文摘

本研究李波事件的三维(3 d)山区在大屿山,香港,使用模拟结合中尺度模型和计算流体力学(CFD)模型表明,(1)3 d陡峭的山地可以触发强风条件下小规模李浪,和波的水平程度结构在几公里的维度和对应于山的横截面的尺寸;(2)李波的生命周期很短,和波结构会不断形成大致在同一位置,然后逐渐下游移动,并随着时间消散;(3)引发的李波山区在这种情况下可以分为“非对称涡旋脱落”或“湍流尾流,”之前定义基于水箱实验;(4)波的大小与风切变强度有关。这项研究还表明,一个模拟结合中尺度模式和CFD可以捕捉复杂的波结构在现实的三维边界层陡峭的地形,和有潜在价值运营工作空中交通警告,风能利用率,和大气环境评估。

1。介绍

李波是一种山如何影响空气流动的关键指标(1]。它也有对航空安全产生重大影响,风能利用率,和空气污染。多年来,学者们研究了李波通过不同的方法,包括理论分析(2- - - - - -7],野外观察[8- - - - - -11[],数值模拟12- - - - - -14]。根据先前的研究,李波的形成密切相关,大气分层和浮力15]。当mountain-crossing风发生在大气稳定分层,背风流将形成波浪,甚至李波转子稳定分层是强大的。

虽然有一些研究讨论和总结了李波现象相关的三维(3 d)地形12,13,15,16),以往的研究主要集中在二维(2 d)或semi-2D岭。与2 d岭相比,三维地形复杂得多,研究结论2 d问题可能不是有效的三维问题。实际上,研究李波现象相关的3 d地形不足,和李波的特征和机制引发的3 d地形并不完全理解,直到现在。因此,它是必要的去做更深入的研究李浪与3 d地形提高理解在这个领域。

从多普勒雷达数据的分析中,陈17)注意到重要的李浪在大屿山,香港,一个典型的强风条件下,他把它作为“涡/波脱落。“大屿山是一个典型的3 d陡峭的山区,海拔变化达到超过700在2公里的范围内。相比之下,简单和理想化的山12]或semi-2D脊(14]中讨论以前的数值研究,大屿山的地形是更复杂的和现实的,这让李波情况下观察到在这个领域高度代表,值得进一步深入研究,特别是这些有关李浪等空间结构的特点,影响范围和生命周期相关的3 d地形。

基于作者之前的研究,本文利用了有利的应用计算流体动力学(CFD)微尺度数值模拟进行详细模拟“涡/波脱落”陈提出的在大屿山(17)和分析李波形成的过程由3 d强风条件下的山区。

2。模拟方法的简要描述

仿真时间本研究选择18:30-19:30当地时间9月29日,2011年。应对台风“纳沙”在此期间,过境香港,稳定的东南风覆盖整个大屿山,和表面风速保持稳定在10米/秒以上。

模拟使用中尺度模式,即区域大气建模系统(公)18),这是离线加上流利,CFD软件(19]。其流程图如图1。仿真首先使用20公里分辨率数据从香港天文台的出口操作区域光谱模型(ORSM)启动四个嵌套网格的公羊模拟。然后出口800决议公羊的结果作为边界条件进行流利的计算。这个过程类似于用于作者的先前的研究[20.- - - - - -22),已被证明是可靠的说明下复杂的底层表面流场特征。

公羊仿真模型设置一样,陈(17,23]。公羊模拟完全有四个网格,网格1的4公里水平分辨率77×67网格。第一个垂直层40米高的拉伸比1.15。电网2的水平分辨率为800米。点的数量和垂直水平网格1是一样的。Mellor-Yamada方案中使用网格1和Deardorff [24)计划是用于电网2。可以找到更多的细节在公羊模拟(17,23]。比较的目的,公羊模拟网格,即200米的水平分辨率,将被使用。Deardorff [24]在这个网格湍流参数化方案采用“大涡模拟”模式。积云参数化一直是关机状态。第一个网格有20米的高度和拉伸比率为1.15。

流利的模拟,大气中假定为不可压缩,主控制方程如下。

动量方程:

连续性方程: 在哪里空气流的平均速度,的压力,雷诺应力,大气的密度,是分子粘度,是身体的力量。

流利的模拟域的大小22公里×19公里,包括大屿山、香港、及其周边地区。计算机辅助设计(CAD)模型构建使用地形高程数据,如图2(一个)和2 (b)。模拟域由六面体网格离散。的手机号码和方向分别是140和120,这意味着水平分辨率大约是158米。在垂直方向,模拟域达到约3000米高程和分为22层。每个垂直网格单元草图的大小比例1:从1.1下面的一个,这意味着底层细胞的垂直空间在海平面约45米。

