利用大涡模式模拟黄土高原大气边界层特征

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一次高原涡过境的不同云-降水垂直结构和特征研究

一次高原涡过境的不同云-降水垂直结构和特征探究引言：高原涡是指在高原地区形成并挪动的一种大标准天气系统。

高原涡过境期间，云和降水现象比较普遍，对气候和水文循环等方面都有重要影响。

因此，探究高原涡过境期间云-降水的垂直结构和特征，对于更好地理解和猜测高原地区的天气和气候具有重要意义。

方法：本探究选择了一次典型的高原涡过境事件进行观测和分析。

利用卫星遥感数据、雷达数据和地面观测数据，得到了云和降水的垂直结构。

同时，结合大气环境条件和垂直风场的变化，对云和降水形成的机制进行了分析。

结果与谈论：观测和分析结果表明，在高原涡过境期间，云和降水主要分布在涡旋中心周边。

依据云的类型和云顶高度，我们将云分为对流云、层云和降水云三种类型。

对流云主要出此刻高原涡过境的前期和后期，具有较高的云顶和厚度，降水主要发生在云顶部分。

层云多出此刻涡旋中心的周边，云顶相对较低，降水主要发生在云底部分。

降水云则在涡旋中心周边形成，并且具有较高的云顶和厚度。

进一步分析发现，高原涡过境时的大气环境条件和垂直风场的变化对云和降水形成产生了显著影响。

在涡旋中心周边，大气层结稳定，湿度较高，有利于云和降水的进步。

同时，涡旋中心周边的垂直风场存在较大的切变，有利于形成对流云和降水云。

进步。

结论：本探究通过观测和分析高原涡过境期间的云-降水垂直结构和特征，揭示了不同类型云和降水的分布规律和形成机制。

探究结果对于猜测高原地区的天气和气候演变具有重要意义。

将来，我们可以进一步利用模式模拟和数据同化的方法，深度探究高原涡的形成和演变过程，以及对云和降水的影响机制，为高原地区的气象灾难预警和水资源管理提供科学依据。

高原涡过境是指涡旋系统穿过高原地区的天气现象。

涡旋是指大气中的一种低气压系统，具有旋转的特点。

在涡旋过境期间，由于大气环流的变化和地形的影响，高原地区的云和降水会发生一系列特殊的变化。

本文将继续探讨高原涡过境期间云和降水的分布规律和形成机制。

切变对流和热力对流的大涡模拟实验

切变对流和热力对流的大涡模拟实验大气边界层通常是指大气的最低部分受地面影响的一层，平均厚度约为地面以上1km范围[1]。

大气边界层内空气的运动的根本特点是湍流。

人们对湍流的研究已有近百年的历史，1839年，G.汉根在实验中首次观察到由层流到湍流的转变。

1883年，O.雷诺又在圆管水流实验中找出了层流过渡到湍流的条件。

在理论研究方面，1895年雷诺曾把瞬时风速分解为平均风速和叠加在上面的湍流脉动速度两部分，得到湍流运动方程组(雷诺方程)，提出湍流粘性力（雷诺应力）的概念。

1925年，L.普朗特在此基础上提出了混合长度的概念，得出边界层内风速随高度变化的规律，即在对数坐标中风速随高度增加而呈线性增长[2]。

在大气边界层中，此结果被许多实验所证实。

1915年，G.I.泰勒提出了研究大气湍流微结构的统计理论。

1920年，L.F.理查孙研究了大气温度分布对湍流的影响，研究结果表明温度的铅直分布对大气湍流的影响，取决于大气静力稳定度。

一般可用理查孙数(R)判别稳定度对湍流的作用。

1941年，A.H.科尔莫戈罗夫又提出了局地各向同性理论，以上这些理论，合理地解释了湍流中的微结构。

当地表受热形成热泡或气流受到障碍物的阻挡发生扰流都能形成边界层湍流，当这种湍流进一步发展，就会形成对流。

一般把边界层对流分成两种形式：切变对流和热力对流。

边界层中切变对流其实主要与风切变有关，而风切变是气流的运动速度大小和方向突然发生变化，它可以出现在垂直方向上和水平方向上。

近年来，边界层切变对流的研究受到越来越多的重视，例如受风切变影响较大的边界层顶夹卷过程是接影响对流边界层的发展, 并且对对流边界层与自由大气之间物质和能量交换有重要作用。

