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数值天气预报模式的行星边界层方案热力预报变量选择

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南京大学学报（自然科学版） 2024年第2期60卷 276-286页

作者：赵怡雪周博闻中尺度灾害性天气教育部重点实验室南京大学大气科学学院南京210023

在数值天气预报模式中,大气边界层湍流混合由行星边界层方案承担.传统的边界层方案多采用位温作为热力学预报变量,计算感热通量并获得位温的湍流倾向,多数边界层方案设计之初,也往往只考虑干边界层中的位温湍流混合.事实上,驱动边界层... 详细信息

在数值天气预报模式中,大气边界层湍流混合由行星边界层方案承担.传统的边界层方案多采用位温作为热力学预报变量,计算感热通量并获得位温的湍流倾向,多数边界层方案设计之初,也往往只考虑干边界层中的位温湍流混合.事实上,驱动边界层热对流的是浮力而非热力,前者还包含了水汽的作用,由虚位温表征.基于湍流可分辨的大涡模拟来评估传统边界层方案所参数化的感热通量在湿边界层中的适用性,重点关注方案中涉及逆梯度修正项的关键系数,同时也考察浮力通量的参数化评估结果显示浮力通量在干湿边界层中具备一致性,其模式系数不随水汽条件变化,因此,推荐以虚位温替代位温作为行星边界层方案热力预报变量.

关键词：行星边界层方案对流边界层虚位温浮力通量感热通量

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2019年夏季楚科奇海混合层特征分析

海洋科学进展 2024年

作者：孙永才林丽娜魏泽勋刘娜自然资源部第一海洋研究所自然资源部海洋环境科学与数值模拟重点实验室崂山实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室

为探究2019年夏季楚科奇海混合层的形成机制，采用多源高分辨率CTD数据，利用固定阈值法确定混合层深度（Mixed Layer Depth,MLD），并通过相关性分析和多元线性回归研究影响MLD的主要因素。研究表明，在该区域，采用0.1kg/m3的阈值标... 详细信息

为探究2019年夏季楚科奇海混合层的形成机制，采用多源高分辨率CTD数据，利用固定阈值法确定混合层深度（Mixed Layer Depth,MLD），并通过相关性分析和多元线性回归研究影响MLD的主要因素。研究表明，在该区域，采用0.1kg/m3的阈值标准能更准确地估算MLD。从层化指数来看，盐度在楚科奇海的密度形成中占主导地位，对MLD的影响较大。本研究还发现，在3个海区风、动量通量和浮力通量对MLD影响的比较中，楚科奇海北部海区混合层深度分别受风和动量通量的影响最显著，而南部海区混合层深度受浮力通量的影响最显著。此外，在3个海区中北部海区动量通量和浮力通量的协同作用对MLD的贡献率最大。在不同区域，层化和风对MLD的影响程度不同，在楚科奇海北部，风对MLD的影响远大于层化，贡献率分别为38%和9%。除楚科奇海北部外的2个区域，风和层化对MLD的贡献几乎相等。

关键词：楚科奇海混合层特征浮力通量动量通量层化

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温度分层水库中间层流运动影响因素分析

哈尔滨工程大学学报 2015年第5期36卷 648-652页

作者：任实张小峰陆俊卿武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室湖北武汉430072 环境保护部华南环境科学研究所广东广州510655 国家环境保护水环境模拟与污染控制重点实验室广东广州510655

针对分层水库中存在的间层流运动现象,采用水槽试验对稳定温度分层水库的间层流运动进行了模拟,研究了入流条件和分层环境对间层流分离点位置的影响。试验中取分离点的水深和侵入分层水体间层流的厚度来表征密度流运动,分析了入流条件... 详细信息

针对分层水库中存在的间层流运动现象,采用水槽试验对稳定温度分层水库的间层流运动进行了模拟,研究了入流条件和分层环境对间层流分离点位置的影响。试验中取分离点的水深和侵入分层水体间层流的厚度来表征密度流运动,分析了入流条件和分层条件的变化对间层流运动的影响;采用入流的初始浮力通量来代表试验中的入流条件,环境水体的浮力频率来代表分层条件。试验结果表明,分离深度和厚度随着浮力通量的增加而变大,随分层强度的变大而减小。研究结果能够帮助进一步了解温度分层环境中的污染物的运动,并为温度分层水库中的水质监测和水生环境管理提供参考。

关键词：入流条件浮力通量温度分层浮力频率间层流

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浅海热盐结构三层模式

海洋学报 1993年第5期15卷 16-26页

作者：杨殿荣青岛海洋大学物理海洋研究所

浅海热盐结构三层模式是在浅海温盐跃层二层模式的基础上研制而成的,它既保持了原模式的基本特点,又扩大了原模式的功能;它不仅能预报温盐跃层的深度,而且还能预报温盐跃层的其他全部要素,以及上下两个混合层的温度和盐度。数值试验结... 详细信息

