對(duì)流邊界層湍流通量及逆梯度輸送參數(shù)化分析

韓永翔,宋昊冬*,劉烽,趙天良

① 南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044;② 南京信息工程大學(xué) 中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210044

對(duì)流邊界層湍流通量及逆梯度輸送參數(shù)化分析

韓永翔①②,宋昊冬①②*,劉烽①②,趙天良①②

① 南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044;② 南京信息工程大學(xué) 中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210044

2013-05-10收稿,2015-06-11接受

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41075113;41175093);南京信息工程大學(xué)引進(jìn)人才啟動(dòng)資助項(xiàng)目(20110304)

摘要“K”理論是眾多氣象預(yù)報(bào)模式中運(yùn)用最廣泛的湍流參數(shù)化方案之一,但無(wú)法解釋“逆梯度”的輸送,必須進(jìn)行修正。最具代表性的修正方案有三種:方案Ⅰ(Deardroff方案)、方案Ⅱ(Holtslag和Moeng方案)和方案Ⅲ(劉烽方案)。本文利用香河的邊界層觀測(cè)資料對(duì)上述三種方案進(jìn)行驗(yàn)證和比較,發(fā)現(xiàn)方案Ⅰ的結(jié)果在整個(gè)對(duì)流邊界層(Convective Boundary Layer,CBL)呈系統(tǒng)性偏低,與觀測(cè)不符;方案Ⅱ在CBL中上部能夠再現(xiàn)逆梯度輸送現(xiàn)象,基本能給出合理的湍流通量垂直分布,但在CBL的下部和上部與觀測(cè)不符;方案Ⅲ的逆梯度項(xiàng)與高度有關(guān),并在CBL中部達(dá)到最大,而其他兩個(gè)方案中逆梯度項(xiàng)隨高度不變。該方案不但在CBL中上部與方案Ⅱ的結(jié)果一致,并能合理表達(dá)整個(gè)CBL內(nèi)的湍流通量分布,更接近觀測(cè)結(jié)果。

關(guān)鍵詞

對(duì)流邊界層

湍流通量

參數(shù)化

逆梯度

輸送

目前各種尺度的數(shù)值氣象預(yù)報(bào)模式和空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)模式,都無(wú)法分辨出小于模式網(wǎng)格尺度的邊界層湍渦,如要定量求解邊界層內(nèi)部的熱量、水汽和污染物的傳輸,必須要對(duì)湍流通量進(jìn)行參數(shù)化(郭光等,1992;張燕和徐玉貌,2002;周德剛等,2012),即需要一個(gè)針對(duì)湍流封閉問題的解決方案?！癒”理論就是一個(gè)表述一階湍流封閉通量和梯度關(guān)系的解決方案,因其表述簡(jiǎn)單,已被成功運(yùn)用于氣候和氣象預(yù)報(bào)模式中,是目前運(yùn)用最廣泛的湍流參數(shù)化方案之一。同時(shí),運(yùn)用于各種大氣污染與氣候模式中的一階半閉合(如k-ε或k-e閉合)及理論研究中的二階、三階等高階閉合中,其更高階矩湍流輸送項(xiàng)的參數(shù)化仍以“K”理論為基礎(chǔ),但“K”理論的最大缺陷是無(wú)法解釋“逆梯度”的輸送現(xiàn)象。在以熱力主導(dǎo)的對(duì)流邊界層中上部,熱量通量可突破溫度梯度的束縛,從溫度低的區(qū)域向溫度高的區(qū)域輸送;或者僅有很小的溫度梯度,仍有顯著的熱流存在。這兩種現(xiàn)象即“逆梯度”輸送。早在20世紀(jì)50和60年代的野外觀測(cè)就發(fā)現(xiàn)“逆梯度”的存在,如Bunker(1956)利用飛機(jī)觀測(cè)到在大西洋上空150～550 m的高度范圍內(nèi),溫度梯度是正值,而熱量仍向上傳輸。隨后Lettau and Davidson(1957)在觀測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)在距離地面100 m高度處存在逆梯度輸送的熱流量。Telford and Warner(1964)在觀測(cè)中兩次發(fā)現(xiàn)了逆梯度傳輸?shù)臒崃苛?其高度分別為150～350 m和150～1 250 m之間。最近的關(guān)于逆梯度輸送的觀測(cè)報(bào)道來自WL-ARPDD94實(shí)驗(yàn)資料的分析(Qian et al.,2000)。

