弱不稳定层结控制下的海洋行星边界层的数值模拟研究

The application will develop a single-column coupled model, study the marine planetary boundary layer under weak unstable stratification process control. In this model the atmospheric boundary layer pattern will be used the third-order closure, ocean mixed layer pattern intends to use second-order closure through air-sea coupling, so that the single-column model with the detailed simulation of the air-sea exchange process, turbulent transport, long and short radiation transfer and boundary layer stratus, development and continuance. Using the single-column mode of air-sea coupling, the study of planetary boundary layer processes in the eastern equatorial Pacific, focusing on analysis the scientific problems include air-sea exchange of heat and water, the physical mechanism of turbulent diffusion processes under the weakly unstable conditions, and this transport process with layers cloud produce, develop and sustain the process of interaction. Through comparative analysis, further study the simulation capabilities of planetary boundary layer coupled model of this boundary layer parameterization process, explore the problem of these boundary layer parameters and the possible direction of improvement.

本申请将开发单柱海气耦合模式，研究弱不稳定层结控制下的海洋行星边界层过程。该模式中大气边界层模式将采用三阶闭合，海洋混合层模式拟利用二阶闭合，通过海气耦合，使得该单柱模式具备详细描述海气交换过程、湍流输送、长、短辐射传输以及边界层云发生、发展和维持的模拟能力。利用海气耦合的单柱模式，研究赤道东太平洋上的行星边界层过程，重点分析弱不稳定条件下的海气热量与水汽交换、湍流输送过程的物理机制，以及这种输送过程与层云产生、发展和维持过程的相互作用等科学问题。通过对比分析，进一步研究耦合模式中的行星边界层参数化对这种边界层过程的模拟能力，探讨这些层参数化的问题以及可能的改进方向。

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。项目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，通过改进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：.1. 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。.2. 所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。.3. 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。.4. 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。