应用城市冠层模式研究建筑物形态对城市边界层的影响

文中将城市冠层模式耦合到南京大学城市尺度边界层模式中,通过模拟对比发现,耦合模式对城市地区气温模拟结果更接近于观测值,尤其是对城市地区夜间气温模拟的改进.运用改进耦合模式通过多个敏感性试验的模拟,从城市面积扩张、建筑物高度增加、建筑物分布密度变化等角度研究城市建筑物三维几何形态变化对城市边界层及城市气象环境的影响,试验结果表明:(1)城市面积扩张使得城市下垫面的热通量增大,热力湍流活动增强,动量通量输送增强,城市湍能增大,湍流扩散系数变大,城市气温升高,且对不同时刻城市区域大气层结稳定度均有不同程度的影响.(2)建筑物高度增加增大了城市下垫面的粗糙度和零平面位移.同时也增大了城市街渠高宽比.城市建筑物越高,白天城市地区地表热通量越小,城市上空大气温度越低,平均风速减小,湍能减小;夜间由于高大建筑物释放储热比低矮建筑物要多,其热力湍流相对活跃,地表热通量增大,使得城市区域气温较高.(3)建筑物密度增大,会减小城市下垫面的粗糙度同时增强街渠对辐射的影响.建筑物密度增大在白天会减小地表热通量和动量通量,使城市气温降低,平均风速增大,城市湍流活动能力减弱;夜间城市释放较多储热使得气温较高.     

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。     

城镇规划布局对边界层结构影响的数值试验

利用南京大学城市尺度边界层模式(UBLM),对方圆20 km的一个小城镇,以100 m水平格距进行了城市气象环境和边界层结构的数值模拟。结果表明,这种规模的小城镇,其边界层气象场分布与大城市最明显的差异就是城乡温差很小,不论白天还是晚上只有0.1~0.2℃的量值,基本不构成城市热岛现象。在日间层结不稳定情况下,主城区、郊区及居民区三类不同下垫面上的湍能廓线、位温廓线存在较大差异;而在夜间稳定情况下,这些要素的廓线分布几乎显现不出下垫面影响的差异。(1)局部下垫面的变化对模拟域内夜间气象环境的影响较小,差异主要显现在日间,且风速分布的变化强于温度变化。(2)当预留地建成稀疏居民区或稠密主城区时,在试验区下风方向的原有城市下垫面上会有气温升高、水平风速减小,垂直速度增大的现象;而当预留地建成平坦机场或水域时,城市下垫面上会有降温、水平风速增大、垂直速度减小的现象。(3)水域对城市气象环境变化的影响最大,它的存在或扩大会导致下风方向城市湍能、湍流扩散系数的明显减小。(4)备用地变成其它几种下垫面类型都对城市气象环境存在一定影响,但是其影响的程度比变成水域带来的影响程度都要小很多。     

城市建筑动力学效应对对流边界层影响的敏感性试验

本文将大涡模拟应用于城市对流边界层(CBL)湍流结构和流场特征的研究,在大涡模式中,拖曳系数取与建筑物高度及建筑物高度标准差有关的表达式以考虑次网格建筑物对风速和湍流动能(TKE)的面积平均影响.模拟结果表明,由于城市建筑物对气流的拖曳作用,使建筑物冠层及整个CBL内风速大幅度减小,城市冠层内部风速减小尤为明显,在夹卷层内,风速有一明显的跃变.在边界层中部对流运动已经发展成为较强的热泡,城市建筑物的动力学效应使热泡的水平尺度增大,CBL内平均上升气流速度和下沉气流速度减小,同时使CBL中上升气流所占比例比平坦地面增大.城市建筑物使CBL低层热通量、动量通量、速度方差和位温方差明显增大,但对近地层高度以上的湍流量影响不大.     