因?yàn)閷?duì)流層上部的位溫梯度非常小,如果繼續(xù)使用“K”理論,湍流熱擴(kuò)散系數(shù)必須為負(fù)值,這與基于分子擴(kuò)散理論建立的通量梯度關(guān)系相違背。因此,必須對(duì)“K”理論進(jìn)行修正。最具代表性的“K”理論修正方案來自Deardorff(1972)、Holtslag and Moeng(1991),二者都在湍流閉合方案中引入了“逆梯度”項(xiàng),但他們基于不同的湍流物理過程來導(dǎo)出“逆梯度”項(xiàng),故而對(duì)逆梯度現(xiàn)象的物理解釋也就不同。Deardorff認(rèn)為逆梯度效應(yīng)來源于熱浮力項(xiàng),而Holtslag and Moeng則認(rèn)為逆梯度效應(yīng)來源于湍流輸送項(xiàng),該論點(diǎn)被大家所普遍接受(Cheng et al.,2002;De Roode et al.,2004)。劉烽和畢雪巖(2000)、劉烽(2001)則認(rèn)為逆梯度項(xiàng)是由湍流時(shí)間尺度、湍流強(qiáng)度以及平均場(chǎng)的空間非均勻性共同決定,與湍流輸送項(xiàng)和熱浮力并無(wú)顯含關(guān)系。顯然,這三種“K”理論修正方案中關(guān)于逆梯度項(xiàng)的來源具有完全不同的解釋,哪一個(gè)更符合實(shí)際呢?目前沒有任何有關(guān)這方面的工作。

由于湍流物理量觀測(cè)資料極端缺乏,用外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)資料進(jìn)行邊界層中逆梯度輸送的研究極為罕見,對(duì)其分析和驗(yàn)證主要借助于大渦模擬來進(jìn)行(Cheng et al.,2002;De Roode et al.,2004)。眾所周知,數(shù)值模擬盡管能夠給邊界層渦動(dòng)力學(xué)提供洞察力,但仍無(wú)法代替實(shí)際觀測(cè)。因而,用實(shí)際的外場(chǎng)觀測(cè)資料進(jìn)行邊界層逆梯度輸送的研究更為重要。本文利用WL-ARPDD94在北京香河的實(shí)驗(yàn)資料對(duì)Deardorff方案(簡(jiǎn)稱方案Ⅰ),Holtslag and Moeng方案(簡(jiǎn)稱方案Ⅱ)以及劉烽方案(簡(jiǎn)稱方案Ⅲ)進(jìn)行對(duì)比,分析其在實(shí)際運(yùn)用中的表現(xiàn),進(jìn)而探討逆梯度傳輸?shù)膶?shí)質(zhì)原因,尋找普適的湍流方案。對(duì)這一科學(xué)問題的研究,將有助于提出更為合理的湍流參數(shù)方案,增加對(duì)邊界層污染物擴(kuò)散和傳輸過程的認(rèn)識(shí),為進(jìn)一步發(fā)展湍流閉合方案提供科學(xué)依據(jù)。

1湍流參數(shù)化方案和資料簡(jiǎn)介

經(jīng)典的湍流參數(shù)化方法是基于混合長(zhǎng)理論,其假設(shè)湍流動(dòng)量交換與分子粘性引起的動(dòng)量交換在形式上相似。因此,在分子運(yùn)動(dòng)論中,分子粘性切應(yīng)力τ′為:

(1)

(2)

由以上方程可得:

(3)

同樣對(duì)于熱力湍流通量可得:

(4)

(5)

