人为热源和城市绿化对冬季山谷城市边界层结构影响的数值模拟

为了探讨人为热源和城市绿化对城市边界层的影响,本文在RAMS模式中引入周期性日变化的人为热源和人工改变下垫面状况,初步模拟分析了人为热源和城市绿化对城市边界层结构的影响.结果表明:人为热源具有明显的增温效应,增强了城市的湍流交换,白天增加了大气不稳定度,促进了混合层的发展,夜间降低了大气稳定度,减弱了城市夜间逆温.城市绿化减小了地表反照率,增加了到达地面的净辐射,模拟期间土壤冻结,增加的净辐射其中一部分以感热的形式来加热大气;绿化后地气之间的湍流交换增强,增加了大气不稳定度,减弱了白天高空逆温;本文还讨论了不同绿化布局对白天高空逆温的影响以及人为热源和城市绿化之间的非线性相互作用.     

人为热对城市边界层结构影响研究

为研究不同人为热源引入方案对城市边界层结构模拟性能的影响，以杭州地区为例，在区域边界层模式（RBLM）中引入一种新人为热源处理方案，即对城市中的人为热排放分层考虑，将低层的人为热源加入地表能量平衡方程，将高层人为热源分布与建筑物高度和密度联系起来，加入热量方程中，同时考虑了人为热源强度的日变化。数值试验结果表明，这是一种比较合理的处理方案。人为热源引入方案对城市边界层结构的影响表现在:气温、湍流动能增加，并通过湍流交换输送到较高层大气；大气不稳定度增加，混合层高度最高抬升了400 m；城市地区上升速度增加，热岛环流加强；白天人为热源一般为太阳辐射的10%～20%，对地气交换的影响较小。夜间没有了太阳辐射能量，对地气交换的影响比日间更明显；冬季低层湍流活动加强，湍能约增加40%，大气层结稳定度降低。     

北京城市边界层热岛的日变化周期模拟

用非静力平衡的中尺度模式MM5来模拟北京冬季的热岛。模式采用三重嵌套网格，最高水平分辨率为3 km。在模式中加入分辨率为200 m×200 m的实测北京建筑物高度和地表利用资料，并将下垫面的城市人为热源分为常数部分和日周期变化部分。数值模拟结果显示:MM5模式对这次北京的热岛及热岛环流具有较好的模拟能力。考虑了日周期变化的人为热源作用的数值试验模拟出的热岛的日变化比将热源单纯考虑为常数与实况更接近，这表明加入与实际情况相符的人为热对模拟有改善。     

应用城市地表能量平衡方案研究城市冠层结构对城市热岛的热力影响

用南京大学区域边界层模式NJU-RBLM, 通过对一组理想试验的模拟, 研究了TEB方案 (town energy balance) 和SVAT方案 (soil－vegetation－atmosphere transfer) 模拟城市热岛现象的差异及本质原因, 发现TEB方案对城市热岛 (UHI) 尤其是夜间UHI模拟效果更优, 这是由于TEB方案具备较强模拟城市储热项的能力形成的。此外, 深入探讨UHI对大气边界层热力结构的影响, 发现UHI现象使城市和郊区的近地层位温廓线在清晨和傍晚都存在明显差异, 同时使城市区域气温全天高于郊区, 且日间城乡温差能达到的高度明显高于夜间。分析人为热源和建筑物冠层对UHI的影响时发现: 人为热源对UHI的影响在夜间强于白天, 而建筑物对白天城市湍能的影响强于人为热源的作用。     

