北京夏季城市热岛现状及楔形绿地规划对缓解城市热岛的作用

通过遥感技术与地面测定相结合的方法，对北京城市热岛现状作观测研究，得到北京城市地面的温度分布特点。使用北京大学城市边界层模式从气象观点就“楔形绿地”规划对北京城市气候的影响进行研究和评价，模式通过对城市地表复杂性和多样性的特征进行细致描述，建立了一个细致模拟城市特点的城市边界层能量平衡模式，并用此能量平衡模式得到的地面温度作为下边界条件，中尺度气象模式MM5做初始场和侧边界条件，建立一个最小分辨率为500 m的城市边界层模式系统，来研究城市边界层在中尺度背景场作用下的精细结构。通过个例模拟，模式能够较准确地模拟城市边界层的风温场分布情况，可以用来对楔形绿地规划进行模拟试验。通过对规划后的气象场在特定的气象条件下进行模拟，结果显示，建造大型的楔形绿地后，绿地区域及绿地周围约1 km以内的地区温度有所降低，降低的程度由规划前后的地表类型改变的剧烈程度、风速大小及与绿地的距离决定，但是这种规划方案却会因城市的下风方向的风速减小而导致通风不畅。     

三维重力内波和对流云街的启动机制

在一个下部为弱不稳定层、上部为稳定层的二层模式中，求解线性化的大气动力—热力学方程组，表明一个孤立山丘所引发的重力内波，在向下游传播过程中与边界层中对流相互作用，形成大气低层的涡漩活动，其图象与观测到的对流云街结构相似。     

大气对流边界层中的涡漩结构

大气边界层中存在尺度从几百米到几十公里的大涡漩运动。它们在边界层中动量、热量、水汽等垂直输送中起重要作用。作者从边界层中对流和上部稳定层中波动相互作用的观点，发展得出大涡结构的对流波动理论。根据此理论，大涡的波谱构成主要由上、下层大气中风向、风速、层结以及两层之间的温度跃变等因素决定。本文根据卫星云图和天气资料分析了一次冷空气爆发流经暖洋面上形成云街、对流单体以及它们之间的相互演化的过程，并用对流波动理论，依据各阶段的大气条件计算出它们的波数构成，并得出了垂直速度、辐合带、界面扰动的分布，解释了云街、对流单体的形成、结构及相互转化的原因     

小尺度地形阻塞作用的数值试验

本文采用数值试验方法,讨论了一个高度只有200m的小尺度地形的阻塞作用,表明当大气低层的平均风速和温度层结使得Froude数小于1时,就有可能在地形的上风向形成阻塞。本文共试验了一般稳定层结、深厚逆温和浅薄逆温几种情况,讨论了数值结果和Froude数判别式之间的差异和原因,并计算了阻塞发生时的浓度分布。     

冬季城市边界层风场和温度场结构分析

本文根据沈阳地区大气环境容量研究中1984年12月所进行的观测,对沈阳城市边界层的流场和温度场结构做了分析。得出了冬季城市边界层的一些特征。当地面风速微弱时,热岛效应显著。边界层低层辐合抬升,在城市下风边缘可能出现反向气流。当风速较强时,城市的摩擦效应占优势,城市上风部分辐合抬升,下风部分辐散下沉。观测分析还表明,城市建筑对气流的阻滞作用可伸展到几百米的高度。夜间微风时,接地逆温层厚度可达200m,城市内边界层从上风边缘起开始发展,厚度可达100m。白天风力微弱时,重烟尘污染可导致城市冷岛,并推迟对流边界层的发展。     

小尺度地形引起的切变重力波

在大气边界层中,特别是山区的边界层中,经常可以观测到重力波的活动。例如Bull和Neisser分析了1974年4月至7月的2300时的微气压计记录。他们发现约38％的观测时间里都存在振幅至少为10—20 dPa的重力波活动,其中大多数重力波的振幅为25—70 dPa。由于风速切变和温度层结的不同,重力波引起的垂直位移的大小可能为百米,也可能达到整个夜间边界层厚度的量级。 很多大气活动都可能引起重力波,例如锋面、低空急流、局地风切变、逆温及强对流等等。地形特别是在夜间也是产生重力波的重要来源。当稳定度随高度急剧减少或风速随高度急剧增加时,在山脊的背风坡经常可以发现一系列的波动活动。     

北京商务中心区大气环境的数值模拟

北京商务中心区(Central Business District,CBD)位于北京市中心的东部,距离故宫博物院约4.5km,占地约4km2,最高建筑物超过300m,建成后会导致局地大气环境改变。采用基于k-ε湍流闭合的城市冠层模式对CBD建成后的大气环境进行模拟,结果表明:主导风向西北风时的大气通风能力稍优于次主导风向西南风,空气动力学粗糙度约5.3m,零平面位移约110.0m;浅色建筑外观、屋顶绿化及高叶面指数植被有助于气温的降低,可缓解夏季热岛效应;交通高峰时段,主要道路尤其是交叉路口的NOx浓度超过国家二级标准。上述研究结果对优化CBD规划设计有重要参考价值。     

城市规划对大气环境变化及空气质量的影响

采用北京大学三维复杂地形中尺度数值模式,利用Landsat-TM卫星影像图和"北京海淀区北部地区总体规划--用地规划图",分别模拟了北京海淀区北部规划完成后和目前情况下的气象场和大气环境,并分析了规划区的建成对本地和整个海淀区的影响.通过将观测的直径小于10 μm的粒子即PM10总量加权分配得到源强分布,计算海淀区的PM10浓度分布,在目前源强分布调查很困难的情况下不失为一种较为合理可行的方法.试验表明规划区的建成会增加当地和其下风方向的热岛强度和PM10浓度.对规划区进行较为合理的布局,如相对增加树木减少建筑物的面积将会缓和上述影响.     

对流云街激发的重力波和波动阻力

大气边界层中的对流活动,可以在其上部稳定层中激发出重力波,并引起垂直动量输送,影响到对流层和平流层中的动量平衡过程.从二层模式中大气波动方程的线性解出发,得出了对流云街激发的重力波波阻解析表达式,并讨论了大气条件对波阻的影响.这些分析可有助于大气环流模式(GCM)中此类重力波波阻参数化表达式的建立和改进.     

热岛环流的动力学分析

文中根据线性化的大气方程组求得了城市热岛环流的理论模式。利用此模式分析了温度场和流场的三维结构,并和观测结果做了对比。在解析解中,研究了大气条件诸如风速、湍流扩散系数、Ragleigh摩擦以及层结的影响,同时讨论了重力波对温度分布垂直结构的效应。