其中,γθ稱為逆梯度項(xiàng)。

假設(shè)水平均勻和Boussinesq近似的條件下,湍流熱量通量方程表達(dá)如下(Deardorff,1972):

(6)

Deardroff(1972)忽略湍流輸送項(xiàng)(即方程(6)右端第一項(xiàng))并認(rèn)為對(duì)流邊界層中的逆梯度是由于熱浮力引起的,得到湍流閉合方案(即方案Ⅰ)如下:

(7)

(8)

其中,τD為與湍能和混合長(zhǎng)有關(guān)的時(shí)間尺度。

Holtslag and Moeng(1991)通過利用大渦模擬的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)湍流輸送項(xiàng)不能夠忽略,并給出一個(gè)準(zhǔn)定常條件下湍流輸送項(xiàng)與壓力脈動(dòng)貢獻(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)化公式:

(9)

其中,w*為對(duì)流速度尺度;θ*為對(duì)流溫度尺度;τi為各向同性下的時(shí)間尺度;zi為對(duì)流邊界層高度;α、b分別為常數(shù)1/2、2。

(10)

(11)

方案Ⅲ基于混合長(zhǎng)理論,并在保留高階項(xiàng)后,得到湍流通量分布為:

(12)

因此有:

局地順梯度:Kh=l|w′|。

(13)

(14)

則有:

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

本文所用的觀測(cè)數(shù)據(jù)來源于WL-ARPDD94外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃(Qian et al.,2000)。該實(shí)驗(yàn)于1994年8月15日起在北京香河實(shí)驗(yàn)區(qū)(116°59′E,39°40′N)實(shí)施,歷時(shí)1個(gè)月,其科學(xué)目的是研究邊界層結(jié)構(gòu)的動(dòng)力和熱力學(xué)特征,處理后的資料滿足大氣邊界層基本熱力特征研究?；谟^測(cè)資料和現(xiàn)有湍流理論,Qian et al.(2000)給出了以下主要關(guān)系:

(20)

由上可得:

(21)

此外,由香河實(shí)驗(yàn)資料擬合得到的歸一化垂直速度方差:

(22)

這和前人空氣質(zhì)量輸送實(shí)驗(yàn)(Air Mass Transformation EXperiment,AMTEX)的結(jié)果非常相近(Lenschow et al.,1980):

(23)

表1香河邊界層實(shí)驗(yàn)觀測(cè)參數(shù)(Qian et al.,2000)

Table 1Boundary layer parameters in Xianghe(Qian et al.,2000)

時(shí)間zi/mU12/(m·s-1)u*/(m·s-1)w*/(m·s-1)θ*/Kw'θ'0/(K·m·s-1·10-3)τi/s1994-08-25T11:305101.00.090.920.50462791994-08-25T12:305101.40.120.900.49442831994-08-25T13:304801.80.140.860.48412781994-08-30T12:304502.00.140.960.63602351994-09-05T11:006002.60.131.060.57602841994-09-05T15:006602.80.470.950.42403471994-09-07T10:004802.20.220.820.43352931994-09-07T10:303902.50.350.870.59512251994-09-07T12:007202.50.331.040.46483461994-09-07T12:306202.40.361.000.4949311

2三種方案的熱通量計(jì)算結(jié)果與分析

利用在香河所獲得10個(gè)對(duì)流邊界層過程的垂直廓線資料,對(duì)方程(17—19)逐一計(jì)算3個(gè)方案的湍流熱通量。

由于直接觀測(cè)的位溫脈動(dòng)方差資料不能直接利用方程(17),必須找出熱浮力與垂直速度方差的關(guān)系。在計(jì)算方案Ⅰ的湍流熱通量時(shí),根據(jù)逆梯度效應(yīng)來源于熱浮力項(xiàng)(機(jī)械產(chǎn)生項(xiàng)以及湍流輸送項(xiàng)忽略不計(jì))的假設(shè)條件,利用Coulter and Wesely(1980)提出一個(gè)關(guān)于熱浮力與垂直速度方差簡(jiǎn)化關(guān)系來估計(jì)熱力混合邊界層的熱通量隨高度的變化。其熱浮力與垂直速度方差簡(jiǎn)化方程為:

