青藏高原东南部夜间低空急流下方剪切层的子网格尺度闭合效应大涡模拟

《Atmospheric Research》：Large-eddy simulation of subgrid-scale closure effects on the shear layer beneath nocturnal low-level jets over the southeastern Tibetan Plateau

　　• 青藏高原东南部地形塑造了夜间低空急流（LLJ）下侧翼的剪切。• 亚网格尺度（SGS）闭合敏感性集中于LLJ核下方及附近区域。• SSM产生更宽的K_m增强效应和更平滑的射流下方曲率。• DSM保留了局部涡黏-剪切响应。• 基于射流相对坐标的分析在五个案例中显示出反复出现的敏感性。## 引言夜间低空急流（LLJs）是一种常见的边界层风现象，其特征是低空风速极大值和射流核下方强的垂直剪切（Blackadar, 1957; Bonner, 1968）。核下方的剪切层，本文称之为下侧翼，控制着从近地面弱风到上方高速急流层的垂直过渡。这种过渡对边界层风结构和垂直动量再分配具有重要影响，对航空和风电运行也具有实际意义，因为强烈的近地面风剪切可能影响飞机起降，并改变风机相关高度上的风速和剪切（Banta et al., 2002, Banta et al., 2004; Darby et al., 2006; Chen et al., 2022; Cheng et al., 2022）。青藏高原东南部提供了代表性的高起伏复杂地形环境，其中陡峭的山脉、深邃的峡谷、强的地形梯度和夜间稳定层结有利于坡-谷环流、地形通道效应以及地形组织流动、LLJ下侧翼剪切与湍流动量交换之间的相互作用（Whiteman, 2000; Finnigan et al., 2020）。复杂地形上LLJs的形成和演变由大尺度压差和惯性过程、局地地形强迫环流以及夜间稳定边界层内的湍流或间歇性混合共同控制。大尺度强迫可以支持急流发展，地形诱导环流可以重塑山区的低层风场，而下侧翼内的湍流或间歇性交换可能调节近地面弱流动与上方高速层之间的垂直动量传递（Blackadar, 1957; Bonner, 1968; Cuxart and Jiménez, 2007; Shapiro et al., 2016）。然而，这种交换的强度、垂直分布和动力学作用仍然不确定，因为在复杂地形上夜间稳定边界层中的直接观测稀缺，且往往不足以分辨相关的三维结构。因此，对下侧翼动力学的更完整理解需要受观测约束的高分辨率数值模拟。复杂地形上LLJs的数值模拟仍然具有挑战性，因为相关的运动跨越了广泛的尺度范围。在实际大气中，地形组织环流、剪切产生的湍流和间歇性交换共存于夜间边界层中。然而，在数值模型中，这一连续谱必须被划分为可解析和不可解析的成分。在水平网格间距约为100米的量级时，地形组织环流和一些能量较强的涡旋可能被部分解析，而稳定边界层中的小尺度湍流仍然部分不可解析，仍需由亚网格尺度（SGS）闭合来表示（Wyngaard, 2004; Sun et al., 2012; Mahrt, 2014; Honnert et al., 2020; van der Linden et al., 2020; Beare and Efstathiou, 2025）。因此，模拟的垂直动量交换可能取决于SGS闭合如何在急流层内外分配涡黏。这一问题在青藏高原东南部尤为相关，那里强的海拔梯度和地形异质性可能导致风速模拟的不确定性（Li et al., 2018）。动态SGS方案已在稳定边界层中评估（Basu and Porté-Agel, 2006; Stoll and Porté-Agel, 2008）并在WRF中实现（Kirkil et al., 2012）。由于DSM和SSM都是Smagorinsky型涡黏闭合，更强的可解析应变或剪切可以直接产生更大的SGS扩散率；因此，仅以下侧翼K_m的对比是闭合方案所预期的，本文不将其视为新的物理机制。之前的研究表明，LLJ核下方、穿过核和核上方的混合可以在射流结构的演变中发挥不同的作用（Cuxart and Jiménez, 2007）。然而，在许多模型评估中，不可解析的湍流交换仍主要通过整体边界层行为、区域平均性能或剖面平均风速误差来评估。