Hoxit L R.的研究表明,夹卷过程能够显著影响着边界层中的风廓线和湿度垂直分布, 对于数值天气预报模式和空气污染模式也是非常重要的一个过程[3-5]。

以往对夹卷层的研究主要针对纯浮力驱动的对流边界层,对夹卷过程的参数化相对比较简单。

边界层的基本概念课件

边界层的特征
边界层具有很薄的厚度，其厚度通常远小于流体中的其他尺度，如流动的长度和速度。
在边界层内，流体的流动状态从自由流转变为受壁面限制的流动，流体的速度和方向发生急剧变化。
边界层内的流体会产生摩擦阻力，对流体流动产生重要影响。
边界层的形成
当流体与固体壁面接触时，由于壁面的限制作用，流体的速度和方向发生变化，导致流体的切向应力与法向应力发生突变，形成边界层。
湍流边界层
在流体流动中，靠近固体表面的薄层，流速较高，流动方向复杂，各层速度梯度较大，流动呈现湍流状态。
热边界层和流动边界层
热边界层
在传热过程中，靠近固体表面的薄层，温度梯度较大，热量传递速率较高。
流动边界层
在流体流动中，靠近固体表面的薄层，流速较高或较低，流动方向或湍或层，与流体主体存在明显的速度梯度。
边界层的基本概念课件
目录
• 边界层定义 • 边界层的重要性 • 边界层的分类 • 边界层方程 • 边界层模拟方法 • 边界层的应用
01
边界层定义
边界层的定义
01
边界层是指流体在运动过程中，流体的切向应力与法向应力发生突变的位置，通常出现在流体与固体壁面接触的地方。
02
在边界层内，流体的流动受到壁面的限制，流体的速度和方向发生急剧变化，导致流体的物理性质发生显著变化。
物理边界层和化学边界层
物理边界层
主要涉及流体的物理特性变化，如温度、压力、速度等。
化学边界层
主要涉及流体的化学特性变化，如浓度、组分、化学反应等。
04
边界层方程
连续性方程
连续性方程是描述流体运动过程中质量守恒的方程。

大气边界层气象学研究综述

文章编号:1006-7639(2003)-03-0074-05大气边界层气象学研究综述张　强(中国气象局兰州干旱气象研究所,甘肃兰州　730020)摘　要:文中回顾了大气边界层气象学的发展历史,总结了目前大气边界层气象学的主要进展,并指出国内外在未来大气边界层气象学研究方面面临的一些主要科学问题,以及对未来大气边界层气象学的发展方向提出若干建议,同时还指出了大气边界层气象学在思想上和方法上应该注意的一些相关问题。

关键词:大气边界气象学;研究进展;主要问题;发展方向中图分类号:P404 文献标识码:A引　言什么是边界层?广义讲:在流体介质中,受边界相对运动以及热量和物质交换影响最明显的那一层流体。

具体到大气边界层,是指受地球表面摩擦以及热过程和蒸发显著影响的大气层。

大气边界层厚度,一般白天约为1.0km ,夜间大约在0.2km 左右,地表提供的物质和能量主要消耗和扩散在大气边界层内。

大气边界层是地球-大气之间物质和能量交换的桥梁。

全球变化的区域响应以及地表变化和人类活动对气候的影响均是通过大气边界层过程来实现的。

1　大气边界层气象学发展历史大气边界层气象学是大气科学中一门重要的基础理论学科,大气边界层气象学的发展,不仅受到观测系统和探测技术的制约,也受到数学、物理学等基础支撑学科发展水平的影响,并随着它们的发展而发展。

大气边界层气象学是以湍流理论为基础的,研究大气和它下垫面(陆面和洋面)相互作用以及地球—大气之间物质和能量交换的一门新型气象学科分支。

什么是湍流?英文湍流为“turbulence ”,日文为“乱流”,湍流简单定义:流体微团进行的有别于一般宏观运动的不规则的随机运动,从宏观上看,它没有稳定的运动方向,但它能够象分子运动一样通过其随机运动过程有规律地传递物质和能量。

从1915年由Taylor [1]提出大气中的湍流现象到1959年Priestley [2]提出自由对流大气湍流理论,可以说,到20世纪50年代以前经典的湍流理论基本上已经形成。