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。     

建筑物对城市通风自净能力影响的数值试验

应用城市气候数值模式，分别计算了三栋6层住宅楼和一栋20层住宅楼两类建筑形式影响下的风场，以及在此风场中街道汽车尾气的浓度分布。计算结果表明在总建筑面积基本相同的情况下，高层建筑周围环境的通风自净能力要优于多层建筑。     

稳定大气边界层结构演变的数值研究

本文应用二阶矩闭合模式研究了在不同的下垫面降温情况下稳定大气边界层结构的演变过程。结果表明:下垫面降温不同,稳定大气边界层内平均位温廓线的演变规律也不同,风廓线和脉动量廓线也相应地变化。影响温度廓线演变的因子除了湍流扩散作用以外,还有由于湍流交换作用在垂直方向的非均匀分布而产生的类似垂直平流作用的输送项。若下垫面经过一段时间的明显降温后降温停止或很少,则这种输送作用能改变位温廓线斜率在垂直方向上的分布规律。即由斜率在垂直方向的单调变化演变为非单调变化。     

自由大气的扰动对边界层结构影响的二维数值研究

在中性正压的行星边界层中,考虑边界层顶的负随时空变化的一般情况,在的假定下,用数值方法解边界层运动方程得到风及边界层某些参数的分布。还计算了边界层顶垂直速度,发现和Charney等人的结果不同。     

双重作用面下夜间城市边界层的数值研究

本文全用一个非线性，非定常二维数值模式，考虑双重作用面下，即地表面和城市覆盖层顶两个表面，夜间城市边界层的发展，演变情况。模拟结果表明，夜间城市覆盖层削习大气层结的稳定度，并在市中心覆盖层高度内形成一个小冷岛。     

气溶胶粒子对城市夜间边界层温度影响的模式研究

用一维非定常模式模拟大气气溶胶粒子对城市夜间边界层大气温度场的影响。结果表明：气溶胶粒子对近地层大气地增温作用，对１５０ｍ以上大气起降温作用，并削弱近地逆温层的强度。     

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- …     

Numerical Study of Boundary Layer Structure and Rainfall after Landfall of Typhoon Fitow(2013): Sensitivity to Planetary Boundary Layer Parameterization

The boundary layer structure and related heavy rainfall of Typhoon Fitow(2013), which made landfall in Zhejiang Province, China, are studied using the Advanced Research version of the Weather Research and Forecasting model, with a focus on the sensitivity of the simulation to the planetary boundary layer parameterization. Two groups of experiments—one with the same surface layer scheme and including the Yonsei University(YSU), Mellor–Yamada–Nakanishi–Niino Level 2.5,and Bougeault and Lacarrere schemes; and the other with different surface layer schemes and including the Mellor–Yamada–Janjic′ and Quasi-Normal Scale Elimination schemes—are investigated. For the convenience of comparative analysis, the simulation with the YSU scheme is chosen as the control run because this scheme successfully reproduces the track, intensity and rainfall as a whole. The maximum deviations in the peak tangential and peak radial winds may account for 11% and 33%of those produced in the control run, respectively. Further diagnosis indicates that the vertical diffusivity is much larger in the first group, resulting in weaker vertical shear of the tangential and radial winds in the boundary layer and a deeper inflow layer therein. The precipitation discrepancies are related to the simulated track deflection and the differences in the simulated low-level convergent flow among all tests. Furthermore, the first group more efficiently transfers moisture and energy and produces a stronger ascending motion than the second, contributing to a deeper moist layer, stronger convection and greater precipitation.     

城市大气边界层的数值研究

本文利用能量闭合的二维非线性、非定常模式,结合地面热量平衡方程,研究了城市热岛和城市热岛环流以及其它相关的城市边界层参量的发展演变规律;同时探讨了在城市污染面源的情况下,污染物的扩散、输送问题.模拟结果得到了天津市城市热岛观测资料的证实.     

