MM5模式中城市冠层参数化方案的设计及其数值试验

文中在综合国外一些较先进的中尺度模式城市作用参数化方案的基础上 ,从城市下垫面结构对城市边界层大气作用的物理机制及实际应用两方面出发 ,对城市下垫面结构和人为活动等因素对边界层结构的影响及中尺度模式中城市化作用的合理体现等问题进行了较全面的考虑 ,改进和设计出能够较全面、细致地描述城市结构对大气边界层动力、热力结构的影响 ,且适合中尺度模式结构特点的城市冠层参数化方案 (UCP) ,并实现了其与MM5模式的耦合。进行了耦合后的UCP方案及采用原城市作用方案的MM5模式对BECAPEX试验期间北京地区气象条件多重嵌套细尺度进行了模拟试验 ,并与观测结果对比 ,结果表明 :相比于MM 5模式中原有表示城市作用的参数化方案来讲 ,设计的UCP方案在很大程度上提高了MM 5模式对城市边界层热力和动力结构的模拟能力。     

建筑群对城市冠层动力、热力效应的数值试验研究

利用中尺度模式MM5,分别耦合传统的边界层参数化方案和城市冠层参数化方案,模拟了2001年冬季北京冠层大气的动力、热力特征,并和观测资料进行了对比分析.分析结果表明,城市冠层参数化方案更能细致描述建筑群对城市冠层大气的动力、热力作用.由于建筑群的动力、热力作用,使北京城区的温度升高,风速减小,湍流动能增强,形成了明显的增温区、阻风区和湍能增强区,中心均位于城区高大建筑群附近,并向郊区递减.     

成都市精细化数值模式研究及试验

本文在引入成都市精细化下垫面资料后将Grapes与城市冠层方案相耦合,并在此基础上进行数值试验。初步试验结果表明：该耦合模式能基本表现城市冠层的特征的作用,即能够较好地模拟出城市热岛效应。城市冠层参数化方案及精细化下垫面资料的引入能够影响陆气之间的相互作用,改变大气的能量平衡,致使向上长波辐射增强,感热通量增加,潜热通量减少。城市化效应白天对边界层大气的增温作用还会影响低层大气的层结结构,使之在午后产生弱的上升运动。     

成都市精细化数值模式研究及试验

本文在引入成都市精细化下垫面资料后将G rapes与城市冠层方案相耦合,并在此基础上进行数值试验。初步试验结果表明:该耦合模式能基本表现城市冠层的特征的作用,即能够较好地模拟出城市热岛效应。城市冠层参数化方案及精细化下垫面资料的引入能够影响陆气之间的相互作用,改变大气的能量平衡,致使向上长波辐射增强,感热通量增加,潜热通量减少。城市化效应白天对边界层大气的增温作用还会影响低层大气的层结结构,使之在午后产生弱的上升运动。     

南京复杂下垫面条件下的三维城市热环境模拟

运用WRF模式,选取考虑城市冠层结构(UCM算例)及不考虑城市冠层(NOUCM算例)两种城市下垫面参数化方案,对南京2010年夏季晴天小风典型天气条件下的城市热环境以及不同下垫面的边界层特征进行了模拟研究。结果表明:1)UCM方案模拟结果与实际情况较为吻合。其中2 m气温的模拟有较大的改进,模拟结果明显高于NOUCM方案,与观测更为吻合,同时更好地模拟出了冠层建筑物对于近地层风速的拖曳,10 m风速的模拟有非常明显地提高。2)UCM方案较好地模拟出了城市的三维热岛分布。由于建筑物地表对辐射的截留,白天14时(北京时间,下同)热岛较强,地面2 m高度处热岛范围较大,热岛面积大约为120 km2,强度为2℃。同时建筑物的存在使得城市湍流动能更大,向上的垂直扩散增加,距地面20 m时,依然能看出明显的热岛效应,热岛强度为1.5℃。距地面55 m处,UCM模拟所得的热岛范围缩小,热岛强度为1.1℃。UCM模拟所得的白天地表热量的扩散影响可达143 m,02:00 2 m处热岛最强为2℃,热岛影响也可达70 m以上。3)不同下垫面呈现出了不同的边界层特征,城市冠层结构对周边下垫面边界层结构存在程度不等的影响,14:00城市区域的湍流混合更强,城市边界层高度升高100 m左右,02:00,城市冠层结构的存在,导致近郊庄稼下垫面及紫金山植被下垫面的稳定逆温层结明显减弱。     

