本文關(guān)鍵詞：非均勻邊界層流場特征及城市影響海風(fēng)環(huán)流的大渦模擬研究　出處：《南京大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：本文主要通過大渦模擬實驗,分別研究了小尺度地表非均勻加熱的影響、海風(fēng)環(huán)流的發(fā)展特征和啟動機制、沿海城市對海風(fēng)環(huán)流的影響等三個問題。主要研究內(nèi)容與結(jié)論如下：(1)利用DALES,本文研究了理想一維、二維地表非均勻加熱對有風(fēng)切變對流邊界層湍流特征的影響。地表熱力非均勻的波長λ為4.8 km。在一維非均勻加熱情形下,當(dāng)風(fēng)向平行于條狀加熱區(qū)域時,邊界層的發(fā)展高度zi較高。同時,在邊界層中有卷狀次級環(huán)流生成,并且背景風(fēng)場有利于這種環(huán)流的維持。相應(yīng)的湍流方差廓線在垂直分布以及數(shù)值上都發(fā)生了顯著變化。例如,近地層的u方差是隨時間減小的,v方差分別在近地層和夾卷層底部出現(xiàn)了極大值,而w方差的最大值所在高度上升到了0.6～0.7zi。當(dāng)風(fēng)向垂直于條狀加熱區(qū)域時,仍然可以分辨出有組織環(huán)流的存在,但環(huán)流的結(jié)構(gòu)十分松散且強度較弱。這種情形下的湍流方差廓線在垂直分布上與均勻加熱時的相同,但數(shù)值偏小。在二維非均勻加熱情形下,當(dāng)風(fēng)向垂直于馬賽克方塊的一組對邊時,spin-up階段后對流邊界層中的湍流混合就已經(jīng)十分充分,與均勻加熱時的湍流場十分相似。然而當(dāng)風(fēng)向平行于馬賽克方塊的對角線時,邊界層湍流場中出現(xiàn)了與一維情形下風(fēng)向垂直于非均勻方向類型的湍流場相類似的結(jié)構(gòu)特征,即有次級環(huán)流的生成。當(dāng)風(fēng)向介于兩者之間時,也可以激發(fā)出卷渦狀的次級環(huán)流,而且這種湍流結(jié)構(gòu)同樣促進了邊界層的發(fā)展。再對二維非均勻加熱下風(fēng)向沿對角線時引起的次級環(huán)流結(jié)構(gòu)進行敏感性實驗,敏感因子為非均勻尺度和背景風(fēng)速。實驗結(jié)果表明,次級環(huán)流的維持時間依賴于無量綱因子A/zi。而且,當(dāng)λ大于對流邊界層中大渦的水平尺度(即λ/Zi大于某一臨界值)時,適當(dāng)?shù)脑龃箫L(fēng)速可以有效加強次級環(huán)流的發(fā)展。(2)本文應(yīng)用WRF-LES模式,采用尺度分析法研究了在地表加熱日周期變化的條件下理想海風(fēng)環(huán)流的發(fā)展特征。通過多組在不同地表熱通量和大氣穩(wěn)定度條件下的模擬實驗,結(jié)果發(fā)現(xiàn)地表熱通量越大,海風(fēng)環(huán)流的體積與強度發(fā)展得越快；海風(fēng)厚度Zsb與環(huán)流前方邊界層高度同步發(fā)展；大氣穩(wěn)定度顯著影響海陸環(huán)流的垂直高度,但對寬度的影響很小；海風(fēng)風(fēng)速Usb與海風(fēng)鋒的前進速度成正比；環(huán)流最大垂直上升速度Wmax與海風(fēng)風(fēng)速Usb的變化趨勢是階段性相同的；在發(fā)展期,海風(fēng)風(fēng)速極大值Umax的變化特征可以用邊界層湍流垂直運動的特征速度w*來描述。此外,本文還證明Steyn (1998)提出的關(guān)于Zsb和l尺度因子是不適用的。本文檢驗了Steyn (1998)提出的關(guān)于Zsb和Usb的尺度關(guān)系定律。結(jié)果表明,對于海風(fēng)環(huán)流發(fā)展的整個階段來說,尺度關(guān)系定律是不成立的；只有滿足條件ωt≈1才近似成立。結(jié)合環(huán)流各個物理量的尺度分析結(jié)果,本文對尺度關(guān)系定律作出修正,將關(guān)系定律中出現(xiàn)的ω全部替換成1/t。