适用于行星边界层单柱模式的研发和数值试验的初步研究

发布时间：2020-10-19 22:46

　　 单柱模式是目前气候模式中物理过程参数化方案研究的重要手段之一,能更好地揭示其物理过程的特征和本质。论文将单柱模式应用于海洋行星边界层的研究中,针对单柱模式计算中存在的问题,提出了将有限元方法、Doolittle算法用于求解模式方程组和框架方案,通过编写的模式对南中国海的行星边界层进行了数值试验,使用ERA-Interim再分析资料对模拟结果进行了对比分析,初步探讨了海洋行星边界层的变化特征。研究结果表明:单柱模式框架和计算方案采用有限元方法、Doolittle算法之后,与原框架和计算方案相比提高了约51倍,较好地解决了计算速度问题,为三阶及高阶闭合方案计算在模式中的大范围应用提供了参考。论文提出的新的框架计算方案,模拟的温度、比湿、风速的结果与ERA-Interim数据相比有较好的一致性,并更好地反映了边界层的层结结构特征。模拟的长波净辐射通量无云时,随高度增加而增大,日变化在低层受低空大气影响,在下午出现一个极值区,14:00左右达到最低值;受云影响,长波净辐射通量变化与无云时相比出现了显著的差异。模拟的短波净辐射通量存在明显的日变化,无云时,日变化受低空大气影响,在下午出现一个极值区,14:00左右达到最大值;有云时,短波净辐射通量变化与无云时相比同样存在着显著的差异。模拟的比湿值受蒸发影响,在晴空状态下,随时间抬升;云发展初期其值变率较大,变化随高度存在延迟现象。模拟的液态水在日出后逐渐增大,云生成之后变化不大。从分析结果来看,新的框架计算方案能够较好地模拟行星边界层特征。
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：P456.7;P421.3
【部分图文】：

兰州大学硕士研究生学位论文 适用于行星边界层单柱模式的研发和数值试验的初步研究第三章 单柱模式框架和计算方案单柱模式是垂直气柱的一维模式，由三维气候模式中垂直部分的物理过程模块组成。该模式中仅研究这些物理过程参数化模块的特性，而不考虑气候模式其它部分反馈的影响，由于排除了发生在大尺度模式中复杂的非线性影响，更能够揭示物理过程参数化的特征和本质，目前单柱模式已经成为气候模式物理过程参数化研究的重要手段之一，但在发展过程中仍然存在一些问题。针对单柱模式中的湍流闭合与计算量等问题，本章内容结合现代软件开发思路建立了单柱模式框架，并提出利用有限元方法、大型稀疏矩阵、Dolittle 算法的计算方案，以提高模式数值分析过程的计算速度，具体流程图如图 3.1 所示，主要包括四个部分：预处理部分、单柱模式系统、数值分析过程以及后处理部分。

如图 3.2 所示。图 3.2 单柱模式系统的主要组成及示意图3.2.1 初始场初始场，主要由分析/再分析资料提供天气背景、云覆盖状况等信息，也可融入一些观测资料或其他模式的资料。本文在试运行期间的初始资料为NCEP/NCAR 再分析资料。3.2.2 基本控制方程组基于 NS 理论的流体力学框架，建立了模式框架的大气运动控制方程组。方程组主要包括三部分：平均气象要素控制方程、二阶雷诺平均方程组、三阶雷诺平均方程组。3.2.2.1 平均气象要素控制方程N-S 方程是描述流体湍流垂直过程的方程组，对其进行雷诺平均。为写出动量方程组常用的简化形式，做出以下假设：1）流场水平均一，对 x、y 方向的导数为零；2）用地转风定义替代水平气压梯度项；3） ；4）忽略数量级小的分子粘性力项。处理后得到一维大气边界层平均气象要素控制方程组，如下：

采用南中国海区域的 1998 年 5 月 21 日 02 时（北京时，全文中如未注为北京时，便于分析边界层的变化）的 NECP/NCAR 的再分析数据作为始场，对经度为 102.5°E、纬度为 2.5°N 的地区进行了数值模拟试验，为 1998 年 5 月 21 日 02 时至 23 日 02 时。该地区位于东亚季风区，有汽来源，终年高温潮湿，属于热带海洋气候。模拟结果与 ERA-Interim 数据的对比分析为验证发展的单柱模式框架与计算方案模拟结果的性能，将模拟结果与的 ERA-Interim 再分析数据进行了比较。在 ERA-Interim 资料中，垂直据，每天只提供 4 个时次，即世界时 00 时、06 时、12 时、18 时，对时为 08 时、14 时、20 时、02 时。4.1.1 温度廓线的比较
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本文编号：2847822