近地层湍流通量交换是地(陆地和海洋)表和大气相互作用过程中的重要环节，是大气边界层研究中的一个重要方向。深入研究近地层湍流通量交换，进一步改进湍流通量参数化方案，对于提高天气和气候模式的数值模拟能力、更好地理解气候变化和地表过程的相互作用，以及气候变化预测具有深刻意义。本文立足于前人方案，对前人具有代表性的方案进行了回顾、比较和总结，并在此基础之上提出了一种新的非迭代湍流通量参数化方案，新的湍流通量参数化方案无需循环迭代，并且保持了较高的计算精度。 近四十年来，众多科学家依据各自不同的试验资料提出了一系列湍流通量计算方案，其中具有代表性的八种方案是：Businger等(1971)、Dyer(1974)、Louis等(1982)、Beljarts and Holtslag(1991)、Launiainen(1995)、Hogstrom(1996)、Wang等(2002)和胡艳冰等(2006)。其中，Businger等(1971)、 Dyer(1974)、Beliaars and Holtslag(1991)和Hogstrom(1996)为迭代方案，他们通过循环迭代计算湍流通量；Louis等(1982)、Launiainen(1995)、Wang等(2002)和胡艳冰等(2006)为非迭代方案，在计算过程中采取整体理查森数Ri<,B>直接参数化湍流通量整体输送系数(C<,M>、C<,H>和C<,E>)或稳定度参数ζ，从而不需要迭代运算即可求得湍流通量。Guilloteau(1998)等认为：在不稳定情况下Hogstrom(1996)的计算结果以及在稳定情况下Beljaars and Holtslag(1991)的计算结果更为合理；为了方便引用起见，本文将它们合称为BHH方案。迭代方案因完整地保持了Monin-Obukhov相似理论，未作更多的近似，因此其计算结果更为合理，但迭代过程需要耗费大量的CPU时间；而非迭代方案由于做了近似处理，需要的CPU时间较少，因此计算结果的可信度较低。为了进一步精确了解各方案，本文对这些方案进行了全面的比较和详细的分析，结果表明，通过各方案计算得到的湍流通量存在很大差异，并且在不同的大气层结稳定性、不同的下垫面动力和热力粗糙度条件下，各方案计算结果间的差异也不同。从总体上说，在强不稳定或者大的动力粗糙度条件下，各方案的计算结果偏差较大；在近中性以及小的动力粗糙度条件下，各方案的计算结果偏差较小。此外，本文基于BHH方案的计算结果，采用多元回归分析的方法，研发了一种新的非迭代湍流通量参数化方案。新方案直接由整体理查森数Ri<,B>、空气动力学粗糙度长度Z<,0>和热力学粗糙度长度Z<,0h>参数化稳定度参数ζ(即z/L)，从而避免了通过循环迭代来计算湍流通量。该方案不仅有效地节省了CPU计算时间，而且，其计算结果与BHH方案的计算结果更为接近：在不稳定情况下新方案C<,M>和C<,H>的误差最大仅为3.1％和2.9％；在稳定情况下，在Z<,0>/Z<,0h>=0.5、1和10时C<,M>的误差绝对值最大不超过14.4％、C<,H>的误差最大不超过21.5％；在Z<,0>/Z<,0h>=100时C<,M>的误差绝对值最大为33.0％、C<,H>的误差绝对值最大为49.2％。
展开▼
