非均匀下垫面近地层风动力降尺度研究

南京夏季非均匀下垫面近地层湍流观测及模拟研究人类的生存环境与大气边界层息息相关。

而城市是人类生活的重要载体,对城市边界层大气动力和热力特征及其相互作用机理的研究已成为影响人类生活的重要课题。

本研究利用2010年南京夏季湍流三维观测试验资料,采用观测资料分析和数值模拟方法,研究了南京夏季城、郊边界层湍流特征。

主要结论如下：(1)夜间,城市大气的不稳定层结易形成混合层；白天城市的大气混合层发展速度和高度均大于郊区。

2010年夏季南京城市的混合层高度夜间300m、白天1300m,城市混合层顶高度随着城市的发展而不断抬升。

城、郊的低层风场均受到城市覆盖层影响,城市夜间逆温层和大风区随着城市发展而抬升,且大风急流出现在逆温层顶,与夜间混合层的发展高度比较一致。

(2)对南京城、郊近地层湍流特征的研究结果表明：不稳定层结条件下,南京城、郊三个方向的无量纲风速标准差(σu/u*、σv/u*、σw/u*)与稳定度参数ε均呈1/3幂次关系,并给出相应的拟合公式。

无量纲水平速度标准差随下垫面粗糙程度的增加而降低,即城市无量纲水平速度标准差小于郊区；而垂直方向上没有明显差异,郊区略小于城市。

(3)WRF模式应用于南京城市边界层气象特征模拟是可行的,模拟结果与观测结构基本一致,进一步揭示了由于城市地表性质的不同,对城市边界层的结构产生显著影响。

城市地区昼夜均在边界层内形成热岛,白天城市湍流动能在
200-700m达到高值1.2m2s-2,是郊区的两倍,夜晚在城市储热释放热量,湍流动能仍然大于郊区。

干旱区均匀裸土下垫面近地层能量平衡及中尺度运动对湍流的影响干旱区均匀裸土下垫面近地层能量平衡及中尺度运动对湍流的影响近年来，全球干旱地区的面积不断扩大，这对该地区的生态环境和人类活动造成了巨大的影响。

