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中尺度数值模拟中的边界层多尺度湍流参数化方案

朱蓉 徐大海

朱蓉, 徐大海. 中尺度数值模拟中的边界层多尺度湍流参数化方案. 应用气象学报, 2004, 15(5): 543-555..
引用本文: 朱蓉, 徐大海. 中尺度数值模拟中的边界层多尺度湍流参数化方案. 应用气象学报, 2004, 15(5): 543-555.
Zhu Rong, Xu Dahai. Multi-scale turbulent planetary boundary layer parameterization in mesoscale numerical simulation. J Appl Meteor Sci, 2004, 15(5): 543-555.
Citation: Zhu Rong, Xu Dahai. Multi-scale turbulent planetary boundary layer parameterization in mesoscale numerical simulation. J Appl Meteor Sci, 2004, 15(5): 543-555.

中尺度数值模拟中的边界层多尺度湍流参数化方案

资助项目: 

国家973“我国重大天气灾害形成机理和预测理论研究” 973-06-02

MULTI-SCALE TURBULENT PLANETARY BOUNDARY LAYER PARAMETERIZATION IN MESOSCALE NUMERICAL SIMULATION

  • 摘要: 该文在多尺度湍流理论的研究成果基础上, 将边界层湍流风谱与平均量的梯度相联系, 建立了边界层多尺度湍流参数化子模式, 之后放入MM5模式中进行了个例模拟研究, 并与MM5模式附带的M RF边界层参数化、Blackadar高分辨率边界层参数化的模拟结果进行比较和分析。结果表明, 多尺度湍流理论能够反映出实际大气边界层中热量垂直输送的规律, 将其用于中尺度数值预报模式的边界层物理过程参数化是可行的; 多尺度湍流参数化在地表层和边界层内各个层次上都着重考虑含能量最大的涡的作用以及水平热力不均匀性的影响, 因此在地形和下垫面比较复杂的区域, 对中尺度天气系统的模拟有进一步发展的前景。
  • 图  1  分别采用多尺度湍流边界层参数化方案 (Multi-scale)、MRF方案和高分辨边界层参数化方案 (Blackadar) 预报的2002年6月22日08 :00~23日08 :00

    总降水量与实况值 (OBS) 的对比 (单位:mm)

    图  2  2002年6月23日08:00 850 hPa风场的预报场和实况场的对比

    (OBS :实况; Multiscale :多尺度湍流边界层; M RF :M RF边界层; Blackadar :高分辨边界层)

    图  3  河南与安徽部分地区2002年6月22日08 :00~23日08:00

    总降水量分布 (填色部分为地形高度, 单位:m)

    图  4  信阳气象站的6 h实况雨量与分别采用三种边界层方案的MM5模式预报降水量的比较

    (OBS :实况; M ulti-scale:多尺度湍流边界层方案; MRF :MRF方案; Blackadar :高分辨边界层方案)

    图  5  分别采用三种边界层方案的MM5模式预报的6月22日20:00信阳气象站的温度层结曲线

    (Multi-scale:多尺度湍流边界层方案; MRF :MRF方案; Blackadar :高分辨边界层方案)

    图  6  三种边界层方案在信阳站不同高度上的风矢量随时间的变化

    (Multi-scale:多尺度湍流边界层方案; MRF :MRF方案; Blackadar :高分辨边界层方案)

    图  7  三种边界层方案在信阳站不同高度上的湍流热量交换系数随时间的变化

    (纵坐标为σ坐标, 数字表示层数)

