地球科学进展, 2020, 35(4): 331-349 DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2020.036

综述与评述

大气边界层数值模拟研究与未来展望

王蓉,1,2, 张强,1,3, 岳平4, 黄倩1

1.兰州大学大气科学学院半干旱气候变化教育部重点实验室, 甘肃 兰州 730000

2.甘肃省人工影响 天气办公室, 甘肃 兰州 730020

3.甘肃省气象局, 甘肃 兰州 730020

4.中国气象局兰州干旱 气象研究所, 甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室, 甘肃 兰州 730020

Summary and Prospects of Numerical Simulation Research of the Atmospheric Boundary Layer

Wang Rong,1,2, Zhang Qiang,1,3, Yue Ping4, Huang Qian1

1.Key Laboratory for Semi-Arid Climate Change of the Ministry Education, College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China

2.Gansu Weather Modification Office, Lanzhou 730020, China

3.Gansu Meteorological Bureau, Lanzhou 730020, China

4.Key Laboratory of Arid Climate Change and Reducing Disaster of Gansu Province, Institute of Arid Meteorology, China Meteorological Administration, Lanzhou 730020, China

通讯作者: 张强(1965-),男,甘肃靖远人,研究员,主要从事大气边界层、陆面过程和干旱气候研究. E-mail:zhangqiang@cma.gov.cn

收稿日期: 2020-02-20   修回日期: 2020-03-25   网络出版日期: 2020-05-06

基金资助: 国家自然科学基金重点项目“我国夏季风影响过渡区陆—气相互作用及其对夏季风响应研究”.  41630426
国家自然科学基金青年科学基金项目“半干旱区边界层顶的界面交换过程及其对边界层发展的影响”.  41905011

Corresponding authors: Zhang Qiang (1965-), male, Jingyuan County, Gansu Province, Professor. Research areas include land surface processes and arid climate. E-mail:zhangqiang@cma.gov.cn

Received: 2020-02-20   Revised: 2020-03-25   Online: 2020-05-06

作者简介 About authors

王蓉(1989-),女,甘肃定西人,博士研究生,主要从事大气边界层的数值模拟研究.E-mail:13679418316@163.com

WangRong(1989-),female,DingxiCounty,GansuProvince,Ph.Dstudent.Researchareasincludenumericalsimulationofatmosphericboundarylayer.E-mail:13679418316@163.com

摘要

大气边界层作为连接下垫面和自由大气的重要桥梁,不仅影响局地的各种天气过程的发展和演变,而且在区域和全球的天气和气候变化中也扮演着关键角色。鉴于大气边界层自身的复杂性,对其数值模拟一直以来都是大气数值模拟研究中的热点和难点。通过归纳近几十年来大气边界层数值模式发展经历的3个阶段,梳理了干旱半干旱区、青藏高原地区和城市复杂下垫面3个陆地气候关键区边界层过程,以及海洋上特殊的台风边界层数值模拟研究取得的重要进展;总结出当前大气边界层数值模拟研究所面临的5个亟待解决的关键科学问题:云与边界层相互作用、边界层参数化、模式分辨率、边界层资料同化以及边界层发展机制。并明确了该领域未来需要在加强不同类型大气边界层过程的认识、边界层底和顶界面交换过程的理解、特殊地区边界层发展机制的解释、边界层参数化方案的改进、大涡模拟在边界层模拟中优势的充分发挥等5个方面开展重点研究,以期能为今后更系统地开展大气边界层数值模拟及相关研究提供参考依据。

关键词: 大气边界层 ; 数值模拟 ; 边界层湍流

Abstract

As an important bridge between the underlying surface and the free atmosphere, the atmospheric boundary layer is not only closely related to the development of various weather processes, but also plays a key role in local and regional weather and climate changes. In view of the complexity of the atmospheric boundary layer, the numerical simulation of the atmospheric boundary layer has always been a hotspot and difficulty in the numerical simulation research of the atmosphere. In this paper, the three numerical model development stages of the atmospheric boundary layer in recent decades were summarized and the important advances in arid and semi-arid areas, Tibet Plateau, urban complex underlying surface, and special typhoon boundary layer were reviewed. At present, there are still five scientific problems to be solved urgently, including cloud and boundary layer interaction, boundary layer parameterization, model resolution, boundary layer data assimilation and boundary layer development mechanism. Moreover, it was pointed out that in this field we need to strengthen the understanding of different types of atmospheric boundary layer processes, boundary layer bottom and top interface exchange, boundary layer development mechanism in special regions, improve boundary layer parameterization scheme and give full play to the advantages of LES in boundary layer simulation.

Keywords: Atmospheric boundary layer ; Numerical simulation ; Boundary layer turbulence

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本文引用格式

王蓉, 张强, 岳平, 黄倩. 大气边界层数值模拟研究与未来展望. 地球科学进展[J], 2020, 35(4): 331-349 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2020.036

Wang Rong, Zhang Qiang, Yue Ping, Huang Qian. Summary and Prospects of Numerical Simulation Research of the Atmospheric Boundary Layer. Advances in Earth Science[J], 2020, 35(4): 331-349 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2020.036

1 引 言

大气边界层是指受下垫面影响最直接、最强烈的那部分对流层[1]。它不仅是陆地与大气之间物质及能量交换和输送的主要通道,同时也是地球各个圈层相互作用的关键区域[2]。一些重要的天气现象,如降水、雾和霜等,特别是一些突发性气象灾害如沙尘暴和暴雨等的形成和发展都与大气边界层过程密切相关[3,4];另一方面,人类生产、生活也都发生在大气边界层,因此研究大气边界层不仅有助于气候突变、环境污染、生态修复等可持续发展问题的解决[5,6],而且也是目前地球科学研究的重要方向之一。

20世纪80年代以后,在全球范围内开展了一系列大型国际陆面及边界层观测实验研究和计划[7,8,9,10,11,12]。随后,我国也针对各类典型下垫面实施了一些边界层的综合观测实验[13,14,15,16,17,18,19,20,21,22],并利用观测数据对不同下垫面条件下陆面能量空间分布、交换过程及边界层结构特征等进行了研究[23,24],从不同角度获得了对各类边界层特征参数和边界层形成、发展机制的一些认识[25,26,27,28,29,30]。虽然,野外观测实验为大气边界层的研究积累了大量宝贵的资料,为边界层参数化方案的发展及模式模拟性能的检验提供了支撑。但是,由于大气边界层过程自身的复杂性,仅凭观测资料难以系统地揭示大气边界层的形成、发展和演变机制。因此,随着现代计算机技术的快速发展,利用数值模拟的手段研究大气边界层特征及其内在影响机理已成为一种行之有效的方法。

尽管,近年来在大气边界层的数值模拟研究领域开展了大量研究工作,并取得了许多成果和进展[2,3,4],但总体来看,目前对大气边界层数值模拟研究相关方面的工作还缺乏系统的了解,尤其是对当前研究中存在的问题还缺乏一定的梳理和总结。鉴于此,本文在前人工作的基础上,试图对大气边界层模式发展过程及一些气候关键区边界层过程的数值模拟研究所取得的重要进展进行归纳和梳理,总结出目前大气边界层数值模拟研究领域所面临的一些难点和亟需解决的关键科学问题,并进一步指出未来该领域研究的重点和发展方向,以期为今后继续深入系统地开展大气边界层数值模拟及相关研究提供一定的参考依据。

2 大气边界层模式的发展历程

数值模式是研究大气边界层的有用工具,大气边界层模拟的好坏直接影响到温度、湿度、风速等基本气象要素的具体数值及变化特征。自20世纪60年代以来,随着高性能计算机的发展,数值模拟成为研究大气边界层的重要手段。这里主要基于大气边界层数值模拟所关注重点的不同将其模式的发展归纳为以下3个阶段(图1)。

