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第28 卷 第 1 期 大 气 科 学 Vol28 　No 1 2004 年 1 月 Chinese Journal of Atmospheric Sciences Jan 　2004 最优化方法在确定对流混合层 顶夹卷率中的应用 卢　萍　郑 　琴　宇如聪　穆　穆 ( 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室, 北京 100029) 摘 　要 　　晴天充分混合的对流边界层 (CBL) 中常采用相对简单的零阶近似平板模式。 在该模式中 , 通常假设边界层顶的夹卷通量与地面通量有着固定的线性关系作为其闭合条 θ θ ( ) ( ) ( ) 件 , 即 w h = - A w s 。由于受观测资料的限制 , 参数 A 通常是由大涡模拟 LES 的 方法得到 , 并利用有限的观测资料加以验证。作者基于 ARM (Atmospheric Radiation Measure ment Program) 观测资料 , 利用最优化参数算法 , 确定该闭合参数 , 使得对流混合层模式能 最大可能地再现实际边界层的发展过程。首次尝试了最优参数算法在确定真实物理过程参 数中的应用。模拟结果分析表明 , 在观测资料足够多的情况下 , 最优化方法应是确定该闭 合参数的行之有效的方法。 关键词 : 混合层 ; 夹卷率 ; 最优化算法 文章编号 (2004)　　中图分类号　P4 　　文献标识码 　A 1 　引言 位于大气最底层的边界层和我们人类的生活息息相关 。长期以来 , 很多科学家对 行星边界层进行了大量的研究[1～6 ] , 使人们对它的认识有了很大提高。 白天, 晴天边界层内因为强烈的混合往往给诸如位温和湿度等守恒变量留下一个 几乎不随高度变化的分布 , 甚至边界层大部分范围内的风向风速也是如此 , 因此 , 人 们往往把这样的边界层称作完全混合层。混合既可以由机械产生 , 也可以由浮力产生。 对大气来说 , 切变产生的混合在近地层比在混合层顶部更为重要。受浮力湍流产生支 配的混合层 , 就叫做对流边界层 (CBL) 。描述对流边界层活动的最简单的模式就是如 图 1 所示的平板混合层模式。该模式中 , 边界层的状态可由四个参量来决定 , 即边界 θ Δθ 层内的位温 、反映边界层顶逆温强度的 、边界层高度 h 和自由大气的温度递减率 γ, 而 γ通常被设为常数。平板混合层模式的闭合条件是给出边界层顶的夹卷通量或 θ θ 夹卷率。Ball [1 ]提出该夹卷通量可以通过表面热通量来参数化 ; Stull[7 ] 进一步发展了这 一理论 ; Lilly[2 ]认为夹卷率和逆温强度成反比。本文则采用了 Tennekes 等[4 ] 提出的闭合 方案 , 即假设对流边界层顶的最小的浮力通量和表面热通量存在固定的比例关系 [ 见 第 2 节公式 (6) ] 。本文将利用ARM (Atmospheric Radiation Measurement Program) 每天多 收到 ,收到修改稿 中国科学院创新项目 KZCX2208 、“十五”攻关项目2001BA607B 和国家自然科学基金资助项目 共同资助