浅海热盐结构三层模式是在浅海温盐跃层二层模式的基础上研制而成的,它既保持了原模式的基本特点,又扩大了原模式的功能;它不仅能预报温盐跃层的深度,而且还能预报温盐跃层的其他全部要素,以及上下两个混合层的温度和盐度。数值试验结果与实际一致。最后,详细分析了制约温跃层强度变化的各项因子。

关键词：三层结构浮力通量温度盐度浅海

极端干旱荒漠区典型晴天大气热力边界层结构分析

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地球科学进展 2007年第11期22卷 1150-1159页

作者：张强赵映东王胜马芳中国气象局兰州干旱气象研究所甘肃省暨中国气象局干旱气候变化与减灾重点(开放)实验室甘肃兰州730020 甘肃省水文水资源勘测局甘肃兰州730000

利用极端干旱区敦煌野外观测试验资料,分析了极端干旱荒漠区夏季典型晴天位温、风速、比湿等主要物理要素的垂直结构特征及其地表热力和近地层大气运动特征的日变化规律。发现在极端干旱地区夏季晴天大气热力边界层结构十分独特。在夜间... 详细信息

利用极端干旱区敦煌野外观测试验资料,分析了极端干旱荒漠区夏季典型晴天位温、风速、比湿等主要物理要素的垂直结构特征及其地表热力和近地层大气运动特征的日变化规律。发现在极端干旱地区夏季晴天大气热力边界层结构十分独特。在夜间,贴地逆温层最低在900 m以上,最厚可以达到1 750 m,逆温层上面的残余层一般能达到4 000 m左右的高度。在白天,位温超绝热递减层高达1 000 m,超绝热递减层上面的混合层最高达3 700 m,混合层顶上还有大约450 m甚至更厚的夹卷层。当白天对流层发展达到残余层以后,混合层的发展明显加快。风速和比湿垂直廓线特征很好地印证了大气热力边界层独特的结构特征,地表热力和近地层大气运动特征也为这种独特的大气热力边界层结构提供了较好的物理支持。

关键词：极端荒漠区夏季典型晴天大气热力边界层浮力通量对流速度

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极端干旱荒漠地区大气热力边界层厚度研究

中国沙漠 2007年第4期27卷 614-620页

作者：张强中国气象局兰州干旱气象研究所/甘肃省(中国气象局)干旱气候变化与减灾重点(开放)实验室甘肃兰州730020

通过对以往一些野外观测事实分析,发现在极端干旱荒漠区的晴天热力大气边界层厚度远远超出了以往在其他地区发现的热力大气边界层厚度,由此提出了荒漠地区超常厚度大气热力边界层现象。并且,讨论了控制大气热力边界层形成和发展的主要... 详细信息

通过对以往一些野外观测事实分析,发现在极端干旱荒漠区的晴天热力大气边界层厚度远远超出了以往在其他地区发现的热力大气边界层厚度,由此提出了荒漠地区超常厚度大气热力边界层现象。并且,讨论了控制大气热力边界层形成和发展的主要物理因素,还对极端干旱荒漠地区这种超常厚度大气热力边界层现象进行了理论分析和解释,初步认为地表白天强烈加热和夜间快速冷却是极端干旱荒漠区出现超常厚度大气热力边界层的最根本原因。

关键词：极端干旱荒漠区大气热力边界层超常厚度浮力通量风切变

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南海和印度洋海平面变化特征及其机制研究

南海和印度洋海平面变化特征及其机制研究

作者：周剑中国海洋大学

学位级别：硕士

利用1993-2009年卫星高度计观测资料探讨了南海和印度洋海平面的空间和时间变化特征，再结合比容模型（包括浮力通量模型、Markov模型）、一层半约化重力模式以及涡旋追踪模型，探讨了热通量、淡水通量、局地风应力、风驱Rossby波、涡... 详细信息