干旱地区的均匀裸土下垫面是干旱环境下的典型特征，它与近地层能量平衡以及大尺度运动之间存在着密切的关系。

而中尺度运动作为湍流的重要组成部分，对湍流能量的传输和再分配起着重要作用。

因此，研究干旱区均匀裸土下垫面近地层能量平衡及中尺度运动对湍流的影响具有重要意义。

首先，干旱区裸土下垫面的能量平衡是影响该地区气温和湿度的重要因素。

由于干旱地区降水稀缺，裸土的反照率较高，相对植被覆盖区较低，会导致裸土表面吸收更多的太阳辐射，并迅速转化为热量。

这样的特性会造成地表温度升高，从而影响到近地层的大气温度。

裸土地表较高的温度也会增强对近地层风场的影响，进而影响大气湍流的发展。

其次，干旱区均匀裸土下垫面还会对湍流运动产生重要影响。

湍流主要由大尺度和中尺度运动组成。

而近地层湍流的中尺度运动往往受到地表条件的影响最为显著。

均匀裸土下垫面存在的干旱地区，由于缺乏植被和土壤水分，会导致地表粗糙度较小、阻力较低。

这样一来，对近地层风场的扰动和影响就相对较小，从而减弱了中尺度运动湍流产生的条件。

此外，干旱地区的裸土表面也存在较强的水汽蒸发能力，这会导致大气的稳定性增加，阻碍湍流的发展。

因此，干旱区均匀裸土下垫面的存在对湍流运动的影响不容忽视。

最后，干旱区均匀裸土下垫面近地层能量平衡及中尺度运动对湍流的影响带来了一系列的环境问题。

首先，裸土表面的高温会导致大气温度升高，进而影响气候变化与能量平衡。

其次，裸土表面的干旱条件使得土壤的质地变得疏松，容易产生沙尘暴等大尺度气象灾害，对人类和生态环境造成威胁。

此外，湍流的缺乏也可能导致气象灾害的发生频率增加，例如风暴和龙卷风等强风天气。

因此，研究干旱区均匀裸土下垫面近地层能量平衡及中尺度运动对湍流的影响，有助于深入理解干旱地区的气候特征与环境问题，并为应对这些问题提供科学依据。

不同下垫面登陆台风的风特性研究的开题报告
一、研究背景
台风是我国常见的自然灾害之一，其对我国南海及东海等海域、以及对沿海地区的影响很大。

而在台风登陆沿海地区的过程中，下垫面会对其风特性产生影响。

目前，关于不同下垫面的影响台风风特性的研究较为有限，因此有必要对此进行深入探究。

二、研究目的
本研究旨在探究：不同下垫面（如城市、海洋及森林等）对登陆台风风特性的影响。

三、研究内容及方法
1.收集相关文献，了解不同下垫面对风场的影响及其机理；
2.运用CFD（Computational Fluid Dynamics）方法，模拟不同下垫面下的台风
风场的影响，从而分析不同下垫面对台风登陆的影响；
3.通过对比实际案例和模拟结果，验证CFD方法的正确性和可靠性。

四、研究意义
1.为实际应用提供依据。

可以为相关部门提供决策参考，为灾害预防和防护提供技术支持。

2.为深入了解自然环境提供基础。

通过研究不同下垫面对台风风特性的影响，在一定程度上可以增加对自然环境的了解。

五、预期成果
1.能够系统性地分析不同下垫面对登陆台风的风场特性的影响；
2.通过CFD方法分析不同下垫面对登陆台风风特性的变化规律；
3.验证CFD方法的可靠性和正确性。

六、研究进度安排
1.文献查阅和资料收集：2021年10月-11月；
2.模拟方法的选择：2021年11月-12月；
3.模拟结果分析：2022年1月-2月；
4.论文撰写以及结果总结：2022年3月-4月。

青藏高原东北边坡复杂地形重力波的数值模拟作者：王蓉吴稀稀岳平黄倩丑岩张丰伟来源：《大气科学学报》2023年第05期摘要基于2007年7月青海祁连站的野外加密探空资料，结合高分辨率的三维边界层模式，模拟研究了青藏高原东北边坡复杂地形条件下，边界层对流引起的干动力过程对该地区地形重力波产生及传播的影响机理。

结果表明：在不同的背景场强迫下，高原东北边坡复杂地形上空对流和重力波的空间结构存在较大差异。

当背景风向与山体垂直时，随着风速增加，山脊背风坡混合层顶附近大气不稳定能量加强，激发了下游区域较强的重力波信号，此时对流线组织性增强、重力波波列较长，高水汽含量的空气被波峰传输到较高的高度，为对流云发展提供了有利条件;当背景风向与山脊走向平行时，山顶上空对流发展旺盛，山脊背风坡混合层顶大气状态较稳定，激发的地形重力波信号较弱且波列较短，整个混合层顶附近水汽较少，对流云形成条件减弱;当背景大气浮力频率减小时，整个区域上空对流发展更加旺盛但组织性减弱，背风坡下游重力波向上传输的距离减小，信号不显著，混合层顶附近水汽分布均匀且变化幅度较小，有利于层状云发展。

关键词青藏高原东北边坡;边界层结构;地形重力波;数值模拟地球表面普遍存在不同尺度的非均匀下垫面（张强等，2017）。

地形起伏较大的下垫面不仅可以通过影响太阳辐射作用改变区域水热平衡（刘屹岷等，2020），而且还可以通过动力强迫作用改变区域风场和局地环流过程（付超等，2017）。

地形对气流的动力强迫主要表现为强迫性抬升和地形重力波，地形是重力波产生的一个重要来源。

这种由复杂地形强迫激发的周期性大气振荡，其传播和破碎过程中产生的动量垂直输送和不稳定能量释放，可以引起上下层大气之间物质和能量交换（魏栋等，2016），甚至触发中尺度强对流天气过程（覃卫坚等，2013），从而影响降水强度和落区（钟水新，2020）。

