对流边界层中的非局地动量混合研究

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热力作用下所形成的组织化对流,是日间大气对流边界层最显著的结构特征。不同于小尺度局地湍涡,组织化对流具有边界层尺度的垂直相干性,可实现垂直贯穿边界层的非局地物质和能量传输。本文针对对流边界层中的动量混合,探究组织化对流对动量输送的贡献,并对比评估现行边界层方案中的动量混合模型。以高时空分辨率大涡模拟数据为研究资料,通过经筛选的傅里叶变换、本征正交分解和经验模态分解3种滤波方法,分离对流边界层中的组织化对流和背景湍涡,计算与两者相关的非局地和局地动量通量。研究发现与组织化对流相关的非局地动量通量是总通量的重要组成部分,并主导混合层中的垂直动量输送。而后,基于协谱和相位谱分析,探究组织化对流的空间结构对动量传输的影响,发现在热力主导的不稳定环境中,单体型环流结构对动量的传输效率较低。而在风切较强的近中性环境中,滚涡型组织化结构可使垂直和水平流向扰动速度的相位差减小,从而提升动量传输效率。之后,通过动量通量的收支分析及各项的分解,发现组织化对流是浮力项、压力脉动项及湍流输送项的主导结构。在理论认知的基础上开展先验分析,以高精度大涡模拟的对流边界层为参照,对比了WRF模式中不同边界层方案的动量混合模型,并开展了理想对流边界层的模拟试验。结果表明:梯度扩散型的局地边界层方案严重低估混合层中的动量通量;而包含非局地动量混合模型的方案效果更好,其参数化的非局地动量通量廓线与3种滤波方法所得的先验结果一致,具备一定的合理性。研究结果表明,边界层方案需要包含非局地动量通量项,其参数化应考虑整体稳定度对传输效率的影响。
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