城市水文过程对气象环境影响的模拟分析

采用引入城市水文过程的WRF/SLUCM方案,以北京2010年7月4—6日高温热浪天气为背景,模拟了绿地灌溉、绿洲效应和人为潜热等水文过程对城市气象环境的影响。结果表明:(1)绿地灌溉、绿洲效应和人为潜热等水文过程可导致北京城区13 ∶00(7月4—6日小时平均,下同)潜热通量升高最多约100 W·m^-2 ,02 ∶00升高最多约15 W·m^-2;感热通量13 ∶00降低最多约80 W·m ^-2;02 ∶00降低最多约5 W·m^-2 。(2)城市水文过程可导致城区13 ∶00相对湿度增加最多约4%,02 ∶00约6%;地表气温13 ∶00降低最多约1.2 ℃,02 ∶00约0.4 ℃。(3)城市水文过程对北京城市热岛强度的减弱效果白天明显好于夜间,且在10 ∶00—14 ∶00出现了强度约0.8 ℃的冷岛效应。(4)水文过程会导致北京城区500 m高度以下白天大气温度最多降低0.5 ℃,相对湿度最多增加3%,但夜间影响较小。由于热对流运动的减弱,城区边界层高度降低约200 m;城区1 km高度以上水平风速增大,低层风速减小。     

中国典型城市臭氧变化特征及其与气象条件的关系

利用不同气候背景代表城市北京、沈阳、银川、成都、南京和广州6个城市2014-2016年臭氧质量浓度和同期气象要素数据,对典型城市臭氧(O_3)浓度变化特征及其与气象条件的关系进行研究。结果表明:2014-2016年臭氧年平均浓度由高到低的顺序为南京沈阳北京银川成都广州,3年间广州臭氧浓度呈下降趋势,沈阳变化不大,其他城市总体呈上升趋势,其中,银川增幅最大,北京增幅最小;臭氧浓度月变化特征受纬度影响较大,随纬度增高单峰结构越明显,且各月郊区臭氧普遍高于市区;各城市臭氧日最大值出现在15:00(北京时,下同)-16:00,最小值出现在07:00-08:00,但其峰值、谷值及日变幅有明显差异,广州全天郊区臭氧都显著高于市区,其他城市则不同,11:00-17:00间两者差别较小,成都、南京、银川郊区峰值浓度甚至略低于市区,其余时段郊区高于市区;6个城市影响臭氧变化最主要的气象要素均是气温和日照时数,其次是相对湿度,再次是风速,气温高、日照长、湿度低有利于臭氧生成,相对而言,对于日照时间较长的北京、银川和沈阳,臭氧对气温的变化较其他城市更敏感,且与风速呈弱的正相关,而对于气温、湿度较高的广州、南京和成都,臭氧与日照时数和相对湿度的相关性较其他3个城市强,且与风速呈弱的负相关;城区臭氧与气象要素相关性普遍较郊区好。     

秋季南疆沙漠塔中边界层O_3浓度及影响因子分析

利用2008年10月11～17日的系留气艇探空资料,分析了塔中边界层O3浓度的变化特征及其与气象因子的关系。结果表明:塔中秋季边界层O3浓度均值为48.7×10-9。在边界层内中午O3浓度随高度升高几乎没有变化;深夜和清晨O3浓度从地面随高度的升高逐渐增大;傍晚O3浓度最大,随高度的升高缓慢减少,达到一定高度后变化均很小。O3浓度随高度变化明显,从1m到700m高度的O3浓度变化分为不稳定型、过渡型和稳定型。根据廓线变化方式分为深夜清晨型、中午型、傍晚型。分析表明,秋季O3浓度与温度、相对湿度、比湿、风速有关。在深夜和清晨出现逆温层,在逆温层内O3浓度较低。O3浓度与相对湿度呈负相关,02:00和08:00的相关性最显著。在深夜和清晨比湿与O3浓度基本上是呈反相的关系。O3浓度与风速的相关性除了深夜相对较高外(R=0.699,n=33,p0.001),其余时间均不太明显。     