流利的模拟执行两个步骤。第一步是一个稳态仿真时间导数项动态方程和变量删除。在第一步的模拟,湍流闭合模型使用变现)计划在雷诺平均n - s(跑)框架。一旦达到数值解收敛于稳定状态,我们开始第二个模拟阶段,non-steady-state模拟。在第二阶段模拟中,变量取决于时间和莱斯动荡的解决方案与Smagrinsky-Lilly亚格子选项用于仿真的方案。这两步仿真程序保证LES模拟收益率更高的质量和更多的物理意义的初始值。

考虑有稳定的东南风在整个模拟时期,东部,北部和南部边界设置为速度入口类型。风速数据的三个第二网格的边界被公羊模拟输出在9月29日,2011年,18:00,通过边界轮廓输入流利的计算模型(BP)模块。对西方的边界,边界条件设置为流出,这意味着空间衍生品在边界为零。顶部边界也设置为速度入口边界,风速和风向是直接设置为公羊的输出值。速度入口边界,风的速度和方向设置在仿真期间不变。边界条件设置用于本研究可以提供强大的迫使整个仿真领域,将有助于确保域的主要流向按照观察。模拟区域的底部设置为无滑动边界条件,与海洋表面的粗糙度高度和机场在大屿山和大屿山山脉是设置为0.0005米,0.005米,0.5米,分别。域设置和本研究中使用的边界条件设置类似于用于作者的先前的研究[22)和已被证明是可靠的捕捉到流场的特点,在山区。

3所示。分析结果

3.1。径向速度

为了帮助学习涡/波事件的背景大气条件讨论了在这项研究中,无线电探空仪测深数据在香港12 UTC, 9月29日,2011年,在图所示2 (c)。从图2 (c),可以看出,在台风纳沙的凌日,风向通常保持东南部和略随高度。内的风速一般随高度增加大气边界层和平均风速的层在2000米的高度大约是20.0 m / s。温度随海拔高度,同时有地面反演和两个高架反演层大约海拔650米和1200米。

详细报告应对台风“纳沙”在观察李波可以引用陈(17]。主要的观察在陈17)是波/涡的脱落从山上的大屿山从天气雷达径向速度数据。雷达观测复制图3,流波/漩涡封闭的椭圆。温暖的颜色(红、橙、黄、棕色)意味着是远离雷达径向速度,和冷色(绿、蓝和紫色)意味着朝雷达径向速度。因此,一般的风向是east-southeasterly。突出显示的绿色特性与一般away-from-the-radar流和嵌入在一个区域被认为是波/漩涡。图3显示6滴管雷达在大屿山附近的实例,图3(一个)显示了观察在当地时间18:56和每个后续图约1分钟的间隔。如图3,有一波/涡结构与环境截然不同(红色圆圈图中绿色的补丁)形成于山中,标记为“,”然后它逐渐脱落,下游移动直到耗散。这个事件的整个过程持续大约6分钟。

从一个初始领域获得一个稳定的运行模拟在第一步中,流利的LES模拟需要一些时间来调整得到一个平衡。对于这种情况,调整时间约25分钟,从仿真的第27分钟,涡/波脱落事件开始出现。因此,仿真结果从第27分钟用于分析模拟李波过程的特点。流利的径向速度地图绘制仿真结果见图4。可以看出,流利的成功抓住了李波雷达观察到。有一波生成与周围结构不同风向西北部大屿山,继续下游移动,并且整个过程也持续大约6分钟。图4还表明,波结构延伸约3公里顺风山,这是一个典型的微尺度李波现象。

比较数据3和4李,流利准确地再现波观测,以及模拟波结构的演变和影响区域与观察到的相一致。

除了波/涡”,“流从Nei腊克语,还有波/漩涡“C”和“B”,摆脱从张山和大桐山,分别如图3。他们的脱落也流利(参见图复制成功4)。

3.2。水平波结构

图5描述了模拟流场在西北大屿山海拔220米,这海拔是关于雷达观察李浪。图5在数据清楚地表明,绿色的补丁3和4是一波结构,和流利的显示了流程的波结构脱离山和下游移动。水平标尺的每一波结构约3公里(东西方向)和1.5公里(南北方向)和对应的水平截面形成在220米海拔的山地。李波移动下游的整个过程持续约6分钟的距离约3 - 4公里。

