摘要毕业论文题目：态塑堇蘧盔坐区蘧塑性：! 塑蓬：：丝盛扭剑鲍氢基固盍珏究丕埴趣划鱼篁望专业Q 鱼级博士生姓名：王盛盐指导教师( 姓名、职称) ：垡堑熬援摘要太湖水体的富营养化严重危害着水生态安全，主要表现为蓝藻水华的频繁暴发和“湖泛”现象的时有发生太湖水体富营养化程度在短期内难以得到明显降低，当气象条件适宜时就会大面积形成蓝藻水华；大量的蓝藻在风场的驱动下向岸边或湖湾浅水区聚积，下沉、死亡、腐烂，在特定的气象条件触发下形成黑臭水团( 即“湖泛”) 现象由此可见，气象条件是蓝藻水华及其引发的藻源性“湖泛”预警的关键因子之一由于气象条件具有可预报性，因此根据气象条件预警蓝藻水华和“湖泛”的形成和暴发是可行的当太湖藻类生长的生理和生态环境没有得到控制和改变时，高温、微风的气象条件( 本研究定义为当天最高气温> 2 5 ℃、平均风速_ 2 5 C ) 、微风( 平均风速_ 2 5 ℃)J微风( 璺m ／s )湖面高精度风场与岸 基单站风场驱动下风 生流的数值模拟lI +藻源性“湖泛”形成机制的气象因素分析●2 0 0 7 年贡湖水厂水污染事件形成过程的数值模拟+- I蓝藻水华及藻源性“湖泛”预警系统构建 l ·●服务政府太湖流域水源地管理及蓝藻应急等决策图1 - 2 研究技术路线，●H ●H ●_ ●_ - _ - ‘_ 。
●- ●●_ ●h ●、i 选题层l●— * ●_ - _ ●_ ●_ - ‘—●- - 分析层li ．．．．．．．．．．．．．．．．一一一一—．—．．．．．+ j●●●- ●h ●‘●H ●_ ●_ ●_ ●●_ _ ‘hl 升华层l l ⋯⋯⋯⋯⋯一一j●_ - ●- ●●’_ - ‘●' _ —●- ●- ●- ●_ ’L l 管理层il ⋯⋯⋯⋯～一一j研究资料与方法2 研究资料与方法2 ．1 研究资料说明2 ．1 ．1 气象资料( 一) 实测报文资料已经获得太湖流域( 北纬3 0 ．5 0 “ - ' 3 2 0 ，东经1 1 9 0 ～1 2 1 ．5 0 ) 3 9 个常规气象观测站5 0 年( 1 9 6 1 年1 月1 日～现在) 的报文资料，具体站点信息见表2 ．1 这些数据将用来分析太湖流域局地风场及其他气象要素的特征，同时也用以调试气象模式，检验模拟结果实测报文资料包括内容见表2 ．2 表2 - 1 太湖流域常规气象观测站点信息研究资料与方法( 二) N C E P 全球再分析及预报资料已经获得近6 年( 2 0 0 5 年1 月1 日～现在) N C E P 全球O ．5 0 ×0 ．5 0 的再分析资料，并能实时下载N C E P 全球0 ．5 0 ×0 ．5 0 的预报资料。
N C E P 全球资料是中尺度气象模式W R F 3 ．0 运行所需的初始和边界条件，N C E P 全球历史资料用以调试模式；N C E P 全球预报资料用以预报模型的初始和边界条件，预报未来太湖流域高精度气象条件2 ．1 ．2 水文、水质资料( 一) 出入湖水文、水质监测资料已收集获得2 0 0 7 年太湖主要出入湖河流的水文、水质数据，用作水动力、水质模型数值模拟的初始场和模拟结果的验证太湖主要出入湖河流信息见表2 ．3 ，监测信息内容见表2 - 4 研究资料与方法( 二) 湖体水质监测资料已获得2 0 0 7 年、2 0 0 8 年每月太湖湖体3 3 点水质监测数据太湖湖体水质监测数据用以水质模型的初始场，以及用以检验模式模拟结果具体点位见表格研究资料与方法表格2 - 6 水质监测要素表2 ．2 研究方法介绍2 ．2 ．1 中小尺度气象模式W R F 介绍( 一) W R F 概述美国是世界上最早开展气象数值预报研究，并建立气象数值预报业务系统的国家，特别是在中尺度数值预报模式的研究和应用方面，一直走在世界的前列，当今使用广泛并代表世界先进发展水平的中尺度数值模式多出自于美国。