利用1993-2009年卫星高度计观测资料探讨了南海和印度洋海平面的空间和时间变化特征，再结合比容模型（包括浮力通量模型、Markov模型）、一层半约化重力模式以及涡旋追踪模型，探讨了热通量、淡水通量、局地风应力、风驱Rossby波、涡旋对海平面变化的影响。此外，还应用ROMS数值模式做了几个诊断性试验，探讨了风场、短波辐射以及淡水通量在季节尺度上对海平面变化的影响。南海和印度洋的海平面变化存在很大的空间和时间差异。1993-2009年期间，南海海域的海平面整体呈现上升趋势;印度洋海区大部分海域都是上升的，尤其是在南印度洋;赤道海域，上升率较低;阿拉伯海和孟加拉湾的上升率亦较低，空间分布东西不对称，西部低于东部。在孟加拉湾，一个显著的特征是其西北有个下降区，下降率为2mm/yr。南印度洋（15°S以南）海域的上升率极不连贯，比较离散，与涡旋活动有关。EOF分解结果显示吕宋岛的西北部、孟加拉湾的西部以及阿拉伯海区域海平面主要是季节变化，与季风有关;年际变化的海平面主要分布于印度洋东部以及南印度洋的中部。印度洋大洋区有两处区域（80°E-92°E，14°S-8°S）和（55°E-70°E，12°S-5°S）的海平面变化显著，前者主要体现了年变化，以及年际变化特征;后者的年际变化非常显著。这两个区域在年际尺度上受ENSO/IOD的影响。区域平均的南海海平面变化存在着显著的季节和年际信号，其年际变化受ENSO的强烈影响。比容效应引起的海平面变化是总海平面变化的最主要部分。就整体分布而言，南海东部和北部、阿拉伯海南部、印度洋大洋区（12°S以北）海域的比容效应比较明显，印度洋12°S以南海域比容效应较差，这两个区域的海平面变化受Rossby波和涡旋的影响。浮力通量对海平面变化的影响存在着很大的空间差异，不同区域的浮力通量贡献差异很大。浮力通量中，与热通量相比，淡水通量的贡献可以忽略。对热通量分析表明，南海和阿拉伯海的中部海域以及南印度洋的小部分海域受净热通量影响较大。热通量主要影响海平面变化中的年信号。澳大利亚西北到西赤道印度洋的大片海域（西北-东南走向）的海平面变化对热通量存在着延迟滞后响应。对局地风应力的响应是南海和印度洋北部海域（孟加拉湾、阿拉伯海）海平面季节变化主要机制。一层半约化重力模式可以很好的解释12°S与8°S之间的海域。12°S纬向上，Rossby波在50°E-70°E海域出现衰减。印度洋海区15°S以南的海域海平面变化主要受涡旋的影响。通过涡旋追踪模型，15°S以南海域的反气旋涡的贡献可达10%以上;气旋涡的贡献在5%，与反气旋涡相比贡献偏小。20°S以南海域，涡旋对海面高度的总贡献可达25%以上。南海的海平面年际变化与次表层水（100-300m）有关，受ENSO/PDO/NPGO的影响。 ROMS数值模拟诊断性试验进一步反映了风场、短波辐射通量以及淡水通量对海平面变化的影响。去除风场后，海表面高度的四个季节变化不同区域差异很大。南海、孟加拉湾以及阿拉伯海受风场影响较大，这些海域的风场作用不容忽视。移去短波辐射场，海表面高度四个季节变化分布形态基本一致，仅在局部区域数值上有变化。移去了淡水通量，海表面高度四个季节变化分布形态基本一致，数值变化不大。就季节变化而言，三个因素中风场是影响海表面高度变化最主要因素;短波辐射次之，淡水通量最小。

关键词：比容浮力通量 Markov模型 Rossby波涡旋 ROMS

Labrador海区对流年际振荡机制的初步探讨

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Labrador海区对流年际振荡机制的初步探讨

作者：刘浩中国海洋大学

学位级别：硕士

海洋中的深对流为海洋中的径向翻转流的垂向分支，大气造成海面降温，使海面的水体增重并下沉。在北大西洋，这个过程将海面向北运动的湾流，和底层向南运动的西边界流以及内区流动建立起联系（Bower et al.，2009）。海表的增密主要是... 详细信息