(24)

(25)

方案Ⅱ提出在邊界層中部的湍渦時(shí)間尺度可由下式給出:τ=0.50 zi/w*,最大的湍渦可以達(dá)到混合層高度。

方案Ⅲ認(rèn)為時(shí)間尺度與含能渦的大小有關(guān),所以隨高度發(fā)生變化。在CBL中上部的湍渦明顯要大于近地層小湍渦,那里有足夠大的含能渦可以實(shí)現(xiàn)非局地逆梯度輸送,這種關(guān)系可以從方案Ⅲ(方程(19))中看出。

圖1為3個(gè)方案計(jì)算出的10個(gè)獨(dú)立觀測(cè)個(gè)例的順梯度、逆梯度以及總的通量結(jié)果。由圖1可見,在熱浮力為逆梯度來源的假設(shè)條件下,利用方程(24、25)可得到逆梯度項(xiàng),在每個(gè)個(gè)例中所得結(jié)果都非常一致(見圖1中粉紅和綠色虛線),證明用這種方法求取的逆梯度是可信的。此外,方案Ⅰ估計(jì)的湍流通量普遍偏低(見圖1中FL-D黑色虛線),而方案Ⅱ、Ⅲ接近于觀測(cè)結(jié)果。因此,下文重點(diǎn)討論和比較方案Ⅱ和Ⅲ的結(jié)果。

10個(gè)個(gè)例中(圖1a—j表示個(gè)例a—j),發(fā)現(xiàn)有4個(gè)(個(gè)例d、e、i和j)方案Ⅲ的湍流通量在整個(gè)CBL內(nèi)小于方案Ⅱ的結(jié)果。其他個(gè)例中用兩種方案所計(jì)算的湍流通量垂直分布則有所差異,如個(gè)例a,方案Ⅱ和Ⅲ在無(wú)量綱高度0.35以上基本吻合,0.35以下,方案Ⅲ小于方案Ⅱ;個(gè)例b,方案Ⅲ首先在底部小于Ⅱ,然后趨于一致,并在0.45高度以后大于方案Ⅱ,但在CBL上部與Ⅱ再次吻合;個(gè)例c,在CBL底部,方案Ⅲ小于Ⅱ,但在0.2高度以上,均大于方案Ⅲ的結(jié)果;個(gè)例f,方案Ⅲ首先小于Ⅱ,在中部0.55吻合,以后略微小于方案Ⅱ;個(gè)例g,在0.2高度以下相同,0.2以上,方案Ⅲ總是大于Ⅱ;個(gè)例h,其湍流通量較其他個(gè)例大,方案Ⅲ在0.25高度以上大于方案Ⅱ。

由于順梯度分量在三個(gè)方案中相同,因此逆梯度分量的貢獻(xiàn)決定了湍流通量的差異,逆梯度項(xiàng)達(dá)到一致時(shí),后兩個(gè)方案結(jié)果相等或差異極小。

圖1　平均湍流熱通量除以時(shí)間尺度隨無(wú)量綱高度的變化(藍(lán)色實(shí)線表示順梯度輸送的湍流通量分量(DG);粉紅色虛線、實(shí)線和點(diǎn)畫線分別表示方案Ⅰ(CG-D)、Ⅱ(CG-H)和Ⅲ(CG-L)中逆梯度輸送引起的湍流通量分量;綠色虛線表示方案Ⅰ(CG-D)的參考值;黑色虛線、實(shí)線和點(diǎn)畫線分別表示方案Ⅰ(FL-D)、Ⅱ(FL-H)和Ⅲ(FL-L)的湍流熱通量)Fig.1　Vertical profiles of turbulent heat flux divided by the time scale with dimensionless (the solid lines in blue represent the turbulent flux component due to local or downward gradient transport(DG);the dotted,solid,and dashed-dotted lines in pink denote the turbulent heat flux component caused by the counter-gradient term in scheme Ⅰ(CG-D),Ⅱ(CG-H) and Ⅲ(CG-L),respectively;the green dotted line is the reference of the counter-gradient term for scheme Ⅰ(CG-D);the dotted,solid and dashed-dotted lines in black represent the turbulent heat flux calculated by scheme Ⅰ(FL-D),Ⅱ(FL-H) and Ⅲ(FL-L),respectively)