南京市冬季市区和郊区晴天大气边界层结构对比分析

应用２００８年１２月２４—３１日南京市区和郊区同步大气边界层观测资料,对晴天大气边界层结构进行对比分析．结果表明：南京地区冬季晴天,市区近地面层气温高于江北郊区近地面层的气温,市区热岛效应明显,且热岛强度夜间大于白天;市区逆温出现的时间滞后于郊区,逆温层高度也大于郊区．夜间,市、郊区风速随高度不断增大,并在一定的高度出现一个８ｍ／ｓ的极值中心．市区空气相对干燥．通过典型日分析,市区１４：００干岛效应显著,相同高度上相对湿度一直低于郊区．在市、郊区近地面层中,愈近地面风速愈小;近地面层中白天风速最大,夜间最小;白天,大气层不 稳定,湍流混合作用强,上下层风速的差别趋于减小．市区风速在低层受建筑物影响,相同高度上小于郊区风速．     

一次PM2.5化学污染过程的实况及气象要素影响分析

在收集NARR资料、ARB资料、Caltech站观测数据3类气象资料的基础上,对一次化学污染过程中PM2.5站点分布和时间演变特征进行分析,同时按照地理位置分布将13个观测站点分类,分析气象要素场对PM25区域分布形成和扩散的影响,并找出PM25与气象要素演变的相关性.结果表明:各类观测站的PM2.5浓度值主要以“单峰型”日变化特征为主,其中以城区站的特征最为显著,通常在早上09:00左右达到峰值,平均峰值质量浓度为56.6 μg/m3,而在下午18:00左右为谷值,平均谷值质量浓度为18 μ/一m3,风场、行星边界层高度、地面温度场和湿度场在PM2.5平均的峰值、谷值时段有明显差别;排放源和气象场的日变化规律是决定城区站PM2.5峰谷时段的主要因素;城区站、郊区站地面PM2.5质量浓度值与风速、行星边界层高度、地面温度呈现明显的负相关,与地面气压、相对湿度呈明显的正相关;山区站PM2.5质量浓度值与温度呈弱负相关、与相对湿度呈正相关,其它气象要素相关不明显.     

土地扩张对城市边界层风热环境影响的模拟研究——以沈阳市为例

利用WRF模式中的UCM+AH城市冠层方案,以2005年8月两个晴天为天气背景,对比研究了1993年与2005年不同下垫面情况下,沈阳市城市扩张对近地层风热环境及边界层的影响。结果表明:UCM+AH方案能够较合理准确地模拟出城市范围的2 m气温与10 m风速的日变化特征,且对2 m气温的模拟效果要优于10 m风速;模拟2 m气温的日较差偏大,模拟10 m风速系统性偏高0.5—1.0 m·s-1;城市土地扩张后,城区普遍增温,且夜间增温幅度较大,扩建城区夜间最大增温能达到7℃,老城区在夜间增温幅度最大可达3℃,上风向增温幅度较大;城区日间增温不明显,在0—1℃;城市土地扩张后,老城区风速普遍减小,但减小值1 m·s-1;扩建城区风速减小近1 m·s-1,城区内可能出现的高温辐合中心对周围近地层风速有加速作用;城市扩张对边界层最显著的影响体现在午后,城区的扩张增大了湍流动能的影响范围,湍流动能在数值上增加0.2—0.3 m2·s-2;扩建城区上空的边界层高度在14时抬升100—200 m,且下风向边界层内部的局地环流与垂直上升运动增强。     

温江站有无降水日的边界层特征对比分析

本文基于2016年6月21日~7月31日温江站边界层塔和加密探空观测获取的资料，对比分析了该站有雨日和无雨日的边界层大气特征，得到以下结论：1、温江站7月的降水量较多，降水时段以凌晨2:00~6:00居多，呈现典型的“夜雨”特征。2、边界层内大气各个气象要素场在有无降水日具有非常明显的差异，探空观测的低层大气表现为：无雨日白天边界层呈现典型的混合边界层特征。有雨日边界层大气温度总是小于无雨日，在极大值出现的午后时段二者的差值最大。有雨日近地层大气比湿在8:00、14:00和20:00三个时次都明显高于无有雨日，比湿日变化幅度低于无雨日。温江站边界层低层大气的风速总体较小，有雨日的风速明显大于无雨日。3、边界层塔观测显示：有雨日太阳短波辐射以及各个地表通量的极大值仅为无雨日的2/3左右。白天，有雨日的温度低于无雨日，日变化幅度比无雨日低3oC左右；夜间二者都呈现显著的逆温现象。有雨日白天比湿高于无雨日，夜间则低于无雨日，有无雨日比湿日变化幅度比无雨日少2g/kg；白天，有雨日风速日变幅也略小于无雨日，除了午后时段有雨日在凌晨2:00时还出现另外一个风速极大值点；有雨日的气压值总是略高于无雨日，白天的气压差值比夜间大。白天，有雨日各个地面观测量的极值出现时间总是略晚于无雨日1h左右。     