Local Similarity Relationships In The Urban Boundary Layer

To investigate turbulent structures in an urban boundary layer (UBL) with many tallbuildings, a number of non-dimensional variable groups based on turbulent observationsfrom a 325-m meteorological tower in the urban area of Beijing, China, are analyzedin the framework of local similarity. The extension of surface-layer similarity to localsimilarity in the stable and unstable boundary layer is also discussed. According to localsimilarity, dimensionless quantities of variables: e.g., velocity and temperature standarddeviations _i/u_*l (i=u,v,w) and_T/T_*l,correlation coefficients of uw and wT covariance, gradients of wind and temperature_m and _h, and dissipation rates of turbulent kinetic energy (TKE) andtemperature variance and _N can be represented as a functiononly of a local stability parameter z/, where is the local Obukhovlength and z is the height above ground. The average dissipation rates of TKE andtemperature variance are computed by using the u spectrum, and the uw and wTcospectra in the inertial subrange. The functions above were found to be in a goodagreement with observational behaviour of turbulence under unstable conditions, butthere were obvious differences in the stable air.     

天津城市边界层湍流统计特征

利用2008年2月1～28日在天津气象塔上观测的超声风、温资料和常规风、温及湿梯度资料,计算了天津城市边界层无量纲湍流速度方差、湍流温度方差、感热通量、动量通量和湍流动能。结果表明,在不稳定层结条件下,40m高度上无量纲湍流速度方差和湍流温度方差遵循莫宁-奥布克霍夫相似理论,在220m高度上只有垂直方向上的湍流速度方差...     

A Scheme for Scalar Exchange in the Urban Boundary Layer

We present a scheme for parameterising scalar transfer in the urban boundary layer, which is divided into an inertial layer and a roughness layer. The latter is further divided into a shear layer and a canyon layer. In the inertial layer, scalar transfer is determined by turbulence related to canyon macroscopic features, while in the roughness layer, it is determined by shear-generated turbulence, canyon vortex and vortex-generated turbulence. We first describe a conceptual model for the canyon flow and the aerodynamic resistance network, and then estimate the resistances from the point of view of drag partition and vortex advection. The results are compared with the measurements from wind-tunnel experiments. It is found that for small canyon aspect ratio, σ_c, the transfer velocity increases with σ_c, reaching a maximum at around σ_c=0.5 and then decreases with σ_c. We also show that the scheme is not sensitive to adjustable parameters     

Observations of Atmospheric Solitary Waves in the Urban Boundary Layer

The simultaneous operation of a three-axis Doppler sodar system in the centralurban area of Rome and two similar systems in the suburban area, forming atriangle about 20 km on each side, provided evidence of solitary-type wavesin the urban boundary layer. Three events, each lasting from a few minutes toabout 30 min, and ranging in depth from the minimum range of the sodar (39 m) to over 500 m, are reported here. Two events were recognizable onall three sodar records while the third event could be observed at the urbanlocation only. Time-height acoustic echo intensity records showed no-echoregions within the wave indicating transport of trapped recirculating air.This is typical of large amplitude solitary waves. The time series plots ofsodar-derived vertical wind velocity revealed a maximum peak-to-peakvariation of about 5 m s^-1 during periods of wave-associated disturbance.The vertical velocity is found to increase with height up to the top of the closedcirculation within the wave and decreases further above. The normalisedamplitude-wavelength relationship for the two events indicates that theobserved waves are close to a strongly nonlinear regime.     

在北京气象铁塔上测量城市边界层辐射的研究

测量边界层辐射对研究地气系统相互作用有重要意义,城市边界层辐射的变化影响着城市局地气候和环境.目前辐射测量仪器的精度不能满足城市大气边界层辐射分层测量的特殊要求.2004年10～12月,在北京325 m气象铁塔上的280 m和2 m高度上分别安装了长波辐射表和短波总辐射表,进行辐射测量.为提高辐射测量精度,采取多种方法,进行了较细致的误差分析和资料订正,使两层不同高度上仪器的一致性得到明显提高,计算订正了铁塔塔体发射的长波辐射对辐射测量的影响,取得了比较合理的结果.辐射观测资料分析表明,边界层内辐射通量密度随高度的变化是明显的,在不同环境条件下对边界层结构有着重要作用.