大涡模式水平分辨率对边界层夹卷过程及示踪物垂直传输的影响

大涡模式水平分辨率对边界层夹卷过程及示踪物垂直传输的影响王蓉;黄倩;岳平【摘要】利用敦煌干旱区野外加密观测资料,结合大涡模式模拟研究模式水平分辨率对边界层对流、夹卷过程及示踪物垂直传输的影响.结果表明:模式水平分辨率越高,模拟的边界层对流泡个数越多,尺度越小,且对流强度越强;提高模式水平分辨率,夹卷层位温方差增大,水平速度方差减小,垂直速度方差增大,且上升冷气流对夹卷层热通量的贡献最大.模式水平分辨率越高,垂直速度、位温及示踪物绝对质量浓度概率密度函数分布变化范围相对越广,且模拟的细微变化特征越清晰.另外,提高模式水平分辨率,模拟的示踪物空间分布特征更加细致,示踪物传输高度也较高.综合考虑到分辨率越高在模拟过程中产生的噪音越大且计算时间越久等问题,认为采用200 m 水平分辨率时,模式既能较好地模拟出边界层对流的平均结构,又能模拟出边界层湍流的较细微分布特征,是较为理想的选择.【期刊名称】《干旱气象》【年(卷),期】2019(037)001【总页数】9页(P48-56)【关键词】大涡模拟;水平分辨率;边界层;夹卷;示踪物;垂直传输【作者】王蓉;黄倩;岳平【作者单位】甘肃省人工影响天气办公室,甘肃兰州 730020;兰州大学大气科学学院,半干旱气候变化教育部重点实验室,甘肃兰州 730000;中国气象局兰州干旱气象研究所,甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室,甘肃兰州 730020【正文语种】中文【中图分类】P421引言对流边界层也就是通常所说的混合层，在边界层中受地面影响最强烈。

尽管地表热通量和风切变是影响边界层对流发展的重要机制[1-3]，然而除了地面加热向上传输热量使得大气边界层发展以外，对流边界层以上自由大气中浮力较强的暖空气向下混合进入边界层，以及来自边界层的上冲热泡形成的夹卷过程对边界层对流发展的贡献也不能忽视[4]。

夹卷过程的本质是对流边界层湍流与自由大气在夹卷层进行的混合作用，其不仅直接影响边界层对流的发展，还对污染物的扩散、低云中降水的形成、气溶胶间接效应的评估、低云和气候之间的反馈以及雷达遥感云水含量的准确度有着十分重要的影响[5-8]。

大涡模拟方法在非均匀边界层研究中的应用

天文学,地球科学大涡模拟方法在非均匀边界层研究中的应用姜金华　胡　非(中国科学院大气物理研究所大气边界层物理与大气化学国家重点实验室,北京100029)摘要　首先回顾了大涡模拟方法在边界层研究中的应用,总结了该方法在非均匀性研究中的概况。

然后,用大涡模拟方法,并且启用陆面模块,模拟了真实下垫面条件下地表热量通量和动量通量的分布和边界层气象场,初步分析了非均匀下垫面对边界层结构的影响。

关键词　非均匀下垫面大涡模拟地表通量边界层中图法分类号　P435+.1;　文献标识码　A2004年1月6日收到国家自然科学基金(40233030)资助大涡模拟是参数化小的涡动、求解大的涡动的数值模拟方法。

自20世纪70年代初Deard orff [1]用大涡模式模拟了中性和不稳定边界层以来,大涡模拟方法已逐渐发展成熟,并且在边界层研究中得到广泛的应用。

最初该方法主要用于研究平坦地形、均匀加热的下垫面之上边界层的湍流运动特性(如Deard orff [2]、M oeng 等[3]、蔡旭辉等[4]和苗世光等[5]的工作)。

由于受到计算量和外场观测资料的限制,非均匀边界层的模拟研究起步较晚。

上世纪90年代初,随着计算机技术的迅速发展和系统的边界层野外试验的开展,大涡模拟方法开始用于非均匀性的影响研究。

这些研究主要有两类:一是研究地形起伏的影响,比如针对地形坡度和水平尺度的理想试验[6]。

二是考虑地表热通量不均匀分布。

例如假设地表热通量呈一维正弦函数分布[7]、二维周期分布[8]或者是突变的情况[8],然后将结果与均匀分布的结果比较,以分析非均匀的影响。

比较接近实际情况的是用外场观测的感热和潜热资料作为下边界的模拟。

Hechtel 等[10]和Avissar 等[11]分别用BLX 83(Boundary Layer Experiment 1983)和FIFE 试验的观测资料作为初始场和下边界条件(后者考虑了地形起伏),对比分析了热通量均匀分布与由观测资料统计得到的不均匀分布的条件下边界层内平均量和二阶矩统计量的不同,认为热通量不均匀分布的影响不明显。