圖2　平均湍流熱通量除以時(shí)間尺度隨無(wú)量綱高度的變化(10個(gè)CBL個(gè)例的平均廓線;藍(lán)色實(shí)線表示順梯度輸送的湍流通量分量(DG);粉紅色虛線、實(shí)線和點(diǎn)畫線分別表示方案Ⅰ(CG-D)、Ⅱ(CG-H)和Ⅲ(CG-L)中逆梯度輸送引起的湍流通量分量;綠色虛線表示方案Ⅰ(CG-D)的參考值;黑色虛線、實(shí)線和點(diǎn)畫線分別表示方案Ⅰ(FL-D)、Ⅱ(FL-H)和Ⅲ(FL-L)的湍流熱通量)Fig.2　Vertical profile of averaged turbulent heat flux divided by the time as a function of dimensionless (the results are averaged over 10 CBL cases from datasets at Xianghe;the solid lines in blue represent the turbulent flux component due to local or downward gradient transport(DG);the dotted,solid,and dashed-dotted lines in pink denote the turbulent heat flux component caused by the counter-gradient term in scheme Ⅰ(CG-D),Ⅱ(CG-H) and Ⅲ(CG-L),respectively;the green dotted line is the reference of the counter-gradient term for scheme Ⅰ(CG-D);the dotted,solid and dashed-dotted lines in black represent the turbulent heat flux calculated by scheme Ⅰ(FL-D),Ⅱ(FL-H) and Ⅲ(FL-L),respectively)

為了更清楚地看出二者的差異,本文計(jì)算了10個(gè)個(gè)例的湍流通量平均值(圖2)?？梢?方案Ⅱ和Ⅲ僅僅在CBL中部(0.45～0.65)相吻合。在下部和上部,方案Ⅲ的結(jié)果均低于方案Ⅱ,二者之差的絕對(duì)值下部大于上部。對(duì)比Qian et al.(2000)給出的更多個(gè)例的觀測(cè)以及方案Ⅱ計(jì)算結(jié)果的平均廓線,發(fā)現(xiàn)觀測(cè)值在中部與計(jì)算結(jié)果一致,而在下部與上部均小于方案Ⅱ的計(jì)算值,這與由方案Ⅲ的通量廓線行為非常一致,因此方案Ⅲ更接近觀測(cè)事實(shí)。

圖3　方案Ⅱ和Ⅲ湍流熱通量計(jì)算值的相關(guān)點(diǎn)聚圖Fig.3　Scatter plot showing the relationship of turbulent heat fluxes between scheme Ⅱ and scheme Ⅲ

圖4　平均湍流熱通量除以時(shí)間尺度隨無(wú)量綱高度在整個(gè)CBL中的變化(藍(lán)色實(shí)線表示順梯度輸送的湍流通量分量(DG);粉紅色虛線、實(shí)線和點(diǎn)畫線分別表示方案Ⅰ(CG-D)、Ⅱ(CG-H)和Ⅲ(CG-L)中逆梯度輸送引起的湍流通量分量;綠色虛線表示方案Ⅰ(CG-D)的參考值;黑色虛線、實(shí)線和點(diǎn)畫線分別表示方案Ⅰ(FL-D)、Ⅱ(FL-H)和Ⅲ(FL-L)的湍流熱通量)Fig.4　Vertical profile of averaged turbulent heat flux divided by the time as a function of the full range of within the CBL(the solid lines in blue represent the turbulent flux component due to local or downward gradient transport(DG);the dotted,solid,and dashed-dotted lines in pink denote the turbulent heat flux component caused by the counter-gradient term in scheme Ⅰ(CG-D),Ⅱ(CG-H) and Ⅲ(CG-L),respectively;the green dotted line is the reference of the counter-gradient term for scheme Ⅰ(CG-D);the dotted,solid and dashed-dotted lines in black represent the turbulent heat flux calculated by scheme Ⅰ(FL-D),Ⅱ(FL-H) and Ⅲ(FL-L),respectively)