图1

图1   近几十年来大气边界层数值模式发展的3个阶段

Fig.1   Three stages of numerical model development of the atmospheric boundary layer in recent decades


2.1 起步阶段

大气边界层数值模式的发展很大程度上依赖于观测技术的进步,所以和其他领域数值模式相比,大气边界层模式的发展相对缓慢一些。早期由于观测技术的限制,只能获得某个点或有限空间的边界层结构信息,因此对其进行模拟研究十分困难。随后,随着雷达和卫星等在气象中的应用,边界层数值模拟也从点上扩展到了面上。突破性工作以1963年Estoquc[31]提出较完整的大气边界层模式为标志,该模式是以相似理论为基础的边界层分层模式,即在垂直方向上将大气边界层分为近地面的常通量层和Ekman层,并将这两层的湍流交换系数作为常数处理,之后Blackadar(1976)、Yu(1976)、Halberstam和Mdendey(1979)等建立的模型都属于分层模式[32,33]。虽然这种模式参数化的方式简单,计算量小,能够模拟出准均匀边界层的基本结构和物理量的基本特征,但由于其在边界层顶部连续性、夹卷层特征变量以及云覆盖边界层顶辐射过程等方面的处理存在缺陷,因此对于一些非均匀下垫面或复杂气象条件下边界层的模拟具有一定的偏差。另外,早期发展的边界层模式还有一类是属于垂直方向的连续模式,包括Delage (1974)、Yamada等(1975)、Brost等(1978)和Andre (1978)等建立的模型[32,33]。这种模式是基于大气运动基本方程组建立的,不仅能够较好地模拟出边界层物理量在垂直方向的连续分布特征,还能预报一些相对较复杂边界层的能量和通量等,因此在非均匀边界层的模拟中具有一定的优势。然而,由于此类模式采取的是差分运算方法求解大气运动的方程组,所以模拟结果会受到模式所采用的湍流闭合方案和模式分辨率的影响,因此在实际应用中常常会存在不确定性,包括来自湍流闭合方案、次网格参数化过程等。

2.2 中尺度模式模拟阶段

早期的边界层模式虽然在边界层结构、基本物理量的分布及动量和能量传输特征等方面具有较好的模拟能力,但是由于大多数的模式并没有考虑下垫面地形、地—气之间的相互作用,以及边界层过程与区域天气、气候变化的密切联系等,因此对边界层内发生的各类物理过程的描述多少会存在一些欠缺。正是由于大气边界层与其他各个圈层之间有着密不可分的关系,因此从20世纪80年代开始,中尺度大气数值模式被越来越多地运用于大气边界层的模拟[34,35]。在随后的几十年里,观测技术的提高和计算机水平的进步,都为中尺度数值模式的发展奠定了基础,目前投入使用的已有二十多种,其中常用于模拟边界层的主要有MM5(Mesoscale Model 5)、ARPS(Advanced Regional Prediction System)、RAMS(Regional Atmospheric Modeling System)和WRF(Weather Research Forecast)等模式。和早期建立的边界层模式相比,中尺度模式不管是在模式动力框架的设计、次网格参数化的改进、边界层物理过程的描述,还是在陆面过程及初边值条件的处理等方面都有很大的改进和完善,这些都为大气边界层数值模拟研究的充分发展提供了有利条件,也极大地改善了模拟的效果。从近几十年来中尺度模式在大气边界层方面的大量研究工作来看,虽然大部分的中尺度模式在边界层过程的模拟及其与局地、区域天气和气候变化相互作用方面[36,37,38,39,40,41,42]都表现出了一定的优势,但仍然存在一些不足,比如对大气边界层结构和流场的刻画较粗、缺乏细尺度湍流的描述等,因此在一些特殊地区边界层过程的模拟中结果往往不尽如人意,这也是中尺度数值模式目前仍在改进和完善的一个重要方面。

2.3 大涡模拟阶段

大气边界层中湍流的尺度从几毫米到几公里不等,即使是目前世界上最先进的计算机也无法对所有尺度的湍流进行直接模拟,而大涡模拟(Large Eddy Simulation, LES)的主要思想就是解决其中一个子集,即对大于网格尺度的湍涡(这部分湍涡占了湍流动能和通量的很大一部分)直接进行计算,而对小于网格尺度的湍涡进行参数化。因此,可以说真正对大气边界层内部精细结构及湍流运动特征的了解是从LES开始的[43]。1972年,Deardorf[44]首次利用LES研究了理想条件下中性和不稳定的行星边界层大气。之后,经过对LES的不断修改,加入了辐射[45]、云以及水平平流和下沉的影响[46]等,使其能够更接近实际的大气边界层过程,并在1990年首次成功完成了对稳定大气边界层的模拟[47]。在随后的几十年,LES以其独特的优势被广泛地应用到大气边界层的模拟中。蒋维楣等[48]对运用大涡模拟研究边界层以来30年里取得的成果和进展进行了系统的梳理,总体来看,LES不管是在理想的均匀平坦下垫面还是实际较为复杂的非均匀下垫面上边界层结构、物理量空间分布、湍流运动规律和能量分配以及羽流扩散等方面的模拟中都表现出了明显的优势。LES的思想除了在LEM(Large Eddy Model)[49]、BLASIUS(Boundary Layer Above Stationary, Inhomogeneous Uneven Surface)[50]和DALES(Dutch Atmospheric Large-Eddy Simulation)[51]等一些云解析模式和边界层模式中应用以外,也被越来越多地应用到天气和气候模式中边界层参数化方案的改进中[52~54],并已经在WRF、RAMS和ARPS等一些中尺度数值模式中提供了有关LES的选项和专门针对云、辐射、陆地表面相应的物理参数化配套选项。另外,为了更好地模拟较大区域异质表面上不断演变的边界层过程,近年来也有一些研究尝试将中尺度模式与LES模块进行了耦合嵌套[55,56],尽可能全面地描述复杂下垫面上边界层内各种不同尺度的物理过程及相互作用等,从而对不同的研究对象实现从几米至几公里流场的精细化预报。这样不仅提高了中尺度模式模拟的精度,同时也解决了单纯的边界层模式初边值分辨率不足的问题,目前已经在近地层风场的模拟中取得了较好的效果。表1列出了目前在边界层模拟中使用较广泛的几种模式。

表1   目前使用较广泛的几种模拟边界层的模式

Table 1  Several widely used models for simulating boundary layers

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应用范围
MM5美国宾夕法尼亚州立大学/国家大气研究中心(PSU/NCAR)非静力移动套网格格点模式5~50 km

无PBL通量、总体PBL、

高分辨Blackadar PBL、Bark-Thompson PBL以及MRF PBL等方案

可模拟台风、风暴潮、海流、海浪等;MM5V3可用于热力大气边界层物理过程的模拟
RAMS美国科罗拉多州立大学(CSU)非静力格点模式几米至几千米以相似理论为基础的Deardorff方案和Yamada方案等可用于对流云、中尺度对流系统及行星边界层涡的模拟
ARPS美国俄克拉何马大学(UO)曲线坐标格点模式几百米至几千米Smagorinsky方案、基于1.5阶TKE的方案和Germano方案等时空尺度较小的中小尺度天气系统和风暴等
WRF美国多个研究部门(NCAR,NCEP,大学和其他业务部门)非静力格点模式1~10 kmYSU方案、MYJ方案、ARF方案、ACM方案等小尺度到全球尺度的天气过程及气候模拟
LEM英国气象局非静力格点模式几米至几百米一阶湍流闭合(小尺度湍流)可以模拟平坦下垫面上的湍流尺度和云尺度的问题
BLASIUS英国气象局非静力格点模式几十米至1 km一阶闭合湍流方案和一阶半湍流闭合方案可用于平坦或山地上空的气流运动的模拟

