Page 140 - 《高原气象》2022年第5期
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5 期                张   敏等：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                                       1233
               构受其影响也呈现一定的变化特征（张强等，2011；                         对流边界层特征的影响，通过一组敏感性试验，细
               苏彦入等，2018）。低空风切变和地表粗糙度是影                          致研究绿洲土壤含水量对对流边界层结构、稳定
               响边界层结构的主要动力因素（杨耀先等，2014；                          性、湍流动能和垂直通量的影响；Shen et al（2018）
               黄倩等，2014）。风切变增大能够加强大气湍流，                          研究城市热岛环流与海风环流之间的相互作用，模
               促进边界层发展（朱春玲等，2011）；城市化进程增                         拟了 5个城市案例（城市大小、位置、地表加热强度
               大了地表粗糙度进而增大了对大气运动的拖曳作                             和地表粗糙度差异）和一个非城市案例，发现海陆
               用（彭珍和胡非，2006）。为了应对观测实验成本                          风指标的时间特征在很大程度上受到陆地表面热
               高，资料空间分辨率低和中尺度模式对于小尺度湍                            通量的影响。WRF-LES 大涡模式对边界层结构模
               流分辨率过低等问题，学者们提出大涡模拟的方法                            拟效果良好，对湍流的模拟是可信的，已被大量应
               来 模 拟 更 加 细 致 的 湍 流 结 构 。 在 直 接 模 拟 法             用于边界层结构的研究中，但目前利用大涡模式讨
              （DNS）和雷诺平均法（RANS）的基础上，大涡模拟                         论地表加热和动力的综合作用对边界层结构影响
              （Large Eddy Simulation，LES）将物理量区分为大尺               的研究仍需补充。
               度量和小尺度量，小尺度量通过非线性关联量与大                                本文利用 WRF-LES（Version 3. 5. 1）模拟分析
               尺度运动产生联系；直接数值计算出大尺度量后，                            了不同条件下平坦理想下垫面的边界层结构，定量
               通过次网格模型给出关联量与大尺度量之间的关系                            地讨论了不同地表加热、低层风切变和地表粗糙度
              （次网格雷诺应力），进而计算出更细致的湍流谱（苏                           对边界层结构的单一影响和综合影响，加深对边界
               铭德，1984）。大涡模拟（LES）具有分辨率高、可模                       层结构的认识，为后续分析气象因素影响边界层结
               拟大气的部分随机湍流运动的特点，许多学者用它                            构进而影响污染物分布方面的工作提供参考。
               部分代替外场实验，为大气边界层结构及湍流研究                            2   数据来源与方法介绍
               提供基础数据，在边界层模拟中具有一定的优势（蒋
               维楣和苗世光，2004；Zhu，2008；王蓉等，2020）。                   2. 1  模式方案
                   利用大涡模式设计敏感性试验可讨论城市动                               使用的 WRF-LES（Version 3. 5. 1）对理想平坦
               力拖曳作用对于对流边界层湍流结构和湍流动能                             下垫面条件下的对流边界层结构具有良好的模拟
               的影响，风切变和地表热通量对大气边界层对流以                            效果。
               及对示踪物抬升和传输的影响（刘红年等，2008；                              模 拟 空 间 设 置 为 5 km×5 km×2 km（长 ×宽 ×
               黄倩等，2014；王蓉等，2015）。其中，新一代中尺                       高），水平分辨率为 100 m，垂直分为 50层。模拟的
               度预报模式（Weather Research and Forecasting Mod‐       初始下垫面地形平坦均匀，粗糙度为 0. 1 m（地表类
               el，WRF）中 的 子 模 块 -3D 理 想 大 涡 模 式（WRF-             型可对应为农田）。近地层物理参数化方案选择
               LES）也被广泛应用于大气边界层结构及湍流的模                           MM5相似理论，陆面近地层模型选择 5层热扩散方
               拟（曹 帮 军 等 ，2019；李 雪 洮 等 ，2020）。 利 用               案 ，三 维 1. 5 阶 TKE（湍 流 动 能）闭 合 方 案 以 及
               WRF-LES，Kang and Lenschow（2014）在约 100 m           Deardorff 的 TKE 方案。模式输入的初始场气象数
               高的平坦地形上研究中尺度局部地表非均匀性对                             据为西安泾河气象站（34. 43°N，108. 97°E）2017 年
               由二维地表热通量变化驱动的对流边界层中低层                             8 月 16 日 08:00（北京时，下同）的秒级探空数据。
               流动的时间演化的影响，并且评估 WRF-LES 模型                        积分时长为10 h，时间积分步长为0. 1 s。
               在模拟水平均匀和弱非均匀性地表上的水平风速                             2. 2  试验设置
               和 垂 直 速 度（u、v 和 w）方 差 的 性 能 ；Cao et al                设置 1 个控制试验（Test1）、3 个单变量敏感性
              （2018）研究了类似于中国西北地区灌溉土地利用                           试验（Test2~Test4）和 1 个综合敏感性试验（Test5）
               类型的半理想化带状的绿洲和沙漠块地形差异对                            （表 1）。在控制试验的基础上，地表加热试验 Test2

                                                表1   各模拟试验的初始气象参数设置
                                  Table 1  Setting of the initial meteorological parameters of each simulation
                          变量               Test 1控制试验  Test2地表加热试验    Test3风切变试验    Test4粗糙度试验     Test5综合试验
                                  -1
                    地表热通量/（K·m·s ）            0. 01         0. 06         0. 01         0. 01         0. 06
                       低层风切变/s  -1            0. 009        0. 009        0. 013        0. 009        0. 013
                       地表粗糙度/m                0. 1          0. 1          0. 1          0. 5          0. 5
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