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南疆水陆混合下垫面大气边界层特征研究

作　者: 田幼华
导　师: 吕光辉
学　校: 新疆大学
专　业: 生态学
关键词: WRF模式微物理方案积云参数化方案水陆混合下垫面大气边界层
分类号: P401
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 48次
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内容摘要

本文通过一系列敏感性试验肯定了WRF(Weather Research and Forecasting Model)模式在南疆的模拟能力,然后对南疆巴州一处水陆混合下垫面大气边界层特征进行了模拟,分析了极端干旱区大面积水体存在时所造成的特殊局地环流、“冷湿岛”效应及其热力场特征,并探讨了该水陆混合下垫面大气边界层特征的消长机制。首先,本文对WRF模式进行了性能检验,通过模拟南疆夏季的一次暴雨过程,对模式的一些微物理方案、积云对流参数化方案和水平分辨率选择进行了敏感性实验,重点分析不同微物理和积云方案组合对降水、温度和相对湿度的模拟效果,充分肯定了WRF模式在干旱区荒漠内陆极其复杂地形条件下的模拟能力。在此基础上,选取合理的模式选项,以南疆巴州34团附近大海子水库为靶区,对该区域非均匀下垫面大气边界层特征进行模拟,给出了极端干旱区水陆混合下垫面的冷湿效应、环流场特征和热力辐射场特征等物理图像。着重探讨了荒漠中大面积湖泊的存在对局地温湿场、风场和辐射场等的影响,初步揭示了干旱区域特殊地理背景下水体与荒漠间的水热分布差异、地-气相互作用及其能量交换状况,为干旱区水体及其周围生态系统的研究与保护提供了一定的理论依据。本文主要结论有:1.不同微物理和积云参数化方案组合对温度和相对湿度的模拟差别不大,但对降水有不同的模拟效果。Betts-Miller-Janjic积云方案对降水的模拟效果最好,能较好模拟出雨带、雨强及降水中心等;Kain-Fritsch(new Eta)积云方案模拟效果次之,考虑复杂变量的Grell-Devenyi和New Grell集合方案,模拟效果最差。微物理方案的选择对降水模拟有重要影响,恰当的微物理方案对积云方案的模拟效果可以起到补偿作用。2.采用较高的模式水平分辨率能更好地反映地形作用和下垫面的影响,可清晰分辨由地形因素所造成的降水的不连续分布,且模拟的降水中心更加紧凑,模拟的降水落区、雨带走向、总降水量等都更接近实况。3.晴朗无风的夏季,干旱区相邻水陆间较大的热力差异可引发二者间弱的局地热力环流,并于水体上部引发“冷湿岛”效应,这种效应不受水域面积大小的限制。与湿润区相比,干旱区的“冷湿岛”效应持续时间长、影响范围小,其空间分布常受背景风场影响而发生畸变。冷湿岛的存在对干旱区植物具有良好的生态效应,白天,具有较好的降温保湿作用,夜间,具有较好的保温保湿作用。4.水体冷岛效应影响的水平范围约为水体的分布范围,垂直范围约为150 m。夜晚和凌晨大气稳定的垂直层结将近地层大气中丰厚的水汽稳定在地表,使析出的水汽冷凝于地表和植物体表,作为极重要的水汽源供给植物生长。中午,由于冷岛效应,水体上部形成逆温层,底层水汽被稳定在水面附近,极大降低了水面蒸发,保护了干旱区仅有的水体在极端干旱和高温条件下不被快速消耗。5.水体湿岛效应延续的时间较冷岛长,水体上空比湿在一天中变化不大,而荒漠上空大气比湿在午后会达到最低。近地层大气水汽含量的垂直和水平分布曲线与温度曲线大致相当,冷岛与高湿区域的延伸范围几乎一致。白天,水体上空比湿较高,越靠近水体,水汽越多,这样,从水面到大气的蒸汽压差梯度就变得缓和,从而限制了水体蒸发。水面上空高水汽含量的存在可以大量吸收太阳辐射,限制水体的升温速度。6.持续较低的风速为冷湿岛的形成和逆温层的发展壮大创造了极有利的条件,冷湿岛和逆温层的存在又进一步限制了风场。水体上层的水汽通过低空平流输送给周围的荒漠近地层,这些水汽在夜间凝结于地表并在白天蒸发后随环流又一次返回并集中到水体上部,使水面大气湿度增加而限制水体蒸发。7.水体与荒漠间感热和潜热释放造成的热量差异是水体“冷湿岛”效应形成的主要原因。地面接收的入射辐射受坡面、坡度影响,水面接收入射辐射受上空高水汽含量影响。就感热、潜热来看,荒漠背景下的强水汽源在一定程度上可视为一个感热的汇。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-11
第一章绪论  11-23
  1.1 研究背景  11-13
  1.2 研究方法  13-15
  1.3 模式参数化方案选择对模拟效果的影响及其研究进展  15-16
  1.4 非均匀下垫面大气边界层的研究现状及进展  16-20
  1.5 问题的提出  20-22
    1.5.1 WRF 模式在南疆应用的模拟效果如何？  20-21
    1.5.2 WRF 模式对南疆水陆混合下垫面大气边界层特征模拟  21-22
  1.6 论文主要研究内容  22-23
第二章 WRF 模式简介  23-37
  2.1 WRF 模式  23
  2.2 WRF 模式的结构  23-25
  2.3 WRF 模式的控制方程组简介  25-26
    2.3.1 垂直坐标及其变量  25-26
    2.3.2 欧拉方程组的通量形式  26
  2.4 WRF 模式的侧边界场  26-27
  2.5 WRF 模式的海陆分布  27-28
  2.6 WRF_V3.2.1 的物理和动力选项简介  28-37
    2.6.1 WRF_V3.2.1 部分微物理方案简介  28-33
    2.6.2 WRF_V3.2.1 积云参数化方案简介  33-37
第三章研究区概况  37-41
  3.1 地理位置  37
  3.2 气温变化  37-38
  3.3 降水  38
  3.4 沙尘  38-39
  3.5 其他  39-40
  3.6 巴州及34 团简介  40-41
第四章模式优化  41-57
  4.1 引言  41-42
  4.2 南疆2010 年6 月上旬异常降水简介  42-44
  4.3 方案设计  44-45
  4.4 模拟结果分析  45-54
    4.4.1 微物理方案的选择对降水模拟的影响  45-49
    4.4.2 积云对流参数化方案选择对降水模拟的影响  49-51
    4.4.3 模式水平分辨率的选择对模拟结果的影响  51-52
    4.3.4 气温和相对湿度  52-54
  4.5 小结与讨论  54-57
第五章南疆水陆混合下垫面大气边界层特征模拟  57-82
  5.1 引言  57-59
  5.2 研究区下垫面概况及实验方案  59-60
  5.3 模拟结果分析  60-78
    5.3.1 水体冷湿岛效应模拟  60-70
      5.3.1.1 温度场特征模拟  60-66
      5.3.1.2 湿度场特征模拟  66-70
    5.3.2 水体上部环流场特征模拟  70-75
    5.3.3 水体上部热力辐射特征模拟  75-78
  5.4 小结与讨论  78-82
第六章总结与展望  82-87
  6.1 结论与讨论  82-85
  6.2 不足与展望  85-87
参考文献  87-93
附录  93-98
  1. 考虑水汽的控制方程组  93-94
  2. 考虑地图投影、科里奥利力和曲率项的控制方程组  94-95
  3. 相对于参考大气的扰动控制方程组  95-96
  4. 参考大气和扰动场  96-98
致谢  98-99
发表文章  99

南疆水陆混合下垫面大气边界层特征研究

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