青藏高原大气边界层数值模拟研究进展

doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2024.072

地球科学进展 ›› 2024, Vol. 39 ›› Issue (9): 915 -929. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2024.072

青藏高原大气边界层数值模拟研究进展

许菡颖 ¹ ^, ³(

), 韩存博 ¹ ^, ⁶ ^, ⁸, 马耀明 ¹ ^, ² ^, ³ ^, ⁴ ^, ⁵ ^, ⁶ ^, ⁷ ^, ⁸(

), 张蕴帅 ¹

^1.中国科学院青藏高原研究所青藏高原地球系统与资源环境国家重点实验室地气作用与气候效应团队，北京 100101
^2.三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌 443002
^3.中国科学院大学地球与行星科学学院，北京 100101
^4.中国科学院西北生态环境资源研究院，甘肃兰州 730000
^5.兰州大学大气科学学院，甘肃兰州 730000
^6.西藏珠穆朗玛特殊大气过程与环境变化国家野外科学观测研究站，西藏定日 858200
^7.中国科学院加德满都科教中心，北京 100101
^8.中国—巴基斯坦地球科学研究中心，伊斯兰堡 45320，巴基斯坦

收稿日期:2024-06-07 修回日期:2024-08-24 出版日期:2024-09-10
通讯作者: 马耀明 E-mail:xuhy@itpcas.ac.cn;ymma@itpcas.ac.cn
基金资助:
国家重点研发计划项目(2022YFB4202104);国家自然科学基金项目(42475088)

Review on Numerical Simulation of Atmospheric Boundary Layer over the Tibetan Plateau

Hanying XU ¹ ^, ³( ), Cunbo HAN ¹ ^, ⁶ ^, ⁸, Yaoming MA ¹ ^, ² ^, ³ ^, ⁴ ^, ⁵ ^, ⁶ ^, ⁷ ^, ⁸( ), Yunshuai ZHANG ¹

^1.Land-Atmosphere Interaction and Its Climatic Effects Group, State Key Laboratory of Tibetan Plateau Earth System, Environment and Resources (TPESER), Institute of Tibetan Plateau Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
^2.College of Hydraulic & Environmental Engineering, China Three Gorges University, Yichang Hubei 443002, China
^3.College of Earth and Planetary Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
^4.Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China
^5.College of Atmospheric Science, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China
^6.National Observation and Research Station for Qomolongma Special Atmospheric Processes and Environmental Changes, Dingri Xizang 858200, China
^7.Kathmandu Center of Research and Education, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
^8.China -Pakistan Joint Research Center on Earth Sciences, Chinese Academy of Sciences, Islamabad 45320, Pakistan

Received:2024-06-07 Revised:2024-08-24 Online:2024-09-10 Published:2024-11-22
Contact: Yaoming MA E-mail:xuhy@itpcas.ac.cn;ymma@itpcas.ac.cn
About author:XU Hanying, research areas include numerical simulation of atmospheric boundary layer on the Tibetan Plateau. E-mail: xuhy@itpcas.ac.cn
Supported by:
the National Key Research and Development Program of China(2022YFB4202104);The National Natural Science Foundation of China(42475088)

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青藏高原大气边界层过程和结构特征受该区热力和动力作用的影响显著，利用现有观测资料难以全面系统地揭示青藏高原复杂边界层的形成、发展和演变机制。因此采用数值模拟的手段研究青藏高原大气边界层过程并解释其形成发展的内在机制，已成为一种行之有效的方法。首先综述归纳了常用于大气边界层模拟的数值模式及各模式中广泛采用的边界层参数化方案；其次，介绍了近年来在青藏高原大气边界层数值模拟领域开展的各项工作和成果，包括青藏高原大气边界层高度时空分布特征的模拟研究、青藏高原典型地区（具有大地形和湖泊的地区）大气边界层结构特征及其影响机制的模拟研究、不同边界层参数化方案在青藏高原地区的对比评估以及模式分辨率对模拟效果的影响；最后，总结并提出目前青藏高原大气边界层过程模拟仍存在对大气边界层高度、近地面气象要素等有模拟偏差的问题，针对这些问题就边界层参数化方案的改进、模式分辨率的选取、驱动数据优化和验证数据的选取以及其他物理方案的选择4个方面做出初步展望，以期为未来青藏高原地区大气边界层结构和过程的模拟改进提供新的研究思路。