注:PSU/NCAR:Portland State University/National Center for Atmospheric Research;CSU:Colorado State University;NCEP:National Centers for Environmental Prediction;PBL:Planetary Boundary Layer;MRF:Medium Range Forecast;TKE:Translational Kinetic Energy; YSU:Yonsei University;ARF:Atmospheric Range Forecast;ACM:Asymmetric Convective Model

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3 气候关键区边界层过程的数值模拟研究

随着各类模式的深入发展,近年来在不同下垫面上大气边界层特征及其内在影响机理方面取得了许多非常有意义的研究成果。这里,主要分为陆地边界层和海洋边界层两类,其中依据对天气和气候的高敏感、高影响以及社会经济快速发展下城市化的影响梳理了3个气候关键区来归纳陆地边界层所取得的重要进展,而海洋边界层由于其在区域上相对较稳定,因此这里主要考虑了局地变化较大的台风(热带气旋)边界层。

3.1 干旱半干旱区

在全球,干旱半干旱区的面积超过了陆地总面积的40%,中国的干旱半干旱区已经占到了陆地总面积的一半以上。该区域不仅分布范围广,而且气候特殊,是全球气候变化响应的高敏感区域。研究表明,近100年来干旱半干旱区对全球陆地变暖的贡献超过了40%[17],其剧烈的陆—气相互作用对边界层的加热作用比全球其他区域更加显著,水分内循环对区域乃至全球气候、环境变化的贡献也更加明显。但目前在这些区域布设的测站仍较稀少,且加密观测资料的连续性和精度不足,因此利用数值模拟的手段加强此类下垫面上大气边界层发展变化及影响机制的研究,对边界层理论的完善、湍流参数化方案的改进和区域天气气候变化机理的认识非常重要。

干旱半干旱区独特的下垫面性质和气候背景,使得该地区大气边界层厚度明显大于其他地区,尤其是干旱的沙漠地区甚至出现了厚度将近5 km的超厚边界层,且其结构也更为特殊[19]。王腾蛟等[57]利用WRF模式模拟了黄土高原典型半干旱区夏季大气边界层的日变化及边界层内气象要素的垂直分布特征,结果表明:WRF模式能够较好地模拟出与实测较为一致的2.2~3.5 km半干旱区夏季边界层的结构特征。另外,研究还指出,模式中边界层参数化方案的选择对模拟结果影响较大,其中考虑了非局地混合及边界层顶夹卷作用的YSU方案对对流边界层的模拟效果相对更优。Ma等[37]首次利用数值模式验证了我国西北干旱区夏季晴天存在超厚对流边界层的观测事实,检验了WRF模式在干旱区大气边界层模拟中的性能,并通过敏感性数值试验揭示了土壤湿度和地表反照率在这种超厚边界层形成中的作用。结果表明:干旱区较低的土壤湿度和较大的地表反照率都是该地区出现深厚对流边界层的有利条件。随后,其他研究者[58~60]基于大涡模拟探究了热力和动力机制对超厚对流边界层形成和发展的作用,认为强的地表感热通量、较大的风切变和边界层顶夹卷作用等都是形成这种超厚对流边界层的重要机制。另外,赵采玲等[39,61]利用WRF模式对巴丹吉林沙漠地区夏季晴天边界层的模拟结果也显示,陆面加热状况对干旱沙漠地区边界层发展的高度和结构有着直接的影响,特别是对于白天对流边界层来说,陆面加热是影响其发展和维持的主要机制。研究还指出,除了地表感热通量以外,近中性的残余层是巴丹吉林地区出现深厚对流边界层的另一个不可忽视的关键因素。此外,Huang等[62]通过大涡模式首次对非洲干旱的撒哈拉地区大气边界层结构及特征进行了模拟,不仅再现了撒哈拉地区观测[63]到的厚度约为5 km的超厚对流边界层和其上部较厚的残余层特殊结构,而且深入研究了地表非均匀加热和环境风速对撒哈拉对流边界层和残留层之间物质传输的影响。结果表明:当地表非均匀加热增强时,由于热区上方的上升运动变剧烈使得撒哈拉残留层增厚,而热区外部大范围下沉气流抑制了撒哈拉对流边界层的垂直混合,使得其厚度减小。并且,当非均匀地表加热和环境风速都较大时,有助于将更多的物质从对流边界层传输到残余层。另外,也有一些研究对此类区域边界层内部的湍流分布进行了研究。梁捷宁等[64]利用WRF模式对黄土高原半干旱区复杂下垫面上近地层湍流的模拟结果显示,近地层湍流运动受低空急流的影响很大,低空急流的存在使得近地层湍流活动显著增强,并且通过改变剪切和层结稳定度来影响低层动量向上传输从而对上层湍流运动产生影响;而当不存在低空急流时,近地层的湍流会表现出明显的间歇性特征。王蓉等[59]基于大涡模拟对不同强度的地表热通量和风切变作用下,干旱区边界层对流不同的表现形式进行了分析,结果表明:地表热通量越大湍流的尺度越大且强度更强,而风切变增大使得湍流分布的组织性增强。此外,针对干旱半干旱区特殊的边界层过程与局地天气气候的相互作用也是数值模拟研究关注的一个重要方面。高艳红等[40]使用美国国家大气研究中心NCAR开发的非静力平衡模式MMSV3,模拟了半干旱的黑河地区大气边界层的风、温、湿等物理量的空间分布特征,并对该区域“绿洲效应”、“逆湿”现象等一些沙漠—绿洲相互作用下的局地小气候特征进行了模拟,认为地表热力非均匀分布是其形成的主要原因。Mahmood等[65]利用R&H水热交换模型通过对半干旱区盆地绿洲边界层模拟发现,下垫面土壤湿度的变化可以显著改变地—气间能量平衡及水循环速率,随着土壤湿度的增加绿洲边界层的高度降低,使得能量和水分被保留在贴地层内,绿洲才得以维持与发展。

3.2 青藏高原地区

青藏高原也称为“世界的第三极”,是世界上最高且下垫面最为复杂的高原,平均海拔高度超过了4 km,约占我国陆地面积的1/4。研究表明[66],青藏高原下垫面热力状况的变化对大气环流、我国乃至全球天气、气候都会产生非常重要的影响,因此该区域也是天气和气候变化的高影响区。大气边界层作为连接高原特殊下垫面和自由大气的纽带,在其中扮演着关键的角色。但目前由于该区域上高时空分辨率的边界层资料相对较匮乏,因此对其大气边界层过程的准确模拟无论是对高原边界层形成发展内在机理的解释,还是对区域及全球气候变化的认识都具有十分重要的意义。