3.3。垂直风速和波结构

分析波结构在垂直方向上,我们选择了一个横截面在模拟域分析垂直风速和波结构的变化。这个截面在southeast-northwest运行方向大致与背景主导风向一致,通过三个控制点在模拟域,p1 (米,米,米),p2 (米,米,米)和p3 (,米,米)。

图6显示垂直风速组件()在上述截面,可以找到以下特点:(1)交替之间的积极的和消极的背景值沿流动方向垂直的横截面,表明垂直风速明显波动在一个典型的波时尚;(2)从消极之间的距离值区域(蓝色区域),可以确定李波的波长大约是3公里;(3)消极的运动区域价值随着时间的推移,表明波结构继续下游和消散。从图推导出的变化6(一)来6 (e)4分钟内,波移动下游2.5公里;(4)图6还表明,波不仅下游移动,而且恢复原始位置和整个过程不断重复。

为更好地可视化流波,图6改建了流场的显示向量投影在横截面平面,如图7。流波突出显示黑色箭头。它可以随时从山上看到波的脱落从这个风场阴谋。

3.4。Pathline

部分3.2和3.3描述了波的结构/涡通过水平和垂直结构的横截面。为了研究波的三维结构/涡,流的“pathlines”(即空气粒子的轨迹)也进行了分析,尽管pathline的图不提供。

它可以看到,结构“A”和“C”的人物3,流动出现斜波在三维空间;即波轴不是纯粹的水平或垂直,但作为一个斜线出现在3 d空间。因此,当水平或垂直穿过这个结构横截面,一波出现在横截面的飞机。

另一方面,大桐山的下游结构,即“B”图3,似乎是更复杂的,至少在模型模拟。似乎有一个转子下游的山。转子的轴通常平行于大屿山山脉的方向,也就是说,大约东北到西南方向。

3.5。涡度

作为替代视图的流场模型模拟,给出了涡量图在图8在海拔约220米的高度。本文考虑下游的三山,有更高的地方涡度值,作为绿色/黄色彩色图8。模式非常类似于涡旋脱落的理想化模型模拟的结果,例如,Schar和史密斯12]。涡的涡量图提供了另一个视图/波流从大屿山的三大山脉。

从仿真结果包括pathlines和涡度,它可以看到涡/波发生脱落的下游分离Lautau山岛。每一波/涡与每个山相关联。相比整个模拟域,每个山占地面积相对较小。

4所示。公羊与模拟

由于公羊模拟在200的水平分辨率,与流利的模拟相比较,有一个问题的比较这两个模型模拟的结果。特别是,有一个问题是否涡/波流特性在实际观察到的数据可以显示更清晰流利的公羊。

公羊的模拟结果在220米高度图所示9。如图4,解决模拟风场测量组成的气象雷达为了繁殖radar-observed特性为便于比较。如图9(突出显示在黑色椭圆),涡/波脱落也观察到下游的公羊模拟Nei Lak山200决议。然而,流利的仿真相比,模拟波在公羊的大小更小。在一般情况下,流场下游大屿山的山似乎更平稳。没有明显的波/涡旋脱落可能是复制的下游张公羊山和大桐山。尽管50米分辨率公羊仿真可以再现波脱落过程,太耗费时间和波结构不清晰,流利的粗分辨率。在计算时间方面,使用网格4 (50 m分辨率)需要大约10倍的时间运行公羊所需的仿真网格3只(200决议)。流利的使用是计算效率更高,它足以模拟涡/波脱落的分辨率大约200 m×妥善解决复杂的地形在机场附近。

从比较结果,流利的更好的捕捉涡/波流特性。另一方面,海浪显然不会出现同样在公羊模拟。这表明流利有潜力预测涡的发生/波流实时应用程序,例如,在提供早期警报出现的低级风剪/ terrain-disrupted气流在机场带来的动荡。

5。敏感的风切变波脱落

为了研究垂直风切变的影响波的发生/涡旋脱落下游的山脉,两个数值模拟进行修改的垂直风速剖面。使用的概要图所示10。它们包括原始配置文件(控制,CTL),没有风切变(NS),一个更强大的剪切海拔低于500米(SS)。对于NS情况,CTL的平均风速高度考虑的范围。

模型仿真结果的pathlines NS和SS表明仍有波浪/漩涡,甚至转子下游的山脉(本文数据未显示)。因此,波的生成和减少/漩涡和转子的发生似乎没有依赖于垂直风切变。相信他们更相关的陡峭的斜坡下的大屿山与山的考虑。

