三维尺度依赖城市边界层参数化方案研究

The process of urban boundary layer plays an important part on the evolution of local weather and Urban climate characteristics over the city, the fine grid can distinguish the physical process of the urban boundary layer better, and then improve the urban weather forecast. However, the kilometer grid is the model gray zone of the atmospheric boundary layer, so the traditional boundary layer parameterization scheme, which bases on the ensemble average(no scale dependency) and only considers vertical turbulence, is no longer available. This project is going to evaluate the BouLac scheme in high resolution simulation and obtain its gray zone using high resolution large eddy simulation as the ideal atmospheric boundary layer benchmark, the scale (grid) -aware is established in BouLac scheme through blending weight function of large eddy simulation diagnosis, and the horizontal turbulence mixing term is added to the original one-dimensional BouLac scheme, developing a parameterization scheme for the urban boundary layer which considers both scale-aware and horizontal turbulence mixing. The realistic weather in urban areas experiment is conducted using the new scheme, to further test and optimize the parameters of the new scheme, and provide theoretical foundation and technical support for improving the urban weather forecast, the urban climate research and urban planning climate assessment.

城市边界层过程对城市地区的天气演变和城市气候特征有重要的影响，精细化的网格能更好的分辨城市边界层的物理过程，进而改善城市天气预报。但是，公里量级的网格也是大气边界层的模式灰区，因此基于系综平均（非尺度依赖）、只考虑垂直方向湍流输送的传统边界层参数化方案不再适用。本项目拟以模拟城市边界层常用的BouLac边界层参数化方案为基础，以高精度大涡模拟所得的理想大气边界层为参照基准，系统评估BouLac方案在公里级网格下的模拟效果，并确定其相应的灰区范围，利用大涡模拟诊断所得的融合权重函数，在BouLac方案中建立尺度（网格）依赖性，同时在原本一维的BouLac方案中添加水平湍流混合项，建立既考虑尺度依赖又考虑水平湍流混合的城市边界层参数化方案。利用该方案开展城市地区真实天气个例高分辨率模拟，进一步检验并优化新方案，为提高城市地区的天气预报能力、城市气候研究、城市规划气候评估等提供理论基础和技术支撑。

随着计算资源的发展和社会经济发展的需求，数值预报模式分辨率也在不断提高，未来能达1km甚至更精细的分辨率。此时传统边界层参数化方案已不再适用，需要发展适用于高分辨率模式的边界层参数化方案。. 本项目研究内容包括以几部分：1）构建合理的目标方案。基于大涡模拟数据，充分考虑了边界层物理过程，对组织化对流的侧向夹卷过程和非局地湍动能输进行初步的参数化，设计了合理的湍流混合尺度和湍流耗散尺度，发展了考虑边界层结构物理过程的1.5阶湍动能边界层方案，作为构建尺度依赖边界层方案的合理的目标方案。2）发展三维尺度依赖边界层方案。基于新目标方案和3D_TKE湍流动能闭合方案，采用混合长度和耗散长度倒数形式，构建符合物理特征，并考虑了垂直方向变化，同时考虑了不同边界层稳的灰区边界层方案。3）理想试验对比。4）嵌入睿图-城市预报系统，调试优化。5）真实试验证对比。. 本项目取得的成果如下：1）发展了基于物理过程而非尺度的新边界层方案（合理的目标方案）。2）基于目标方案和3D_TKE湍流动能方案发展了适用于模式灰区的三维尺度依赖边界层方案。3）发表SCI4篇。4）培养2名副研究员。5）专著1部。6）获得三项奖励。. 本项目研究有重要的意义。研究成果突破了数值预报模式向次公里尺度发展的瓶颈，为精细气象预报准确率的提高，城市高温热浪、降水等机理的深入研究、城市规划情景评估等提供理论基础和技术支撑。该项成果应用于北京市气象局睿图-城市预报系统，为北京冬奥会测试赛提供1km水平分辨率实时预报；同时也应用于高分辨率北京市副中心最优绿地系统规划方案模拟评估，为北京市通州绿化示范建设提供技术支撑。