通常认为,对流边界层高度为1~2 km,高原地区由于湍流交换较大多数地区的强,因此其边界层厚度也较一般地区要厚,为1.5~3.5 km,甚至在2008年JICA(Japan International Co-operation Agency)项目冬季加密观测期间观测到了厚度为5 km左右的超厚对流边界层[67]。近年来,许多学者对高原地区大气边界层结构、高原湖泊边界层的气候效应以及不同模式在该区域大气边界层模拟性能等方面进行了研究。吕雅琼等[68]利用MM5模式对青藏高原纳木错湖区边界层特征和局地环流进行了模拟,结果表明:纳木错湖在该地区表现出明显的冷(白天)、暖(夜间)湖效应,白天由于湖面温度低于周围陆地,因此边界层高度也较陆面低,而到了夜间却相反。正是由于这种边界层的特征与局地环流的配合,使得该地区常常出现剧烈的中小尺度天气变化。王寅钧[69]从地表辐射、土壤温度和湿度、下垫面感热和潜热的角度,检验了WRF模式对青藏高原东南部4个不同下垫面上大气边界层结构及其发展变化特征的模拟效果。研究指出,模式中低时空分辨率的地表反照率资料以及边界层参数化方案的选择都会对高原边界层的模拟结果产生一定的影响。李茂善等[70]利用MM5V3.7模式对藏北高原地区大气边界层垂直结构进行了模拟,结果显示:虽然该模式耦合了NCAR的LSM(Land-Surface Model)陆面模块,但由于模式中对青藏高原复杂条件下陆面过程及边界层物理过程的描述还存在一定的缺陷,因此模拟的白天混合层的高度较实际观测要高500 m左右。李斐等[71]通过WRF模式模拟研究了藏东南地区复杂下垫面上大气边界的高度及风、温、湿垂直结构特征,并对WRF模式中5种边界层参数化方案模拟的藏东南复杂下垫面条件上大气边界层结果进行了评估。结果表明:虽然5种边界层参数化方案的模拟均能反应出边界层高度的日变化特征,但这5种方案模拟的正午时刻边界层的高度均低于实际观测的3 km。许鲁君等[72]对WRF模式中非局地方案YSU和ACM2(Asymmetric Convective Model 2),以及局地方案MYJ(Mellor-Yamada-Janjic)和BouLac(Bougeault-Lacarrère)模拟的青藏高原那曲地区边界层风、温、湿和垂直结构特征进行了对比分析,结果显示:局地方案的模拟效果均优于非局地方案,其中BouLac方案由于考虑了地形的影响,因此模拟的那曲地区地面温度及边界层各物理量的垂直分布与实测资料较一致。从上述研究看出,大多数的数值模式在青藏高原边界层的模拟中会存在一定的偏差,而数值模拟除了再现观测事实以外,更关键的是要帮助理解其内部的物理过程及影响机制。与干旱区不同,青藏高原冬季地表感热并不是很强,那么究竟是什么原因驱使该地区冬季会出现类似于干旱区的深厚对流边界层?有研究指出[67],在青藏高原的高海拔地区,其大气边界层的顶部接近9 km高度,基本达到了对流层顶的位置,因此该地区大气边界层和上对流层与下平流层(Upper Troposphere and Low Stratosphere,UTLS)之间强烈的相互作用对高原地区深厚对流边界层的形成和发展有着非常重要的作用。Chen等[38]基于COSMO(Simulations with the numerical weather prediction model Consortium for Small-Scale Modelling)模式和2008年在青藏高原西部改则地区的IOPs(Three Intensive Observation Periods)加密观测资料,模拟了不同阶段高原边界层的结构及湍流动能的分布,并通过敏感性试验进一步探讨了青藏高原冬季出现罕见的深厚对流边界层的机制,认为上层自由大气的稳定性对青藏高原上空深厚对流边界层的发展具有关键的影响,边界层上部弱的稳定性和平流层较高的潜在涡度会加强上层动量下传,从而加快了边界层顶的湍流交换过程,使得上层更多的暖空气被向下卷入对流层,因此使得边界层增暖变厚。另外,该研究中对于青藏高原上空冬季深厚大气边界层和夏季浅薄大气边界层发展机理的解释如图2所示。

图2

图2   青藏高原上空深厚大气边界层(a,冬季)和浅薄大气边界层(b,夏季)示意图[38]

Fig.2   Schematic diagram of deep atmospheric boundary layer (a, winter) and shallow atmospheric boundary layer (b, summer) over the Tibetan Plateau[38]


3.3 城市复杂下垫面

随着社会经济的快速发展,城市化已经是不可避免的趋势。城市化是人类改变地表最极端的方式之一,它引起的地表覆盖类型和下垫面性质的变化对城市边界层结构及内部流场的分布都会造成一定的影响。尤其是在一些发达地区已经形成了城市群,人为活动向大气中排放的大量污染物,不仅会直接影响城市空气质量,还可以通过改变辐射传输和云微物理过程对区域及全球天气、气候造成影响[73]。近年来,随着城市化引起的生态环境及气候变化问题日渐突出,对城市复杂下垫面上大气边界层结构、演变及其引起的城市热岛效应和相关气候问题的研究也十分重要和迫切。

城市化的加剧,一方面改变了城市下垫面的能量分配,尤其是水泥下垫面产生的大量径流,导致感热和潜热不同于农田的渐变过程而发生转变;另一方面高耸建筑物的增多改变了地表粗糙度,这些都使得城市边界层的结构变得更为复杂。陈燕等[74]基于区域边界层模式(Regional Boundary Layer Model,RBLM),并结合卫星遥感获得的高分辨率地表类型、反照率及植被指数等下垫面参数,模拟了南京城市化对大气边界层过程的影响。结果表明:随着城市化进程的加快,一方面反照率减小,感热通量明显增大;另一方面,植被减少使得下垫面湿度降低,潜热蒸发的热量减少。最终导致城市下垫面波恩比增大,边界层湍流混合加剧,白天混合层高度明显升高。杨胜朋等[75]利用RAMS模式,通过改变城市绿化效果的敏感性试验,模拟研究了城市绿化对于城市边界层结构的影响。研究指出,城市绿化后,近地层温度和风场会发生明显的变化;并且绿化后,反照率减小、净辐射增加,白天边界层湍流交换增强,混合层厚度增加,有利于污染物的传输和扩散。何晓凤等[76]通过南京大学多尺度模式系统,模拟了4种不同人为热源对城市边界层垂直分布的作用。研究表明:人为热源强度增大,不仅会对夜间的近地面层产生一定的增温效应,还会破坏清晨城市边界层逆温结构,加快夜间稳定边界层向白天不稳定边界层的过渡,白天湍流活动变剧烈,最终导致混合层向上发展得更快更厚。王咏薇等[77]基于典型三维热环境下南京市的城市边界层特征,评估了多层冠层方案BEP(Building New Parameterisation)对城市复杂下垫面边界层的模拟性能。研究结果显示:该方案由于考虑了建筑物的动力及热力效应,能够较好地模拟出城市热岛的三维分布特征。Grossmanclarke等[78]利用MM5模式中改进的MRF方案对亚利桑那州凤凰城市边界层高度及基本气象要素的分布进行了模拟。结果表明:由于该方案加强了表面通量和非局部混合,使得模拟的近地面温度、风场,以及边界层的高度等都较修改前的方案有了很大的改善。另外研究还指出,城市三维立体下垫面会对城市白天和夜间边界层都有一定的持热作用,使得白天混合层发展更快而夜间逆温层结构不明显。Zhang等[79]利用嵌套了LES的WRF模式模拟了理想城市热岛驱动的大气边界层及中尺度环流特征。研究表明:城市热岛效应的升温速率和强度会直接影响到边界层风场的空间分布,较高的城市热岛强度导致靠近市中心的地方水平风速最大,随着热岛效应的增强,热岛环流引起的中尺度感热通量增加。城市化除了会影响城市上空边界层结构及局地气候变化以外,还会对城市周边和下游地区边界层特征及云和降水产生一定的影响。赵文静[73]在大量观测资料和卫星资料的基础上,通过WRF模式模拟研究了长江三角洲地区城市群对较大区域边界层结构的影响,并探讨了城市化对该地区云和降水的作用。研究指出,沿海地区的城市化导致下垫面性质差异显著增大,造成城市群边界层低层温度升高、湿度降低、上升运动变剧烈,并且在沿海城市低层出现较强的辐合带,往往会有几条辐合带在城市下游相互叠加,这也是上游城市群会促进下游地区云和降水发生的主要原因。另外,城市化引起的边界层结构及其内部湍流运动特征的改变也会影响到污染物的传输。Guo等[80]利用大涡模拟研究了污染物在三维城市街道与外部空间之间传输的机制,结果表明:对于城市街道而言,污染物的总流入速率高于总流出速率,总流出速率与总流入速率成反比。在这个过程中,湍流对污染物的运输起着非常关键的作用,尤其是对侧边界的污染物流入速率和顶部边界污染物流出速率的贡献较大,在顶部边界湍流对污染物流出速率的贡献达到了75%。Li等[81]通过将中尺度模式与LES耦合重建了密集建设的城区俄克拉荷马城的微尺度湍流流场分布,其中较大区域上的流动是将中尺度流场插值到LES网格上得到的,而较小区域上的流动是在LES边界处将外层和内层变换后加权平均计算得到的。模拟结果显示:这种新方案能够明显改善城市边界层风向、风速和羽流浓度的模拟效果,与实测更为吻合,该方法也为城市环境评价的研究提供了新思路。

