有切变夹卷过程及其参数化研究

采用数值模拟和水槽实验模拟相结合的方法研究有切变情况下的对流夹卷过程。在水槽的中上部引入具有一定逆温和切变的水平运动，实施有切变对流边界层的实验模拟，研究对流边界层顶部切变对夹卷过程的影响；运用大涡模拟手段，在不同条件下进行数值模拟试验，研究对流边界层顶部切变湍流和近地层切变湍流对夹卷过程的不同作用。依据水槽实验和大涡模拟结果，通过理论分析，搞清切变湍流和热力湍流在夹卷过程中的相对贡献，建立符合实际大气状况的夹卷过程物理模型，获得夹卷特征量（夹卷速度和夹卷通量比）和夹卷层结构（即夹卷层厚度）的参数化方案。所得结果对揭示夹卷过程机理，完善大气边界层湍流理论有重要的理论意义和应用价值。

本项目采用数值模拟和水槽实验模拟相结合的方法研究有切变对流夹卷过程，分析夹卷过程机理，并对夹卷过程进行参数化。通过对水槽实验装置的改进，实现了在水槽中引入具有逆温结构和切变的水平运动，实施了有切变夹卷过程的实验模拟；运用大涡数值模式，本项目对有切变夹卷过程进行了全面的数值模拟研究，获得了一些很有意义的研究成果。项目完成了计划书设定的研究内容和研究目标。. 水槽实验研究的主要成果为：1）切变使得夹卷层厚度增加，夹卷率增强，切变产生的机械湍流对夹卷过程确实有贡献，虽然只是获得了一些定性结果，在实验能力上还是取得了明显进展；2）利用水槽装置模拟研究了海风发展过程，分析提出了海风的发生条件，拓展了本项目的研究内容。大涡模拟研究的主要成果为：1）发现在国外学者提出的参数化方案中，切变产生的机械湍流对夹卷过程的贡献被过高估计，提出了改进方案，确定了机械湍流贡献的比例；2）夹卷层厚度受切变产生的机械湍流影响，正压和斜压条件所表现的特征不同，可以用统一的参数化形式，但正压和斜压条件下的系数不同；3）强逆温覆盖时有切变对流夹卷过程表现出不同的特征，提出了夹卷层结构参数这个的影响因子，将其作为变量引入夹卷速度参数化方案，可以很好地描述有覆盖逆温的对流边界层发展过程；4）通过分析夹卷率这个特征量与机械湍流和热力湍流的关系，发现有切变时夹卷率可以用更为简单的方式进行参数化，据此可以获得简化的夹卷速度参数化方案。