文档介绍：Ξ
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第 15 卷 5 期应用气象学报 Vol. 15 , No. 5

2004 年 10 月 JOURNAL OF APPL IED METEOROLO GICAL SCIENCE October 2004
中尺度数值模拟中的边界层多尺度湍流参数化方案
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2 2 2 2 朱蓉徐大海
(中国气象科学研究院,北京 100081)
摘要
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该文在多尺度湍流理论的研究成果基础上,将边界层湍流风谱与平均量的梯度相联系,
建立了边界层多尺度湍流参数化子模式,之后放入 MM5 模式中进行了个例模拟研究,并与
MM5 模式附带的 MRF 边界层参数化、Blackadar 高分辨率边界层参数化的模拟结果进行比
较和分析。结果表明,多尺度湍流理论能够反映出实际大气边界层中热量垂直输送的规律,
将其用于中尺度数值预报模式的边界层物理过程参数化是可行的;多尺度湍流参数化在地
表层和边界层内各个层次上都着重考虑含能量最大的涡的作用以及水平热力不均匀性的影
响,因此在地形和下垫面比较复杂的区域,对中尺度天气系统的模拟有进一步发展的前景。
关键词: 多尺度湍流理论非局地湍流理论边界层参数化中尺度数值模拟
引言
近年来人们越来越认识到,大气边界层中热量、水汽和动量的垂直输送对山谷环流、
海陆风、对流风暴等中尺度天气系统的产生有一定的作用。根据国外业务和研究使用的
中α尺度数值模式(澳大利亚、加拿大、法国、日本和美国的 PSU/ NCAR、FSU 、NMC 及海
军模式) 对同一个例(1981 年 4 月 21~25 日大西洋气旋的发生发展过程) 进行的 72 h 模
拟预报(共作了 42 次试验) [1 ]的结果比较表明,影响中尺度预报的各个因子的重要性依次
如下:边条件;湿物理过程;边界层参数化;初始条件;分辨率。可见,对中α尺度系统的模
拟来说,行星边界层参数化是较为重要的。因此,在中尺度数值预报模式的研究中,发展
出了许多种边界层物理过程参数化方案。
在 Eulerian 网格的数值预报模式中,次网格尺度的垂直扩散是十分重要的,最常使用
的垂直扩散技术是局地 K 理论[2 ] ,即将湍流运动类比于分子运动,定义了湍流交换系数,
把通量项与平均运动联系起来,然后用边界层的局地特性或相似理论进行参数化。因此,
只有在湍涡尺度相对于平均运动的尺度非常小时,这种局地一阶闭合方案才合理。在稳
定和中性的大气层结条件下,这个条件还能满足,但是在不稳定层结条件下,起主导作用
的涡旋尺度非常大,可以大到与对流边界层的厚度相当的尺度。对流边界层中的大多数
湍流混合是由垂直运动完成的,这时平均梯度很小,甚至为零,大多数的湍流交换是由地
表层的浮力热羽引起的,可以达到对流边界层的顶部,有时还进入云盖逆温层,而且对流
边界层还经常存在逆梯度输送现象,因此,无法用温度或风速等物理量的平均梯度进行模
本文得到国家 973“我国重大天气灾害形成机理和预测理论研究”(973 06 02) 资助。
2003 10 08 收到,2004 02 17 收到修改稿。
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拟[3 ] 。为了弥补这个缺陷,在全球环流模式和大尺度天气预报模式中出现了许多新的边
界层物理过程参数化方案。
从 20 世纪 70 年代开始,在高分辨率的数值模式中经常采用二阶或三阶闭合方案。
高阶闭合方案使模式中增加了一些新的方程,例如在包括湿度预报的二阶闭合方案中,增
加了 15 个湍流预报方程,因而使模式能在更广泛的大气边界层条件下得到很好的应用。
虽然高阶闭合方案能较真实地反映边界层中的物理过程,但是对大多数模式尤其是 GCM
模式来说,计算太复杂[4 ] 。与此同时,越来越多的非局地湍流闭合方案不断的得到发展,
用于模拟对流边界层的垂直扩散问题。非局地湍流闭合方案的提出是为了克服一阶闭合
的缺点,同时又不使计算复杂。非局地闭合的概念是将湍流通量定义为大尺度梯度的函
数,而不是 K 理论那样是局地梯度的函数,能更好地反映对流大气边界层中的物理过程,
适合用于强对流天气过程的数值模拟。目前在区域数值预报模式的边界层物理过程参数
化方案中较常用的非局地湍流理论有湍流穿越理论[5 ][6 ] 和非局地 K 理论[3 ][7 ] 。本文所
研究和应用的多尺度湍流理论属于非局地湍流理论。
在湍流非局地闭合模