城市边界层数值模式研究以及在香港地区复杂地形下的应用

由于城市表面复杂的下垫面的影响,使得城市边界层风温场结构较其他下垫面有很大不同.作者通过将城市中500 m网格内的各种地表类型,按照各自在网格中所占的百分比及各自的地表参数加权平均,得到此网格的平均的地表参数,以此准确反映下垫面的情况,建立分辨率为500 m的城市边界层能量平衡模式,将此城市边界层能量平衡模式嵌入动力学框架,并用中尺度模式MM5作为初始条件和边界条件,建立一个既考虑中尺度背景场又详细考虑城市下垫面复杂性与多样性的城市边界层模式系统.将模式系统运用于香港复杂地形下的边界层特点的模拟研究.通过与观测值的比较,模式能够较准确的模拟出海陆风、城市热岛等热力过程,及气流过山引起的绕流等动力过程,并且通过对边界层高度的模拟预测污染扩散的条件等.说明模式系统具有模拟在中尺度的背景场的控制下海陆风环流、过山堆积和绕流及城市热力影响的能力.     

北京边界层参数化敏感性模拟研究

利用中尺度数值天气预报模式WRF(Weather Research and Forecasting Model)模拟晴天条件下北京边界层的气象场特征,并通过敏感性试验研究四组边界层参数化方案(YSU、ACM2、MYJ和BL)对辐射、地表能量、近地面气象要素以及边界层结构的模拟差异。结果表明:四种边界层参数化方案都可以准确模拟向下短波辐射,对长波辐射的模拟能力相似。YSU方案模拟的感热通量最低,四种参数化方案对地表净辐射通量的模拟差异主要受到短波辐射的影响。MYJ方案模拟的2 m温度效果最好,YSU方案对2 m比湿以及10 m风速的模拟效果最优,综合而言,YSU方案对近地面气象要素的模拟效果较好。与探空数据对比,得到四种边界层参数化方案模拟的高层温度廓线偏冷,湿度偏高,风速偏低。与气象铁塔观测数据对比,白天四组试验都能够较为准确地反映温度垂直廓线,YSU方案在15 m以上模拟的相对湿度结果最接近观测值。YSU方案模拟的边界层高度最高,非局地方案模拟的边界层高度相对局地方案更高,MYJ方案模拟的边界层高度误差较大。     

城市化发展对气象要素的影响

为了探讨城市化对城市区域气象环境的影响程度，以辽宁中部城市群为试验区域，选取一个冬季的重污染过程，利用中尺度数值模式MM5进行了数值模拟研究。研究发现，MM5能够比较细致地反映出城市化对区域气象环境的影响。结果表明：城市化发展对于地表状况的影响使得近地面风速、比湿减小，温度升高，同时会导致逆温现象加剧，恶化局地气象条件。     

一种单层城市冠层模式的建立及数值试验研究

本文在引进先进的城市地表能量平衡方案 (Town Energy Balance, 简称TEB) 的基础上建立了一个单层城市冠层模式, 并对南京市典型居民区1 km2范围内的局地尺度地表能量平衡各分量进行离线模拟, 将模拟结果与同期观测值作了比对, 发现: TEB方案对城市地表能量平衡各分量的模拟效果良好, 而该方案的模拟性能受建筑物表面材料反照率取值的影响较大。在离线研究的基础上, 本文又将TEB方案成功耦合到南京大学区域边界层模式 (NJU－RBLM) 中, 作为该模式的地表能量平衡参数化方案之一, 分别选取该边界层模式中原有的地表能量平衡参数化方案SVAT (Soil－Vegetation－Atmosphere－Transfer model) 和新引入的TEB方案对冬夏两季不同个例进行模拟, 以常规近地面气温观测资料和Landsat卫星观测的地表反照率资料对模拟结果进行比较, 结果表明: TEB方案对原大气边界层模式的模拟效果有明显改善, 对近地面热力场的改善效果尤为明显, 可以很好地模拟出城市冠层中的“陷阱效应”。     

气象卫星与城市气象环境模拟研究

利用徐敏等人建立的具有广泛用途的区域边界层模式 (NJU RBLM) ,对北京城市区域的气象环境特征做了比较细致的模拟研究 ;然后 ,再利用NOAA AVHRR气象卫星遥感资料 ,采用修正的Ulivieri分裂窗方法反演得到北京城市区域地表温度场 ,将其结果与同样区域范围的数值模拟结果进行对比分析 ,以此进一步检验数值模式的模拟效果和卫星观测资料处理方案的可行性。分析表明 :采用NJU RBLM模拟得到的地面热力场分布及其变化总体趋势与晴空条件下的卫星反演结果基本一致 ,卫星反演的地表热力场分布和强度要较模式模拟的结果更为细致 ;两者都能较好地反映夜间的城市热岛效应和春夏秋季白天的弱冷岛现象 ,夜间的城市高温区以及由山区向城市平原地区风速渐小的辐合过渡带高温区都比较明显 ,午后城市地区温度略低于周边东南地区。     