新一代研究与预报模式——W R F ( W e a t h e rR e s e a r c hF o r e c a s tM o d e l ) 是由美国许多研究部门及大学的科学家共同参与进行开发研究的新一代中尺度预报模式和同化系统1 9 9 7 年，由N C A R 中小尺度气象处、N C E P 的环境模拟中心、F S L 的预报研究资料与方法研究处和奥克拉荷马大学的风暴分析预报中心四部门联合发起建立了W R F 模式系统的开发计划，并由国家自然科学基金( N S F ) 和N O A A 共同支持现在，这项计划得到了许多其他研究部门及大学的科学家共同参与和开发研究W R F模式系统具有可移植、易维护、可扩充、高效率、方便等诸多特性，它将更为便捷地使新的科研成果运用于业务预报模式，并使得科技人员在大学、科研单位及业务部门之间的交流变得更加容易W R F 模式系统将成为改进从云尺度到天气尺度等不同尺度重要天气特征预报精度的工具模式将结合先进的数值方法和资料同化技术、经过改进的物理过程方案( 尤其是对流和中尺度降水系统的处理部分) ，同时具有多重嵌套及易于定位于不同地理位置的能力它将很好的适应从理想化的研究到业务预报等应用的需要，并且具有便于进一步加强完善的灵活性。
为了满足模拟实际天气的需要，模式要有一套物理过程，比如辐射过程、边界层参数化过程、对流参数化过程、次网格湍流扩散过程、以及微物理过程等而在W R F 模式开发的初始阶段，仅实现了一些现有的方案调用，并且大多数是从其他模式中拿过来的由于W R F模式重点考虑1 ～1 0 k m 的水平网格，所以模式中的一些物理方案可能在此分辨率下不是很理想，在W R F 模式的发展计划中，将会实现一套适合分辨率在1 ～1 0 k m 的物理方案W R F 模式应用了继承式软件设计、多级并行分解算法、选择式软件管理工具、中间软件包( 连接信息交换、输入／输出以及其他服务程序的外部软件包)结构，并将有更为先进的数值计算和资料同化技术、多重移动套网格性能以及更为完善的物理过程( 尤其是对流和中尺度降水过程) 因此，W R F 模式有广泛的应用前景，包括在天气预报、大气化学、区域气候、纯粹的模拟研究等方面的应用，它将有助于开展针对我国不同类型、不同地域天气过程的高分辨率数值模拟，提高我国天气预报的分辨率和准确性W R F 模式作为一个公共模式，由N C A R 负责维护和技术支持，免费对外发布第一版W R F 模式发布于2 0 0 0 年1 1 月3 0 目，随后不断改进更新，陆续推出新的版本。
自2 0 0 3 年3 月2 0 日推出其V 1 ．3 版之后，W R F 更多地引起了研究人员的关注，2 0 0 4 年5 月发布的W R F V 2 ．0 版把网格嵌套方案成功的加到模式中来，2 0 0 6 年1 2 月发布的W R F V 2 ．2 版用前处理模块( W P S ) 来取代原先的标准初始化模块( W R F S I ) ，其后处理模块则变成W R F 2 V I S 5 D ，而且还推出了包含N u d g i n g 逼研究资料与方法近技术的W R F ．V A R 模块，这对进一步提高W R Y 的模拟能力无疑是一个突破 二) W R F 基本方程组W R F 模式是一个完全可压非静力模式，控制方程组都写为通量形式网格形式与M M 5 的A r a k a w a B 格点不同，而是采用A r a k a w a C 格点，有利于在高分辨率模拟中提高准确性W R F 模式实行多模式框架的结构，以供科学研究和实时预报业务的不同运行需求目前模式已经实现了地形追随高度坐标( 欧拉高度坐标) 方案和地形追随静力气压坐标( 欧拉质量坐标) 方案两种方案以供选择这两个方案都采用时间分裂显式方案来求解动力方程组，即模式中垂直高频波的求解采用隐式方案，其他的波动则采用显式方案。
