Page 143 - 《高原气象》2022年第5期

高 原 气 象 41 卷
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界层高度也因此升高。风切变和粗糙度对于边界 层厚度与 Test1 相比，有不同程度的增大［图 3（b）~
层高度的影响则不如地表加热作用明显。 （d）］。地表加热试验（Test2）中夹卷层厚度的增大
3. 2 对夹卷层厚度和湍流动能的影响 程度最大，约 120. 8%；风切变试验（Test3）和粗糙
依 据 计 算 公 式（1~4），Test1、Test2、Test3 和 度 试 验（Test4）增 大 程 度 相 当 ，分 别 为 31. 2% 和
Test4 的归一化夹卷层厚度分别为 0. 076，0. 132， 23. 4%。夹卷层厚度的增加，使自由大气中更多的
0. 089 和 0. 085，对 应 的 夹 卷 层 厚 度 分 别 为 77， 暖空气被夹卷进入边界层，增大边界层顶位温，提
170，101 和 95 m。三个单变量敏感性试验的夹卷 升热力边界层高度。

图3 理想对流边界层结构示意图、各模拟试验的大气边界层结构和夹卷层厚度（EZT）
（b）~（d）中水平线和阴影区分别代表各试验的热力边界层高度（TBLH）和夹卷层厚度（EZT）
Fig. 3 Schematic diagram of the ideal convective boundary layer structure，atmosphere boundary layer structures and entrainment
zone thickness（EZT）of each simulation. In Fig. 3（b）~（d），horizontal lines and shadows represent the thermodynamic
boundary layer height（TBLH）and the entrapment zone thickness（EZT）of each simulation
依据公式（5），计算并对比三个敏感性试验和 平分布（用 X、Y 代表模拟区域水平方向的长、宽距
控制试验（Test1）的湍流动能廓线（图 4），同时分析 离），取 0. 2 h、0. 5 h 和 1. 0 h（h 分别是各试验对应
其与热力边界层高度和夹卷层厚度的关系。热力 的热力边界层高度）分别代表每个试验的边界层的
边界层高度内，Test2、Test3 和 Test4 的湍流动能平 下部、中部和顶部。将每个高度的垂直运动强度定
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均值分别为 0. 51 m·s 、0. 44 m·s 和 0. 34 m·s ， 义为上升速度和下沉速度的平均。地表加热增大 5
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前两者分别比 Test1（0. 35 m·s ）增大了约 45. 7% 倍［Test2，图 5（d）~（f）］，边界层上部、中部和下部
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和 25. 7%，而粗糙度试验则减小了约 2. 9%。地表 的垂直运动强度分别比 Test1 增大了 67%，64% 和
加热和风切变增大，均使全边界层的湍流动能明显 105%，边界层整层的垂直运动强度明显增大，在边
增大，但风切变试验增大的程度较小；这两个试验 界层顶部仍有很多上升速度高值中心，这导致了夹
的夹卷层厚度均增加，表明动量更多地向下夹卷进 卷层厚度和湍流动能的增强，使得边界层高度上
入边界层，边界层顶附近的湍流动能增大。地表粗 升。低层风切变增大 0. 5 倍［Test3，图 5（g）~（i）］，
糙度增大后，摩擦作用的影响主要集中在低层，使 不同高度的垂直运动强度分别比 Test1 增大了 8%，
得低层湍流动能减小；而由于地表粗糙度试验夹卷 -3% 和 4%。500 m 以下风切变增大主要增大了低
层也略有增厚，边界层顶部湍流动能有所增大，但 层的对流运动；中层，由于受低层风速增大的影
其影响范围有限。 响，风切变有所减小，导致对流运动受到影响。地
3. 3 对垂直速度和10 m高度处风速的影响 表粗糙度增大 4 倍［Test4，图 5（j）~（l）］，不同高度
图 5 显示了 Test1~Tes4 不同高度垂直速度的水 的垂直运动强度分别比 Test1 减小了 4%，0. 1% 和