关键词: 青藏高原, 边界层参数化, 数值模式

The atmospheric boundary layer processes and structural characteristics of the Tibetan Plateau (TP) are significantly influenced by thermal and dynamic effects in the region. The existing observational data are insufficient to comprehensively reveal the complex formation, development, and evolutionary mechanisms of the TP boundary layer of the TP. Therefore, the use of numerical simulations to investigate these processes and explain their underlying mechanisms has become an effective approach. First, this study reviews the numerical models commonly used for atmospheric boundary layer simulations and the widely adopted parameterization schemes within these models. Second, we present recent research and findings in the field of numerical simulations of the atmospheric boundary layer of the TP, including studies on the spatiotemporal distribution characteristics of the boundary layer height, simulations of the boundary layer structure and its influencing mechanisms in typical regions (such as areas with significant topography and lakes), comparative assessments of different boundary layer parameterization schemes in the region, and the impact of model resolution on the simulation outcomes. Finally, the paper concludes by addressing the persistent challenges in simulating PBL processes over the TP, particularly the biases in modeling PBL height and near-surface meteorological variables. It outlines potential strategies for advancing simulation accuracy, including improvements in boundary layer parameterization schemes, careful selection of model resolution, optimization of driving and verification data, and refinement of other physical parameterizations. These insights are intended to provide new directions for future research, with the aim of enhancing the simulation of PBL structure and processes over the TP.

Key words: Tibetan Plateau, Boundary layer parameterization, Numerical model

中图分类号:

P421.3

表1 常用于大气边界层模拟的数值模式

Table 1 Numerical models commonly used for atmospheric boundary layer simulation

模式名称	开发单位	模式框架	水平分辨率	边界层湍流参数化	适用范围
MM5	美国国家大气研究中心（NCAR）/宾夕法尼亚大学（PSU）	非静力移动套网格格点模式	1~6 km	Buld PBL总体空气动力学参数化、高分辨率Blackadar方案、Burk-Thompson方案、Eta方案和MEF方案等	可用于台风、海浪、风暴潮、梅雨和锋面等的模拟^{［ 46 - 47 ］}
RAMS	科罗拉多州立大学（CSU）	非静力格点模式	100 m~2 km	Deardorff方案和Yamada方案等	可用于大涡数值模拟、雷暴、中尺度对流系统及行星边界层等的模拟，适用于山区和城市等复杂地区^{［ 48 ］}
ARPS	俄克拉荷马大学（OU）的风暴分析及预报中心	曲线坐标格点模式	100 m~1 km	Smagorinsky方案、1.5阶湍流动能（Turbulent Kinetic Energy，TKE）方案和 Germano动力次网格（Sub-Grid-Scale，SGS）方案	适用于中小尺度和风暴尺度的天气系统模拟与预报，如龙卷和超级单体风暴等^{［ 49 - 50 ］}
WRF	美国国家大气研究中心（NCAR）、美国国家环境预报中心（NCEP）及其合作伙伴	非静力格点模式	几十米到几千米	YSU方案、MYJ方案、MYNN方案和ACM2方案等	适用于超级单体雷暴、飓风和山地波等不同尺度的天气系统的模拟预报^{［ 51 ］}
COSMO	德国气象局（DWD）及欧洲多国气象机构	非静力格点模式	几百米到几千米	Tiedtke方案、Rodi方案和MYNN方案等	适用于对冬季山区地形的天气过程模拟^{［ 40 ］}
BLASIUS	英国气象局（MO）	非静力格点模式	几十米到几百米	1阶闭合湍流方案	适用于复杂地形上空过山气流、湍流分离以及重力波等模拟，也适用于城市微气候研究^{［ 52 - 53 ］}
LEM	英国气象局（MO）	三维非静力格点模式	几米到几百米	1阶闭合湍流方案（小尺度湍流）	适用于各种高分辨率的湍流尺度和云尺度现象，可以模拟湍流和边界层干、湿对流过程^{［ 44 ］}