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。     

城市化进程对北京区域气象场的影响模拟

城市化所导致的下垫面的改变会直接影响局地气象。根据北京城市测绘院提供的北京市楼房建筑平均高度资料,利用中尺度数值模式(MM5V3)模拟了城市化进程引起的气象效应,并与奥林匹克公园站等6个地面观测资料进行了比较。结果表明:MM5V3可以很好地模拟下垫面类型改变导致的气象效应,城市升温效果获得了较好的体现,风速模拟值减小,风向的模拟得到较明显的改善,气压和风速的统计偏差也明显减小。分析结果还揭示了稳定天气条件下北京地区气象场的模拟及实时预报必须考虑精细化的地形及下垫面状况。     

三维非静力二阶闭合PBL模式的初步研究

采用二阶距湍流闭合方案，建立了一个复杂地形下的三维非静力边界层预报模式。通过该模式，细致了模拟了北京地区的风、温时空变化和湍流场变化。结合地面、探空和气象塔的实测资料，进一步研究了该方案在三维空间上对平均场和湍流场的预报模拟效能。结果表明该模式能较好地进行平均量和湍流量的模拟和预报。     

北京海淀地区大气边界层的数值模拟研究

采用北京大学的三维复杂地形中尺度数值模式,利用Landsat-TM卫星影像图得到的地表状况计算陆气之间的能量平衡过程,模拟了北京海淀地区大气边界层的风、温场结构以及污染物浓度分布,进而模拟了由于汽车尾气的排放而转化成的气溶胶的浓度分布.模拟表明城郊之间存在热岛效应,边界层风场受到热岛的热力作用以及地形的动力作用影响.污染物及气溶胶浓度也存在城乡差别,最大浓度出现在城区的下风方向.     

城市热岛对局地风场影响的模拟观测

假定城市热岛为低层温度的边界条件,用一个三维原始方程模式模拟低层风场,如果对热岛进行平均,就略去了计算地表能量收支的困难,从而大大简化了模式。由于温度较精确,观测方法简易,此模式便更加令人满意。当空气接近较温暖的城市中心时,局地气流的垂直混合增强,导致城市上风的低层     

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。     

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.     

北京冬季城市边界层结构形成机制的初步数值研究

利用耦合了城市冠层参数化方案的MM5模式对2001年冬季北京地区一次典型的城市边界层过程进行成功模拟的基础上,对北京城市化作用、周边地形以及城市化进程发展对城市边界层结构的影响等问题进行了一系列的数值模拟试验。城市化作用的因子分离试验发现,城市化的总体作用即城市下垫面结构对大气热力及动力的综合影响导致了北京冬季城市边界层结构主要特征的形成。此外,揭示了城市结构的不同影响因子———动力因子、热力因子和热动力因子间的相互作用在北京冬季城市边界层结构形成和演变过程中的不同作用。在夜间,城市结构的动力因子对于城市边界层主要特征如市区悬浮逆温、近地层中小的风速及较强的湍流动能等的形成起着主导作用;在白天,城市结构的热力因子则成为影响市区混合层强度以及湍流运动特征等边界层结构的主导因素;热、动力因子间的相互作用对城市边界层结构的形成和演变也有着重要作用,但其影响特征比较复杂。北京周边地形作用的敏感性试验的结果表明,北京周边的特殊地形条件对城市边界层热力结构特征如悬浮逆温层及城市热岛等的结构及分布特征的形成也有着明显的影响,使其具有特殊的局地化特征,同时,它也是北京地区近地层主要气流特征的强迫源。不同城市化程度的敏感性试验结果揭示,随着北京城市建筑高度和密度的增加,市区风速将减小、湍流动能将加强,夜间城市悬浮逆温层底的高度会有所提高,城市热岛的强度也将加强,并可能在白天出现比较明显的城市热岛效应。     

Numerical Simulation of Wind and Temperature Fields over Beijing Area in Summer

1. IntroductionThe basic role of urban-rural boundary layer re-search is to study all kinds of physical process changesin the atmosphere boundary layer over urban and itssurrounding areas. Urban heat island (UHI) is a well-known feature of urban-rural climate. Attempts toincrease the understanding of the causes of the UHIand other urban-rural boundary layer phenomena haveused observational, theoretical and modelling methodssince long before. Seaman (1989) used a hydrostaticmodel, with real …     

