不同下墊面上行星邊界層對流的數值模擬研究

不同下墊面上行星邊界層對流的數值模擬研究邊界層對流在熱量、水汽、動量以及氣溶膠的傳輸中起著重要作用。不同的下墊面不僅影響空氣中的物理特性,而且還能影響邊界層對流的形式及其發(fā)展高度。邊界層對流卷是平坦地形上較常見的邊界層對流。當控制深對流觸發(fā)的中尺度輻合較弱時,邊界層對流可以觸發(fā)深對流的發(fā)生。地形的變化能改變邊界層的氣流,如在起伏不平的山地,對流的分布往往是由迎風坡的坡度和寬決定的。而在極端干旱的沙漠地區(qū),較強的地表感熱通量引起的深厚邊界層干對流使沙漠地區(qū)夏季的邊界層厚度可以達到5km以上的高度。深厚的邊界層對流對沙塵的傳輸也有重要影響。本文利用一大渦模式（LEM）模擬研究了平坦地形上邊界層對流卷形成和消散的地表熱通量和風切變的條件,比較了對流卷和非對流卷在深對流的觸發(fā)中的不同。還選取了一實際的半干旱復雜山區(qū)用復雜地形上的邊界層模式（BLASIUS）,在不同的天氣條件下模擬研究了半干旱山區(qū)上空的垂直速度場分布和對流特征以及地形對熱力對流活動的影響。最后在極端干旱的沙漠地區(qū)，用LEM真式模擬了撒哈拉沙漠地區(qū)特有的邊界層結構,并探討了非均勻的地表熱通量對撒哈拉對流邊界層和撒哈拉殘留層、以及對流邊界層到殘留層之間傳輸的影響。邊界層中有不同形式的對流活動。而水平對流卷是邊界層中普遍存在的對流形式之一。它在深對流的觸發(fā)中起著重要作用。對流卷不僅可以與中尺度輻合帶相互作用為深對流的發(fā)展提供有利地點,而且它本身也可以觸發(fā)深對流。本文利用英國氣象局的三維大渦模式（LEM模擬研究了SmallCumulusMicrolohysicalStudy（SCMS外場試驗期間8月15日觀測的水平對流卷。模擬的邊界層變量與實測的探空廓線和飛機觀測結果相比,盡管模擬的虛位溫和水汽混合分別比觀測的大0.5K和減小0.2gkg^-1,但是模擬和觀測的垂直速度場具有相似的變化范圍（-2或-3ms^-1到2.5ms^-1）,而且模式能較合理地模擬出實測的邊界層對流卷。利用此模式我們還考察了對流卷的形成對地表熱通量和地轉風切變值的大小依賴關系。模擬的個例結果顯示對流卷維持所需要的地表熱通量的上限是110Wm^-2（由于模式運行所需的自旋（spin-up）時間的限制，我們無法判斷對流卷維持所需的地表熱通量值的下限）。當邊界層風切變大于5X10^-3s^-1時，有對流卷形成。模擬結果還表明，當50—Zi/L045時，對流卷開始消散。這個臨界值的大小與包含風切變、對流邊界層高度和對流速度尺度的無量綱量（如（?））有關。我們還對垂直速度場和余弦函數進行了二維相關分析,從而定量地評估了邊界層對流卷的線性（用0.25作為對流卷形成的臨界值）。為了探討邊界層對流卷在深對流觸發(fā)中的重要性,我們比較了邊界層對流卷和非對流卷的個例（對流卷和非對流卷的實驗中,除了風和風切變不同,其它模擬條件都相同）。結果表明,在對流卷和非對流卷的個例中,是初始氣塊的變化對對流抑制能量（CIN）的大小有主要貢獻，而初始氣塊抬升逆溫層頂的過程對CIN的變化影響較小。另外,非對流卷具有較強的濕上升氣流,而在對流卷中上升和下沉運動的分布較對稱,而且它的下沉氣流比非對流卷的強。因此非對流卷具有更小的CIN值,這使非對流卷的云頂高度較對流卷的早15分鐘開始增加。,從而使兩者的云頂高度約在同一時間達到最大（2.7km）。