為 102.5°E、緯度為 2.5°N 的地區(qū)進行了數值模擬試驗，為 1998 年 5 月 21 日 02 時至 23 日 02 時。該地區(qū)位于東亞季風區(qū)，有汽來源，終年高溫潮濕，屬于熱帶海洋氣候。模擬結果與 ERA-Interim 數據的對比分析為驗證發(fā)展的單柱模式框架與計算方案模擬結果的性能，將模擬結果與的 ERA-Interim 再分析數據進行了比較。在 ERA-Interim 資料中，垂直據，每天只提供 4 個時次，即世界時 00 時、06 時、12 時、18 時，對時為 08 時、14 時、20 時、02 時。4.1.1 溫度廓線的比較
【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 G.Sommeria;王謙;;行星邊界層的數值模擬[J];氣象科技;1985年05期

2 雷雨順;;關于行星邊界層頂現象[J];氣象科技;1981年01期

3 雷孝恩,鄧玉珍;行星邊界層內擴散特征的一個數值研究[J];氣象學報;1987年03期

4 蘇從先,胡隱樵;綠洲冷島的行星邊界層結構[J];氣象學報;1987年03期

5 陳萬隆,陳宇能,陳江;草原墾荒行星邊界層的數值研究[J];氣象學報;1992年04期

6 W.H.胡克;周朝輔;;“長生鳥計劃”概述——介紹一個行星邊界層試驗研究計劃[J];氣象科技;1981年S4期

7 徐銀梓,趙鳴;非線性多層行星邊界層風場[J];氣象科學;1990年02期

8 李興生,朱翠娟,劉林勤,鄭愛英,周明煜;行星邊界層中多極值風速廓線的研究[J];大氣科學;1982年03期

9 程麟生;陳玉春;李素華;呂世華;宋潔;;黑河地區(qū)行星邊界層大氣的氣候分析[J];高原氣象;1990年02期

10 吳輝碇;數值預報模式中行星邊界層的處理[J];海洋預報;1987年04期

相關碩士學位論文 前5條

1 郭燕玲;適用于行星邊界層單柱模式的研發(fā)和數值試驗的初步研究[D];蘭州大學;2017年

2 左志燕;行星邊界層參數化對我國夏季降水的影響及其成因分析[D];中國氣象科學研究院;2004年

3 高松;強扭轉激勵下特高壓單柱拉線塔動態(tài)響應研究[D];華北電力大學;2017年

4 萬佳;宋式三等材和七等材單柱摩擦體系的靜力、動力有限元分析[D];太原理工大學;2015年

5 桂展;單柱模擬移動床裝置研制及分離淀粉糖的工藝研究[D];華南理工大學;2014年

本文編號：2847822