3.4 台风边界层

与陆地边界层不同,一般海洋边界层在整个区域上相对比较稳定,而台风的存在往往使得短时间内局地尺度上海洋边界层的变化十分剧烈,因此与其相关的边界层过程也更为复杂。我国是世界上受台风影响最为严重的国家之一[82],其强突发性和破坏力使得台风边界层一直以来都备受关注。虽然,近年来人们通过下投式GPS探空、风廓线雷达、多普勒雷达、飞机观测等多种手段来获取台风边界层相关的数据[83],但是由于台风情况下的天气条件极其恶劣,所以目前台风边界层的详细资料仍较为缺乏。因此,通过数值模拟的手段来研究台风边界层的精细结构及内部复杂的湍流分布特征,对于台风模式中边界层参数化方案的改进和台风预报准确率的提高具有重要的意义[84]

作为台风的一个重要组成,台风边界层的动力和热力作用直接影响到台风的结构和强度。Fang等[85]的研究指出了台风边界层对台风形成和发展的双重作用,一方面台风边界层通过摩擦辐合导致的Ekman抽吸为台风的加强提供了潜热释放的能量来源,但另一方面台风边界层又不断耗散能量使得台风的发展受到抑制。邓国等[86]利用MM5对台风Dan的主要特征和台风边界层进行了模拟,结果表明:台风边界层的形状和高度与台风螺旋云带、台风内部垂直速度及台风移速有关,台风内部的湍流以机械运动为主,其高度远低于受热力主导的边界层高度。另外,近年来也有研究通过高分辨率的数值模式对台风边界层内部几百米到几千米的小尺度涡旋的结构进行了模拟,包括滚涡和龙卷尺度涡旋。Zhou[87]利用WRF-LES模拟了飓风Ivan登陆期间飓风边界层的结构及其内部垂直传输特征,结果显示:飓风边界层内有组织的上升和下沉气流呈现出的带状风速带,与Wurman等[88]观测到的飓风内部的滚涡结构十分类似。Wu等[89]基于大涡模拟研究了典型西北太平洋热带气旋边界层精细结构,并成功模拟出与Aberson等[90]观测较一致的热带气旋边界层内部狭窄的强烈上升气流和与之对应的相对较宽的下沉气流,即龙卷尺度涡旋的显著特征。研究还表明,这种龙卷风尺度旋涡的存在会导致近地表风速和阵风的明显梯度。

尽管,已经开展的大量数值模拟研究极大地丰富了人们对大气边界层形成及发展机理的认识,完善了对边界层关键参数及参数化方案的理解,并提高了对其预报、预测的能力。但总体来看,目前大多数都是基于单点的模拟,而对于整个区域范围内大气边界层结构及特征的了解还十分有限。另外,由于大气边界层中物理过程的尺度相对较小,当前不管是在模式分辨率还是物理参数化方案方面都还存在一定的缺陷,使得对于大气边界层内部精细结构及湍流运动特征的认识还非常欠缺。因此,大气边界层的模拟仍然是大气数值模拟研究中的难点之一。

4 面临的关键科学问题

虽然数值模拟是研究大气边界层的重要手段之一,目前已得到了广泛应用,并取得了一些重要的成果。但遗憾的是,目前运用于大气边界层模拟的方法及模式仍然存在较多的不确定性,一些关键科学问题尚未得到很好地解决,如云与边界层相互作用的问题、边界层参数化的问题、模式分辨率的问题、边界层资料同化的问题,以及边界层发展机制的问题等方面都还有待进一步突破。

4.1 云与边界层相互作用的问题

云顶边界层,特别是海洋上空的云顶边界层,由于其覆盖范围广、气候影响大,已成为边界层气象学研究的重要课题之一。平均而言,高度在1 km以下的低云覆盖了全球47%以上的区域(海洋占55%,陆地占26%)[91],其中大部分可能深入到了大气边界层的内部。云与太阳短波辐射和地球红外长波辐射之间的相互作用,不仅对地气系统能量平衡和边界层过程产生显著的影响,而且还会强烈地影响到边界层内化学成分和气溶胶分布[92]。2013年的IPCC报告[93]中也指出,边界层与云的相互作用是全球气候模式对气候变化预测不确定性因素的其中之一。因此,对于云和边界层相互作用有关问题的研究不仅有助于边界层发展机理的深入认识,并且对区域及全球气候变化的理解也具有非常重要的意义,同时也是提高降水模拟效果的关键。

云与边界层的相互作用主要涉及到动力、湍流参数化、云微物理过程、辐射及大尺度下沉等物理过程[94]。尽管以往的理论、观测和数值模拟研究共同建立了边界层和云之间的联系,对云影响边界层结构、边界层发展演变、边界层内部能量和物质传输以及边界层过程对云中含水量、云滴数浓度、云滴谱分布和云类型及维持周期等方面都有了一些基本的认识,但目前来看就云和边界层强、弱系统相互耦合以及其中涉及到的云微物理过程、边界层湍流和动力学之间相互作用的研究仍然存在一些困难,尤其是在云和边界层相互作用的数值模拟方面还具有一定的挑战[95]。一方面,虽然研究表明,云顶长波辐射冷却和卷夹过程是影响边界层发展的重要驱动力之一[96]。但如何在模式中对其进行准确描述,并且怎样考虑边界层顶附近产生的绝热、非绝热作用对边界层次网格动量、热量和水汽通量参数化的影响,以及这些效应和云的相变过程会对边界层动力和热力结构产生怎样的影响,它们的贡献分别有多少?另一方面,如何将现有的云分档模式和边界层模式进行耦合,改进不同强度的对流系统下云夹卷混合机制的参数化方案,进一步评估边界层过程在气溶胶间接效应、云—气候反馈之间的作用,以及对云光学性质和降水形成过程等的影响[97,98]。此外,由于云夹卷率估算方法存在很大的确定性,甚至在模式中是一个可调参数[99],因此如何根据对流的不同类型在模式中对云体边缘的湍流交换夹卷率进行定量化描述仍然是目前数值模拟研究面临的一大难题。这些问题都值得在今后的研究进行深入探究。

4.2 边界层参数化的问题

大气边界层过程不仅包含各种不同时空尺度的大气运动,同时也受到不同尺度大气运动相互作用的影响。和天气、气候尺度的大气运动相比,大气边界层过程的尺度往往较小,因此在一些全球及区域气候模式中对边界层过程的处理通常是采用参数化的方法。另外即使在专门的边界层模式中,由于湍流闭合问题的限制,大尺度的湍流被模式直接模拟,而小尺度的湍流运动则需要对其进行次网格处理。大气边界层模拟的很大一部分不确定性就来自于边界层的参数化过程[100]

