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海上大气边界层模式的物理过程及其数值模拟研究

作　者: 李响
导　师: 王辉；吴辉碇；徐德伦
学　校: 中国海洋大学
专　业: 物理海洋学
关键词: 大气边界层数值模拟海面参数化辐射和能量平衡
分类号: P404
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

地球的四周为运动的大气所包围着,当大气接触到地球表面的海洋时其流动减少到零,并形成行星边界层。与大气中的行星边界层相对应,海洋中也存在着一个海洋边界层,并与之上的大气进行着相互作用。对海上大气边界层和海洋边界层物理过程和机制的描述能够解决海洋-大气之间相互作用的一些问题,同时也可作为开发和改进参数化过程的理论依据。海-气界面的主要过程是动量、能量和物质的交换。平均而言,海洋吸收的太阳短波辐射能量是大气吸收能量的2倍多,热量通过长波辐射和潜热及感热交换,被温暖的海面传给大气,即大气底部被海洋加热,由于加热的纬度不均匀性和地球的自转驱动大气作大尺度循环,形成海上风不断的作用于海洋,因此又给海洋提供了动量和能量,伴随动量和能量交换,大气和海洋间还存在物质(如温室气体)交换。其中一个非常重要的问题是海洋表面动量、潜热和感热等的湍流通量参数化。海洋是为大气提供水分主要的源,也是大气中热量的主要贡献者。海洋吸收了大量的太阳短波辐射能量,这对维持大气环流起重要作用。辐射、感热和潜热通量影响着海洋表面的能量平衡以及上层海洋和低层大气的垂直结构。海表面状况强烈的影响着海气界面的湍流交换过程。海表面温度在一天中变化很小,这是因为海水拥有较大的热容量。海表面的粗糙度依赖与大气底层的参数,因此也依赖于整个大气边界层的物理过程。大气运动产生的波浪对大气和海洋间的湍流混合有非常重要的贡献。本文简要回顾了大气边界层模式的发展和海气界面以及海上大气边界层的研究现状,并介绍了国外相关的研究计划。同时也讨论了海上大气边界层模拟中主要的物理过程,海上大气边界层高度、表面辐射和能量平衡以及垂直结构特征是研究边界层过程的主要问题。大气边界层高度是天气预报模式和气候系统模式中边界层过程的重要参数。海-气界面过程是连接大气边界层和海洋上混合层的纽带,大气对海洋的强迫和海洋对大气的反馈作用都要通过海-气界面过程来完成。上层海洋和低层大气作为一个耦合系统,必须从整体上和全方位的研究其相互作用和交换过程,包括大气边界层、海-气界面和海洋上混合层的通量和输送过程。不仅大气要素和上层海洋要素决定海-气通量的分布,而且海-气通量的变化也对大气要素和上层海洋要素产生重要影响,而以往的试验资料分析工作没有结合大气结构和上层海洋结构变化研究这种反馈的时间尺度和机制,没有对海-气通量交换的变化机制做深入分析。同时本文基于对实测资料和再分析资料的分析,讨论了海上大气边界层和海气界面的物理性质。当前对海上大气边界层模式的研究已经取得了很大的进展,但仍存在一些不足。我国对海上大气边界层的研究开展的相对较少,这主要是由于在海上观测大气边界层存在一定的难度,观测资料较少而且误差较大的原因。另外,海上大气边界层包含的很多非常复杂的物理过程,难度很大,这也给我们的研究工作带来了极大的困难。本文建立了一个适用于海上的高分辨率大气边界层模式,并用数值模拟的方法研究海上大气边界层高度、海-气界面过程及其之间相互作用影响,从而能够更加深入的认识海上大气边界层过程并为气候系统模式边界层参数化方案的改进提供依据。在理想状况下对海表面状况对大气边界层模拟产生的影响进行了研究,分别讨论了几种不同的海表面粗糙度参数化方案对数值模拟的影响,考虑只与风速相关的Smith(1988)方案、Yelland和Tayor(1996)方案,考虑与波陡相关的Tayor和Yelland(2001)方案,以及考虑了与波龄相关的Oost(2002)方案,几种方案的模拟结果相近,但在个别物理量的模拟上还存在较大的误差,如感热和潜热通量。为了测试本文建立的边界层模式的模拟能力,将模式应用与南海的东沙岛附近海域和北冰洋地区,并与观测资料进行对比分析,检验结果证明模式能够很好的模拟海上大气边界层以及海气界面间的主要物理过程。另外本文也用柱模式讨论云物理过程以及辐射参数化RRTM方案和CCM2方案对北极地区大气边界层数值模拟的影响。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-43