第五章：大气边界层风特性及其风洞模拟技术

五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术
5.2 大气边界层风特性
5.2.1 平均风剖面（廓线）幂函数律
¾ 幂函数律是历史上最早被用来
描述水平均一地貌上的平均风剖面的函数形式：
U ( z ) = U r ( z zr ) = U G ( z H G )
α α
z α — 幂函数指数，常被称为地表粗糙度指数，
U (Z)
结构抗风试验
五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术
5.2 大气边界层风特性
5.2.2 阵风因子
¾ 阵风风：
Gv = U g U
¾ 阵风因子是一个反映风速阵性程度的参数，影响大小的因
素有许多：
z 平均风速的时距越短，平均风速越大，阵风因子越小 z 天气过程变化越剧烈，阵风因子越大 z 雷暴大风的阵风因子最大，热带风暴次之，寒潮大风（冷空气）最小 z 地表越粗糙阵风因子越大 z 离地越近阵风因子越大 z 平均风速越小阵风因子越大
0.844 0.958
结构抗风试验
五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术
5.2 大气边界层风特性
5.2.1 平均风剖面（续）幂函数律－对数律比较
600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
A 类：HG=300m, UG=50m/s:
幂函数律 α= 0.12 对数律 z0=0.01
@ w(t) —与平均风方向垂直的竖向脉动分量，简称为竖向脉动风速
结构抗风试验
五：大气边界层风特性及其风洞模拟技术
5.2 大气边界层风特性
¾ 平均风速计算时距
z 需要足够长 z 据国际上气象领域的实践经验，在大多数国家（包括中国）平均

大气边界层概述(1)

7
图1 三种边界层方案(YSU、MYJ和ACM2)模拟的与观测的（a）西固二水厂和（b）兰州站的地面温度（2m）日变化对比
8
Time
（b）兰州站（52889）
Time
（a）西固二水厂
111111111111111111.................22222222222222222.2555555666666777777-----------------100111200111200112026048226048226482 111111111111111111111111........................222222222222222222222222555555556666666677777777------------------------000111220001112200011122258147032581470325814703
d. Mellor-Yamada Nakanishi and Niino Level 2.5 PBL (5). Predicts sub-grid TKE terms. New in Version 3.1.
e. LES PBL: A large-eddy-simulation (LES) boundary layer is available in Version 3.
面临的主要问题（1）非均匀和复杂下垫面边界层（下垫面性质非均匀分布、
地形起伏和山脉的作用、城市大气边界层) （2）特殊地区边界层特征（干旱荒漠区的大气边界层特征、青藏高原寒区边界层特征）（3）沙尘暴等特殊天气边界层特征（4）湍流如何在模式中更合理的参数化
22
1.什么是传统机械按键设计？

位涡诊断在黄土高原强对流风暴预报中的应用

将其写成分量形式，：有
ＭＦ１Ｖ＝一ｇ＋，）（
Ｍ＝ｇ一等）一（Ｏｐ
其中Ｍｐｖ为湿正压项，其值取决于空气块绝对涡度的垂直分量和相当位温的垂直梯度的乘积（中其是垂直方向涡度，，是地转涡度，为相当位温）。
维普资讯
第３５卷第１期
２０年２月０７
气
象
科
技
Ｖｌ．５．．ｏ３Ｎｏ１１
Ｆｅ．２０ｂ０７
Ｍ口ＴＥＯＲＯＬＥ二ＯＧＩＣＡＬＳＥБайду номын сангаасＣＥＡＮＤＣＩＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
位涡诊断在黄土高原强对流风暴预报中的应用
因为绝对涡度是正值，当大气为对流不稳定时，
＞０所以Ｍｐ１，ｖ＜０；大气为对流稳定时，若＜０，
选用２００４年６月１５日０：０至６月１８Ｏ６日北京时２：０下同）ＣＰ００（ＭＩＡＳ系统提供的各种资料，
作者简介：，，９７井喜男１５年生，学士，高级工程师，主要从事短期天气预报工作，ｍｉｊｇｉｌｕ＠１６ｃｎＥａ：ｎｘｉａ２．ｑｌｉａｉｈｏ
西形成有利于风雹暴天气产生的环流背景。
３风雹暴云系的演变
）。
２环流形势和风暴特征
２０年６月１０４５日下午，宁夏、内蒙、甘肃东部
和陕西北部交界处有１县市出现了强对流大风８个
１５日下午发生在内蒙、宁夏、陕西、甘肃东部交界处的风雹暴天气，由尺度为５０ｋ是０ｍ左右的飑线云系造成的（图略）６日下午发生在晋、。１陕交界处和晋、、陕豫交界处的风雹暴天气，是由ａ中尺度

云中湍流特征及其在云降水中的作用研究进展

第5期现在上升气流区顶部附近，为0.1m2·s-3，特征尺度为500~1000m，云中湍流耗散率的平均值约为最大值的50%。

黄兴友等(2020)利用地基毫米波雷达对2016年8月8日四川稻城的一次层状云过程云内湍流进行了反演并分析其特性，发现云内湍流耗散率在云底、云顶较大，云内较小，量级在10-8～10-2m2·s-3。

