利用大涡模式模拟黄土高原大气边界层特征

1、利用大涡模式模拟黄土高原大气边界层特征大气边界层内各物理量的湍流垂直输送是实现地表与大气之间物质和能量 交换的关键因素 ,在陆气过程中起着重要作用 , 而边界层结构决定着湍流输送的 强弱, 深入研究边界层结构对认识陆气间物质、能量输送交换机制和提高数值模 式模拟能力具有重要意义。 针对目前黄土高原地区通量观测站较少、 资料时空分 辨率较低的限制 , 本文将中尺度气象模式 The Weather Research and Forecasting Model（WR）F 与大涡模式 WRFLarge-Eddy Simulation （ WRF-LE）S 嵌套起来进行数值模拟研究。 在模式得到验证的基

2、础上模拟分析了黄土高原夏季 温湿廓线 , 进而考查由热力驱动的对流边界层特征。利用WRF-LES吉合中国气象局高空气象数据,进行了高时空分辨率的大气 边界层模拟试验。在两组模拟试验中 , 通过控制输入有 / 无沙尘情形下的温度廓线、 水汽混合比廓线和风分量廓线 , 分析沙尘天气对黄土高原地区大气边界层吉构产 生的影响。主要吉果如下 :（1）榆中站探空资料显示,2018-04-0220:00 无沙尘的晴天背景下,近地100 m高度内位温 随高度由312.0 K上升至316.0 K;水汽混合比从地面至100 m高度由2.6 g/kg 迅速降低至1.9 g/kg,100 m以上呈现波动降低趋势，从1

3、.9 g/kg逐渐降低至1.0 g/kg 。2018-04-0420:00有沙尘时,位温在2000 m以下基本保持为 297.0 K, 之后随高度逐渐增加到 312.0 K; 近地层内水汽混合比随高度增加下降 较快,由3.0 g/kg降至2.6 g/kg;100 m 至2500 m高度内,水汽混合比基本不随 高度变化,维持在 2.7 g/kg 。沙尘天气时的位温总体较晴天低 15.0 K 左右,两者 的差异随高度增加逐渐减小。（2）利用WRF-LE模拟得到无沙尘时不同高度位温 和水平风场的空间分布情况 , 位温的分布范围是 312.9314.4 K, 位温 的水平分布特征在低层各高度层基本一致

4、且位温水平梯度较大 ,说明离地 100 m 高度内边界层混合作用不强。相比之下高层混合作用强、位温水平分布更均匀。有沙尘时 , 位温的分布范 围为 299.0300.8 K, 较无沙尘时低 13.9 K 。低层位温场以模拟区域 东北角为低值中心 , 呈不规则环状交错结构。与无沙尘情形相比 , 有沙尘时位温和风场的水平分布情况随高度变化更快。(3)由WRF-LES模拟的南北方向位温垂直分布剖面得出,无沙尘时模拟区域南部 的位温垂直剖面分布范围是 312.9314.0 K, 近地面位温最高且分布 最不均匀 , 表现为沿东西方向冷暖气团交替分布 , 位温水平梯度较大。模拟区域中 部的位温垂直剖面分布

5、范围是 313.1314.0 K, 高位温气团从地面延 伸发展至 1500 m 高度。有沙尘时模拟区域南部、中部和北部的位温垂直剖面分布范围均为298.9300.3 K,地面强位温中心向上发展至距地 1200 m左右。沙尘 天气时不同位置垂直剖面的空间分布形势更类似 , 说明有沙尘时模拟区域不同位 置的垂直发展强度更加均匀。(4) WRF-LES模拟的无沙尘情形下,水汽混合比在 离地 10 m 高度的水平分布范围是 2.02.8 g/kg, 呈现不规则网状结 构。在离地100 m高度，水汽混合比的分布范围是 1.82.4 g/kg, 网状结构不再明显 , 模拟区域内主要是均匀分布的水汽混合比为

6、 1.8 g/kg 的低湿区 域。在离地1000 m高度，水汽混合比的分布范围是1.92.1 g/kg,水 汽混合比的水平分布较低层更加均匀 , 湍涡尺度有所减小。 有沙尘时 , 各高度层水 汽混合比数值均显著高于无沙尘情形。在离地10 m高度,水汽混合比的分布范围是 3.03.3 g/kg,较无 沙尘时高1.0 g/kg 左右。在离地1002000 m高度,水汽混合比的分 布范围是 3.03.1 g/kg, 水汽混合比的水平梯度较地面有所减小 , 水 平分布逐渐均匀。（5）2007-08-1310:00研究区域的边界层高度为 10521122 m,边界层最大高度出现在正午 14:00,是27

7、00 m;凌晨 03:0006:00 边界层高度小于 100 m。当地垂直方向的湍流强度从地表至1000 m随高度增加而增大，在1000 m附近达到最大值 0.07,1000 m 以上随高度增加而减小。结合边界层高度的模拟结 果,1000 m正是SACO上午10:00混合层顶所在高度，区域平均位温廓线也在 1000m高度处存在明显的梯度不连续，说明在混合层顶的垂直湍流强度最大，湍 流垂直混合最剧烈。水平方向湍流强度在近地层内随高度增加略有减小 , 再向上 湍流强度先接近常数（0.46 ）然后减小，并在2000 m处再次增大。从区域平均的位温廓线可知,2000 m高度以上存在一较厚的逆温层。（6）WRF-LE模拟的地面温度为 301.7302.3 K,混合层顶所在的1000 m 高度处温度较地面降低 7.7 K,为294.0294.6 K 。WRF-LE濮拟的地 面温度场呈现不规则网状结构 , 高温、低温区互相交错且无序 , 显示了对流边界层