城市化及人为热对西安市气象要素影响差异敏感性分析

利用西安市工业和生活能源消耗量、汽车保有量、主干道车流量等数据,对工业、交通和生活3种人为热排放量进行综合估算,利用耦合到WRF模式中的单层城市冠层模式(WRF/UCM),采用修订的西安人为热日逐时变化参数,对城市化及人为热的影响进行敏感性分析。结果表明:(1)采取修订后的人为热源参数,耦合城市冠层的模式系统更能详细刻画出降水分布的局地性差异,人为热源对城市温度分布及强度的模拟效果有一定的改进作用,对城市地面流场、降水分布及强度有一定的影响,模拟结果更接近实况;(2)城市冠层对长波辐射有一定的截获作用,在增加人为热源的影响下,城市地表吸收的长波辐射增多更为明显,加强了地表对边界层大气向上的感热输送;(3)人为热源对增加边界层高度的作用较为明显,平均在50~100 m;耦合城市冠层和人为热源后,在城市下风方向,垂直速度增大,局地垂直环流逐渐加强,对流系统水平尺度更小;在城市下垫面和人为热源共同影响下,大气的垂直结构发生了变化,从而造成城区不同部位降水强度的差异。     

人为热源对城市热岛效应影响的数值模拟试验

利用耦合了单层城市冠层模型UCM的中尺度模式WRF,研究了人为热源对上海区域城市气候的影响。冬季地表温度的模拟结果表明,使用新陆面资料的试验效果要好于使用旧的陆面资料,加入人为热源的试验效果要优于没有加入人为热源的试验,这些反映了热岛效应是不断增加的城市面积和人为热源共同决定的。不同试验模拟的2 m高度上气温的模拟情况时,使用新陆面资料并且加入合理人为热源的试验模拟值明显大于其他试验的模拟值。     

厦门城市能见度和雾的特征与城市环境演变

利用厦门城市1980～2000年21年地面资料和探空资料，对能见度和雾演变特征及其物理成因进行分析，结果表明：厦门城市夏季能见度明显好于冬季，这可能与冬夏盛行风向不同，输送排放污染源地不同以及不同季节天气气候条件相关。厦门城市冬季和夏季能见度呈下降趋势，尤以夏季为突出，轻雾以上的频数也日益增加，其重要因素是城市的热岛效应。厦门城市能见度虽然明显好于污染较为严重的北京，但冬季厦门城市能见度与北京呈反位相演变趋势。夏季厦门城市能见度有着明显的日间变化，这与夏季海陆风日变化的垂直环流圈有密切关系。     

横山站雾的成因分析与记录

1　观测到的雾某日 0 7:1 0 ,观测员接班巡视仪器时 ,能见度较好 (≥ 1 0 .0 km) ,没有轻雾、雾现象 ( 0 5时能见度 1 2 .0 km) ,观测员刚从观测场回到值班室 ,从窗口看到外面大雾弥漫 ,观测能见度只有0 .2 km;另一日 ,0 8时观测时能见度记录 1 2 .0km( 0 5时能见度 1 2 .0 km)     

1980-2007年新疆地区能见度的变化特征及其影响因子研究

在小风、无降水、无大雾等天气条件下,运用能见度累计百分率法和能见度均值法,分析了新疆15个城市1980-2007年间每日14时大气能见度的月分布特征、年际变化趋势及影响大气能见度的影响因子,结果表明:⑴ 新疆的能见度在夏季出现峰值,冬季降到最小值。北疆地区的能见度总体高于南疆地区。全疆能见度最高的城市是哈密,年均值为49.6km。和田最低,年均值仅为16.4km;⑵ 近28年来15个城市中只有阿勒泰、哈密、昌吉3个城市的能见度基本保持不变,北疆博乐、克拉玛依、伊宁、石河子、乌鲁木齐和南疆吐鲁番、阿克苏的能见度逐年降低,南疆阿图什、库尔勒、喀什、和田市的能见度缓慢增加;⑶ 从气象因素相对湿度、风速、降水、沙尘天气日数的年变化以及全疆经济发展中能源消费总量和能源加工转换总效率来看,15个城市的相对湿度、风速总体上没有呈现显著的变化,降水增多、沙尘天气减少促使南疆大部分城市的能见度逐步好转,而近年来的经济快速增长是导致北疆大部分地区能见度逐年下降的主要因素。     

城市发展对能见度影响的初步分析

本文统计了１９７２－１９９１年上湖南省长沙市，宁乡县，衡阳市和衡南县等４个站逐年各级能见度出现的频率，分析表明，近２０年来，随着城市的不断发展，能见度呈明显下降趋势，且城市能见度明显劣于乡村能见度，同时，以人口总数作为城市发展的指标，分析其与当地Ｉ类能见度出现频率之间的关系，结果表明，它们之间具有较好的负相关。     