目前,常用的边界层参数化方案分为局地方案和非局地方案两类,其主要区别在于对空间任一点上未知量的参数化思想不同,其中局地方案是将空间任一点的未知量用同一点的已知量进行参数化,而非局地方案是用空间许多点的已知量对空间任一点的未知量进行参数化[44]。尽管以往已有大量工作对这两类参数化方案在边界层模拟性能方面进行了对比研究,但由于模拟对象、下垫面性质以及模式分辨率等因素的不同,不同参数化方案模拟效果差别很大[70,71,72]。目前来看,一方面,由于真实的大气边界层通常不同于我们经常模拟的简单准稳态边界层,往往忽略了辐射对空气的直接加热和冷却以及水平平流的影响,即使这些影响很小,但是从气候变化的角度来看,它们很有可能是重要的[43]。因此,这也就使得模拟结果有时会偏离观测到的结构,比如对与强风相关的大尺度湍流结构[101](地表感热通量通常在30~50 W/m2,如果不是,则出现在弱风条件下)如“纵向涡旋卷”、“水平对流卷”以及“有组织的湍流结构”等的模拟。然而,由于观测资料的匮乏,在模拟非准稳态边界层时,无法对模式中与之相关的边界层物理参数化过程进行定量化的评估和检验,从而找到存在误差的原因。另一方面,模式中对于夹卷率、粗糙度长度和湍流输送系数等一些关键参数的描述还存在很大的不确定性。比如以往通常认为边界层顶部浮力夹卷率是恒定的约为0.2,但往往忽略了剪切的作用,因此当清晨有强风[或对流边界层(Convective Boundary Layer,CBL)顶部附近存在剪切]时;或在下午晚些时候,地面浮力通量减弱,CBL顶部局部过程变得重要时;亦或是在边界层快速发展时,垂直混合抵消负浮力通量,浮力夹卷率往往会很大程度偏离0.2[102],这就使得在模式中准确地对夹卷率进行描述非常困难。尤其是在一些温度变化较大的干旱沙漠地区和湿度变化明显的热带海洋上空,夹卷率的变化给边界层厚度的模拟带来很大的偏差。此外,由于非局部通量的存在,早期由莫宁奥布霍夫相似理论(Monin-Obukhov Similarity Theory,MOST)确定的下垫面粗糙度长度已经在一些树冠、建筑物或海浪存在时边界层近地面湍流的模拟中显现出了缺点,因此如何确定复杂冠层存在时下垫面的粗糙度长度,以及怎样在原有的湍流参数化方案中加入非局部通量的贡献[43]等,目前都尚未有定论。

4.3 模式分辨率的问题

鉴于大气边界层在天气和气候系统中的重要作用,在数值模式中对边界层内各种不同尺度物理过程的合理描述是十分重要的。为了尽可能全面地描述边界层内各种尺度湍流的复杂运动,通常采取提高模式分辨率的方法[103]。然而,研究表明,模式水平和垂直分辨率的选择对边界层结构、湍流运动规律及物理量空间分布的模拟结果影响很大[104,105]。因此,合理地选择模式的分辨率对于边界层模拟效果的提高和边界层过程影响机理的揭示至关重要。

数值模拟方法是利用边界层湍流的统计性质来描述边界层内的大气运动特征。有研究指出[104,106],对于一般的边界层模式而言,模式水平分辨率取值为200 m左右,不管对于边界层平均结构的体现还是其内部湍流运动规律的描述来说都是比较好的选择。当模式水平分辨率较低时,模式只能粗略地模拟出边界层的平均结构和整体特征;但当模式水平分辨率太高时,模式捕捉到的小尺度湍流的噪音太多反而会掩盖掉边界层的平均状态。那么,如何根据不同的研究对象选择一个相对比较合适的水平分辨率是目前大气边界层数值模拟研究亟需解决的关键科学问题之一。比如,在地表以上,大量的动量、热量和物质的垂直传输是通过跨越对流边界层的涡流实现的。由于流动不稳定、下垫面水平非均匀性或对流层与其上部重力波的相互作用,使得这些涡旋的水平尺度是对流边界层厚度的1.5倍甚至是几倍[107]。这些大尺度的涡流不仅很难被直接观测到,而且也很难在模拟中完全表现出来,因为它们只能被模式解析一部分。而模式水平分辨率的选择会对这种较大尺度的湍流结构的模拟产生很大的影响[108]。另外,对于稳定边界层的模拟一直以来都落后于对流边界层,这不仅是由于其厚度较小、湍流较弱,对下垫面非均匀性更敏感,同时也是由于此类边界层内部的湍流结构更加异构,且常常存在间歇性湍流。那么,如何在对不同类型的边界层进行模拟时,同时兼顾到边界层平均特征和一些特殊湍流结构的再现,单纯的边界层模式和中尺度模式都很难做到。此外,目前大多数区域模式对边界层物理过程的描述是在水平方向上进行的,因此对垂直方向分辨率的关注比较少,但是垂直网格距的选择往往对边界层参数化及一些物理过程的耦合有着非常大的影响[109]。比如位于边界层顶的夹卷层,不仅其本身的厚度较小,而且影响其夹卷过程以及与之相关的云微物理相互作用等方面的湍流尺度也往往较小,因此对于这种细微物理过程的描述来说,模式垂直分辨率的选择非常敏感。那么,能否像大多数模式中设置的垂直方向的张弛网格一样,在模式的不同高度层上设置不同的水平网格,或者是否能够建立一种在各个方向都自适应的可调网格[110],满足不同区域、不同高度湍流运动特征模拟的需要,今后还有待进一步研究。

4.4 边界层资料同化的问题

随着观测站点的加密和各类观测实验的不断实施,模式能够获得的初始场资料越来越丰富,但是如果使用未经任何分析和处理的资料作为模式的初始场会使模式的预报结果产生很大的偏差[111]。尤其是对大气边界层这种中短期天气过程的预报来说,初始场的优劣是制约其模拟性能提高的关键因素[112]。因此,对所获得的各类边界层观测资料进行同化并为模式提供一个可靠的初始场也是当前边界层数值模拟研究的一个重要方面。

由于大气边界层是受下垫面影响非常强烈的一层大气,而复杂的下垫面会使得其内部气象要素时空分布产生剧烈的变化。虽然以往已经获得了大量边界层要素常规观测资料,但由于资料本身存在一定的误差和在时间上的不连续性,因此对其利用效率相对较低[113]。另外,在沙漠、高原、海洋等一些特殊地区,观测站点分布仍然较为稀少,即使通过加密观测也很难获得高时空分辨率的边界层资料。近年来,随着雷达、卫星、无人机等非常规观测技术的日趋成熟,可以获取的实时连续高时空分辨率的观测资料越来越多,因此如何将这些非常规观测资料同化进入现有的观测网,来弥补常规观测资料时空分辨率较低的缺陷,充分发挥已有常规观测资料的使用价值,为大气边界层的数值模拟和结果检验提供一个高质量的数据集是目前亟需解决的关键问题,在这方面还有许多难题需要破解。例如,根据以往的研究结果[114],同化的测风塔和风廓线雷达的有效资料越多,对边界层风速和风向预报效果的改善就越明显,但是由于在同化的过程中同化的资料越多耗费的计算资源越大。然而,对于不同的预报要求,究竟同化的有效数据的个数对同化资料的精度和模式预报结果有着怎样定量化的影响,今后还需要更多的试验和分析做进一步解答。另外,目前在业务中常使用的动力学方法、统计学方法和变分方法等同化方法,往往是在各项同性的假定下寻求模式热、动力学方程组的解析解,但是对于各项异性的真实大气而言这种假定是近似的,所以在这种假设的约束关系下得到的预报结果与实际还存在一定的偏差,尤其是在边界层湿度场的预报中表现尤为突出[115]