通过飞机、雷达及高山站原位观测发现了云中湍流具有不均匀性和非平稳性，明确了云中湍流强度在水平及垂直方向上的分布特征，得出了不同类型云中的湍流耗散率的大小。

获得湍流的上述特征对正确理解云中湍流非常重要。

因云中湍流的复杂性及观测设备的局限性，湍流对云及降水的影响还需要结合理论计算、数值模拟等手段进行研究分析。

2湍流在云降水中的作用研究湍流对云和降水的影响因其复杂性一直是云物理学中较难解决的科学难题之一(Grabowski and Wang，2009)。

湍流可提高液滴几何碰撞速率和碰撞效率，与仅考虑重力碰并时的碰撞率相比，可使液滴之间的碰撞率增加好几倍，进而促进降水快速形成及地面降水量的增加。

另外，大气中气象条件(包括云微物理量本身)的起伏会加快云滴的重力碰并生长速度，对降水过程起着十分重要的作用。

2.1云中湍流特性及其对随机凝结增长的影响20世纪60年代，国内外研究者开始通过理论计算的方式研究气流起伏对云滴随机凝结增长的影响。

顾震潮(1962)总结国内外云滴谱的理论研究后指出在云滴谱的研究中应该考虑气象条件起伏对云滴形成过程的作用。

顾震潮和詹麗珊(1962)计算了云中小水滴浓度有起伏时的云雾滴生长特征，发现在起伏条件下，由凝结增长形成的比较窄的云滴谱，也可以比较快的长出大云滴，这是均匀重力碰并做不到的。

周秀骥(1963)发展了云滴生长的随机理论和暖云降水的微物理机制，发现对于半径1~20μm的云滴生长和形成来说起伏凝结与湍流电碰并共同起着重要作用，在一定的湍流强度下，完全可以在10~30min内形成半径为20μm左右、浓度为每立方厘米10个的大云滴。

大气边界层中湍流运动的模拟与分析

大气边界层中湍流运动的模拟与分析大气边界层中的湍流运动对天气预报、空气质量评估以及风电场的建设等领域具有重要的影响。

因此，对大气边界层中的湍流运动进行模拟与分析，能够为解决相关问题提供有效的支持和参考。

本文将介绍湍流运动的模拟方法以及相关分析技术。

一、湍流模拟方法湍流模拟是通过数值方法对大气边界层中的湍流运动进行数值模拟，从而获取湍流场的详细信息。

目前常用的湍流模拟方法包括直接数值模拟（DNS）、大涡模拟（LES）和雷诺平均湍流模拟（RANS）等。

1. 直接数值模拟（DNS）直接数值模拟是一种以最基本的方程组为基础，对大气边界层中湍流运动进行精确模拟的方法。

它通过离散化时间和空间，使用计算机求解Navier-Stokes方程组，得到湍流场的精确解。

但直接数值模拟的计算量非常大，通常仅适用于小尺度或小时间尺度的模拟。

2. 大涡模拟（LES）大涡模拟是一种介于直接数值模拟和雷诺平均湍流模拟之间的方法。

它通过将流场分解为一个大尺度的结构和一个小尺度的湍动结构，只对小尺度湍动进行模拟，通过模拟大尺度结构来减小计算量。

大涡模拟在模拟大气边界层湍流运动方面具有一定的优势。

3. 雷诺平均湍流模拟（RANS）雷诺平均湍流模拟是一种通过对时间和空间进行平均，将湍流场表示为平均量和脉动量的和的方法。

它通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程和湍流能量方程，得到湍流场的平均解。

雷诺平均湍流模拟在计算上相对简单，适用于大尺度湍流的模拟。

二、湍流分析技术湍流模拟得到的湍流场数据需要进行进一步的分析才能得到有用的信息。

下面介绍几种常用的湍流分析技术。

1. 自相关函数自相关函数是一种分析湍流场中各点相关性的方法。

它可以通过计算不同点之间的相关性来获取湍流运动的相关长度。

自相关函数可以用于描述湍流场的时空结构。

2. 能谱分析能谱分析是一种通过计算湍流场不同频率分量的能量来了解湍流场特性的方法。

它可以用于表征湍流场的能量分布情况和主导长度尺度。

大涡模拟

大涡模拟,英文简称LES(Large eddy simulation),是近几十年才发展起来的一个流体力学中重要的数值模拟研究方法。

它区别于直接数值模拟(DNS)和雷诺平均(RANS)方法。

其基本思想是通过精确求解某个尺度以上所有湍流尺度的运动，从而能够捕捉到RANS方法所无能为力的许多非稳态，非平衡过程中出现的大尺度效应和拟序结构，同时又克服了直接数值模拟由于需要求解所有湍流尺度而带来的巨大计算开销的问题，因而被认为是最具有潜力的湍流数值模拟发展方向。