北京及周边地区城市尺度热岛特征及其演变

采用北京及市郊地区共16个标准国家气候站的1961～2000年40年温度资料对北京及周边地区的城市尺度热岛特征及其演变进行了研究.研究表明北京城区与郊区温度是同位相升降,且郊区温度一直低于城区.其温差维持并同位向振荡,温度逐年升高,城区与郊区温差逐年增大,表明北京热岛效应一直稳定存在,而且北京的热岛效应在随时间加剧.以海淀为代表的北京城区大部热岛效应显著,门头沟、石景山、丰台、房山和通县等地是局地升温的显著区域.因此,北京具有城市、卫星城市"热岛"多中心的复杂特征.分析热岛效应增强的趋势表明世纪末的10年与80年代的10年相比,北京城区与郊区的热岛效应增强趋势显著.特别是以海淀为代表的北京城区大部,热岛效应进一步明显增强;北京的东南部的局地升温效应加剧,通县也是一个明显的升温区域,并有一个从河北省伸向北京东南部的"暖脊". 尺度滤波分析表明,北京城市热岛效应10年变化的增强区域与城市位置十分吻合.北京城市热岛效应还具有中尺度特征.以海淀为代表的北京城区大部是热岛的主要中心,主中心内还有几个更小的高中心嵌套其中,分别位于三环路以内的西部和北部.北京城郊热岛效应发展趋势仍是严峻的,须进一步努力进行北京及周边地区环境的改善.     

A NUMERICAL STUDY ON THE INFLUENCES OF URBAN PLANNING AND CONSTRUCTION ON THE SUMMER URBAN HEAT ISLAND IN THE METROPOLIS OF SHENZHEN

By means of the regional boundary layer model (RBLM), a study on the influences of the urban planning and construction on the summer urban heat island (UHI) in the metropolis of Shenzhen is performed. In the study, the current summer UHI distribution, the influences of the increasing high-density construction and the energy consumption on the summer air temperature distribution, and the influences of the urban ventilation corridor on the summer air temperature distribution are numerically analyzed. Some conclusions are drawn in the light of the study: (1) The summer UHI is more obvious in day time than that in night time in the summer of Shenzhen, and the maximum values of UHI intensity in the day time appear in the areas with high-density construction, which are located in Nanshan, Futian and Luohu and western Bao′an districts. (2) The increase of construction density and energy consumption in the urban area will lead to the increase of temperature near the ground, and the increase of temperature at nighttime is more obvious than that at daytime. (3) The ventilation corridor can effectively reduce the UHI intensity and can be taken as a method to eliminate the negative climatic effect caused by the increase of high-density construction and energy consumption in the future.     

北京交通环境污染诊断模拟初步研究

建立了能够用于评估大型城市交通环境污染与气象条件关系的数值模拟技术,即三维边界层光化学数值模式.其中,高分辨率的精细城市边界层气象场、细致的城市地理与环境参数、空气污染物输送扩散与大气化学模拟以及交通废气污染源的分布等诸多因子是实施模拟研究的几个重要环节.从模拟结果看出,各污染物在地面附近浓度相对高值区位于排放源附近和下风方.在边界层顶附近,污染物浓度分布较均匀,分布趋势和气流一致.虽然仅仅考虑了城区污染物本底浓度和主要交通干道机动车的排放,但交通排放对城区污染物浓度的贡献是较大的.     

上海城市热岛的变化特征

利用上海77个区域站2011—2014年逐时气温资料,运用城乡对比法分析了城市热岛(UHI)的时空变化特征。其次利用长三角20个国家站1961—2013年逐年平均气温资料,运用空间滤波法研究了上海城市化进程对城市热岛强度(I_UHI)的影响。结果表明:1961—2013年I_UHI整体上呈缓慢上升的趋势,I_UHI递增率达0.15~ 0.17 ℃/(10 a),年平均最大I_UHI达1.10~1.33 ℃,出现在2006年。上海城市化进程的加快有利于I_UHI的增大。21世纪以来I_UHI呈现减缓特征与全球气候变暖减缓的趋势一致。近年来,上海城区集中在外环以内,三个城市内部区域(内环区、中环至内环区、外环至中环区)I_UHI存在一致的日变化特征,但受到城区内部下垫面差异性影响,I_UHI呈现从内环区往外环依次递减的特征,并在夜间强热岛阶段最为明显。冬季I_UHI和I_UHI日变化均最大,秋季与之相当,春季次之,夏季最小。从I_UHI空间分布特征看,春夏季较为一致(即东部气温较低,西部气温较高,强热岛中心集中在西北部)、秋冬季较为一致(即东部气温较高,西部气温较低,强热岛中心稳定在城区附近),这可能与季风有关。      

A THEORETICAL STUDY ON THE URBAN HEAT ISLAND EFFECT

The atmospheric thermodynamic equations are solved analytically to study the urban circulation caused by city heating.The perturbed flow and temperature fields are obtained and compared with observational facts from some urban boundary experiments.The agreement between the theoretical and observational results shows that this study may shed light on the physical characteristics of heat island circulation.