现实中，能够激发地形重力波的复杂下垫面十分常见，主要分为中小尺度的丘陵及山谷、高原或大地形引起的复杂山地，以及不同尺度地形过渡处及内部地形陡变区。

热力非均匀下垫面对流边界层流场结构特征研究热力非均匀下垫面对流边界层流场结构特征研究利用对流水槽成功模拟热力非均匀下垫面对流边界层的发生发展.仿照数值模拟中常用的马赛克方法在对流水槽的底部铺了一些导热率缓慢的材料(橡胶薄板),使下垫面的加热存在差异,进而产生非均匀加热.利用温度廓线和准直光系统共同决定边界层顶部的位置和对流速度尺度.采用PTV测量技术获得高精度的二维流场,看到流场具有复杂的空间结构和尺度特征.相对于均匀下垫面来说,底部的非均匀加热使得混合层湍流的组织性得到加强,具有稳定的环流结构.非均匀下垫面对流边界层的方差随高度的变化曲线与均匀下垫面的特征明显不同.为了分析非均匀下垫面对流边界层的环流特征和水平输送对湍流变化的贡献,计算了湍流动能的湍流输送.计算结果表明,加热开始不久,由于不同下垫面的的温差较大,水平输送也较大;而当一段时间后,温差变小,水平输送也变小了.由此可以看出非均匀下垫面对流边界层的水平输送依赖于下垫面的非均匀强度.作者：袁仁民罗涛吴徐平卢超孙鉴泞刘辉志 YUAN Ren-min LUO Tao WU Xu-ping LU Chao SUN Jian-ning LIU Hui-zhi 作者单位：袁仁民,罗涛,吴徐平,卢超,YUAN Ren-min,LUO Tao,WU Xu-ping,LU Chao(中国科学技术大学地球和空间科学学院,安徽,合肥,230026)孙鉴泞,SUN Jian-ning(南京大学大气科学系,江苏,南京,210093) 刘辉志,LIU Hui-zhi(中国科学院大气物理研究所大气边界层和大气化学国家重点实验室,北京,100029)刊名：大气与环境光学学报英文刊名：JOURNAL OF ATMOSPHERIC AND ENVIRONMENTAL OPTICS 年，卷(期)：2009 4(6) 分类号：P264 关键词：对流边界层热力非均匀水槽模拟水平输送。

第30卷第5期2006年9月大 气 科 学Chinese Jo urnal of A tmospheric SciencesV o l 130 N o 15Sept.2006收稿日期 20060529,20060620收修定稿资助项目 国家自然科学基金资助项目40233030作者简介 胡非,男,1962年出生,博士,研究员,主要从事大气边界层物理和大气湍流理论研究。

E -mail:hufei@白洋淀地区非均匀大气边界层的综合观测研究)))实验介绍及近地层微气象特征分析胡 非1洪钟祥1陈家宜2刘熙明11中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室,北京 1000292北京大学大气科学系,北京 100871摘 要 介绍了国家自然科学基金重点项目/地表通量参数化与大气边界层过程的基础研究0在河北省白洋淀地区进行的两次综合观测实验(时间分别是2004年11月16~22日和2005年9月8~27日),这两次实验获得了大量宝贵的资料,全面深入的资料分析正在进行中。

此文主要限于白洋淀地区水陆不均匀地表近地面层微气象特征的分析。

结果表明:陆地上近地面层的气温日变化比水域上的大,而风速比水域上的小,其中9月份陆地上白天的气温比水域上的高,夜间比水域上的低,11月份两地白天气温接近,但夜间陆地上的气温明显偏低;无论是9月还是11月,水域上近地面层都是以下沉气流为主,而陆地则在中午前后存在弱的上升运动;9月份,两地的近地面层短波射入辐射比较接近,但水域上的短波射出辐射比陆地上的大;长波射入辐射则是陆地比水域的大,而长波射出辐射则是水域的比陆地的大;两地的净辐射白天接近,夜间水域地区负的净辐射值明显比陆地的大;9月份,水陆两地的感热通量相差不大,为150~200W/m 2,而潜热通量比感热通量大,天气晴朗时可达到300W/m 2;11月份,陆地的感热通量比潜热通量大,为100~120W/m 2,而水域地区的感热通量则与潜热通量相当;两地的潜热通量相差不大,一般不超过50W/m 2。