4.5 边界层发展机制的问题

提高边界层数值模拟效果的最终目的是要补充观测资料的不足,更好地揭示不同地区、不同下垫面上大气边界层结构、发展机理存在差异的根本原因,从而进一步改进和完善数值模式中边界层参数化方案,并解决模拟结果代表性的问题,使得模拟结果更加可信。

我们知道,大气边界层的发展不仅受陆面能量过程的影响,同时还受到边界层顶界面交换过程的作用[116,117]图3)。而以往对于大气边界层的研究较少涉及到边界层与残余层及自由大气等多界面相互作用对边界层结构及发展的影响。目前来说,仅考虑陆面能量过程的大气边界层模拟还未研究清楚,若要同时兼顾边界层顶界面交换过程对边界层影响,将会使大气边界层的模拟变得更为复杂。边界层顶界面交换过程是边界层顶部夹卷作用、边界层抽吸效应等多种物理过程相互作用的结果。由于受到观测资料的限制,目前对大气边界层顶的动量、能量及物质交换和输送特征及影响机理等还缺乏基本认识,在其影响边界层发展、乃至局地及区域环流、大气运动等方面的作用还没有进行深入探究,这不仅限制了对大气全边界层过程的准确描述,同时也制约了对边界层参数化方案的改进和完善[19]。那么,如何在模拟时区分边界层顶错综复杂的物理过程对边界层的贡献,以及在准确描述这些物理过程的同时怎样兼顾与次网格参数化及模式分辨率匹配的问题等,这些都需要在今后的研究中多加关注。另外,虽然之前已有研究表明[58,59,60,61],陆面加热、边界层风切变以及边界层顶夹卷作用等是影响边界层形成和发展的主要因素,但对于不同地区、不同下垫面上的边界层而言,究竟是哪种机制占据主导作用?不同物理过程的贡献分别有多大?这些问题都需要在今后的研究中逐一解答。

图3

图3   边界层发展影响机制示意图

ZiZ分别为对流边界层发展高度和位势高度,Zi/Z=1.0表示对流边界层顶高度

Fig.3   Schematic diagram of influence mechanism of boundary layer development

Zi and Z are the development height and potential height of convective boundary layer respectively, Zi/Z=1.0 is the top height of convective boundary layer


5 未来的发展方向

5.1 加强对不同类型大气边界层过程的认识

虽然在20世纪50年代之前就建立了大气边界层的基础理论体系,但近几十年来理论研究的进展却较为缓慢[3],尤其是在复杂下垫面和极端天气过程大气边界层理论方面的研究更加欠缺。因此,首先要加强对不同类型大气边界层及陆面过程野外观测实验研究,有针对性地选择实验地点、科学合理地设计实验规划、采用先进的新型观测仪器,通过实验观测加深对不同类型大气边界层内在物理过程的认识和理解,并对其影响机理进行深入探究[118]。其次,要利用新方法、新手段对传统的大气边界层及陆面过程经典实验进行重复,在提高观测精度的同时,发现之前实验的不足,不断完善和改进现有的野外实验观测技术,从而获得更加合理的边界层物理过程特征及规律,推动边界层理论的发展。最后,要发展地面探空、雷达遥感、无人机和卫星等多种新型综合观测系统,并建立高精度、多尺度的在线数据访问平台,增加对几十年前的存档数据集的访问,填补对区域尺度上大气边界层认识的空白。针对当前大气边界层的野外实验大多都是单点观测的现状,今后需重点加强以下两方面的试验观测:一是针对同一天气、气候背景下可采取矩阵形的观测方案,比如对于局地变化较大的风速可加密3~4部风廓线雷达,而对于变化相对较小的湿度可以固定一部微波辐射计,这样既能满足高精度湍流涡旋的观测要求,又能建立成本较低的高精度观测网,这种观测方式对于小尺度局地性对流、污染天气及城市大气边界层特征的研究十分必要,也是未来大气边界层观测的趋势之一。二是针对不同天气、气候背景下大气边界层的变化特征可根据天气过程的发展或气候系统的走向建立尺度相对较大的观测网,如目前正在我国夏季风典型过渡区开展的沿着季风进退的方向和季风过渡带边缘走向的“十”字形观测[19](具体见参考文献[19]中图12),就满足了这样的实验要求,也更有利于获得不同夏季风影响区域上的边界层特征及关键参数,更好地建立其与夏季风活动的关系。

5.2 加深对边界层底和顶界面交换过程的理解

研究表明,陆面能量和水分变化引起的下垫面与大气边界层之间的交换对边界层的发展有很大影响,特别是在远离海洋的干旱半干旱区[119]。另外,有观测分析也指出,在下垫面偏干的情况下,地表通量的变化和大气边界层发展更显著[120]。一方面,虽然以往对大气边界层的模拟研究大多是从陆—气相互的角度入手的,但目前还没有明确地给出陆面能量和水分影响地表湍流通量和边界层发展高度的阈值,因此今后还需要更多的敏感性数值试验来进一步界定。另一方面,之前的研究很少从大气边界层顶上部出发,考虑边界层顶以上向下的传输过程,包括边界层与残余层及自由大气之间的物质、能量交换和相互作用等[19]。因此,从边界层底和顶多界面交换的角度加深对大气边界层基本特征和物理规律的认识是未来边界层数值模拟研究的一个重要方向。虽然,目前在这方面的研究仍然面临一些关键科学问题有待解决,包括如何在数值模式中将这种多界面相互作用时不同物理过程的贡献进行准确描述,并在模拟时怎样考虑将不同尺度物理过程与次网格参数化和模式分辨率进行匹配,等等。这就需要从大气边界层发展变化内在物理过程的本质出发,根据不同的研究需要来设计多种方案组合的敏感性数值试验,并可以采用趋势剔除法、滤波方法等一些技术手段来对其进行有效区分。比如研究边界层顶界面交换对边界层的作用时,可以从影响边界层顶动力夹卷和边界层抽吸效应的热力和动力因子(热通量、地面风切变、边界层顶风切变、边界层高低压系统等)入手,通过改变各个因子的敏感性数值试验来加深对边界层顶界面交换过程的理解,从而进一步揭示边界层顶界面交换过程对边界层结构及发展变化影响的内在物理机制,完善对大气全边界层物理过程的认识。

5.3 完善对特殊地区边界层发展机制的解释

目前来看,虽然已有大量研究从不同角度对不同地区、不同下垫面上大气边界层发展机制进行了解释,但对于一些相对较为特殊的地区而言,对其边界层形成发展机理方面的认识还不够全面,尤其是对气候变化响应高敏感的干旱半干旱地区、天气和气候变化高影响的青藏高原地区、以及受人类活动影响最大的复杂城市下垫面上边界层而言,其结构、发展机理和内部动量、热量、物质传输过程更为复杂和特殊。以往已有研究表明[30,39,59],干旱区地表强烈的加热过程是影响其夏季出现超厚边界层形成和发展的关键因素,而对于青藏高原地区来说,下垫面能量过程并不是驱动其冬季深厚边界层发展和维持的主要机制[38],那么究竟是大尺度环境风场的作用还是边界层顶上部向下传输的动量对该地区边界层发展的影响更大?不同的物理过程在这其中分别起到什么作用,并且贡献有多大?另外,针对城市边界层中三维非均匀分布的沙尘粒子及雾、霾等污染物分布和扩散与边界层结构、特征及边界层的辐射和动力过程之间的直接和间接作用等都是今后研究的重点。此外,鉴于一些典型的过渡带,如生态过渡带、气候过渡带、季风过渡区、海—陆过渡带等区域上大气边界层在局地和区域天气、气候变化中的重要作用[118],近年来对其边界层影响机制的研究受到了越来越多的关注。由于此类过渡带上下垫面性质引起的热力非均匀和复杂地形引起的动力非均匀差异更加显著,因此使得该区域上陆面过程和边界层结构、厚度及湍流输送特征等的时空变化特征也更加剧烈。然而到目前为止,不管是对其边界层结构的空间非均匀分布、内部能量及物质传输特征还是由其引起的局地中小尺度的环流以及边界层与上层自由大气相互作用等都还没有较清晰地认识,这些都会影响到对此类地区边界层发展变化内在机理的揭示。因此,今后在加强野外观测实验的同时,需要进一步利用数值模拟的手段来完善对一些特殊地区大气边界层发展机制的解释,特别是要区分不同物理过程对边界层发展变化的作用,并对其贡献进行定量化地分析。