本文還利用高分辨率的數值模式（BLASIUS）,從西北地區(qū)選取了一實際的復雜山區(qū)進行了一系列的理想數值模擬。分析了在不同天氣條件下（不同的大尺度地轉風和大氣靜力穩(wěn)定度下）山區(qū)上空的垂直速度場分布和對流特征以及地形對熱力對流活動的影響。模式結果表明，當地轉風速較?。ㄈ顼L速為5ms^-1和10ms^-1的情況）（Froude數小于0.5的情況）的條件下,氣流往往被山峰阻塞而在迎風坡造成地形強迫和輻合性抬升,從而易在迎風坡觸發(fā)深對流活動;在背風坡則由于迎風坡的繞流重新輻合而造成垂直運動。繞流的輻合是觸發(fā)深對流活動的另一重要因子。當地轉風速較大時（20ms^-1）,氣流很容易越過山脊,地形重力波容易在山地下游被激發(fā)。另外還分析了復雜地形上空熱力對流的特征。結果顯示,模式積分3h后,有對流卷在山脊的周邊產生;模式積分6h后,一些強度較弱的對流卷開始消失或者與其它的對流卷合并,而且對流卷的波長也有所增加。另外,在大氣靜力穩(wěn)定度較小時,對流卷的強度也較強。因此對流活動在穩(wěn)定度較小時可以延伸到更高的高度。如果對流上升運動正好與重力波相拌的上升運動區(qū)相合,在此區(qū)域內的垂直上升運動將得到加強。相反地,如果對流上升運動正好與重力波相伴的下沉運動區(qū)相重合,在此區(qū)域內的對流上升運動將受到抑制。重力波除了與對流活動相耦合,使氣團上升到較高的高度外,如果重力波的走向與對流卷的走向夾角不大時,重力波對對流卷走向的影響較顯著。因此我們認為重力波的走向很可能會影響到深對流系統的傳播路經。實測結果表明撒哈拉對流邊界層（CBD增溫2K與撒哈拉地表反照率分布不均勻（如尺度約為20km的巖石區(qū)地表反照率是0.2,而周圍沙漠的地表反照率為0.45）密切相關。進而猜測地表反照率分布不均勻也可能影響撒哈拉殘留層（SRL）的垂直混合。由于缺少SRL的觀測資料，這一猜測只能由數值模擬結果來證實。因此我們GERBIntercomparisonofLongwaveandShortwaveRadiation（GERBILS外場試驗期間兩個觀測個例為基礎,利用大渦模式進行了大量的敏感性數值模擬實驗，研究了非均勻的地表熱通量對撒哈拉對流邊界層、撒哈拉氣層及CBL到SRL的傳輸的影響。模擬結果表明,地表較熱的區(qū)域里（在模式的底層取一小塊,使它表面的熱通量高于周圍區(qū)域表面的熱通量）CBL中產生的上升和輻合運動，加強了CBL!JSRL的傳輸；而熱區(qū)周圍的下沉運動又抑制了CBL的增長。在環(huán)境風速較小，非均勻的地表熱通量加強的條件下,如果保持模擬區(qū)域的地表熱通量保持不變,即增加熱區(qū)地表熱通量但減少熱區(qū)周圍的地表熱通量時,導致對流邊界層變冷、厚度減小;如果是熱區(qū)周圍區(qū)域的地表熱通量保持不變,則對流邊界層變暖,且厚度減小。為了進一步研究地表熱通量的非均勻性對CBL和SRd間物質傳輸的影響，我們在模式的底層（200m高度以下）加入了被動示蹤物（值為100）。通過分析不同的（？）或（？）（這里M和D分別是地表熱通量和熱區(qū)水平尺度的增大倍數，U是1000m高度上的初始風速）。對應的示蹤物濃度的垂直廓線表明，（？）或MDt曾大時（風速較小，非均勻的地表熱通量強度較大時）不僅使對流邊界層（CBL）的厚度減小,而且可以加強示蹤物從對流邊界