Page 142 - 《高原气象》2022年第5期

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 1235
的时间平均值或模拟区域的空间平均值来描述对 现对流边界层的特点。但由于加热和动力作用的
流边界层的结构特征，结果具有一定的代表性。 影响，各试验具体的边界层结构仍存在差异。与
Test1相比，地表加热作用增强5倍（Test2）直接导致
3 地表加热、低层风切变和地表粗糙
了地表增温，边界层内平均位温增大 1. 05 K，约
度对边界层结构的影响 0. 34%。加热后大气密度减小，浮力及对流混合增

3. 1 对边界层高度的影响 强，TBLH 明显增大 28. 3%。利用实测资料和模拟
图 2比较了三个单变量敏感性试验和控制试验 结果都能够得到地表热通量增加，边界层高度相应
（Test1）的位温廓线和风速 u分量廓线的模拟结果以 增大的结果，但定量的分析较少（万云霞等，2017；
及各试验的热力边界层高度（TBLH）和动力边界层 赵采玲等，2014）。同时，地面加热作用增强导致
高度（DBLH）。Test1、Test2、Test3 和 Test4 的热力 对流混合增强，混合层内风速分布趋于均匀，使得
边界层高度（动力边界层高度）分别为 1007，1292， 风速与 Test1 相比，在混合层低层增大，中上层减
1127 和 1127 m（652，847，613 和 613 m）。四个试 小，这一变化增大上层风切变，有益于对流作用在
验的位温廓线模拟结果在混合层内垂直分布均匀， 混合层上层的进一步发展，夹卷层内有更多动量下
与自由大气之间存在明显的位温梯度不连续，均呈 传，风速最大值的高度增大，DBLH增大了29. 9%。

图2 各模拟试验的位温廓线（a）和风速u分量廓线（b）的模拟结果
水平线代表热力边界层高度（TBLH）或动力边界层高度（DBLH）
Fig. 2 Simulation results of potential temperature profiles（a）and wind speed u profiles（b）of each simulation.
Horizontal lines are thermodynamic boundary layer height（TBLH）or dynamic boundary layer height（DBLH）
与 Test1 相比，500 m 以下风切变增大 0. 5 倍 与 Test1 相比，地表粗糙度增大 4 倍（Test4）后
（Test3）后边界层内平均位温增大幅度很小，其主要 边界层内增温略大于风切变作用，TBLH 增大了
导致湍流动能增大，对低层的对流作用影响较大， 11. 9%；同时摩擦作用会耗散能量，DBLH 减小了
但程度小于地表加热作用，TBLH 增大 11. 9%。由 6%，但影响主要集中在低层，故 DBLH 降低的不明
于风切变的作用主要集中在中低层，对流作用对上 显。由于地面摩擦作用增大，边界层底部风速减
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层风的分布改变不大，故而 DBLH 变化较小，下降 小，边界层内平均风速减小为3. 0 m·s 。
了 39 m，减小约 6%。另外，增大风切变后间接增 地表的加热作用使得边界层内的温度明显增
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大了低层风速，DBLH 内平均风速从 3. 2 m·s 增大 加，对流作用明显增强，促进热力边界层的发展；
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为4. 2 m·s 。 同时由于对流作用改变了风速的垂直分布，动力边