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利用大涡模拟分析地表加热和动力作用对边界层结构的影响
1. 研究作者及发表信息
本研究由张敏（兰州大学大气科学学院）、梁捷宁（兰州大学）、张志达（兰州大学）、张镭（兰州大学大气科学学院及西部生态安全省部共建协同创新中心）共同完成，发表于《高原气象》（Plateau Meteorology）2022年第41卷第5期（2022年10月）。
2. 学术背景
大气边界层（Atmospheric Boundary Layer, ABL）是地球表面与自由大气之间的过渡层，其结构直接影响地气交换、污染物扩散及人类健康。边界层结构受地表热力（如地表加热）和动力（如风切变、粗糙度）因素共同作用，但在实际观测中难以分离各因素的影响，导致边界层参数化存在困难。
本研究旨在利用大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）技术，定量分析地表加热、低层风切变和地表粗糙度对平坦下垫面边界层结构的单一及综合影响，为理解气象因素如何影响污染扩散提供理论依据。
3. 研究方法与流程
本研究采用WRF-LES（Weather Research and Forecasting Model - Large Eddy Simulation, version 3.5.1）模式，模拟理想平坦下垫面条件下的对流边界层结构。具体流程如下：
（1）模式设置
- 模拟区域：5 km × 5 km × 2 km（长×宽×高），水平分辨率100 m，垂直分层50层。
- 初始条件：基于西安泾河气象站（2017年8月16日08:00）的探空数据，设定初始位温、比湿及风速廓线。
- 物理参数化方案：
- 近地层物理方案：MM5相似理论
- 陆面近地层模型：5层热扩散方案
- 湍流闭合方案：1.5阶TKE（湍流动能）方案及Deardorff TKE方案
（2）试验设计
共设计5组试验：
- 控制试验（Test1）：基准参数（地表热通量0.01 K·m·s⁻¹，低层风切变0.009 s⁻¹，粗糙度0.1 m）。
- 单变量敏感性试验：
- Test2（地表加热试验）：热通量增至0.06 K·m·s⁻¹（增强5倍）。
- Test3（风切变试验）：500 m以下风切变增至0.013 s⁻¹（增大0.5倍）。
- Test4（粗糙度试验）：粗糙度增至0.5 m（增大4倍）。
- 综合试验（Test5）：同时改变上述三变量。
（3）数据分析方法
- 边界层高度：
- 热力边界层高度（TBLH）：位温垂直梯度最大值对应高度。
- 动力边界层高度（DBLH）：水平风速u分量的第一个最大值对应高度。
- 夹卷层厚度（EZT）：基于Deardorff（1979）模型计算混合层顶至自由大气过渡层厚度。
- 湍流动能（TKE）：通过速度脉动计算三维湍流强度。
4. 主要研究结果
（1）地表加热的影响（Test2）
- 热通量增强5倍后，边界层内位温升高1.05 K，对流增强，TBLH增加28.3%（从1007 m增至1292 m），DBLH增加29.9%（从652 m增至847 m）。
- 夹卷层厚度增大120.8%（从77 m增至170 m），全边界层TKE增加45.7%。
- 垂直混合作用增强，导致低层风速增大、中上层风速减小。
（2）低层风切变的影响（Test3）
- 风切变增大0.5倍后，TBLH增加11.9%（至1127 m），DBLH降低6%（至613 m）。
- 夹卷层厚度增加31.2%（至101 m），TKE增加25.7%。
- 风切变主要增强低层湍流，但对上层风速分布影响较小。
（3）地表粗糙度的影响（Test4）
- 粗糙度增大4倍后，TBLH增加11.9%（至1127 m），DBLH降低6%（至613 m）。
- 夹卷层厚度增加23.4%（至95 m），但TKE在低层因摩擦耗散而减小。
- 近地层风速显著降低（10 m高度平均风速从2.3 m·s⁻¹降至1.8 m·s⁻¹）。
（4）综合试验（Test5）
- 三变量共同作用时，TBLH进一步增至1333 m，DBLH为690 m。
- 地表加热主导TKE增加，风切变和粗糙度的影响次之，验证了热力作用的显著性。
5. 研究结论与价值
- 科学价值：量化了地表加热、风切变和粗糙度对边界层结构的独立及协同影响，揭示了热力作用的决定性地位。
- 应用价值：为污染扩散模拟、城市气候研究及边界层参数化提供了理论支持。
- 创新点：首次利用WRF-LES系统分析平坦下垫面下多因素对边界层的综合影响，弥补了观测数据的局限性。
6. 研究亮点
- 方法创新：采用高分辨率LES模拟，克服了传统中尺度模式对小尺度湍流分辨率不足的问题。
- 结果突破：首次定量给出夹卷层厚度与理查孙数的关系（δh/h=1.47·Rh₀⁻¹/²），为边界层理论研究提供新依据。
- 应用潜力：成果可拓展至非均匀下垫面（如城市、绿洲）的边界层模拟，指导区域气候与环境研究。
7. 其他补充
- 研究局限性：未考虑复杂地形或植被覆盖的影响，未来需进一步扩展。
- 数据可用性：WRF-LES代码及模拟数据可公开获取，便于同行验证与应用。
以上报告完整呈现了研究的背景、方法、结果与价值，可供学术界参考。