Page 141 - 《高原气象》2022年第5期

高 原 气 象 41 卷
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仅将地表热通量增大 5 倍，可用来模拟农田下垫面 变量同时增大相应的倍数，模拟热力和动力的综合
在日出时和 10:00 左右的地表热通量差异（陈丽晶 作用对边界层结构的影响。
等，2017）对边界层结构的影响；低层风切变试验 模式输入的初始场气象要素廓线如图 1 所示，
Test3 仅将 500 m 以下风切变增大 0. 5 倍；地表粗糙 其中风速u、v分量分别表示纬向风分量和经向风分
度试验 Test4 仅将粗糙度增大 4 倍，可用来模拟农 量，每个模拟试验具有相同的初始位温廓线和比湿
田和城镇郊区下垫面的粗糙度差异（李惠君，2008） 廓线，其中 Test3 和 Test5 的 u、v 廓线有所不同，
对边界层结构的影响；综合试验 Test5 将上述三种 500 m以下风切变增大。

图1 各模拟试验的初始场气象要素廓线
Fig. 1 Initial sounding profiles of each simulation
2. 3 边界层高度、夹卷层厚度和湍流动能的计算 Δh - 1 2 （1）
h = 1.47 ⋅ R h0
大气边界层高度的确定有不同的途径和方法，
式中： h 是热力边界层高度（TBLH）；全理查孙数
从热力因素出发，将温度梯度明显不连续的高度，
R h0 定义为式（2）：
定 为 热 力 边 界 层 高 度（Thermodynamic Boundary
2 2 （2）
Layer Height，TBLH），用位温垂直梯度（∂θ ∂z）最 R h0 = N ⋅ h W h0
式中： N = ( g θ 0 ) ⋅ Γ， g θ 0 是浮力常数， Γ 是 h 2 高
大值对应的高度表示（Seidel et al，2010）；从风随高
度的变化来看，将水平 u 风速分量的第一个最大值 度之上自由大气的位温梯度； W h0 是混合层顶部热
对应的高度定为动力边界层高度（Dynamic Bound‐ 泡平均向上的速度尺度，定义为式（3）：
1
ary Layer Height，DBLH）（叶卓佳，1982）。 W h0 = w * + 32u * 3 （3）
3
3
根据 Deardorff（1979）一阶模型得到的位温廓 - ----- 2 - ----- 1 4
式中：u * = [ ( u'w' ) + ( v'w' ) ] （高会旺等，2009）
2
2
线［图 3（a）］，混合层高度用 h 0 表示，其内位温垂直
分布均匀，混合层之上的夹卷层厚度（Entrainment 是边界层高度处的摩擦速度，对流速度尺度 w * 定
Zone Thickness，EZT）用 Δh = h 2 - h 0 表示， h 2 是夹 义为公式（4）（林恒等，2008）： - -
------ --
3
卷层顶高度也是与自由大气层过渡的高度。模拟 ------ -- - - w * = ( g θ 0 ) (w'θ') s ⋅ h （4）
-1
试验的下垫面平坦，湍流在水平方向均匀平稳，可 式中： (w'θ') s 是地表热通量（单位：K·m·s ）。
-
用物理量的空间平均近似总体平均。将不同高度 湍流动能 e （Turbulent Kinetic Energy，TKE，单
2
-2
的 u、 v、 w 速度分量（单位：m·s ）取空间平均得到 位：m·s ）是衡量湍流混合能力的重要指标，定义
-1
- - - - - 为公式（5）（袁仁民，2005）：
u， v， w，用速度的空间脉动 u' = u - u， v' = v - u，
- - - 2 - 2 ------ 2
w' = w - w 来描述空间三维湍流。 e = ( u' + v' + w' ) 2 （5）
袁仁民（2005）利用实测资料将归一化夹卷层 所有模拟结果在 1~8 h 内逐渐收敛并趋于稳
厚度 Δh h 与全理查孙数 R h0 的关系定义为式（1）： 定，8 h后达到准平稳状态，后续分析采用 9. 5~10 h