专利名称：一种基于非均匀下垫面的台风建模方法及相关装置专利类型：发明专利
发明人：聂铭,罗啸宇,刘小璐,谢文平,黄正,肖凯
申请号：CN202011015523.5
申请日：20200924
公开号：CN112149302A
公开日：
20201229
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本申请公开了一种基于非均匀下垫面的台风建模方法及相关装置，方法包括：计算非均匀下垫面的总地表粗糙长度，总地表粗糙长度包括基于地形的第一地表粗糙长度和基于地表覆盖的第二地表粗糙长度；根据总地表粗糙长度计算非均匀下垫面情况下的摩阻力系数；根据摩阻力系数构建预置台风风场模型，预置台风风场模型包括预置边界条件，预置边界条件根据摩阻力系数配置。

本申请能够解决现有台风风场模型没有针对非均匀下垫面进行模型设计，无法准确反映台风风场结构，导致模型的适用性和准确度较低的技术问题。

申请人：广东电网有限责任公司电力科学研究院
地址：510080 广东省广州市越秀区东风东路水均岗8号
国籍：CN
代理机构：北京集佳知识产权代理有限公司
代理人：杨小红
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非均匀下垫面大气边界层的观测和数值模拟研究2005年夏季、2006年春季在南京市区及南京郊区进行了两次近地层通量观测实验,运用涡动相关(eddy-covariance, EC)技术得到感热通量、潜热通量、二氧化碳通量和摩擦速度。

为了消除地形对这些测量值的影响,运用平面拟合方法(PF)对其进行倾斜校正。

进一步研究发现,平面拟合因子与风向角度密切相关,因而在采用平面拟合方法处理数据时,必须考虑风向的影响,分别做出不同风向扇区的拟合平面,我们命名这种改进后的新方法为分角度平面拟合法(sector planar fit,简称SPF)；相应的,称不区分风向扇区的平面内拟合法为总体平面拟合(general planar fit,简称GPF)。

着重比较了不同季节、不同地点两种方法修正后的通量结果的差异。

春夏两季,市区各通量分布总体趋势一致；地域上,市区SPF法、GPF法修正后通量值之间有明显差异,郊区两者差异较小。

接着,运用SPF方法、GPF方法修正这个垂直速度,两方法修正后的垂直速度差异显著；最终,得出两方法修正后垂直速度的概率分布,SPF方法得到的垂直速度更接近于正态分布。

通过观测城市复杂下垫面和近地面层发现,有必要通过数值模拟研究,进一步研究非均匀场对边界层特性的影响。

使用中尺度模式WRF (Weather Research and Forecasting)及其大涡模拟子程序(Large Eddy Simulation,简称LES)来研究热力非均匀下垫面驱使的对流边界层特点。

表面加热被设计成棋盘状,由两个热通量不同大小的正方形块交错而成。

包括均匀下垫面,总计三个方案(A、B&C),其中非均匀方案的热力非均匀尺度为5千米和2.5千米。

将非均匀下垫面方案与均匀下垫面方案的结果进行比较后发现,非均匀尺度对对流边界层域平均量的影响并非十分显著,位温、热通量的廓线并未受很大影响。

然而,不同的非均匀表面加热导致了不同的湍流特征。

第35卷第5期2014年5月太阳能学报ACTA ENEＲGIAE SOLAＲIS SINICAVol.35，No．5May ，2014收稿日期：2012-02-08基金项目：中国科学院战略性先导科技专项—应对气候变化的碳收支认证及相关问题（XDA05090202）通信作者：郑祚芳（1972—），男，硕士、副研究员，主要从事区域气候变化方面的研究。

zfzheng@163．com文章编号：0254-0096（2014）05-0881-06北京地区近地层风能资源的气候变异及下垫面改变的影响郑祚芳1，高华1，刘伟东2（1．中国气象局北京城市气象研究所，北京100089；2．北京市气象局，北京100089）摘要：应用近40年北京区域内20个气象站观测风场资料，分析该地区近地层风能资源的气候变异特点，并定量估计人类活动对近地层风能蕴藏的影响。

