Page 139 - 《高原气象》2022年第5期

第 41 卷 第 5 期 高 原 气 象 Vol. 41 No. 5
2022 年 10 月 PLATEAU METEOROLOGY October，2022

张敏，梁捷宁，张志达，等，2022. 利用大涡模拟分析地表加热和动力作用对边界层结构的影响［J］. 高原气象，41（5）：1232-
1241. ZHANG Min，LIANG Jiening，ZHANG Zhida，et al，2022. Analyze the Surface Thermodynamic and Dynamic Effects on
the Atmospheric Boundary Layer Structure by Large Eddy Simulation［J］. Plateau Meteorology，41（5）：1232-1241. DOI：
10. 7522/j. issn. 1000-0534. 2021. 00046.

利用大涡模拟分析地表加热和动力作用

对边界层结构的影响

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1
张 敏 ，梁捷宁 ，张志达 ，张 镭 1，2
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（1. 半干旱气候变化教育部重点实验室，兰州大学大气科学学院，甘肃 兰州 730000；
2. 兰州大学西部生态安全省部共建协同创新中心，甘肃 兰州 730000）

摘要：大气边界层结构影响地气间物质能量交换、污染物扩散及人类健康。边界层结构受地表加热和动
力作用影响显著，但实际观测中难以分离每种因素的影响，造成边界层结构和大气湍流参数化的困难。
为此，利用中尺度天气模式 WRF 中的大涡模块 WRF-LES，设置控制试验（Test1），地表热通量试验
（Test2）、低层风切变试验（Test3）、地表粗糙度试验（Test4）及同时改变上述变量的试验（Test5），研究地
表加热、低层风切变和地表粗糙度对平坦下垫面条件下的边界层结构的影响。模拟结果表明：（1）地表
加热增强 5 倍使边界层升温，对流增强，夹卷层厚度增加 120. 8%，全边界层湍流动能增加 45. 7%，热力
和动力边界层高度分别增大 28. 3% 和 29. 9%。强烈的垂直混合作用有利于动量向下传递，使风速在边
界层低层增大、中上层减小。（2）低层风切变增大 0. 5倍，使得热力和动力边界层高度分别增大 11. 9% 和
降低 6%，夹卷层厚度增大 31. 2%，全边界层湍流动能增大 25. 7%。（3）粗糙度增加 4倍，对湍流动能的影
响主要集中在低层，动力边界层高度变化较小，但摩擦损耗作用使动力边界层内风速减小；同时，增加
了边界层顶附近的夹卷作用，使边界层内位温升高。综合来看，地表加热和风切变对湍流动能和边界层
结构的影响较为显著，而粗糙度的影响较小且主要集中在边界层低层。模拟结果能在一定程度上反映
理想条件下边界层结构的变化特点，对气象因素影响污染扩散过程等问题有指示性意义。
关键词：大涡模拟；大气边界层结构；地表热通量；风切变；粗糙度
文章编号：1000-0534（2022）05-1232-10 中图分类号：P421.31 文献标识码：A
DOI：10. 7522/j. issn. 1000-0534. 2021. 00046

1 引言 超过 4 km（张强和王胜，2008）。地表加热和动力作
用影响边界层结构，进而影响地气间物质能量的交
大气边界层是最接近地球表面的低层大气，受
换、污染物的扩散和输送，与人类生产生活直接相
地表强迫较为显著。地表的加热和动力作用使大 关（张小曳等，2020；王倩倩等，2020）。
气边界层内的空气微团进行不规则的随机湍流运 目前，对边界层结构的研究主要基于观测实验
动，没有稳定的运动方向但能有规律的传输物质和 和中尺度模式模拟等方法（张强和王胜，2008；苗
能量（张强，2003），这种湍流运动可通过不断改变 世光等，2010；王腾蛟等，2013；卢萍和李跃清，
气象要素的垂直分布而向上传递，逐渐形成热力和 2020）。大量研究表明：地表热通量是地表加热作
动力边界层。其典型厚度为1~2 km（赵鸣等，1991）， 用的主要表现，具有一定的日变化、季节变化和区
在受地表强加热和残余层影响的极端荒漠地区能 域差异（解晋等，2018；杨成等，2020），边界层结

收稿日期：2020⁃11⁃06；定稿日期：2021⁃05⁃21
资助项目：国家自然科学基金项目（41605005，41521004）
作者简介：张敏（1997-），女，河南人，硕士研究生，主要从事大气边界层—气溶胶相互作用研究. E-mail：zhangm2019@lzu.edu.cn
通信作者：梁捷宁（1985-），女，河南人，讲师，主要从事大气边界层和大气湍流研究. E-mail：liangjn@lzu.edu.cn