复杂地形上空大气边界层结构的理想数值模拟研究

Various physical process related to a terrain has significant effect on distribution of flow field and flux transportion of momentum and mass in boundary layer. Therefore, study on the process related to a terrain, especially effect of terrain forced uplift on structure adjustment of wind field and temperature field in boundary layer, and development and evolution of various physical process , has the vital significance.But, due to the terrain undulation,the flow field in the boundary layer is very complex . heterogeneity over uneven surface and orograph is often considered separately in many numerical study, but the fact is that the two heterogeneity almost influent together.In order to further understand the effect of inhomogeneity of orograph and vegetation on boundary layer structure, using high-resolution boundary layer mode BLASIUS, consideried radiation process and the land surface process, combined with vegetation distribution heterogeneity and terrain heterogeneity. We will analyze the structure characteristics of the boundary layer over the complicated terrain, further discuss balance of vapor and heat flux varying with terrain fluctuation and solar radiation change in shady slope and sunny slope,and its further influence on area circulation over the mountains,mass and energy transportion. The result can provide important reference to research of vegetation recover at vegetation degeneration area and ecological environment construction at mountainous area.

与地形有关的各种物理过程对边界层中流场的分布及动量、物质的通量输送有着不可忽视的作用。因此，研究地形有关的过程，特别是地形强迫抬升对边界层中风场和温度场结构的调整，及其对大气边界层的各种物理过程发展和演变的进一步影响，具有重要的意义。而由于地形起伏使边界层流场结构变得极为复杂，非均匀地表性质与地形起伏在众多数值模拟研究中常被分开考虑，但实际情况往往是这两种非均匀作用的复杂组合。为了进一步了解地形起伏和地表植被造成的非均一性对边界层结构的影响，本项目利用高分辨率的边界层模式BLASIUS，考虑辐射过程和陆面过程，结合地表植被分布非均匀性和地形非均匀性，分析复杂地形上空的边界层结构特征，深入探讨地形起伏和太阳辐射日变化引起的山区阴坡阳坡的水热通量平衡特征，及其进一步影响山区区域环流的形成及物质和能量的输送问题。为植被退化区植被恢复的研究和山区生态环境的建设提供重要参考。

与地形有关的各种物理过程对边界层中流场的分布及动量、物质的通量输送有着不可忽视的作用。因此，研究地形有关的过程，特别是地形强迫抬升对边界层中风场和温度场结构的调整，及其对大气边界层的各种物理过程发展和演变的进一步影响，具有重要的意义。为了进一步了解地形起伏和地表植被造成的非均一性对边界层结构的影响，本项目利用高分辨率的边界层模式BLASIUS，通过对中尺度地表植被分布非均匀和地形非均匀下垫面进行理想的数值试验，研究了不同背景风条件下，不同坡度和植被分布的孤立圆锥山体上空的边界层结构特征；同时分析了复杂地形起伏和太阳辐射日变化引起的山区阴坡阳坡的水热通量平衡分布问题，及其进一步影响山区区域环流的形成及物质和能量的输送的特征。项目研究内容和取得的结论主要如下：.在分析孤立山体对大气边界层结构的影响中发现，背景风对对流涡旋有加强和平流作用，进而影响热对流引起的边界层以上的重力内波的振幅和波长。在夜间稳定层结条件下，当背景风速较大时，气流越过山体，在背风坡形成强的下沉区，与此同时，在山体上空激发地形重力波，并不断向上传播，波在向上传输的过程中不断消散。当迎风坡风速大于等于6 m s−1时，地形重力波能够传输到较高高度层。在山体尺度和大气静力稳定度不变时，风速越大，地形重力波振幅越大，波长越长。在风速较小条件下，气流不易越过山体，相应的地形重力波信号也不明显。夜间气流的强迫抬升形成的地形重力波随着夜间风速和稳定度的增加，其振幅加大，直到地表热力活动开始发展，重力波开始减弱，减弱的重力波可以和初期刚形成的对流边界层内的热力对流活动相互作用，在波峰处向上的垂直运动趋于增强，波谷处向上的垂直运动趋于减弱。重力波的这种影响可延伸到山的下游地区。在热力活动较强时，近地面的稳定层结被破坏，地形重力波在低空已经完全消失。.项目最后系统地模拟研究了具有不同植被覆盖的下垫面非均一性在深对流触发和调整中所起的作用和影响。结果表明：当背景风风向垂直于具有不同下垫面类型的条状地表时，在裸露土表和灌木覆盖地表的交界面附近是深对流活动易发区。对于这种条状分布的非均一下垫面，由于背景风和下垫面非均一性引起的二级环流的相互作用，在裸露地表和植被覆盖地表下风向交界面附近容易触发深对流。