小尺度三维陡峭山体的背风波研究

Lee wave is the fluctuant or vortical flow induced by mountains, which is a typical physical phenomenon in atmospheric boundary layer and has significant impacts on local weather, atmospheric environment, aviation safety and wind energy exploitation. Most of the traditional studies on lee wave are based on semi-two-dimensional low ridges, and the results obtained from these studies are not applicable for three-dimensional steep mountains, which broadly exist in the world. This project is focused on small scale three-dimensional steep mountains. Based on a numerical modeling method of coupling CFD to meso-scale model, and in conjunction with analysis on observational data from multi-sources, the morphological characteristics, the movement characteristics and the physical mechanism on the lee wave induced by three-dimensional steep mountains will be studied. Based on the studies, a triggering criterion for the lee wave applicable for small scale three-dimensional steep mountains is expected to be established.

背风波是气流过山形成的波动/涡动现象，是一种典型的大气边界层物理现象，会对局地天气、大气环境、航空安全以及风能利用等产生影响。传统背风波研究多以准二维低矮山脊为研究对象，其研究结论有较大局限性，对于大量真实存在的三维陡峭地形适用性有限。本项目提出以空间尺度在10km量级的小尺度三维陡峭山体为对象，通过“中尺度模式/CFD”耦合的模拟方法，辅以多源观测资料分析，讨论小尺度三维陡峭山体的背风波形态特征、运动规律及激发的物理机制，并形成适用于小尺度三维陡峭山体的背风波生成判据。

由于与航空安全、风资源利用和大气污染等问题密切相关，山体的背风波研究是大气边界层学科中的一个经典问题。然而由于研究手段的缺乏，小尺度三维陡峭山体的背风波运动一直是研究涉足相对较少的领域。本项目在国家自然基金的资助下，对小尺度三维陡峭山体的背风波问题进行了系统的研究，主要目标为：发展和完善中尺度模式/CFD多尺度模拟方法，并结合多种观测手段，研究小尺度三维陡峭地形的背风波问题，以期获得关于陡峭地形过山气流波动特征的清晰科学认识。在项目执行期间，项目组利用激光雷达观测、多普勒雷达观测、数值模拟和可视化分析等多种手段，对小尺度三维陡峭山体的背风波的形态特征、规律和机制进行了深入研究。项目组取得的主要研究成果如下：（1）完善了“中尺度模式/计算流体力学”耦合模拟技术，对湍流模型、密度模型和耦合方法进行了比选，寻找到了更适用于小尺度三维陡峭地形的耦合模拟方法。（2）通过观测资料的系统分析，发现小尺度三维陡峭地形激发的背风波普遍存在，这表明小尺度三维陡峭地形比二维山脊更容易激发出背风波，后者需要在稳定层结下才能激发，而前者在中性层结条件下即容易激发出背风波。（3）利用三维可视化分析手段分析了小尺度三维陡峭地形背风波的形态特征，发现它不仅仅是“波”，而是由涡、波、旋转子和跳跃等各种扰动形态气流组成的复杂流动现象，其生消具备一定周期性特征；（4）小尺度三维陡峭地形背风波的具体特征包括波长、周期、扰动范围与背景气象条件密切相关，背景风速越大通常影响的范围越大；背景稳定层结越强，则气流扰动会越明显。