Page 202 - 《高原气象》2023年第1期

高 原 气 象 42 卷
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数值模式开展复杂地形下边界层风场研究需要更 风场模拟试验， 该区域属阴山山脉和燕山交界处，
小的网格距， 但大多数中尺度模式的大气边界层参 海拔在 1000~2200 m， 且依托“科技冬奥”项目建设
数化方案都是建立在粗分辨率网格基础上， 其一般 了多套自动气象观测站和激光雷达观测设备。本
采用雷诺平均方式处理 Navier-Stokes 方程的闭合 文选取了一次具有明显局地风环流特征的晴空高
问题， 较少考虑水平湍流交换， 更适合平坦地形， 压系统控制下天气个例进行模拟试验， 用以评估
无法捕捉微小尺度的湍流运动（余梁， 2015； Goger WRF-LES 对复杂地形下局地风环流的模拟能力。
et al， 2018）。 为 了 提 高 模 拟 结 果 的 准 确 性 ， 本 研 究 引 入 了
大涡模拟（Large-Eddy Simulation， LES）根据大 STRM1 30 m 地形数据、 基于二级分类的 27 m 土地
部分能量由大尺度湍涡传输而小尺度湍涡通过能 利用数据和中国气象局提供的 CLDAS 土壤湿度数
量串级耗散能量的特征， 使用空间滤波函数将可分 据， 并设计了敏感性试验探讨不同资料对模拟结果
辨的大尺度含能涡旋和小尺度涡旋分离， 显示地计 的影响。此外， 在短波辐射过程中还考虑了地形坡
算较大尺度的含能涡旋， 通过参数化的方法表征不 度和阴影效应对模拟结果的影响。
可分辨小尺度湍流对可分辨率运动的作用（Chow
et al， 2013； 刘郁珏等， 2018）。Deardorff（1972）首 2 资料来源和方法介绍
次将 LES 应用于大气边界层的模拟， 随后， Dear‐
2. 1 模式配置及模拟时段
dorff（1980）和Moeng（1984）先后建立了具有不同动
本试验基于 WRF（3. 8. 1 版本）模式， 采用四重
力框架的 LES 模式。不同于传统边界层参数化方
嵌套（图 1）， d04 区域分辨率为 100 m， 设有 370×
案， LES 可分辨大部分的能量湍涡， 将中尺度模式
370 个格点， 尽可能地包含更多观测站点。各层网
与 LES 耦合可作为一种将大尺度过渡到小尺度的
格设置见表 1。投影方式设为 lambert， 采用地形追
有效方式（张嘉荣和程雪玲， 2020）。
随坐标系， 外层模拟区域的中心点位于（40. 6°N，
受计算条件限制， LES 多用于理想条件下开展
试验（Moeng and Sullivan， 1994； Chow et al， 2006； 113°E）， 模式垂直方向采用下密上疏的方式共设 52
层， 距地 1 km 高度内共设有 18 层， 第一层格点距
Kang and Lenschow， 2014； 姜平等， 2019）。近年
地面高度约为 15 m。模拟区域见图 1， 最内层的
来随着计算水平不断提高， 越来越多学者将 LES应
用于真实天气个例的模拟（Talbot et al， 2013； 孙学
金等， 2017； Crosman and Horel， 2017； 左全和张庆
红， 2016； 刘郁珏等， 2018； 李雪洮等， 2020）。随
着网格分辨率的提高， 使用 LES开展真实个例模拟
需要与之相匹配的精细陆面资料， 如地形、 土地利
用 、 土 壤 类 型 、 土 壤 温 湿 度 初 始 场 等（Megan，
2010； 孙学金等， 2017）。WRF 作为广泛应用的新
一代中尺度天气模式， 具备开展 LES所需的动力框
架及物理方案。WRF-LES 被广泛地应用到很多领
域， 如风能预报（Liu et al， 2011）， 水文气象和降水
预报（Gerber et al， 2018）， 湍流特征研究（Goger et
图 1 模拟区域和嵌套设置
al， 2018）， 以 及 局 地 环 流 模 拟 等（Crosman and
阴影区为地形（单位： m）
Horel， 2017）。还有一些学者针对地形分辨率、 相 Fig. 1 The simulated and nested region
关参数和次网格方案等开展了敏感性试验评估 LES
表 1 模式网格设置
的适用性（孙学金等， 2017； Liu et al， 2020）。目前
Table 1 Grid settings for all domains
采用 WRF-LES 针对复杂地形下局地风场的模拟能
区域 类型 水平分辨率 格点数 积分步长
力评估研究还较少（刘郁珏等， 2018）， 需要更多试
验对 WRF-LES 在复杂地形下的模拟性能进行系统 d01 中尺度 7500 m 361×301×52 25 s
评估。 d02 中尺度 1500 m 301×301×52 5 s
本文采用四重嵌套的 WRF-LES， 内层分辨率 d03 小尺度 300 m 301×301×52 1 s
设为 100 m， 针对 2022 年北京冬奥会崇礼赛区开展 d04 小尺度 100 m 370×370×52 1/5 s