5.4 改进和完善大气边界层参数化方案

已有大量研究表明,大气边界层模拟的很大一部分不确定性是来自于边界层的参数化方案[121]。因此,改进和完善大气边界层参数化方案是未来提高大气边界层模拟能力的关键。一方面,随着模式分辨率的提高,尤其是模式网格距小于1 km时,传统边界层参数化方案的适用性有待验证,而如何对这种高分辨率下的边界层进行参数化是目前大气边界层数值模拟研究需要攻破的一个难点[100]。目前已有研究尝试在原有的边界层参数化方案基础上加入一些次网格尺度的动量和热量传输项[122],或者利用云可分辨的模拟结果、大涡模拟技术等来改进高分辨率模式中边界层的参数化方案和次网格参数化过程[43],并明显改善了边界层中湍流交换的模拟效果。这可能会成为未来改进和完善细网格尺度边界层参数化的一个趋势。另一方面,虽然目前已有的一些边界层参数化方案在大多数地区边界层的模拟中取得了较好的效果,但对于一些特殊地区的边界层、复杂下垫面上非均匀边界层、以及云覆盖条件下的边界层模拟来说还存在一定的缺陷。在对这些地区的夹卷率、湍流交换系数、粗糙度长度等关键参数进行描述时,可以尝试建立包含多种大气热力和动力环境因子的多尺度参数化[99,118]关系来适应于不同的研究对象。此外,近年来新发展的动态湍流闭合方案[123],可以在非均匀边界层中局部湍流通量存在时湍流输送系数的表达,以及复杂下垫面上冠层存在时近地面层湍流模拟效果的改善等方面发挥一定作用。未来边界层参数化方案的改进还需要更多新的思路和方法来完善。

5.5 充分发挥LES在边界层模拟中的优势

近年来,随着对边界层精细化预报的要求越来越高,大多数模式的模拟结果已经不能满足研究的需要。另外,对于本身尺度较小的大气边界层而言,其内部一些小尺度的湍流运动往往不能被模式直接分辨出来。大涡模拟技术以其全面捕捉湍流的独特优势在近几十年大气边界层的研究中发挥了重要作用,如在大气边界层结构的描述、湍流运动特征的模拟、边界层重要变量的参数化等方面都取得了较好的效果[48]。未来面对越来越复杂、且越来越多元化的大气边界层,LES有望在以下几个方面继续充分发挥其独有的优势:首先,在对中尺度、局地尺度以及孤立建筑物尺度等共同影响下的复杂城市下垫面上边界层的流场、建筑物周围气流的卷吸及城市街区污染物的传输等研究中可利用LES技术分离小尺度流场来实现。其次,目前的LES研究个例大多是在较小区域上进行的模拟,而今后将LES研究扩展到更大的区域上,实现更高分辨率,并包含更精细的辐射和云微物理方案以及子过滤器参数化方案的研究,将有助于我们对近地面细尺度湍流运动、边界层顶夹卷过程、云与边界层相互作用等内在机理的深入理解。另外,在LES中使用浸入边界法和嵌套地表模型的方法可在非均质地表相互作用研究的推进中发挥一定的作用[81]。此外,将LES嵌套在中尺度数值模型中,目前已经实现了对复杂下垫面上数米至数公里不同研究对象的精细模拟,虽然现成的数值环境有利于我们更深入地了解不断发展的边界层,以及天气尺度过程、云和辐射的作用。但是,嵌套在中尺度模型中的LES还处于起步阶段,因此今后通过野外实验和实验室工作来验证LES对于一些前沿科学问题的模拟能力是必不可少的,也能提高LES在大气边界层模拟中的灵活性和效率[43]

6 结 语

大气边界层作为连接下垫面和自由大气的重要桥梁,不仅与各种天气过程的发展密切相关,而且在局地及区域天气、气候的变化中扮演了关键角色。鉴于大气边界层自身的复杂性,对大气边界层的数值模拟一直以来都是大气数值模拟研究中的热点和难点。提高对大气边界层的模拟能力,不仅有助于边界层形成、发展机理的认识和理解,而且对天气预报、大气环境和气候预测精度的提高也具有非常重要的科学和现实意义。在对目前大气边界层数值模拟研究取得的重要进展梳理和总结的基础上,对其研究水平和所面临的一系列关键科学问题及技术难题有了更加深入的认识,也进一步明确了今后的研究方向和研究重点。

从近十几年来大气边界层数值模拟研究的现状来看,目前仍然存在以下几方面的关键科学问题有待进一步突破:

(1)云与边界层相互作用的问题,尤其是云和边界层相互耦合所涉及到的云微物理过程、边界层湍流和动力学之间的相互作用的模拟还存在一定困难。

(2)边界层参数化的问题,特别是对夹卷率、粗糙度长度、湍流输送系数等一些关键参数的描述还存在很大的不确定性。

(3)模式分辨率的问题,对不同区域、不同高度上湍流运动特征模拟时,模式最优水平和垂直分辨率的选择仍有待进一步验证。

(4)边界层资料同化的问题,对现有同化方案中热动力学约束关系和同化数据的有效性等还需要进一步定量化地评估。

(5)边界层发展机制的问题,在陆面能量交换的基础上,兼顾考虑边界层顶向下延伸的传输过程,从多角度加深对不同类型边界层发展机理的理解仍有待深入。

基于上述关键科学问题,提出了今后大气边界层数值模拟研究的方向和重点:

(1)要加强对不同类型大气边界层过程的认识,根据研究的目的和对象科学合理地设计和开展野外观测实验,未来可重点加强以下两方面的观测,一类是对同一天气、气候背景下的大气边界层采取矩阵形的观测方案;另一类是对不同天气、气候背景下大气边界层的变化特征可根据天气过程的发展或气候系统的走向建立尺度相对较大的观测网进行观测。

(2)要加深对边界层底和顶界面交换过程的理解,从边界层与陆面能量水分交换、边界层与残余层、边界层与自由大气等多界面相互作用的角度加深对边界层发展、演变内在机理,及大气全边界层过程的理解。

(3)要完善对特殊地区边界层发展机制的解释,尤其是对一些天气、气候的高敏感、高影响区域和典型过渡带上边界层结构、厚度及湍流输送特征等的时空变化特征及其影响机制等进行深入地探究。

(4)要改进和完善边界层参数化方案,特别是对一些特殊地区边界层、复杂下垫面上非均匀边界层、以及云覆盖条件下边界层关键参数的描述要进一步改进和完善。

(5)要继续充分发挥LES在边界层模拟中的优势,包括复杂下垫面上边界层的细尺度流场、建筑物周围和边界层顶气流的卷吸、以及城市街区污染物的传输等前沿研究中发挥重要的作用。

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