Page 144 - 《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 1237

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图4 各模拟试验的湍流动能（TKE）廓线计算结果（单位：m·s ）
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水平线和阴影分别代表各试验的热力边界层高度（TBLH）和夹卷层厚度（EZT）
Fig. 4 Calculated results of turbulent kinetic energy（TKE）profiles of each simulation. Unit：m·s . Horizontal lines
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and shadows represent the thermodynamic boundary layer height（TBLH）and the entrapment
zone thickness（EZT）of each simulation，respectively
16%。增大地表粗糙度后，垂直运动强度有所减 有对流边界层的特点，但在三种变量的共同作用
小，尤其在边界层顶。 下，边界层结构又与三种单变量敏感性试验有差
图 6 是各模拟试验 10 m 高度处风速模拟结果 别。Test5 的热力边界层高度为 1333 m，动力边界
的水平分布。控制试验 Test1 的风速范围为 1. 5~ 层高度为 690 m。Test5 的混合层内位温廓线与地
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3. 3 m·s ，平 均 值 为 2. 3 m·s 。 地 表 加 热 试 验 表加热试验（Test2）几乎重合，但夹卷层内位温略
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Test2 的风速范围是 1. 2~3. 6 m·s ，平均值为 2. 3 高于 Test2；由于增大风切变后间接增大了风速，
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Test5 动力边界层内的风速大于 Test2，增加动力作
m·s ，风速范围比 Test1大，但平均值相差不大，并
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用 后 ，边 界 层 整 层 的 湍 流 动 能 比 Test2 大 0. 22
且 Test2的水平风切变更大。风切变试验 Test3的风
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m·s ，可见在地表加热基础上增加风切变和粗糙
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速范围为 2. 0~4. 6 m·s ，平均值为 3. 0 m·s ，风速
度 作 用 会 对 夹 卷 层 和 湍 流 动 能 产 生 一 定 影 响 。
比 Test1 大，这是由于在增大风切变的过程中间接
Test5 动 力 边 界 层 内 的 u 风 速 小 于 风 切 变 试 验
增大了风速。粗糙度试验 Test4 的风速范围是 1. 1~
（Test3），这主要是地表加热增强了对流混合作
2. 7 m·s ，平均值为 1. 8 m·s ，与 Test1 相比，风速
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用，风速垂直混合更加均匀；边界层整层的湍流动
有明显的减小，这是由于当粗糙度增大时，近地层
能比 Test3 大 0. 28 m·s ，可见加入了地表加热影
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的湍流应力增大，这将引起其上方的空气减速，这
响能有效增大湍流动能。Test5 的湍流动能也较粗
种减速又使湍流应力减少，最后达到一个新的平 糙度试验 Test4 增大了 0. 40 m·s 。地表加热和风
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衡，但新的应力比原来要大一些；当近地表的空气 切变对湍流动能和边界层结构的影响较为显著，
减速时，与其上部气层间切变增大，应力增大，其 而粗糙度的影响主要集中在低层，在综合试验中
上的空气又减速，如此向上传播，使得整层的风速 产生的影响较小。
减小。
3. 4 地表加热、低层风切变和地表粗糙度综合作 4 结论
用对边界层结构的影响 对大气边界层结构的研究有助于进一步了解
综合试验（Test5）的位温廓线与 Test2 相似，具 气象因素影响污染扩散等问题。本文利用 WRF-