城市效应对登陆热带气旋妮妲降水影响的模拟

运用中尺度数值模式WRF耦合城市冠层模式（urban canopy model,UCM）,对2016年登陆深圳的热带气旋妮妲（1604）（以下简称妮妲）进行数值模拟。高分辨率数值模拟较好地再现了妮妲登陆前后的强度、路径和累积降水。利用城市化过程当中城市冠层对热带气旋降水的敏感性试验结果表明:城市冠层会减弱对流运动和水汽的输送,导致热带气旋登陆后珠江口城市群区域累积降水量略减少。应用最新的土地利用资料进行的城市下垫面敏感性试验结果表明:由于城市下垫面粗糙度增加,造成登陆地面风的减速,强度减弱,潜热通量与2 m高度比湿相应减小;城市下垫面粗糙度增加会加强该区域垂直对流运动以及不稳定能量增加,有利于降水增强,尤其在城市化下垫面处,热带气旋登陆后6 h累积降水增加量最大可超过20 mm。总体而言,对登陆热带气旋降水而言,耦合城市冠层使城市区域热带气旋降水减少,但在数值模拟中城市冠层影响作用不显著。城市化下垫面对登陆热带气旋暴雨的增幅作用明显,在登陆热带气旋降水预报中应重视。     

复杂地形条件下城市热岛及局地环流特征的数值模拟

应用基于多层城市冠层方案BEP(Building Environment Parameterization)增加室内空调系统影响的建筑物能量模式BEM(Building Energy Model)方案的WRF模式,模拟研究重庆热岛的特征、成因以及局地环流对热岛形成的影响。文中共有两个算例,一为重庆真实下垫面算例,称之为URBAN算例,二为将城市下垫面替换为耕地下垫面的对比算例,称之为NOURBAN算例。结果表明:1)WRF方案模拟结果与观测2 m气温的对比吻合较好,误差主要出现在正午温度峰值和凌晨温度谷值处,由城市下垫面特性及城市内建筑分布误差引起。2)BEP+BEM方案较好地模拟出了重庆地区的热岛分布的空间和时间特征。重庆市温度的分布受地形和城市下垫面的双重影响,越靠近城区,温度的分布受城市化影响就越大,在海拔低处,温度就越高。3)城区立体三维表面对辐射的陷阱作用导致城市表面总体反射率小,向上短波辐射小于郊区约20 W/m~2。城市表面以感热排放为主,而郊区则表现为潜热的作用占主导。夜间城市地表储热以及空调废热向大气释放,是城市热岛形成的重要原因。4)模拟区域背景风场主要为东南风,局地环流呈现出越靠近山区风速越大、城市区域风速较小的特性,体现了城市密集的建筑群对低层大气流场的空气动力学效应,以及复杂山谷地形的山谷风环流特性。在市区的西侧和东南侧均有高大山脉阻挡,山脉对城市出流的阻碍作用、气流越山与绕流运动对城市热岛的形成有一定影响。     

多层城市冠层模式的建立及数值试验研究

为在城市气象数值模拟中更好地体现由城市发展引起的下垫面土地利用改变及人为活动对大气过程的影响,建立了基于建筑物三维分布的多层城市冠层模式,冠层内动力方程组考虑了建筑物冠层拖曳力的作用及雷诺应力的影响,通过引入建筑物宽度、间距以及垂直分布密度指数等建筑物形态特征参数,以更好地体现城市复杂地表对大气温度、湿度及动量方程的影响.同时,该模式分屋顶、4个侧壤及地面分别考虑辐射及能量平衡求解表面温度,计算各表面与大气的通量交换,并考虑辐射阴影效应、冠层内部各个面之间的可视因子、以及与冠层内建筑物密度指数、可视因子等相关的多重反射辐射导致的辐射截陷作用.模式的离线检验结果表明:(1)冠层模式计算风廓线与风洞实验测量数据吻合良好;(2)离线冠层模式能够模拟实际小区的风速、温度垂直廓线,并能够较好地体现小区内气温日变化.冠层模式与区域边界层模式耦合检验结果表明:(1)耦合模拟的近地面(2 m处)气温及地表温度的结果明显优于传统的水泥平板方案,尤其是在夜间,水泥平板方案与实测气温最大偏差4 K左右,耦合模拟方案为1-2 K;(2)耦合模拟方案考虑了建筑物对冠层之上的拖曳力影响以及建筑物形态结构对雷诺应力的影响,风速(10 m处)计算结果与观测值相差约在1 m/s,水泥平板方案偏差3 m/s左右.     