空调系统对城市大气温度影响的模拟研究

人为热排放对城市边界层气候效应的影响起着举足轻重的作用。在人为热源的组成中,建筑物内部的能源消耗、热量产生以及室内外热量传输与交换,对于城市热环境的改变有着非常重要的作用。因此,为研究室内空调系统的产热和通过屋顶、墙面、地面进行室内外热量传输扩散,并对室外热环境产生的影响,运用WRF（Weather Research and Forecasting Model）模式,选取BEP+BEM城市冠层参数化方案,即基于多层城市冠层方案BEP（Building Effect Parameterization）增加室内空调系统影响的建筑物能量模式BEM（Building Energy Model）的方案,以南京2010年8月2—3日,夏季三伏天晴天小风天气作为背景天气进行模拟研究。结果表明,采用WRF模式考虑空调系统室内、外能量交换的BEP+BEM参数化方案,能够更好地模拟出夏季晴天城市近地层气温。当假设空调全天开启时,白天模拟值与观测值吻合较好。夜间温度模拟值高于观测值,在22时—次日00时（北京时）,存在1℃左右的偏差。白天空调系统开启对于城市近地层气温的影响不明显,而夜间使得城市气温普遍升高0.6℃,尤其是在居民区密集的地方,22—23时最大有2℃左右的升温。当调整室内空调目标温度从25℃调至27℃时,空调系统能量总释放量减少12.66%,13—16时温度下降最大,平均约为1℃,建筑物越是密集,温度下降幅度越大。      

2008年南京市热岛效应演变特征及其对城市居民生活影响

利用2008年南京市23个自动气象观测站气温资料,分析南京市城市热岛效应的空间分布及其变化特征。结果表明：南京市的热岛中心主要分布在人口和建筑物密集的鼓楼、白下区和建邺区,下关、江宁和浦口等城区气温较低;2008年南京市平均城市热岛强度为1.6℃,四季热岛强度呈秋季、春季、冬季和夏季依次减弱;南京市城市热岛效应对城市居民生活影响较大。南京市热岛效应的逐渐增强,将导致夏季空调使用量的增加,增加能耗对创建低碳城市、建设和谐城市生活产生消极影响。     

2008年南京市热岛效应演变特征及其对城市居民生活影响

利用2008年南京市23个自动气象观测站观测的气温资料,分析南京市城市热岛效应的空间分布及其变化特征。结果表明：南京市的热岛中心主要分布在人口和建筑物密集的鼓楼,白下和建邺区,下关、江宁和浦口等城区气温较低;2008年南京市平均城市热岛强度为1.6℃,四季热岛强度呈秋季、春季、冬季、夏季依次减弱;南京市城市热岛效应对城市居民生活影响较大。南京市热岛效应的逐渐增强,将导致夏季空调使用量的增加,增加能耗对创建低碳城市、建设和谐城市生活产生消极影响。     

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。     

城市热岛效应研究进展

随着城市规模的高速发展和城市人口的急剧膨胀,因城市下垫面结构的急剧变化和城市人为热排放的迅速增加所引起的城市热岛效应已逐渐成为严重影响城市人居环境和居民健康的重要因素。城市热岛效应研究已成为城市气候和区域气候研究中的热点问题。为更好地研究城市热岛效应,及时追踪国内外最新进展,综述了城市热岛的概念和形成机制,重点介绍了地面气象资料观测法、遥感监测法和边界层数值模式模拟法等3种城市热岛效应研究方法,总结了城市热岛效应国内外最新研究进展。最后基于现有城市热岛效应研究不够完善和深入,研究过于简单化和表面化,尺度局限于宏观大尺度以及各种方法自身的局限性等不足,指出在未来的城市热岛效应研究中,应突破现有的大中尺度,注意结合高分辨率卫星遥感影像进行多尺度多平台监测以及综合考虑气溶胶粒子对辐射强迫的影响等。     