表1 常用于大气边界层模拟的数值模式

Table 1 Numerical models commonly used for atmospheric boundary layer simulation

模式名称	开发单位	模式框架	水平分辨率	边界层湍流参数化	适用范围
MM5	美国国家大气研究中心（NCAR）/宾夕法尼亚大学（PSU）	非静力移动套网格格点模式	1~6 km	Buld PBL总体空气动力学参数化、高分辨率Blackadar方案、Burk-Thompson方案、Eta方案和MEF方案等	可用于台风、海浪、风暴潮、梅雨和锋面等的模拟^{［ 46 - 47 ］}
RAMS	科罗拉多州立大学（CSU）	非静力格点模式	100 m~2 km	Deardorff方案和Yamada方案等	可用于大涡数值模拟、雷暴、中尺度对流系统及行星边界层等的模拟，适用于山区和城市等复杂地区^{［ 48 ］}
ARPS	俄克拉荷马大学（OU）的风暴分析及预报中心	曲线坐标格点模式	100 m~1 km	Smagorinsky方案、1.5阶湍流动能（Turbulent Kinetic Energy，TKE）方案和 Germano动力次网格（Sub-Grid-Scale，SGS）方案	适用于中小尺度和风暴尺度的天气系统模拟与预报，如龙卷和超级单体风暴等^{［ 49 - 50 ］}
WRF	美国国家大气研究中心（NCAR）、美国国家环境预报中心（NCEP）及其合作伙伴	非静力格点模式	几十米到几千米	YSU方案、MYJ方案、MYNN方案和ACM2方案等	适用于超级单体雷暴、飓风和山地波等不同尺度的天气系统的模拟预报^{［ 51 ］}
COSMO	德国气象局（DWD）及欧洲多国气象机构	非静力格点模式	几百米到几千米	Tiedtke方案、Rodi方案和MYNN方案等	适用于对冬季山区地形的天气过程模拟^{［ 40 ］}
BLASIUS	英国气象局（MO）	非静力格点模式	几十米到几百米	1阶闭合湍流方案	适用于复杂地形上空过山气流、湍流分离以及重力波等模拟，也适用于城市微气候研究^{［ 52 - 53 ］}
LEM	英国气象局（MO）	三维非静力格点模式	几米到几百米	1阶闭合湍流方案（小尺度湍流）	适用于各种高分辨率的湍流尺度和云尺度现象，可以模拟湍流和边界层干、湿对流过程^{［ 44 ］}

表2 常用的边界层参数化方案

Table 2 Common boundary layer parameterization schemes

方案	方案类型	边界层顶高度	方案特征
GBM^{［ 65 ］}	局地1.5阶闭合方案	Rib=0.25的高度	当垂直分辨率≤15 hPa时，能较好地模拟出垂直混合导致的层积云层的减少；垂直分辨率较粗时，会低估云的厚度
UW^{［ 66 ］}	局地（非局地^{［ 67 ］}）1.5阶闭合方案	Rig=0.19的高度 Rig<0，该层为对流层； 0<Rig<0.19，该层为稳定层	能更准确地模拟夜间稳定边界层^{［ 68 ］}；不能模拟出干边界层上部轻微的逆梯度稳定分层
MYNN3^{［ 69 ］}	局地（非局地^{［ 70 ］}）2阶闭合方案	TKE减小至1×10^-6 m²/s²的高度	能更准确地模拟更深的混合层；能较好地模拟支持辐射雾发展的静态稳定边界层^{［ 71 ］}
MYJ^{［ 72 ］}	局地2阶闭合方案	TKE减小至0.1 m²/s²的高度	适用于稳定条件和弱不稳定条件的边界层模拟；在对流边界层的模拟误差大
QNSE^{［ 73 ］}	局地1.5阶闭合方案	TKE减小至5×10^-3 m²/s²的高度	能较好地模拟温廓线、风廓线和边界层高度^{［ 74 ］}；但在不稳定边界层时模拟的边界层冷、湿、高度低^{［ 75 ］}
MRF^{［ 76 ］}	非局地1阶闭合方案	Rib=0.5的高度	与局地方案相比，MRF能更准确地模拟不稳定边界层内部的深层混合^{［ 77 ］}；在夜间强风地区模拟的边界层过深^{［ 78 ］}
YSU^{［ 79 ］}	非局地1阶闭合方案	Rib=0，不稳定 Rib=0.25，稳定	考虑了顶部的夹卷，能更准确地模拟浮力驱动边界层中较深的垂直混合和强风条件下较浅的混合^{［ 79 ］}；对春季深层对流下边界层模拟过深^{［ 80 ］}
SH^{［ 81 ］}	非局地1阶闭合方案	同YSU	对自由大气和稳定状态遵循YSU方案，在不稳定区域，采用尺度感知混合方法^{［ 64 ］}
ACM2^{［ 82 ］}	非局地1阶闭合方案	Rib=0.25的高度	能更准确地模拟边界层的位温和风速垂直廓线，以及下午的边界层顶高度^{［ 83 ］}
BouLac^{［ 84 ］}	非局地1.5阶闭合方案	$θ v$ > $θ v 0$ +0.5 K	考虑了热通量非局地向上混合，在静态稳定性较高的情况下，能更好地模拟边界层^{［ 85 ］}
SMS-3DTKE^{［ 59 ］}	非局地1.5阶闭合方案	$θ v$ > $θ v 0$ +0.5 K	可以在中尺度和大涡尺度上以不同分辨率更好地表示干对流边界层内的次网格湍流通量^{［ 86 ］}