不同下垫面数据和城市冠层参数化方案对江苏气温影响的个例分析

利用中尺度数值模式WRF,分别选用新旧两种下垫面资料和不同城市冠层模型设计试验,以江苏一次秋末高温天气个例(2014年11月20—21日)为背景,研究城市化进程对气温的影响和可能机制。将模式结果与江苏国家气象观测站和地面加密区域自动站观测资料进行对比,并分析3组试验结果发现:(1)采用BEP城市方案对2 m气温、2 m相对湿度和10 m风速等物理量的日变化模拟最优。(2)相比USGS数据,MODIS较新地表覆盖变化数据能更真实反映研究区域当前地表类型分布情况,且能提高近地面风温湿要素空间分布的模拟。(3)分析不同试验模拟的地表能量平衡过程差异,发现相比UCM单层城市冠层方案,BEP多层城市冠层方案在白天能更好模拟出城市地区的温度升高以及相对应的地表感热通量和地面热通量的增加。     

城市冠层上下大气湍流特征分析

利用兰州市榆中县城市冠层架设的3台涡动相关仪(EC)观测大气湍流资料,分析了城市冠层上下不同下垫面湍流通量和不同风向范围内湍流动能变化特征,之后对城市冠层上下3台EC观测湍流动能最小、最大分布方向上分别对应的最小最大湍流动能的风速谱进行了研究,进一步检验了局地相似理论在城市冠层上下的适用性。结果表明:(1)城市冠层之上水泥、砖石等构成下垫面和城市冠层之内草坪下垫面观测感热通量、摩擦速度较为接近,观测潜热通量、CO2通量在白天差异明显。(2)城市冠层之上的湍流动能总体上大于冠层之内,冠层之上气流来向的上风向较为开阔时湍流动能较大,而冠层之内气流来向的上风向为街道口时湍流动能较大。(3)城市冠层之上的湍涡尺度大于冠层之内,城市冠层小尺度湍涡风速谱在惯性副区基本符合-2/3次方关系,且准各向同性,大尺度湍涡风速谱在惯性副区不符合-2/3次方关系,且各向异性。(4)不稳定层结下,城市冠层上下无量纲速度方差与稳定度基本满足1/3次方局地相似关系,稳定层结下不满足;城市冠层上下无量纲温度、湿度、CO2浓度方差在所有层结下均不满足-1/3次方局地相似关系。(5)近中性层结下,城市冠层上下u、v、w方向无量纲速度方差分别为3.52,3.03,1.49和2.62,2.22,1.50。     

THE STUDY OF URBAN CANOPY PARAMETERIZATION SCHEME FOR MM5*

Based on some advanced urban parameterization schemes for mesoscale model,a new urban canopy parameterization (UCP) for MM5 is developed.The UCP takes into account the impacts of urban infrastructure and anthropogenic activity on the dynamic,thermal structures of urban surface layer and the urban surface energy budget in a more rational way according to conformation of MMS.The UCP is implemented in MM5 and validated by IOP data in 2001 winter BECAPEX and automatic meteorological station data in Beijing area.The results illustrate that UCP versus traditional urban parameterization in MM5,it can make MM5 reproduce main characteristics of winter UBL in Beijing,which include urban heat island and its diurnal evolvement,nocturnal elavated inversion in downtown area,and some dynamic stuctures such as TKE peak at the top of urban canopy,lower wind speed in urban surface layer and so on.     

Development of a Multi-Layer Urban Canopy Model for the Analysis of Energy Consumption in a Big City: Structure of the Urban Canopy Model and its Basic Performance

A multilayer one-dimensional canopy model was developed to analyze the relationship between urban warming and the increase in energy consumption in a big city. The canopy model, which consists of one-dimensional diffusion equations with a drag force, has three major parameters: building width, distance between buildings, and vertical floor density distribution, which is the distribution of a ratio of the number of the buildings that are taller than some level to all the buildings in the area under consideration. In addition, a simplified radiative process in the canopy is introduced. Both the drag force of the buildings and the radiative process depend on the floor density distribution. The thermal characteristics of an urban canopy including the effects of anthropogenic heat are very complicated. Therefore, the focus of this research is mainly on the basic performance of an urban canopy without anthropogenic heat. First, the basic thermal characteristics of the urban canopy alone were investigated. The canopy model was then connected with a three-dimensional mesoscale meteorological model, and on-line calculations were performed for 10 and 11 August, 2002 in Tokyo, Japan. The temperature near the ground surface at the bottom of the canopy was considerably improved by the calculation with the canopy model. However, a small difference remained between the calculation and the observation for minimum temperature. Deceleration of the wind was well reproduced for the velocity at the top of the building by the calculation with the canopy model, in which the floor density distribution was considered.     