结果表明：①北京地区近地层平均风速在月际尺度上为单峰型结构，并具有明显的年际及年代际变化特征。

近40年来平均风速呈减弱趋势，距中心城区越近的站点，风速减弱趋势越明显；②北京地区风能资源主要以佛爷顶、延庆、昌平等西北部和西部山区蕴藏最丰富，具有一定的开发潜力，但呈现逐渐减少趋势；③自然气候变化是导致北京地区近地层风能资源减少的主要因素。

此外，下垫面人为改变对风能资源的减少亦有重要影响，其贡献占总比例约27．1%，这种影响在20世纪90年代后期以来表现尤为明显。

关键词：风能资源；气候变化；人类活动；主成分分析；北京中图分类号：P425．63文献标识码：A0引言风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。

中国气象局于2004年进行的第3次风能普查表明［1］，按10m 高程统计资料估算，我国风能资源总量为4．35ˑ106MW ，可开发利用陆地风能储量达2．97ˑ105MW 。

据《中国风电发展报告2011》显示，截至2010年底，我国新增风机组13904台，年同比增长37．1%，累计装机容量达4．47ˑ104MW 。

不同下垫面空气动力学参数的研究茅宇豪;刘树华;李婧【期刊名称】《气象学报》【年(卷),期】2006(064)003【摘要】文中利用中国科学院沙漠研究所与日本国家农业环境技术研究所合作于1990-1994年在中国内蒙古自治区奈曼市半干旱地区沙丘和植被区下垫面观测的微气象数据,根据Monin-Obukhov相似性理论,计算了重度干扰草原、中度干扰草原、轻度干扰草原、无干扰草原、沙丘、沙丘内地、草地、稻田、小麦田、大豆田和玉米田11种下垫面的空气动力学参数粗糙度长度z0,零平面位移d,摩擦速度u*,并分析了它们与水平风速u和Richardson数的关系,比较了不同人为干扰草原生态系统条件下的空气动力学特征.结果表明:地表生物量和覆盖率随着人为干扰强度的增加而减少.不同人为干扰下垫面的粗糙长度与生物量和植被高度以及地表起伏程度有着密切关系;Richardson数也是其影响因子.风速、粗糙度都与摩擦速度成正相关,但对于不同下垫面有所不同,从中可以看到草地对沙漠化有一定的防治作用.同一种下垫面不同时期的空气动力学参数也存在差异.这些结果对建立陆面过程和区域气候模式具有重要的意义.【总页数】10页(P325-334)【作者】茅宇豪;刘树华;李婧【作者单位】北京大学物理学院大气科学系,北京,100871;国家气候中心中国气象局气候研究开放实验室,北京,100081;北京大学物理学院大气科学系,北京,100871;国家气候中心中国气象局气候研究开放实验室,北京,100081;北京大学物理学院大气科学系,北京,100871;国家气候中心中国气象局气候研究开放实验室,北京,100081【正文语种】中文【中图分类】P4【相关文献】1.城市下垫面空气动力学参数确定方法综述 [J], 胡张保;俞炳丰2.城市边界层湍流和下垫面空气动力学参数观测研究 [J], 王金星;卞林根;高志球;汪瑛3.形态学方法在上海城市下垫面空气动力学参数估算中的适用性分析 [J], 唐玉琪;麻炳欣;王晓峰;岳彩军;谈建国4.典型特大城市下垫面空气动力学特征参数的计算与分析研究 [J], 唐玉琪;谈建国;GRIMMOND C S B;常远勇;敖翔宇5.戈壁下垫面空气动力学参数确定的再研究 [J], 何玉斐;张宏升;刘明星;康凌因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。