由于计算耗费依然很大，目前大涡模拟还无法在工程上广泛应用，但是大涡模拟技术对于研究许多流动机理问题提供了更为可靠的手段，可为流动控制提供理论基础，并可为工程上广泛应用的RANS方法改进提供指导。

大涡模拟方法其主要思想是大涡结构（又称拟序结构）受流场影响较大，小尺度涡则可以认为是各向同性的，因而可以将大涡计算与小涡计算分开处理，并用统一的模型计算小涡。

在这个思想下，大涡模拟通过滤波处理，首先将小于某个尺度的旋涡从流场中过滤掉，只计算大涡，然后通过求解附加方程得到小涡的解。

过滤尺度一般就取为网格尺度。

显然这种方法比直接求解RANS 方程和DNS 方程效率更高，消耗系统资源更少，但却比湍流模型方法更精确。

大涡模拟的基本操作就是低通滤波。

一个LES滤波器可以被用在时空场Φ（x,t）中实现时间滤波或空间滤波或时空滤波扬州大学大涡模拟理论及应用紊流力学大涡模拟理论及应用一、概述实际水利工程中的水流流动几乎都是湍流。

湍流是空间上不规则和时间上无秩序的一种非线性的流体运动，这种运动表现出非常复杂的流动状态，是流体力学中有名的难题。

100 多年来无数科学家投身到它的研究当中，从1883 年Reynolds 开始的层流过渡到湍流的著名圆管实验到现在，对湍流的基础理论研究呈现出多个分支，其主要方向有：湍流稳定性理沦、湍流统计理论、湍流模式理论、湍流实验、切变湍流的逆序结构、湍流的大涡模拟和湍流的直接数值模拟。

大气边界层案例分析

大气边界层案例分析1. 由下图分析晴天白天和夜间典型的风温垂直分布。

分析：大气边界层中温度层级起着重要作用，层结的稳定与否决定了湍流的强弱，也就决定了边界层中气象要素的垂直分布(廓线)。

图1.3.1是晴天白天和夜间典型的理想的风温垂直分布。

在贴近地面的薄气层内(近地层SL)，白天由于地面强烈受热，形成贴近地面大气中超绝热温度递减率，而反映在位温上，即是/0z θ∂∂<，风速则随高度递增。

再向上，在边界层的大部分范围内θ有一个不随高度变化的气层，风速也是如此，相应温度呈绝热下降，我们称之为混合层(ML)。

其原因是强烈的湍流混合使风、位温等垂直梯度减小，造成均匀分布。

在边界层以上的自由大气(FA)中，温度恢复为自由大气的递减率，位温则随高度而增，风则接近地转风速。

在自由大气与边界层间有一个过渡区域，其中各气象要素由边界层值逐渐过渡到自由大气。

此层称为夹卷层(EZ)，在夹卷层中，发生着复杂的物理过程，从边界层中受热上升的气块可以穿透边界层与自由大气间的逆温而进入自由大气。

同样，湍流、重力波等亦可使自由大气中具有较高位温的气块进入边界层，这种过程称为夹卷，在夹卷层中即进行着边界层与自由大气间的各种交换。

典型夜间的风温廓线从图 1.3.1可看出在地面附近有一个逆温层，亦即稳定边界层(SBL)，在T 和θ上均体现出来，这是由于地面强烈冷却造成地面温度低于大气造成，在其上则是一个θ随高度变化很小的“残留层”(RL)，从成因来说，白天的对流边界层在夜间由于地面降温而在近地面形成逆温，但上部一段却保持着白天混合层的特征，使θ近于随高度不变，并且在残留层与自由大气间仍有顶盖逆温(CI)，但残留层由于逆温层的存在已与地面脱离关系，其中湍流得不到发展的动力而逐渐衰减。

夜间边界层的风场由于夜间湍流弱，湍流摩擦力减小，风速与白天比得到加强，因而呈现出有最大风在某高度出现。

2. 大气边界层是与人类活动关系最为密切的一层，大气边界层具有哪些基本特点？分析：大气边界层的基本特点有：（1）运动的湍流性大气边界层有别于其上的自由大气的基本特点就是其运动的湍流性。

