边界层过程对近岸和海上大气波导模拟的影响机理和数值试验

Atmospheric duct, an abnormal refraction structure which is often occurred in the boundary layer, is of great importance in military use. Due to the specials in marine atmospheric environment, evaporation ducts and elevated ducts often coexist over the ocean surface. The former is influenced by the combined effects of inhomogeneity and marine internal boundary layer (MIBL) associated with land-sea boundary difference when approaching the offshore regions; and the latter is closely related to the turbulence in boundary layer. It has shown that ignoring the land-sea difference effects and the uncertainties of some key parameters in boundary layer parameterizations restrict the predicting ability of onshore and marine atmospheric ducts. Aiming to these issues mentioned above, this project focuses on the influence of MIBLs on offshore evaporation ducts and their predictability. An offshore evaporation duct model is designed based on M-O similarity that accommodates spatial variability of meteorological parameters. The influence mechanism of the key parameters on ducts structure and variation is investigated and optimized.This project provides a theoretical and technological value in the influence of boundary layer process on onshore and marine ducts and the enhancement of their real-time analysis and numerical prediction.

大气波导是主要发生在大气边界层内的一种异常折射结构，具有极其重要的军事利用价值。海洋大气环境的特殊性，使得海上蒸发波导与悬空波导经常共存，前者在近岸环境下受海陆下垫面差异引起的非均匀性和海洋内边界层结构的影响，后者与边界层湍流过程密切相关。研究表明，忽视海陆下垫面差异的影响和边界层关键因子的不确定性是制约近岸和海上大气波导分析预报能力的关键因素。针对上述问题，本项目重点研究海洋内边界层对近岸蒸发波导的影响和可预测性；利用含水平梯度修正项的M-O相似方程，设计适用于近岸环境的蒸发波导模型；探究边界层方案内部关键因子对波导参数和结构变化的影响机理并确定相关因子的最优取值。本项目的研究对深入认识边界层过程对近岸和海上大气波导的影响机理、提高实时分析和数值预报精度具有重要的理论和技术价值。

海洋大气环境的特殊性，使得海上蒸发波导与悬空波导经常共存，具有极其重要的军事利用价值。研究表明，忽视海陆下垫面差异的影响和边界层关键因子的不确定性是制约近岸和海上大气波导分析预报能力的关键因素。.针对上述问题，本项目围绕近岸离岸风环境和黑潮海洋锋区海洋内边界层的形成及其对海上蒸发波导的影响和可预测性；利用走航观测、再分析资料和数值模拟手段，考虑下垫面非均匀性对海上蒸发波导突变性和非均匀性的影响和修正方案；深入边界层参数化方案内部，详细研究了边界层湍流特征参数的不确定性对大气波导模拟效果的影响及其优化取值；新增了“急流风切变相关型大气波导”形成机制的研究。.结果表明，离岸风稳定层结条件下形成的海洋内边界层（MIBL），确实会伴随表面波导的形成，造成近岸原有蒸发波导的变性增厚，建议利用中尺度数值模式的预报结果来修正。针对东南沿海强表面波导过程，从环境与传播相结合的角度，证实了WRF模式的模拟预报能力。黑潮海洋锋区，当气流从黑潮主体的暖水区吹向大陆冷海域时，也会形成具有强逆温层的海洋内边界层，并伴随海雾的生成，与其他开阔海域的不稳定层结形成鲜明对比，导致此处蒸发波导高度突变性和非均匀性增强，此时有必要利用时空分辨率更高的海温分析场或海气耦合模式来提高蒸发波导的数值模拟精度。形态参数pfac是影响大气波导模拟最重要的湍流特征参数（其默认取值均为2.0），在海上台风型和高压型大气波导的数值模拟中，该参数在YSU和ACM2边界层参数化方案中的建议取值分别为1.0和1.5。“急流风切变相关型”大气波导的形成与边界层急流引起的风切变湍涡有关，急流最大风速与陷获层底所在的高度有很好的对应，此类波导容易被数值模式漏报，大涡模拟（LES）可能是一个好的解决方案。以上研究成果对于认识近岸和海上大气波导形成变化机理、提高实时分析和数值预报精度具有重要的理论和技术价值。