對于海風(fēng)啟動的問題,本文根據(jù)實驗現(xiàn)象將環(huán)流最大向岸風(fēng)速的位置發(fā)生移動的時刻定義為海風(fēng)的啟動時刻,并發(fā)現(xiàn)海風(fēng)啟動時伴隨有環(huán)流前緣近地層處的局地高溫低壓和氣流輻合現(xiàn)象,同時內(nèi)陸邊界層的高度也恰好趕超向岸氣流的厚度,即h≥Zsb�；谝陨犀F(xiàn)象,本文提出了海風(fēng)的啟動概念模型。當(dāng)hZsb時,環(huán)流前端的擾動處于向岸氣流的水平運動背景中,受到了抑制,因此不會影響向岸氣流中風(fēng)速的空間分布,環(huán)流不發(fā)生移動。當(dāng)h≥Zsb時,擾動發(fā)生在環(huán)流的上升支當(dāng)中,擾動可以被不斷放大和加強,引發(fā)環(huán)流向岸氣流前端的風(fēng)速不斷增大,最終導(dǎo)致了環(huán)流產(chǎn)生移動。海風(fēng)啟動的同時又會引發(fā)環(huán)流前緣處出現(xiàn)氣流輻合,于是輻合上升運動造成了輻合區(qū)的局地低壓；同時低壓又會引來周圍更多的暖空氣,進一步加劇輻合上升過程,形成正反饋循環(huán)。此后,正反饋循環(huán)進一步加強海陸溫差和氣壓梯度,引導(dǎo)和促進了海風(fēng)環(huán)流的發(fā)展。(3)在前一章實驗設(shè)置的基礎(chǔ)上加入理想城市下墊面,研究了城市對海風(fēng)環(huán)流發(fā)展的影響。研究結(jié)果顯示理想化城市的出現(xiàn)顯著改變了海風(fēng)環(huán)流各個物理量的變化趨勢。當(dāng)城市直接與海洋相接時,粗糙的地表抑制了海風(fēng)風(fēng)速Usb的發(fā)展,同時卻促進了環(huán)流的垂直上升運動,但影響效果不顯著；另外還會延遲海風(fēng)的啟動時間。城市地表的高值熱通量能夠加速海陸風(fēng)環(huán)流的發(fā)展；城市內(nèi)陸邊界處的熱島環(huán)流通過與海風(fēng)環(huán)流發(fā)生耦合作用,阻礙了海風(fēng)鋒的前進,增強了環(huán)流的垂直上升運動；城市的粗糙地表同樣也會促進熱島環(huán)流的垂直上升運動,從而增強兩個環(huán)流的耦合作用。增大城市熱島強度會使海風(fēng)提前啟動并進一步加快海風(fēng)環(huán)流的發(fā)展,同時也增強了內(nèi)陸邊界處的熱島環(huán)流使得兩個環(huán)流發(fā)生耦合的強度更加劇烈。增加城市的寬度會推遲海風(fēng)環(huán)流與熱島環(huán)流發(fā)生耦合的時間,由于兩個環(huán)流都已經(jīng)過了較長時間的獨立發(fā)展,因此耦合的強度也更加劇烈。在離岸城市中,城市上下游邊界上都有熱島環(huán)流出現(xiàn)。在海風(fēng)環(huán)流進入城市的過程中,海風(fēng)環(huán)流與城市近海岸熱島環(huán)流保持各自相對獨立的發(fā)展；當(dāng)近海岸熱島環(huán)流的低層水平氣流逐漸與海風(fēng)強度相當(dāng)時,兩個環(huán)流合并成一個新的海風(fēng)環(huán)流。合并的海風(fēng)環(huán)流由于前段在城市而后段在非城市區(qū)域影響下,因此出現(xiàn)了形狀和強度上的不對稱——海風(fēng)前段較厚、風(fēng)速較大；當(dāng)海風(fēng)環(huán)流與內(nèi)陸邊界處熱島環(huán)流相遇時,風(fēng)速較大的海風(fēng)頭部會加強近地層的輻合作用,從而引發(fā)更強烈的耦合上升運動。
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【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：P732

【參考文獻】

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本文編號：1351864