然而,各种模拟表现出一些差异。图11说明了涡度情节在一个水平面。可以预期,党卫军案例显示更大的涡度在下游几公里的山上。这是紧随其后的是细胞毒性t淋巴细胞(最大涡度约0.8秒⁻¹)和NS显示了最小的涡度(涡度一般在0.6到0.8年代的顺序⁻¹下游几公里的山脉,面积0.8 s⁻¹涡量大量减少了)。此外,从垂直的横截面垂直速度(数据未显示),党卫军给最大的垂直速度值的顺序(4米/秒或以上),其次是CTL和NS的顺序(2到3 m / s的垂直速度的最大值在垂直平面上)。找到一个更大的背景中垂直剪切流增加涡度和向上/向下流动,这可能是更危险的飞机。

6。分析动力学涡/波脱落

在目前的研究中,观测资料和数值模拟表明,李的李波可以形成三维山大风条件下。因此,本研究的一个新任务是解释现象的动态。

一系列的水箱实验由林等。25]调查的特征模式对流经一个三维球体。根据林等。25),流过去的领域可以分为八个政权,即稳定的二维附加漩涡,非定常二维涡流,二维涡脱落,背风波动不稳定,nonaxisymmetric附加涡、对称涡旋脱落,非对称涡旋脱落,湍流尾流。八个政权是位于一个Fi-Re政权图,Fi是弗劳德数,再保险是雷诺数。

林等人的研究。25)提供了非常有价值的线索解释李的动态波/本研究中发现的涡旋脱落。目前情况下,基于无线电探空仪数据上游大屿山,Brunt-Vaisala频率,在0.01 rad / s的顺序在20米/秒的顺序。因此,弗劳德数()约为0.376,是Nei Lak山(751米)的高度和平均背景风速。根据林et al .,在政权的“非对称涡旋脱落”或“湍流尾流”引发的三维地形。

涡旋脱落在热带气旋的情况下在香港国际机场一直在回避讨论et al。26]。避开et al。26)表明,涡旋脱落可能与“非对称涡旋脱落”或“湍流尾流”的顺序与弗劳德数为0.36,这是符合目前的研究结果。尽管如此,本文的新结果,涡/波脱落事件由数值模拟发现成功可复制的,它提供了更多的数据(如垂直截面和涡度场)来帮助理解涡/波脱落事件。

7所示。结论

这项研究的一个典型的李在大屿山波情况下,香港,使用公羊/流利的联合仿真得出结论如下。

(1)作为一个典型的3 d陡峭的山地,大屿山会引发小规模李浪大风条件下。雷达观测和CFD数值模拟了李浪的明确证据,和一些波转子的形成。

(2)引发的李波多山的地形可分为“非对称涡旋脱落”或“湍流尾流,”之前定义基于水箱实验。李波对应的空间维度的水平截面尺寸大屿山的山,波长约3公里。

(3)在目前的研究中,每个李波的生命周期是大约6分钟。波结构会不断形成大致相同的位置,然后逐渐下游移动,随着时间消散。

(4)陡峭的地形是主要原因导致李浪,虽然波的大小与风切变强度有关。

除了以上结论,本研究再次显示,模拟结合中尺度模式和CFD可以捕获复杂运动边界层流动。CFD软件,尤其是流利使用body-fitted网状结构域离散化,用有限体积法(有限体积法)的数值计算,确保了CFD的能力来执行与nonconformal网稳定的数值计算。因此,CFD可以获得稳定的数值解不平滑的地形,确保地形的准确性。此外,一些特殊的CFD模块,如用户定义函数(UDF,语法类似于C语言流利的)和边界配置文件(BP),可以帮助用户特定项目的代码来描述边界条件和定义一些物理性质的流体模拟,从而提供一个接口之间的CFD和中尺度模式或观测数据。上述特点使CFD优势中尺度模型在描述风场在陡峭的地形特征。结合中尺度模式和CFD的方法可以确保获得大规模流通数据模拟的准确性的中尺度模拟和详细的微尺度地形描述同时在CFD模拟。

最后,可以预期,结合中尺度模式的模拟方法和CFD应用于操作空中交通警告,风能利用率,在不久的将来和大气环境评估。

确认

本研究支持由中国国家自然科学基金(51278308号,51008002,和91215302)和国家重点实验室的开放科学基金会的大气边界层物理和大气化学。