    表  1  2002年6月22日08 :00~23日08:00 18个站点的实况和预报降水量及预报准确率

    表  2  分别采用三种边界层参数化方案的MM5对4个暴雨个例模拟的结果

  • [1] 程麟生, 丑纪范.大气数值模拟.北京:气象出版社, 1991.106-107.
    [2] Pleim J E, Chang J S.A non-local closure model for vertical mixing in the convective boundary layer.Atmospheric Environment, 1992, 26A (6):965-981. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/096016869290028J
    [3] Deardorff J W. The contragradient heat flux in the lower atmosphere and in the laboratory. J Atmos Sci, 1966, 23:503-506. doi:  10.1175/1520-0469(1966)023<0503:TCGHFI>2.0.CO;2
    [4] Mellor G L, Yamada T. A hierarchy of turbulence closure models for planetary boundary layers. J Atmos Sci, 1974, 31: 1792-1806. doi:  10.1175/1520-0469%281974%29031%3C1791%3AAHOTCM%3E2.0.CO%3B2
    [5] Stull R B. Transilient turbulence theory, Part Ⅰ:The concept of eddy mixing across finite distances. J Atmos Sci, 1984, 41:3351-3367. doi:  10.1175/1520-0469(1984)041<3351:TTTPIT>2.0.CO;2
    [6] Stull R. Transilient turbulence theory, Part Ⅱ:Turbulent adjustment. J Atmos Sci, 1984, 41:3368-3379. doi:  10.1175/1520-0469(1984)041<3368:TTTPIT>2.0.CO;2
    [7] Deardorff J W. Theoretical expression for the countergradient vertical heat flux. J Geophys Res, 1972, 77:5900-5904. doi:  10.1029/JC077i030p05900
    [8] Stull R B, Driedonks A G M. Applications of the transilient turbulence parameterization to atmospheric boundary-layer simulations. Boundary-Layer Met, 1987, 40:209-239. doi:  10.1007/BF00117449
    [9] Fiedler B H, Moeng C-H. A practical integral closure model for mean bertical transport of a scalar in a convective boundary layer. J Atoms Sci, 1985, 42:359-363. doi:  10.1175/1520-0469(1985)042<0359:APICMF>2.0.CO;2
    [10] Blackadar A K. High Resolution Models of the Planetary Boundary Layer. In:Pfafflin and Ziegler, eds. Advances in Environmental Science and Engineering. New York:Gordon and Breach Sci. Pub., 1979, 1(1):50-85.
    [11] 刘小红, 洪钟祥.非均匀网格过渡湍流理论及其在大气边界层数值模拟中的应用.大气科学, 1995, 19:347-358. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQXK503.009.htm
    [12] 蒋维楣, 牟礼凤.复杂下垫面模拟域大气边界层非局地闭合模拟研究.大气科学, 1999, 23:25-33. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQXK901.003.htm
    [13] Mailhôt J, Benoit R. A finite-element model of the atmospheric boundary layer suitable for use with numerical weather prediction models. J Atmos Sci, 1982, 39:2249-2266. doi:  10.1175/1520-0469(1982)039<2249:AFEMOT>2.0.CO;2
    [14] Troen I, Mahrt L. A simple model of the atmospheric boundary layer, sensitivity to surface evaporation. Bound Layer Meteor, 1986, 37:129-148. doi:  10.1007/BF00122760
    [15] Hong S Y, Pan H L. Nonlocal boundary layer vertical diffusion in a medium-range forecast model. Mon Wea Rev, 1996, 124:2322-2339. doi:  10.1175/1520-0493(1996)124<2322:NBLVDI>2.0.CO;2
    [16] 徐大海.多尺度大气湍流的扩散及扩散率.气象学报, 1989, 47(3):302-311. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-QXXB198903006.htm
    [17] 徐大海. Lagrange与Euler时间积分尺度之间关系的统计动力学模型.气象学报, 1992, 50(2):138-151. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-QXXB199202001.htm
    [18] 徐大海.关于不同尺度大气运动中的雷诺交换.气象学报, 1992, 50(3):257-271. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-QXXB199203000.htm
    [19] 朱蓉, 徐大海, 卞林根, 等.南极近地层大气的热量逆梯度输送现象.气象学报, 2000, 58(2):214-222. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-QXXB200002008.htm
    [20] 朱蓉, 徐大海.大气边界层热量输送的非局地多尺度湍流理论及试验研究.应用气象学报, 2005, 16:待发表. http://qikan.camscma.cn/jams/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20050335&flag=1
    [21] 赵明, 苗曼倩, 王彦昌.边界层气象学教程.北京:气象出版社, 1991.241-245.
    [22] Caughey S J, Palmer S G. Some aspects of turbulence structure through the depth of the convectimve boundary layer. Q J Roy Meteor Soc, 1979, 105: 811-827. doi:  10.1002/(ISSN)1477-870X
    [23] 赵德山, 徐大海, 李宗恺, 等.城市大气污染总量控制方法手册.北京:中国环境科学出版社, 1991.91-92, 104.
    [24] Hanna S R, et al. Handbook on Atmospheric Diffution. US Department of Energy, 1982. 13-14.
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出版历程
  • 收稿日期:  2003-10-08
  • 修回日期:  2004-02-17
  • 刊出日期:  2004-10-31

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