《表1 目前使用较广泛的几种模拟边界层的模式》

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《大气边界层数值模拟研究与未来展望》

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注：PSU/NCAR:Portland State University/National Center for Atmospheric Research；CSU:Colorado State University；NCEP:National Centers for Environmental Prediction；PBL:Planetary Boundary Layer；MRF:Medium Range Forecast；TKE:Translational Kinetic Energy；YSU:Yon

大气边界层中湍流的尺度从几毫米到几公里不等，即使是目前世界上最先进的计算机也无法对所有尺度的湍流进行直接模拟，而大涡模拟（Large Eddy Simulation，LES）的主要思想就是解决其中一个子集，即对大于网格尺度的湍涡（这部分湍涡占了湍流动能和通量的很大一部分）直接进行计算，而对小于网格尺度的湍涡进行参数化。因此，可以说真正对大气边界层内部精细结构及湍流运动特征的了解是从LES开始的[43]。1972年，Deardorf[44]首次利用LES研究了理想条件下中性和不稳定的行星边界层大气。之后，经过对LES的不断修改，加入了辐射[45]、云以及水平平流和下沉的影响[46]等，使其能够更接近实际的大气边界层过程，并在1990年首次成功完成了对稳定大气边界层的模拟[47]。在随后的几十年，LES以其独特的优势被广泛地应用到大气边界层的模拟中。蒋维楣等[48]对运用大涡模拟研究边界层以来30年里取得的成果和进展进行了系统的梳理，总体来看，LES不管是在理想的均匀平坦下垫面还是实际较为复杂的非均匀下垫面上边界层结构、物理量空间分布、湍流运动规律和能量分配以及羽流扩散等方面的模拟中都表现出了明显的优势。LES的思想除了在LEM（Large Eddy Model）[49]、BLASIUS（Boundary Layer Above Stationary，Inhomogeneous Uneven Surface）[50]和DALES（Dutch Atmospheric LargeEddy Simulation）[51]等一些云解析模式和边界层模式中应用以外，也被越来越多地应用到天气和气候模式中边界层参数化方案的改进中[52～54]，并已经在WRF、RAMS和ARPS等一些中尺度数值模式中提供了有关LES的选项和专门针对云、辐射、陆地表面相应的物理参数化配套选项。另外，为了更好地模拟较大区域异质表面上不断演变的边界层过程，近年来也有一些研究尝试将中尺度模式与LES模块进行了耦合嵌套[55，56]，尽可能全面地描述复杂下垫面上边界层内各种不同尺度的物理过程及相互作用等，从而对不同的研究对象实现从几米至几公里流场的精细化预报。这样不仅提高了中尺度模式模拟的精度，同时也解决了单纯的边界层模式初边值分辨率不足的问题，目前已经在近地层风场的模拟中取得了较好的效果。表1列出了目前在边界层模拟中使用较广泛的几种模式。