南京地区城市下垫面特征对雷暴过程影响的数值模拟

本文选取2011年7月23日发生在南京的一次雷暴个例, 利用中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecasting model),耦合Noah/UCM,并采用NCEP FNL 1°×1°每日4次的全球分析场资料作为初始场及南京自动站观测数据等,对南京地区城市下垫面特征对雷暴过程的影响进行了数值模拟。结果表明:模拟的雷暴发生发展过程与该地区城市下垫面有着密切的联系。首先,雷暴发生前期,南京地区热岛效应明显。其次,城市上空的感热通量较高,结合城郊下垫面热力差异造成的城市热岛环流,加强了城区的辐合上升,为雷暴的形成提供了重要的抬升作用。城市下垫面扩张,使其上空边界层高度相应提升,垂直混合高度增加,有助于对流云的发展。此外,城市下垫面加强了大气低层的扰动位温,为雷暴提供了不稳定的层结条件。最后,城市地表较大的粗糙度使雷暴降水在城区低层的迎风面一侧明显增强。     

Numerical Modelling of Urban Heat-Island Intensity

A three-dimensional, non-hydrostatic, high-resolution numerical model was used toanalyse urban heat-island (UHI) intensity in an idealised but realistic configuration.The urban area was 20 km square and lay on flat land at about latitude 50° Nin a maritime climate. In the model the urban area was represented by anomalies ofalbedo, anthropogenic heat flux, emissivity, roughness length, sky-view factor (SVF),surface resistance to evaporation (SRE) and thermal inertia. A control simulationincluded all these factors and the resultant UHI structure, energetics and intensitywere validated against observations. The results also compared favourably withearlier simulations.A series of experiments was conducted in which successively one of the anomaliesthat represented the urban area was omitted from the control simulation so as toprovide the basis for an assessment of its effect. In daytime the individual effectsdue to albedo, anthropogenic heat, emissivity, SVF and thermal inertia ranged from0.2 to 0.8 °C. In common with albedo, anthropogenic heat, emissivity andSVF, the SRE aided the formation of a UHI; it was also the most important factorin increasing its intensity. The roughness length had the opposite effect. At nightemissivity, roughness length, SVF and SRE had effects ranging from 0.3 to0.75 °C, but the largest effect (2 °C) was due to the anthropogenicheat. These results showed a difference in the causes of daytime and nighttime UHIs.In daytime the roughness length and SRE were the most important factors affectingUHI intensity; at night the anthropogenic heat was the most important. The simulationssuggested that the size of the urban area had a minimal effect on UHI intensity.     

Towards urbanisation of the non-hydrostatic numerical weather prediction model Lokalmodell (LM)

Numerical weather prediction models are increasingly employed for providing meteorological data for urban air quality applications. Model resolution, physiographic parameters and surface-layer parameterisations need to be adapted to the requirements of the urban boundary layer. The Lokalmodell of the German Weather Service was triple-nested down to a horizontal grid resolution of 1.1 km, urbanised physiographic parameters were implemented, and an additional anthropogenic heat source was introduced. Results of a sensitivity study for a spring dust episode in Helsinki show a clear urbanisation effect of these measures on temperature, humidity and the partitioning of surface fluxes, leading to an increased Bowen ratio and heat storage and an urban heat island effect.     

Effect Of A Heat Island On The Meteorology Of A Complex Urban Airshed

A three-dimensional mesoscale model was used to study the effect of an urban heat island in a relatively complex situation. A heat emission inventory was carried out for an urban airshed thatincludes sources such as motor vehicles, waste heat from industries and electricity consumption. To demonstrate the relative significance of anthropogenic heat flux and variant surface characteristics, three model simulations were conducted. In the first simulation, anthropogenic heat flux was ignored and non-variant surface properties were considered for the entire modelling domain. In the second simulation, variant surface characteristics were considered. While in the third simulation, gridded anthropogenic heat flux and variant surface characteristic were utilised. From these experiments, it was inferred that an additional source of heat in urban areas can substantially affect the wind and temperature regime under light wind conditions. During the day, the anthropogenic heat flux has minimum effect on the urban temperature, however it magnifies the intensity of the convergence near the urban areas.