近地層湍流通量參數(shù)化方案的研究.pdf

1、近地層湍流通量交換是地(陸地和海洋)表和大氣相互作用過程中的重要環(huán)節(jié)，是大氣邊界層研究中的一個重要方向。深入研究近地層湍流通量交換，進一步改進湍流通量參數(shù)化方案，對于提高天氣和氣候模式的數(shù)值模擬能力、更好地理解氣候變化和地表過程的相互作用，以及氣候變化預(yù)測具有深刻意義。本文立足于前人方案，對前人具有代表性的方案進行了回顧、比較和總結(jié)，并在此基礎(chǔ)之上提出了一種新的非迭代湍流通量參數(shù)化方案，新的湍流通量參數(shù)化方案無需循環(huán)迭代，并且保持了較高

2、的計算精度。 近四十年來，眾多科學(xué)家依據(jù)各自不同的試驗資料提出了一系列湍流通量計算方案，其中具有代表性的八種方案是：Businger等(1971)、Dyer(1974)、Louis等(1982)、Beljarts and Holtslag(1991)、Launiainen(1995)、Hogstrom(1996)、Wang等(2002)和胡艷冰等(2006)。其中，Businger等(1971)、 Dyer(1974)、Beli

3、aars and Holtslag(1991)和Hogstrom(1996)為迭代方案，他們通過循環(huán)迭代計算湍流通量；Louis等(1982)、Launiainen(1995)、Wang等(2002)和胡艷冰等(2006)為非迭代方案，在計算過程中采取整體理查森數(shù)Ri<,B>直接參數(shù)化湍流通量整體輸送系數(shù)(C<,M>、C<,H>和C<,E>)或穩(wěn)定度參數(shù)ζ，從而不需要迭代運算即可求得湍流通量。Guilloteau(1998)等認為：在不

4、穩(wěn)定情況下Hogstrom(1996)的計算結(jié)果以及在穩(wěn)定情況下Beljaars and Holtslag(1991)的計算結(jié)果更為合理；為了方便引用起見，本文將它們合稱為BHH方案。迭代方案因完整地保持了Monin-Obukhov相似理論，未作更多的近似，因此其計算結(jié)果更為合理，但迭代過程需要耗費大量的CPU時間；而非迭代方案由于做了近似處理，需要的CPU時間較少，因此計算結(jié)果的可信度較低。為了進一步精確了解各方案，本文對這些方案進行

5、了全面的比較和詳細的分析，結(jié)果表明，通過各方案計算得到的湍流通量存在很大差異，并且在不同的大氣層結(jié)穩(wěn)定性、不同的下墊面動力和熱力粗糙度條件下，各方案計算結(jié)果間的差異也不同。從總體上說，在強不穩(wěn)定或者大的動力粗糙度條件下，各方案的計算結(jié)果偏差較大；在近中性以及小的動力粗糙度條件下，各方案的計算結(jié)果偏差較小。此外，本文基于BHH方案的計算結(jié)果，采用多元回歸分析的方法，研發(fā)了一種新的非迭代湍流通量參數(shù)化方案。新方案直接由整體理查森數(shù)Ri<,B

6、>、空氣動力學(xué)粗糙度長度Z<,0>和熱力學(xué)粗糙度長度Z<,0h>參數(shù)化穩(wěn)定度參數(shù)ζ(即z/L)，從而避免了通過循環(huán)迭代來計算湍流通量。該方案不僅有效地節(jié)省了CPU計算時間，而且，其計算結(jié)果與BHH方案的計算結(jié)果更為接近：在不穩(wěn)定情況下新方案C<,M>和C<,H>的誤差最大僅為3.1％和2.9％；在穩(wěn)定情況下，在Z<,0>/Z<,0h>=0.5、1和10時C<,M>的誤差絕對值最大不超過14.4％、C<,H>的誤差最大不超過21.5％；在