  1.1 大气边界层模式的发展  12-18
    1.1.1 大气边界层模式的研制  12-13
    1.1.2 直接模拟  13-14
    1.1.3 湍流闭合模式  14-16
    1.1.4 大涡模式  16-17
    1.1.5 大气边界层模式个例  17-18
  1.2 海上大气边界层内主要物理过程研究现状  18-27
    1.2.1 海上大气边界层内的物理过程  19-21
    1.2.2 大气表面层内的湍流结构  21-24
    1.2.3 海洋表面层  24
    1.2.4 海洋边界层与大气边界层的耦合  24-27
  1.3 海气界面过程研究现状  27-37
    1.3.1 海-气界面通量  28-30
    1.3.2 降水对海-气界面动量和感热通量的影响  30
    1.3.3 海洋飞沫对海-气界面通量的影响  30-32
    1.3.4 波边界层  32-33
    1.3.5 海气之间动量和动能交换  33-35
    1.3.6 海况影响的参数化  35-37
  1.4 相关的国际研究计划  37-41
  1.5 本文的主要研究内容  41-43
2 海上大气边界层模式的建立  43-67
  2.1 模式物理框架  43-56
    2.1.1 控制方程组  44-46
    2.1.2 边界层高度的判断  46-47
    2.1.3 自由大气混合  47-48
    2.1.4 稳定边界层中的局地湍流  48-49
    2.1.5 表面层  49-50
    2.1.6 表面能量平衡  50-51
    2.1.7 边界层云  51-52
    2.1.8 长短波辐射  52-53
    2.1.9 稳定边界层  53-54
    2.1.10 模式的嵌套  54-56
  2.2 有限差分技术  56-61
    2.2.1 边界层时间积分  56-57
    2.2.2 大气扩散的有限元公式  57-61
  2.3 模式的网格设置和积分流程  61-63
  2.4 模式的改进  63-67
    2.4.1 海表面动力学粗糙度参数化修改  63-65
    2.4.2 海表面温度和湿度计算方案的修改  65-67
3 理想情况下海上大气边界层数值模拟试验  67-87
  3.1 试验方案设置  67-70
  3.2 模拟结果与分析  70-84
    3.2.1 边界层高度  70-72
    3.2.2 表面辐射与能量平衡  72-75
    3.2.3 垂直剖面廓线  75-84
  3.3 小结  84-87
4 东沙岛数值模拟个例分析  87-115
  4.1 东沙岛及其附近海域环境与天气背景分析  87-107
    4.1.1 南海季风试验  87-90
    4.1.2 南海海域ECMWF 再分析资料分析  90-102
    4.1.3 南海季风实验期间东沙岛及其附近海域资料分析  102-107
  4.2 模式模拟结果与东沙岛附近海域实际观测结果比较  107-112
    4.2.1 风速、气温及水汽混合比垂直廓线比较分析  107-110
    4.2.2 边界层高度模拟  110
    4.2.3 表面辐射与能量平衡变化模拟分析  110-112
  4.3 小结  112-115
5 北极海区大气边界层特征及其数值模拟  115-141
  5.1 北极大气边界层特征  116-118
  5.2 SHEBA 试验  118-121
  5.3 模式介绍  121-123
  5.4 初步模拟结果分析  123-131
    5.4.1 边界层模式模拟结果  123-128
    5.4.2 柱模式模拟结果  128-131
  5.5 敏感性试验  131-139
    5.5.1 垂直结构  131-132
    5.5.2 表面辐射和热量平衡  132-139
  5.6 小结  139-141
6 结论和讨论  141-145
  6.1 主要创新点  141-142
  6.2 主要结论  142-143
  6.3 讨论  143-145
参考文献  145-155
在攻读学位期间发表的论文  155-156
致谢  156

海上大气边界层模式的物理过程及其数值模拟研究

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