MM5和WRF对中国东部地区冬季边界层模拟效果比较

应用MM5和WRF模式对2006年和2007年12月中国东部地区边界层气象要素进行了逐日模拟,利用地面常规观测资料及南京和安庆逐日探空资料对两个模式模拟的地面及边界层内气象要素进行了客观评估与比较。结果表明:MM5和WRF模式模拟的地面温度和相对湿度均较理想,风速效果略差;两个模式模拟的温、湿、风效果均是白天优于夜间;根据观测与模拟的相关性,对温度的模拟效果东部优于西部,相对湿度的模拟效果由东南向西北变差,风速模拟效果平原优于丘陵和山区。总体上,WRF模式对地面温度和湿度的模拟效果均优于MM5模式。以南京、安庆两站为例的边界层内气象要素模拟效果评估结果表明:MM5和WRF模式模拟的150 m以上边界层内温、风、湿廓线均较可信,150 m以下的效果略差,20:00比08:00(北京时)模拟效果好;总体上,WRF模式对温度和湿度的模拟效果较好,而MM5模式对风速模拟效果稍好;两个模式均能再现近地层逆温,都有高估逆温频率的倾向。     

太原城市下垫面扩张对边界层特征影响的个例研究

通过高分辨率卫星夜间灯光数据获取最新的城市地表分布,并利用高分辨率数值模式对2013年8月14~16日太原区域的一次高温过程进行研究,探讨城市下垫面扩张对大气边界层的影响。结果表明：基于DMSP/OLS夜间灯光数据对模式中地表参数修正后,能够更准确地反映太原主城区和高速公路沿线小规模建筑群的扩张,有效改善了模式的预报性能,显著提高对近地面气温、地表温度的预报能力。城市下垫面的扩张,使城区夜间升温明显,热岛强度增强。与1992年的城市化状况相比,晴空天气条件下,2012年太原城区夜间气温上升5℃,热岛强度升高2~3℃。城市下垫面扩张,改变了地表能量分配关系,使得地表感热传输明显加强,潜热通量明显减弱,城市冠层作用下的储热能力增强。边界层内部湍流交换、水汽输送等的进一步研究表明：城市地表水汽输送减弱,边界层水汽含量减少,2~4 km高度的水汽含量增加,湍流动能的影响高度增高,湍流混合加剧;14：00,城区边界层高度抬高了800 m,城市上空混合层加深,持续时间更长。     

中国西北地区大气边界层高度变化特征——基于探空资料与ERA-Interim再分析资料

利用中国西北地区2015年9月至2016年8月38个站点L波段探空观测、2016年7月加密探空观测和ERA-Interim边界层高度资料,对比分析了西北地区大气边界层高度变化特征。观测资料表明,在中国西北地区,08:00(北京时,下同)冬季边界层高度最高; 20:00春季边界层高度最高,边界层高度从西部到东部有显著降低的趋势。ERA-Interim资料基本能表现出边界层高度的区域分布,但相对于探空观测得到的边界层高度,除夏季20:00外,ERA-Interim再分析资料边界层高度均偏低。全年平均而言,08:00(20:00)偏低160 m(170 m),其中在08:00(20:00),冬季(春季)偏低最显著。08:00边界层高度与低层稳定度、近地层温度和风速相关更加显著; 20:00边界层高度与低层稳定度和相对湿度相关更加显著。2016年7月加密观测资料对比表明,ERA-Interim资料的对流(中性)边界层高度显著偏高;低层稳定度、相对湿度偏小,风速偏大可能是造成边界层高度偏高的原因; ERA-Interim资料的稳定边界层高度偏低,与低层稳定度和近地层温度偏低相关,但其影响因素相对更加复杂。