基于大气稳定度和地表粗糙度影响的边界层高度算法研究

Numerous numerical models of atmosphere and atmospheric dispersion require an estimate of boundary-layer height in their parameterization of mixing processes. Bulk Richardson number (Rib) method is one of the most commonly used methods for the parameterization of boundary-layer height . The critical Rib (Ribc), as a key parameter, is usually chosen as a universal value. However, the latest studies show that Ribc is not a constant, rather it depends on atmospheric stability and surface roughness. But these researches were limited in stable conditions and did not simultaneously take the two impact factors into account. Given the above issues, this project will further investigate impacts of atmospheric stability and surface roughness on Ribc under unstable conditions, and propose a reasonable determining method or a formula of Ribc by taking both the two impact factors into account, in order to improve the accuracy of the boundary-layer height parameterization. The specific work include: 1) to validate impacts of atmospheric stability and surface roughness on Ribc in stable conditions; 2) to investigate impacts of atmospheric stability and surface roughness on Ribc in near-neutral and unstable conditions; 3) to attempt to propose a formula of Ribc including impact factors of atmospheric stability and surface roughness.

在许多大气和大气扩散的数值模式中，混合过程的参数化都需要计算边界层高度。总体理查森数(Rib)方法是最常用的边界层高度参数化方法之一，其中总体理查森数临界值(Ribc)作为一个关键参数通常被选为某一恒定值。而最新的研究表明Ribc并非一个常数，而是受大气稳定度和地表粗糙度的影响。但是，这些研究结果都是局限于稳定条件下，并且尚未有研究同时考虑两个影响因子对Ribc的影响。基于上述问题，本项目将进一步考察不稳定条件下大气稳定度和地表粗糙度对Ribc的影响，并同时考虑这两个影响因子，提出一个合理的Ribc确定方法或者函数表达式，从而提高边界层高度参数化的准确性。具体工作包括：1）验证稳定条件下大气稳定度和地表粗糙度对Ribc值的影响；2）明确不稳定条件下大气稳定度和地表粗糙度与Ribc值的变化关系；3）提出一个同时包含大气稳定度和地表粗糙度影响因子的Ribc表达式。

在数值模式中总体理查森数方法是最常用的边界层高度参数化方案之一，其中临界总体理查森数作为一个关键参数通常被作为一个恒定值处理。然而，一些研究表明临界总体理查森数并非一个常数，而是受大气稳定度和地表粗糙度的影响。但是，这些研究结果都是局限于稳定条件下，并且有待进一步验证。基于上述问题，本项目利用多个站点的边界层探空观测数据，将边界层分为强稳定、弱稳定和不稳定三种类型进行分析，确定了不同层结条件下最优的临界总体理查森数；通过与恒定临界总体理查森数的原始方案的对比测试，结果表明考虑了大气稳定度对临界总体理查森数影响的新方案一定程度上提高了数值模式对大气边界层高度模拟的准确性。另外，本项目利用基于民航飞机探测数据建立的多地点的探空数据集分析发现，临界总体理查森数在稳定层结条件下随地表粗糙度增大有显著的增大趋势，而在不稳定条件下随地表粗糙度没有显著变化。因此，在基于观测资料或数值模式的大气边界层高度估算中，尤其是在稳定层结条件下，应该考虑大气稳定度和地表粗糙度的影响。这为数值模式中边界层高度参数化的进一步改进提供了一定的思路和理论依据。