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《山丘地形的陆面过程及边界层特征的模拟Ξ》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第16卷1期 应用气象学报Vol.16,No.12005年2月 JOURNALOFAPPLIEDMETEOROLOGICALSCIENCEFebruary2005X山丘地形的陆面过程及边界层特征的模拟胡小明 刘树华(北京大学物理学院大气科学系,北京100871)摘 要将模式NP289的陆面过程参数化方法应用到北京大学的三维复杂地形中尺度数值模式中,得到了一个较理想的三维陆面过程及边界层模式,利用这个改进的三维模式对20km×20km范围的山丘地形的陆面过程及边界层特征进行了数值模拟。模拟结果表明,由于地形阻挡所造成山后的湍流较山前强,进而造成近地面温度梯度
2、和感热支出小,最终造成山后的温度比山前的温度明显偏高;而且随着山高的增加,这种现象更加明显,即该模式对山丘地形条件下的陆面过程和大气边界层特征具有较强的模拟能力;模拟结果合理,对研究过山气流形成机制、起伏地形大气边界层物理特征和污染物的扩散具有理论和应用价值。关键词:陆面过程参数化方法 三维大气边界层模式 地气相互作用 过山气流引 言研究复杂地形特别是山区丘陵地形下的陆面过程和大气边界层特征,对大气边界层物理、区域气候和污染物的扩散输送研究具有重要的理论和应用意义。长期以来许多学者通过不同的方法对复杂地形的陆面过程和大气边界层的特征进行了大量的观测和理论[1
3、][2]研究,比如1971年在美国Colorado进行的背风波观测实验。Durran建立了两层大气模式,研究了地形起伏对大气波的影响,模拟结果表明,地形波与整层大气情况下得到的[3]重力内波形态上完全不同。刘红年等采用二阶矩湍流闭合方案,分别就非静力和准静力两种条件建立PBL数值模式,计算了二维山体对气流平均场和湍流场的影响,并分析[4]了两种模式的计算结果的差别。齐瑛建立了一个自由大气与对流边界层相耦合的解[5]析模式,利用该模式系统地讨论了对流边界层对过山气流的影响。陈明等根据太行山区多年的气候统计资料,分析了太行山区焚风的气候特征,并利用数值模式模拟了
4、地形的[6]热力强迫效应和动力影响机制对焚风形成和发展的影响。刘辉志等采用ARPS4.0中尺度气象模式模拟了对流边界层中气流过山引起的地形波,模拟结果表明,当大气边界层是对流边界层时,气流过山引起的地形强迫,仍能在上部稳定层结中造成足够的垂直扰动,产生向上传播的重力内波。在对复杂地形的陆面过程和大气边界层特征的数值模拟研究中,由于地形起伏,模式坐标的设计不同于平坦地区的模式,在模式中需要做地形坐标变换,因此给模式的设计带X国家自然科学基金项目(40275004)资助。2003208219收到,2003212226收到再改稿。©1995-2005Tsinghu
5、aTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. 应 用 气 象 学 报 1416卷 来一定的困难。本文模式边界层方程组的处理参考了北京大学的三维复杂地形中尺度数[7]值模式,陆面过程模式参考了Noilhan和Planton于1989年提出的陆面过程的参数化[8]方法,即NP289模式,将20km×20km范围的山丘划分为水平21×21个网格点。将所模拟的区域做水平不均一处理,用二维数组取代原来水平均一的单变量,这样可以全面考虑非均匀下垫面的实际特征,从而模拟非
6、均匀下垫面的边界层情况,并取得了比较理想的模拟效果。1 数值模式1.1 大气动力热力学方程组z-zg为了反映下边界地表的起伏,模式采用了地形追随的垂直坐标变换,…z=H,H-zg其中zg=zg(x,y)为地形高度,z为笛卡儿坐标系(x,y,z)中的垂直坐标,…z为变换后的垂直坐标,H为模式的顶部高度。[9]三维大气动力热力学方程组为:du9π…z-H9zg=-θ+g+Fu(1)dt9xH9xdv9π…z-H9zg=-θ+g+Fv(2)dt9yH9ydθ=Fθ(3)dt9u9v9w•u9zgv9zg++--=0(4)9x9y9…zH-zg9xH-zg9y9πH
7、-zgg=-(5)9…zHθdq=FR(6)dt-1p0.286式中θ为位温(K);q为比湿(kg·kg);π为Exner函数且有π=Cp()。p0取p0-1-11000hPa;Cp为定压比热,取1005J·k·kg,w•为(x,y,z)坐标系中的垂直速度,w•H…z-H9zg…z-H9zg=w+u+v,Fu,Fv,FR,Fθ为湍流项,用φ分别代替u,H-zgH-zg9xH-zg9y229φ9φH299φv,q,θ,则有Fφ=KH(2+2)+()(Kz),KH和Kz分别为水平和垂9x9yH-zg9…z9…z直湍流扩散系数。1.2 边界层湍流参数化[10]湍流
8、动能方程为:2222222229q9q9q9q9q9