方案Ⅲ的理論也可以解釋為何優(yōu)于方案Ⅰ和Ⅱ,且與觀測(cè)事實(shí)相符。其理論核心認(rèn)為逆梯度項(xiàng)應(yīng)該與湍渦尺度隨高度的變化有關(guān)。在邊界層下層主要以由風(fēng)切變?cè)斐傻男〕叨葯C(jī)械湍流為主,而中上部以熱力湍流造成的大尺度湍渦為主,其非局地特征是造成逆梯度輸送的主要原因。雖然逆梯度項(xiàng)本身的值一般在對(duì)流邊界層中部達(dá)到最大值,然后隨高度減少(與溫度隨高度的二階導(dǎo)數(shù)有關(guān)),在CBL的上半部分隨著局地梯度項(xiàng)(與溫度隨高度的一階導(dǎo)數(shù)成正比)貢獻(xiàn)的增加和逆梯度項(xiàng)的迅速減弱,其綜合結(jié)果使得向上的熱通量減弱和消失,甚至轉(zhuǎn)為向下的熱通量。所以逆梯度效應(yīng)并未出現(xiàn)在對(duì)流邊界層的頂部而在對(duì)流層中上部,那里的溫度梯度值非常小并幾乎為零,但顯著的熱量傳輸仍然存在(即逆梯度項(xiàng)的作用),所以方案Ⅲ值與觀測(cè)事實(shí)相符合。

3三種方案物理基礎(chǔ)回顧與討論

存在時(shí),方案Ⅰ退化為傳統(tǒng)的一階封閉。

方案Ⅲ從基本的混合長(zhǎng)理論出發(fā),保留二級(jí)近似而非傳統(tǒng)的一級(jí)近似,從數(shù)學(xué)上講,物理變量對(duì)空間的二階導(dǎo)數(shù)說明某點(diǎn)湍流物理量的變化不但取決于局地變化而且與其周圍其他點(diǎn)上的變化有關(guān),這就是所謂的非局地效應(yīng)。方案Ⅲ并未強(qiáng)調(diào)湍流逆梯度來源,而是由湍流強(qiáng)度、時(shí)間尺度以及空間非均勻性決定。無(wú)論是熱力湍流或是機(jī)械湍流,均以其時(shí)間尺度和強(qiáng)度等基本量決定逆梯度的大小和湍渦尺度在垂直空間上的變化,湍渦尺度隨高度的變化使得逆梯度項(xiàng)的貢獻(xiàn)隨高度發(fā)生變化而非一個(gè)常數(shù)。目前普遍認(rèn)為,逆梯度傳輸是由大湍渦作用產(chǎn)生的現(xiàn)象,在CBL中上層以熱力湍流造成的大尺度湍渦為主,而在邊界層底部主要以小尺度機(jī)械湍流為主。方案Ⅲ不再?gòu)?qiáng)調(diào)逆梯度輸送是由熱浮力產(chǎn)生或湍流輸送項(xiàng)引起,而認(rèn)為逆梯度輸送可能就是湍流本身的一種屬性。因此,方案Ⅲ不僅適合于CBL而且能同時(shí)滿足穩(wěn)定邊界層,使后者中的逆梯度項(xiàng)自動(dòng)失去控制效應(yīng)。因此,方案Ⅲ的湍流方案無(wú)需以邊界層的熱力穩(wěn)定性為前提,可視為一種普適的湍流方案,為建立一個(gè)統(tǒng)一的、適應(yīng)于任何標(biāo)量物質(zhì)在湍流環(huán)境中的擴(kuò)散、遷移等參數(shù)化方案提供了新的思路。此外,在本文個(gè)例分析中也可以看出,延伸至其他參數(shù)化方案以外的CBL區(qū)域,方案Ⅲ同樣可以給出合理的結(jié)果。