表2 常用的边界层参数化方案

Table 2 Common boundary layer parameterization schemes

方案	方案类型	边界层顶高度	方案特征
GBM^{［ 65 ］}	局地1.5阶闭合方案	Rib=0.25的高度	当垂直分辨率≤15 hPa时，能较好地模拟出垂直混合导致的层积云层的减少；垂直分辨率较粗时，会低估云的厚度
UW^{［ 66 ］}	局地（非局地^{［ 67 ］}）1.5阶闭合方案	Rig=0.19的高度 Rig<0，该层为对流层； 0<Rig<0.19，该层为稳定层	能更准确地模拟夜间稳定边界层^{［ 68 ］}；不能模拟出干边界层上部轻微的逆梯度稳定分层
MYNN3^{［ 69 ］}	局地（非局地^{［ 70 ］}）2阶闭合方案	TKE减小至1×10^-6 m²/s²的高度	能更准确地模拟更深的混合层；能较好地模拟支持辐射雾发展的静态稳定边界层^{［ 71 ］}
MYJ^{［ 72 ］}	局地2阶闭合方案	TKE减小至0.1 m²/s²的高度	适用于稳定条件和弱不稳定条件的边界层模拟；在对流边界层的模拟误差大
QNSE^{［ 73 ］}	局地1.5阶闭合方案	TKE减小至5×10^-3 m²/s²的高度	能较好地模拟温廓线、风廓线和边界层高度^{［ 74 ］}；但在不稳定边界层时模拟的边界层冷、湿、高度低^{［ 75 ］}
MRF^{［ 76 ］}	非局地1阶闭合方案	Rib=0.5的高度	与局地方案相比，MRF能更准确地模拟不稳定边界层内部的深层混合^{［ 77 ］}；在夜间强风地区模拟的边界层过深^{［ 78 ］}
YSU^{［ 79 ］}	非局地1阶闭合方案	Rib=0，不稳定 Rib=0.25，稳定	考虑了顶部的夹卷，能更准确地模拟浮力驱动边界层中较深的垂直混合和强风条件下较浅的混合^{［ 79 ］}；对春季深层对流下边界层模拟过深^{［ 80 ］}
SH^{［ 81 ］}	非局地1阶闭合方案	同YSU	对自由大气和稳定状态遵循YSU方案，在不稳定区域，采用尺度感知混合方法^{［ 64 ］}
ACM2^{［ 82 ］}	非局地1阶闭合方案	Rib=0.25的高度	能更准确地模拟边界层的位温和风速垂直廓线，以及下午的边界层顶高度^{［ 83 ］}
BouLac^{［ 84 ］}	非局地1.5阶闭合方案	$θ v$ > $θ v 0$ +0.5 K	考虑了热通量非局地向上混合，在静态稳定性较高的情况下，能更好地模拟边界层^{［ 85 ］}
SMS-3DTKE^{［ 59 ］}	非局地1.5阶闭合方案	$θ v$ > $θ v 0$ +0.5 K	可以在中尺度和大涡尺度上以不同分辨率更好地表示干对流边界层内的次网格湍流通量^{［ 86 ］}

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