这些方法可能会掩盖SGS闭合效应是否相对于射流核具有垂直组织性。较少关注的是，在O(100 m) WRF-LES模拟中，SGS闭合敏感性是表现为广泛分布的边界层响应，还是集中于特定的射流相对层，特别是核下方强剪切的下侧翼。这一区别很重要，因为垂直均匀的响应意味着一般的边界层混合效应，而下侧翼集中的响应则表明SGS闭合主要调节模拟急流的下延和过渡层结构。先前的均质稳定边界层LES也表明，动态SGS方案和平均选择会影响模拟的涡黏和可解析统计量（Basu and Porté-Agel, 2006; Stoll and Porté-Agel, 2008），而复杂地形研究表明对地形表示和网格分辨率的敏感性（Chen et al., 2022; Cheng et al., 2022; Quimbayo-Duarte et al., 2022）。这些研究为但未直接检验可解析的地形复杂性如何调节LLJ下侧翼内依赖于闭合的垂直动量再分配提供了动机。本研究使用青藏高原东南部复杂地形上的WRF-LES闭合敏感性实验来解决这一问题。动态和静态Smagorinsky模型（DSM和SSM）与该地形环境中代表性站点的多普勒风激光雷达观测进行比较。分析在射流相对坐标中进行，以检查闭合依赖的涡黏和相关的垂直动量再分配如何与模拟的LLJ结构相关联。针对2025年7月18日的案例增加了专门的平滑地形实验，以检验可解析的地形复杂性是否调节SSM-DSM响应。进一步检查了额外的LLJ案例，以评估闭合敏感性的垂直模式是否反复出现。本研究的目的是对SGS闭合调节LLJ下侧翼进行过程导向的诊断，而不是对SGS模型进行排名或封闭动量预算评估。## 各节摘要### 研究区域、多普勒风激光雷达观测和LLJ诊断研究区域位于青藏高原东南部，该区以陡峭的山谷地形为特征（图1）。该区域夜间低层流受背景压差强迫、局地坡-谷环流、地形通道效应和地面辐射冷却的共同影响。攀枝花机场位于这一复杂地形环境中，提供了用于评估模拟LLJ结构的多普勒风激光雷达观测。这一环境是……### 观测到的LLJ演变和成熟阶段选择7月18日的事件表现出从LLJ建立到成熟近地面射流阶段的清晰过渡（图2）。大约在02:00 BJT之前，低层风场包含相互竞争的抬升和近地面极大值。大约在01:40–02:00 BJT，客观最大极大值标准从抬升支切换到更强的近地面支；因此，诊断的h_LLJ的快速下降并不代表单个物质射流核的连续下降。在02:00–03:30 BJT期间，……### SGS闭合对下侧翼响应的调节DSM和SSM之间的差异集中于LLJ核下方正剪切的下侧翼层内。该层将核附近的快速流动与更强烈层结的近地面流动连接起来。与DSM相比，SSM在该层表现出更宽的K_m增强效应。在强剪切下如此大的K_m响应是Smagorinsky涡黏方案所预期的，因此本文不将其解释为新的物理结果。相应的风速剖面显示……### 结论本研究使用111米WRF-LES闭合敏感性模拟，与多普勒风激光雷达观测进行评估，以检验SGS闭合如何修改复杂地形上夜间LLJ下方的下侧翼剪切层。最内层域被解释为处于灰色地带过渡的LES型域，其中地形组织的运动被部分解析，而SGS闭合对于不可解析的稳定边界层交换仍然重要。主要发现如下：• 在7月18日……### CRediT作者贡献声明Ziyuan Zhu：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，可视化，软件，方法学，形式化分析，概念构思。Yulong Ma：撰写—审阅与编辑，资源，方法学，资金获取。Xingwen Jiang：撰写—审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取，概念构思。## 利益冲突声明作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。## 致谢本工作得到了四川省科技计划[资助编号2025YFNH0006]、国家重点研发计划[资助编号2023YFC3007501]、国家自然科学基金[资助编号42375160]和广东省基础与应用基础研究基金[资助编号2022A1515110841]的支持。Ziyuan Zhu|Yulong Ma|Xingwen Jiang