北京地区夏季边界层结构日变化的高分辨模拟对比

使用WRF中尺度数值模式, 分别选用两种不同的边界层参数化方案 (MYJ, YSU) 和3种陆面参数化方案 (SLAB, Noah, RUC), 对2004年7月1日08:00—7月4日20:00 (北京时) 北京地区夏季边界层结构进行1 km的高分辨模拟。对比分析了近地面层风场、温度场以及边界层的日变化特征, 结果发现:WRF模式基本模拟出了北京夏季边界层的日变化特征; 在边界层方案中, MYJ方案描述的边界层结构较YSU方案合理; Noah陆面模式较好地反映了城市的热岛效应; 无降水时, 风速及边界层高度对于陆面过程不敏感, 而降水发生后, 陆面过程对于边界层结构的影响增大; 各方案模拟的城区风速明显偏大, 这是因为没有充分考虑城市建筑物的阻力作用。     

Numerical Study of Winter Urban Boundary Layer Structure over Beijing Area

1. Introduction The urban canopy layer (UCL) (Roth, 2000) is defined as a layer in the vertical structure of urban boundary layer (UBL) ranging from the surface to the top of buildings. The urban infrastructures within UCL, such as buildings with different heights, the het- erogeneity of urban land cover and the anthropogenic activity, all directly influence the thermal and dynam- ical structures of atmosphere and net radiation budget at the surface, meanwhile, affect the structure of ur- …     

陆面过程模式CoLM和NCAR_CLM3.0对中国典型森林生态系统陆气相互作用的模拟 II.不同参数化方案对模拟结果的影响

本研究针对CoLM、CLM3.0模拟结果的差异,就二者采用的不同参数化方案进行了比较分析,认为导致模式模拟结果差异的主要原因在于二者对植被覆盖度、冠层水、热、辐射传输以及光合作用和气孔导度等物理过程的处理有所不同,而CoLM模式对这些过程的处理更吻合实际.将CoLM的相关方案移植到CLM3.0进行的一系列数值试验表明,新方案的引入能够明显改善CLM3.0的模拟效果.此外,两个模式还存在一些共性的问题,例如不同的优化与叶面和冠层空气潜热传导率以及与土壤水文等过程有关的参数化方案,可能是导致模式结果在某些情况下存在偏差的主要原因.     

Building morphological characteristics and their effect on the wind in Beijing

An urban boundary layer model (UBLM) is improved by incorporating the effect of buildings with a sectional drag coefficient and a height-distributed canopy drag length scale. The improved UBLM is applied to simulate the wind fields over three typical urban blocks over the Beijing area with different height-to-width ratios. For comparisons, the wind fields over the same blocks are simulated by an urban sub-domain scale model resolving the buildings explicitly. The wind fields simulated from the two different methods are in good agreement. Then, two-dimensional building morphological characteristics and urban canopy parameters for Beijing are derived from detailed building height data. Finally, experiements are conducted to investigate the effect of buildings on the wind field in Beijing using the improved UBLM.     

Mean Winds Through an Inhomogeneous Urban Canopy

The mean flow within inhomogeneous urban areas is investigated using an urban canopy model. The urban canopy model provides a conceptual and computational tool for representing urban areas in a way suitable for parameterisation within numerical weather prediction and urban air quality models. Average aerodynamic properties of groups of buildings on a neighbourhood scale can be obtained in terms of the geometry and layout of the buildings. These canopy parameters then determine the spatially averaged mean wind speeds within the canopy as a whole. Using morphological data for real cities, computations are performed for representative sections of cities. Simulations are performed to study transitions between different urban neighbourhoods, such as residential areas and city centres. Such transitions are accompanied by changes in mean building density and building height. These are considered first in isolation, then in combination, and the generic effects of each type of change are identified. The simulation of winds through a selection of downtown Los Angeles is considered as an example. An increase in canopy density is usually associated with a decrease in the mean wind speed. The largest difference between mean winds in canopies of different densities occurs near ground level. Winds generally decrease upon encountering a taller canopy of the same density, but this effect may be reversed very near the ground, with possible speed-ups if the canopy is especially tall. In the vicinity of a transition there is an overshoot in the mean wind speed in the bottom part of the canopy. Mechanisms for these effects are discussed.     

成都精细下垫面信息对城市气象影响的模拟试验

为了提高成都市精细化天气预报水平,使用成都地区精细下垫面土地利用资料,在WRF中耦合了单层城市冠层模式,对2008年7月6 日晴空背景下的成都城市气象特征进行了模拟,并和使用旧土地利用资料、slab模式的模拟结果进行了对比分析.模拟结果表明城区因为不透水下垫面的增加,使得地表蒸发和地表水汽通量显著减小,潜热通量减小,感...