海洋中的深对流为海洋中的径向翻转流的垂向分支，大气造成海面降温，使海面的水体增重并下沉。在北大西洋，这个过程将海面向北运动的湾流，和底层向南运动的西边界流以及内区流动建立起联系（Bower et al.，2009）。海表的增密主要是由又冷又干的海面风使海面向大气的损失大量的感热和潜热。所以研究海洋深对流的发展变化对全球海气系统有重要意义。已有的研究结果揭示不论是模态水形成区还是深对流形成区（陆架区除外），对流运动都存在年际振荡，大部分人都将其和风应力、太阳辐射、淡水通量等外部强迫联系起来，较少考虑海洋自身的内部因素。本文将从以往最普遍的观点入手，阐述浮力通量和深对流发展变化的关系。首先，选择对流发展的表征量——混合层深度。本文通过对Holte和Talley（2009）的剖面的混合层深度的方法进行分析，并依据Labrador海实际情况，提出了适用于该海区的混合层深度计算方法。再从MERRA，CFSR等浮力通量数据，ARGO CORA3.3的温盐数据入手分析Labrador海区近20年得对流发展和浮力通量的关系。发现两者之间的对应关系不是很好。所以下文将提出对流年际变化新的物理机制。杨嘉岩（1996）利用Killworth和Smith（1984）的海洋模式和Welander（1977）海冰热力学模式的耦合模式研究有冰区域海洋的对流过程。这个模式是通过稳定的年循环外强迫所驱动，成功的模拟了冷中间水（dichothermallayer，此处指在Okhotsk海形成的冷中间水)的形成和存在，并成功模拟了有冰区的海面的一年内的季节变化，并发现产生一个5年的振荡周期，与杨嘉岩不同，本文将在冬季无冰的开阔海洋中进行讨论。本文将开阔海洋的对流场和背景流场联系起来，说明背景流的盐度输送是对流场发生跃变的主要机制，并建立温盐的理想热力学模型解释对流的年际振荡。对模型中的物理量进行假设，可以得到不同的振荡模态。首先假设对流区上下层密度差与流量不存在函数关系，得到关于8个变量的6个方程，通过假设其密度函数是随时间变化已知的值，可以解得其稳态方程，发现其流量随时间成明显的振荡，体现了对流场因为热盐要素本身，而发生年际变化。再者，假设对流区的上下层密度差与流量存在函数关系，我们假设此函数关系已知，并通过假设对对流上下层进行无量纲化，可以得到流量存在两年为周期的振荡。该种假设的物理机制实际是认为在对流区的两层里，每到冬季海面温度降低，海水增重，静力不稳定，表层海水下沉，与下层发生对流混合，由于在对流区下层高盐，到了夏季，由于太阳辐射，海面迅速增温，海面密度迅速减低，形成再分层现象。次年冬，又再重复上述步骤。所以每次冬季混合导致上层盐度增高（下层由于对流层底会给其补充盐度，所以认为不变），不断减小垂向分层强度，直至发生强对流混合，即对流混合深度异常高，此时参与对流混合的密度高于常年，促使对流下层向边界层下层体积通量增加，所以上层补偿流增多，对流区上层盐度被强烈稀释，盐含量又回到初始状态，从而周而复始。

关键词：对流年际振荡浮力通量热盐理想模型

自然置换通风系统中热力分层高度的实验研究和数值模拟

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自然置换通风系统中热力分层高度的实验研究和数值模拟

作者：宋丹萍天津商业大学

学位级别：硕士

本项研究首先将近年国际国内发表有关自然置换通风的经典文献中的理论公式进行归纳整理,进行了关键公式的推导,整合梳理各国学者对自然置换通风过程的理论剖析,建立清晰的脉络网格,为日后有关方面的研究提供便捷的分析思路。其次,根据... 详细信息

本项研究首先将近年国际国内发表有关自然置换通风的经典文献中的理论公式进行归纳整理,进行了关键公式的推导,整合梳理各国学者对自然置换通风过程的理论剖析,建立清晰的脉络网格,为日后有关方面的研究提供便捷的分析思路。其次,根据实验条件,运用AIRPAK数值模拟软件建立相应的几何模型,考察室内温度场和部分区域速度场。得出室内温度分布特征,为后期奠定以下两部分工作基础:1)结合实验值论证有关室内自然置换通风超细气泡羽流模型模拟实验与实验原型之间的相似性;2)结合实验值分析影响自然置换通风室内热力分层高度的因素。再次,本项研究对超细气泡羽流模型的相似性进行具有单个浮力点源的超细气泡模型与实验原型之间的相似性论证,并与数值模拟结果比较,得出相似性成立条件,同时进行有关研究的相似性分析。最终确定两套实验方案,一为超细气泡羽流模型实验,用模拟实验来模拟分析在实际建筑中的自然置换通风过程,在模型简化的基础上进行有关热力分层高度与有效开口面积、通风量及浮力通量等参数之间的影响关系分析比较;另一个为现实工况下的自然置换通风房间实测实验,得出数据与数值模拟结果比较,以校核用数值方法模拟现实工况下的自然置换通风的准确性和可行性。得出结论如下:数值模拟计算值与实验值基本吻合,确认本项研究中所建数值模型和采用的数值计算方法可行,并通过建立数值模拟模型来分析讨论在实际建筑中的自然置换通风过程;超细气泡模型可以较好地模拟现实工况下的室内自然置换通风过程;在热力分层的边界层附近,有卷吸和反卷吸的现象出现,卷吸现象发生在热力分层之下与环境空气的接触面上,反卷吸现象发生在热力分层之上与室内空气混合部分,当顶部模拟出风口的出口面积超过屋顶面积的0.1%时,分层现象基本消失;当浮力通量为常数时,分层高度随有效通风面积的增大而升高,而通风量随热力分层高度的升高而增大,当热源强度一定时,通风量随无因次有效通风面积的增加而增大;当浮力通量为非常数时,热力分层高度随浮力通量的下降而升高,浮力通量越高,通风量越大;可通过改变热源强度及改变通风量的办法,来获得一定的热力分层高度。

关键词：自然置换通风热力分层高度羽流浮力通量