1 ) 地形追随高度坐标( 欧拉高度坐标)根据变量的守恒性质，采用O o y a m a 的预报方程的公式化思想，定义通量形式的保守量为V = p P = ( U ，V ，肜) ，O = p O ，( 2 ．2 ．1 ．1 )则非静力原始方程组可写为了0 U + V ．◇∽+ a 当p _ i ' ：昂a t、a xui 0 V + V ．( 矿y ) + 娶：易西、7乱’詈+ v ．( v w ) + 瓦O p ' 切’F w( 2 ．2 ．1 - 2 )票+ V ．( 饱) ：％西、 O p t + v ．( 旷) ：0色、7其中，H a m i l t o n 算子为v 基于旦+ 7 旦+ 后旦 融‘却a z气压可根据状态诊断方程计算得到：研究资料与方法⋯槲眨2 小3 ，扰动变量定义为相对于与时间无关的静力平衡参考态的偏差，例如p = 万( z ) + p7 ，p = 万( z ) + p ’和O = 面( z ) + o ，g 为重力加速度，，，2 郇／c V = 1 ·4 为P o i s s o n 指数 2 ) 地形遇随静力气压坐标( 欧拉质量坐标)采用L a p r i s e 的推导方法，方程的取地形追随静力气压垂直坐标，形式为：叩2 ( 见一P h r ) ／∥，( 2 ．2 ．1 ．4 )其中，∥2P h s —P h r ，以为气压的静力平衡分量，见s 和P h r 分别为地形表面和边界顶部的气压。
由于∥( x ，y ) 看视为模式区域内( x ，y ) 格点上的单位水平面积上气柱的质量，所以近似的通量形式的保守量则可写为：旷= ∥= ( U ，V ，r v ) ，Q = ／x O ，0 = ／t O ，( 2 ．2 ．1 ．5 )利用这些保守量，L a p r i s e 的方程组可写成如下的预报方程组形式：詈+ c V ·矿∽ ∥口塞+ 骞罢= 昂詈巾吼懈考+ _ 帅O po 矽一彤詈州州和卜眨2 小6 ，百0 0 + ( v ．册) ”：吒8 l、“l詈+ ( v 矿卜型+(矿．vo)∥Ot、7方程组要求满足静力平衡的诊断关系掣：一∥口 o r ／( 2 ．2 ．1 ．7 )和气体状杰方稃研究资料与方法f ／R @ 、7L p o ∥口／( 2 ．2 ．1 ．8 )Mr - ' 4 ，定义扰动量为相对静力平衡参考态的偏差，即p2 万( z ) + p7 ，矽= 矽( z ) + 矽’，口= 历( z ) + 讲，以及∥2 刀( z ) + ∥7 由于7 7 坐标的坐标面一般都不是水平的，因此参考状态量P ，妒，历通常是( x ，Y ，7 7 ) 的函数利用这些扰动量，在不做任何近似的情况下，去除掉静力平衡部分，则动量方程可写为：詈+ c V 础”∥口篆+ c 掣罢矽+ ∥篆+ 罢( 筹叫) = 昂詈+ c V 卅p ∥口等+ c 私予口’+ ∥芳+ 芳( 茜一∥’] 2E 。
2 2 剐百O W 加市％一g 降∥’卜同样，方程也可写为o ．矽- - ：一础，一o t k t ，．2 一∥口一 o r l( 3 ) 时间分裂积分方案W R F 中的时间分裂显式积分方案，是将与声波积分步长有关的小项放在方程组的等式左边，而等式右边则是积分步长相对较大的项，它们在小步长积分过程中认为是常量根据这一思想，由方程组( 2 ．2 ．1 ．2 ) 可得到地形追随高度坐标( 欧拉高度坐标) 下时间分裂的积分方程：等+ 芒：昂一v 巾∽U + 等钟叙“、7舐警+ 娑：形川( ∥V ) 一攀西却’、7乱_ O W “ + O ．p _ 2 “ + g p 一：品一v ．( 矿r ∥，) - 攀一g p ，r O tO ZO Z要冉( 刚) ：E 可( 矿r @ r )研、7”、7—O p —．+ V ．矿一：一v ．旷r 西研究资料与方法冥中，带两撇的。