大涡模拟概述

'
'
G (x x ) {
1 0
6 r
2
| x | / 2 | x | / 2
/
2
r
x x
'
均匀过滤器过滤器
空间三维过滤器微分过滤器
非均匀过滤器
非均匀卷积型过滤器 1/ 非均匀盒式过滤器 G ( x x ) { 0 2阶精度可交换盒式过滤器非均匀三维过滤器
二. 如何封闭过滤后的N-S方程通过对亚网格应力不同的简化就构成了不同的亚网格模型。
动态Smagorinsky模型尺度相似模型 7
二、大涡模拟的基本思想
不可压缩牛顿流体x 方向瞬时量N-S方程：
u t u y

Du Dt F bx P x u
2
v

1 P
i i i '
过滤前瞬时变量值
被过滤器平均化的小尺度变量 ——不可解尺度变量
过滤后的变量——可解尺度变量，其湍流尺度大于∆
注意：这里的不是时间上的平均，而是在空间域上的平均。
10
10
三、过滤函数
湍流脉动的过滤
过滤方法的种类：
均匀盒式过滤器高斯过滤器 G ( x x ) Ae
ui t

x j
(u iu j )
1 p
xi

x j x j
(
ui
)
x j
(uiu j uiu j )
物理意义：亚网格应力是可解尺度脉动和过滤掉的小尺度脉动（不可解尺度脉动）间的动量输运。
i i
可以看到滤波后的方程里除了有大尺度涡的未知量 u 和 p ，还出现了新的未知量亚网格应力 u u u u ，这样，方程组就不能封闭，需要构造模型使过滤后的N-S方程封闭。所构造的模型就是下面将要介绍的亚网格模型。