4結(jié)論

本文利用香河地區(qū)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)三種湍流參數(shù)化方案作了對(duì)比和分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn):

1)方案Ⅰ估算的湍流通量在整個(gè)CBL中系統(tǒng)偏低。

2)方案Ⅱ在邊界層中部與觀測(cè)結(jié)果一致,但在CBL下部和上部均估計(jì)過高。

3)方案Ⅲ在整層CBL中與觀測(cè)結(jié)果一致,其估算結(jié)果在下部和上部均小于方案Ⅱ的結(jié)果。在到達(dá)向一個(gè)穩(wěn)定層過度的CBL頂端和超絕熱底部,僅方案Ⅲ能給出合理的分布。方案Ⅲ從理論和個(gè)例分析中能更好地反映和解釋CBL熱量傳輸機(jī)制以及逆梯度的傳輸現(xiàn)象,并可用于整個(gè)CBL。

本文僅僅利用了香河地區(qū)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),比較和分析了三個(gè)方案的結(jié)果,但其結(jié)論是否具有普適性仍需要更多的觀測(cè)數(shù)據(jù)來支持和驗(yàn)證。

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K-theory is one of the most extensive turbulent closure revision schemes using weather patterns.However,because it cannot explain the counter-gradient transportation phenomenon,it must be corrected.There are three turbulent closure revision schemes representative of the convective boundary layer(CBL):the first was developed by Deardorff(1972),the second scheme by Holtslag and Moeng(1991),and the third by Liu Feng(2001).Because these schemes are based on different physical assumptions,they present different parameterizations and interpretations of counter-gradient transportation within the CBL.In the present work,using part of the published database obtained from the WL-ARPDD94 Experiment in Xianghe,the three schemes were tested and compared.The results showed that the first scheme systematically underestimates the heat flux within the entire CBL,and is inconsistent with the observations of the Xianghe CBL Experiment.The second scheme can reproduce inverse gradient transportation phenomena in most of the CBL,and can basically depict the vertical distribution of turbulent flux.However,it is not in agreement with observations in the lower and upper CBL.The third scheme’s counter-gradient item is related to height,reaching a maximum in the central CBL,while the other two schemes’ counter-gradient items remain constant with changes in height.The third scheme’s results are not only consistent with the second scheme in most of the CBL,but can also reasonably describe the turbulent flux distribution within the entire CBL.Liu’s parameterization exhibits good agreement with observations in the whole CBL.The analysis suggests that Liu’s scheme,first used to determine heat flux based on field experiment data,is able to represent the heat flux profile for the CBL.On the basis of reviewing the physical interpretation of counter-gradient transport phenomena by the different closure schemes,a universal scheme for the planetary boundary layer,suitable for numerical weather forecasting models,is urgently needed.

convective boundary layer;turbulent flux;parameterization;counter-gradient;transportation

(責(zé)任編輯：孫寧)

A case study of turbulent flux and counter gradient transport in the convective boundary layer

HAN Yongxiang1,2,SONG Haodong1,2,LIU Feng1,2,ZHAO Tianliang1,2

1CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters(CIC-FEMD),NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China;2KeyLaboratoryforAerosol-Cloud-PrecipitationofChinaMeteorologicalAdministration,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130510001

引用格式:韓永翔,宋昊冬,劉烽,等.2016.對(duì)流邊界層湍流通量及逆梯度輸送參數(shù)化分析[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),39(3):417-425.

HanYX,SongHD,LiuF,etal.2016.Acasestudyofturbulentfluxandcountergradienttransportintheconvectiveboundarylayer[J].TransAtmosSci,39(3):417-425.doi:10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130510001.(inChinese).

*聯(lián)系人，E-mail:shdly5330978@163.com