大气边界层风场特征模拟与分析研究

大气边界层风场特征模拟与分析研究在大气科学领域中，大气边界层是指地球表面与上层大气之间的过渡层，对于气象预测、空气质量评估等领域具有重要意义。

而其中的风场特征是其研究的重点之一。

本文将探讨大气边界层风场特征的模拟与分析方法。

一、背景介绍大气边界层的风场特征是受多种因素综合影响的，在不同的地理环境中表现出差异性。

由于大气边界层风场的复杂性，为了更好地理解和模拟其特征，研究者们提出了不同的方法和技术。

二、数值模拟方法数值模拟方法是研究大气边界层风场特征的常用手段之一。

该方法通过数学模型和计算机算法来模拟大气边界层风场的演变过程。

常见的数值模拟方法包括气象模式、雷达回波模拟等。

1. 气象模式气象模式是通过一系列参数和方程来描述大气运动、能量传递和物质运输的数值模型。

通过运行气象模式，可以模拟大气边界层的风场特征。

常用的气象模式包括欧洲中期天气预报中心的欧洲中期天气预报模式（ECMWF）、美国国家环境预报中心的全球预报系统（GFS）等。

2. 雷达回波模拟雷达回波模拟是利用雷达回波数据和数学模型，通过计算和推算得到大气边界层的风场信息。

通过分析雷达回波的特征，可以获取大气边界层风场的分布和运动情况。

三、实测资料分析方法除了数值模拟方法外，实测资料的分析也是研究大气边界层风场特征的重要手段之一。

通过各种地面、航空、卫星观测站点所获取的实测数据，可以对大气边界层的风场特征进行分析。

1. 地面观测站点地面观测站点是通过建立气象观测站网络，采集并记录大气各种要素的实测资料。

通过对地面观测站点资料的分析，可以得到不同地理环境中大气边界层风场的特征。

2. 航空观测资料航空观测资料是通过飞机或无人机等航空平台所采集的数据。

通过对航空观测资料的分析，可以获取大气边界层风场在垂直方向上的变化情况，进而揭示其垂直结构特征。

3. 卫星观测资料卫星观测资料是通过卫星对地球表面进行遥感探测所获取的数据。

卫星观测资料具有广覆盖区域、高时空分辨率的特点，通过对卫星观测资料的分析，可以更全面地认识大气边界层风场特征。

黄土高原一次γ中尺度致洪大暴雨环境场特征分析

黄土高原一次γ中尺度致洪大暴雨环境场特征分析井宇;陈闯;马晓华;康磊;蒋伊蓉【摘要】In order to improve the forecasting and early warning capabilities of meso-γ scale flooding rainstorm at LoessPlateau,NCEP1°≤×1°≤reanalysis data, conventional observation data and Doppler radar data, etc. were used to analyze a meso-γ scale flooding rainstorm occurred at Loess Plateau on July 18th, 2015. The results showed that: the vortex at 700~200 hPa and the low level shear line were the main influence system of the flooding rainstorm. The strength of convective instability and increase of CAPE in heavy rain area before rainstorm provided favorable conditions for the occurrence of severe weather; the rainstorm area had a good corresponding relationship with the energy center of moist enthalpy generated at surface and the high value center of vertical component of convective vorticity vector generated at 850 hPa and 700 hPa before the heavy rain. The development of meso-βscale convective cloud cluster in the linear mesoscale convective system have direct influence on the heavy rainfall. The linear mesoscale convective system was manifested as band echo composed of multiple convective cells in radar echo images, central intensity of the convective cells which affected the rainstorm area is greater than 50dBz, the analysis of radial velocity field showed that the generation and maintenance of meso-γ scale cyclonic convergence offer dynamical condition for the continuation of the heavy rain.%为了提高对黄土高原γ中尺度致洪暴雨预报和预警能力,利用NCEP 1≤°×1°≤逐6 h再分析资料、常规观测资料、多普勒天气雷达资料等,对2015年7月18日黄土高原发生的一次γ中尺度致洪暴雨进行了诊断分析.结果表明:700~200 hPa深厚低涡和低层切变是这次暴雨的主要影响系统;暴雨发生前暴雨区大气层结对流不稳定增强和对流有效位能的增长为强天气的发生提供了有利条件;暴雨发生前地面图上生成的湿焓高能中心、850 hPa和700 hPa等压面上生成的对流涡度矢量垂直分量高值中心和暴雨落区形成很好的对应关系;线状中尺度对流系统中β中尺度对流云团的发展加强对强降水有直接影响;线状中尺度对流系统在雷达回波图上体现为多个对流单体组成的带状回波,影响暴雨区的对流单体回波中心强度>50 dBZ,径向速度场分析表明γ中尺度气旋性辐合的生成和维持为暴雨的持续提供了动力条件.【期刊名称】《沙漠与绿洲气象》【年(卷),期】2017(011)006【总页数】9页(P17-25)【关键词】黄土高原;线状中尺度对流系统;β中尺度对流云团;大暴雨【作者】井宇;陈闯;马晓华;康磊;蒋伊蓉【作者单位】陕西省气象台,陕西西安710014;陕西省气象科学研究所,陕西西安710014;陕西省气象台,陕西西安710014;陕西榆林市气象局,陕西榆林719000;陕西榆林市气象局,陕西榆林719000【正文语种】中文【中图分类】P458.2井宇，陈闯，马晓华，等.黄土高原一次γ中尺度致洪大暴雨环境场特征分析[J].沙漠与绿洲气象，2017，11（6）：17-25.暴雨是在有利的大尺度环境下，由中小尺度对流系统直接造成的[1]。

土地利用类型变化对城市大气边界层特征影响的数值模拟

，ＺＨＡＮＧＣｈｉＨＵＪｒａｔｏｒｏＧｅｏｒａｈｉｃＩｎｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅＭｉｎｉｓｔｒｏＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＥａｓｔＣｈｉｎａｙｙｆｇｐｆｙｆ
（）文章编号：１０００５６４１２０１１０４００８３１１－－－
土地利用类型变化对城市大气边界层特征影响的数值模拟
张弛，束炯
（）华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室，上海２０００６２摘要：利用Ｅ将ＡＮＶＩ和ＩＤＬ，ＧＩＳ以及上海市航片，ＲＷ－ＷＲＦ中尺度模式中的下垫面土地利用类型数据中上海市部分做了修正：对照模式中２将原本定义为农作物耕地４种土地类型分类，草地，灌木丛，以及沙土和淤泥的部分，根据实际情况改为城区和在建城区，扩大了城市和草场，的范围，获取城市建筑物高度信息以得到更精确地粗糙度数据，使其与实际情况更相符．对上海温度场以及边界层高度等特征值分别进行了土地利用数据修正前地区春季大气边界层的风场、后的数值模拟研究，对比结果，发现下垫面土地利用类型由耕地等类型变为城市后，水平风速显著减小，呈现明显城市拖曳作用；垂直速度增大，并由于白天陆面加温作用更为显著，在地面风场的作用下高温中心出现偏于下风方向；近地面气温和边界层高度均更贴近实测值．由上述结果引出讨论了下垫面土地利用分类在模式模拟中的重要地位及其他可能原因．关键词：ＷＲＦ模式；下垫面土地利用类型；城市建筑物；大气边界层；数值模拟：／中图分类号：Ｐ４文献标识码：ＡＤＯＩ１０．３９６９５６４１．２０１１．０４．０１０．ｉｓｓｎ．１０００－ｊ