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”。     

基于卫星遥感的长江三角洲地表热环境人口暴露空间特征

研究城市地表热环境变化的时空演变规律对防灾减灾具有重要意义。本研究以卫星遥感的夜间灯光,植被指数,高程和坡度为自变量构建了适用于人口空间分布估算的随机森林模型,结合卫星遥感反演的地表温度数据,以2016年夏季为例,研究了1km分辨率的长江三角洲地区夏季地表热环境人口暴露分布特征。研究表明:(1)利用随机模型对长江三角洲2016年人口进行1000m格网空间化分布模拟,变量解释度达到80%,人口空间化结果接近实际。(2)人口密度高值区和夏季大部分月份内的地表热环境高温区和人口暴露高和极高风险区总体有较好的对应。6月皖北地区高温区面积增大导致地表热环境的人口暴露风险较高等级的面积比例高于其他月份。(3)在月和季节平均尺度上,地表高温热环境暴露极高和高风险区域面积极少,处于沿海地区、长江下游沿线以及各县区的中心城市;中等暴露风险区域主要分布在东部及中心城市周边地区;低暴露风险区分布在东北部内陆地区和东北部人口数量相对较少地区。     

利用区域边界层模式对杭州市热岛的模拟研究

利用一个三维非静力区域边界层数值模式,对杭州地区城市热岛现象进行了数值模拟。数值模拟结果表明,杭州地区存在明显的城市热岛现象。夏季城市热岛现象较强,春秋季次之,冬季较弱。利用资源卫星遥感资料反演所得的地表温度,以及与地面气象站观测资料和数值模拟结果相比较,数值模拟结果和实测结果吻合得较好。在此基础上,模拟并探讨了人为热源、风速、地面粗糙度等因素对城市热岛强度的影响。     

气象卫星观测资料的分析在城市区域气象环境研究中的应用

目前 ,我国气象部门相当普遍地拥有气象卫星观测资料 ,但是 ,这些资料如何在城市气象服务以及为城市建设规划等方面的决策研究中发挥作用 ,急待进一步研究并开展工作。本文试图通过合理的反演处理 ,给出卫星观测对地面温度的测量结果 ,由此可比较细致地分析了解地面热状况及其与土地利用类型 ,地面覆盖性质等的关系。本文利用有限的 NOAA- AVHRR气象卫星遥感资料 ,采用修正的 Ulivieri分裂窗方法反演出同期的地表温度场 ,通过对北京地区的卫星观测资料进行算例分析 ,揭示出一个 2 0 0 km× 2 0 0 km范围内的地面温度分布特征。反演结果可以明显地揭示出城市热岛现象的变化规律 ,并且能较为清楚地反映出相对的高温区和低温区     

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.     

2005年7月珠三角地表温度场的遥感监测分析

城市热环境及其热效应是当前城市气候与环境中最为重要的研究内容之一。分析地表温度（LST）是研究热环境的一个有效手段。选取2005年7月中旬高温期间MODIS数据,利用推广分裂窗算法反演LST,采用最大值合成方法制作珠江三角洲地区热场分布序列图。结果发现：珠三角地区增温初期的高温区主要分布在珠三角外围的城市,呈由外向内的增温过程;珠三角地区沿河道区域的增温幅度最高最快,增温盛期的地表最高温度主要分布在河网密集地区;城市化和工业化程度高的市区热岛效应明显。研究结果符合目前珠三角经济区的发展状况,对城市区域布局和规划有积极意义。     

卫星遥感结合数值模式估算金塔绿洲非均匀地表能量通量

针对遥感在面上计算的特点,将模式模拟的气象要素区域分布替代以往使用的单点观测值作为遥感估算蒸散发模型的初始场,引入到SEBS(Surface Energy Balance System)模型中,利用EOS/MODIS遥感资料对金塔绿洲非均匀下垫面地表能量通量进行了估算。对比估算结果与实测值表明,引入数值模拟结果后,绿洲地表感热通量的估算误差平均减小了5.8%,潜热通量的误差平均减小了5.5%,说明数值模拟结果的引入比较成功。通过分析地表通量的区域分布特征表明,数值模拟结果的引入在一定程度上更加细致地刻画了荒漠绿洲能量平衡的分布特征,在戈壁荒漠地区,潜热通量非常小,而绿洲集中的地区及水库附近出现了潜热通量的极大值。     

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。     

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。     

地表利用城市化在一次极端高温过程数值模拟中的影响

地表种类的城市化对城市区域的热力结构和局地环流都会产生巨大的影响。利用地面、高空观测资料和MODIS地表覆盖资料,使用耦合城市冠层模式(UCM)的区域中尺度数值模式(WRF),对2013年8月8日福州地区的一次极端高温天气过程进行数值模拟,研究地表利用变化对福州城市热岛效应及其对福州城市区域局地环流的影响。结果表明:地表利用的城市化使得午后城市热岛现象更加明显而夜间热岛效应呈现出减小的趋势;地表利用城市化后,中心城区的近地面风速减小,但城区与山区以及城区与海洋之间的局地热力环流明显加强,促进了山谷风和海陆风环流的发展;同时地表加热效应增强,促进了垂直运动的发展。     

城市气象研究国际前沿动态综述

通过梳理2018年8月在美国纽约举行的第十届城市气候国际会议主要研究成果,分类汇总了城市气象研究的最新国际进展与发展趋势,包括城市气候过程、城市环境下气候变化适应与应对、气候条件下城市规划和管理、最新城市气象探测技术、城市环境数值模拟、大城市气候、城市遥感、城市地区极端天气等方面。在此基础上,根据我国城市化发展特性,探讨了我国城市气象研究的未来发展方向。     

利用255m铁塔研究城市化对地面粗糙度的影响

利用天津255m气象塔近10年观测资料,采用风速梯度资料拟合对数风速廓线的方法,定量计算天津255m气象塔空气动力学粗糙度随下垫面的改变情况.结果表明各方位的粗糙度存在明显差异,偏北方向的粗糙度大于偏南方向,但各方位粗糙度在总体是逐年递增趋势,个别年代减小与城市改造有关,粗糙度与城市建筑群高度之间存在线性关系.同时利用冬季风廓线资料研究城市化对边界层风场结构的影响:结果表明受下垫面影响近地面风向逐年趋于紊乱,平均风速呈逐年递减趋势,十年间城市冠层厚度增加10m,2005年城市冠层厚度在40～60m之间.     

广州市区与增城市气象要素差异性分析

利用广州市区和增城市1982—2013年的气象观测资料,应用数据对比和相关分析的方法,从年际和季节变化两个角度,分析了两地气象要素的差异性;运用拉格朗日模式,模拟了2个个例的水汽来源,分析两站降水量差异性的可能原因。结果表明:城市热岛效应导致广州市区温度高于增城市,而相对湿度低于增城市;城市冠层作用使得广州市区风速明显低于增城市。差异性存在明显的季节不同,温度和相对湿度在秋季差异最明显,风速在冬季差异最明显,而降水量在夏季差异最明显。通过相关性分析得到两站的温度以及相对湿度的相关系数达到0.99和0.89,可利用经验公式联系两地的预报结果。HYSPLIT模式模拟水汽来源表明,不同的水汽来源可以导致广州市区和增城市降水先后顺序以及降水量的差异。     

城市应急服务气象数值模拟系统的建立与应用

针对城市应急需求,建立了突发公共事件应急气象数值模拟系统。该系统主要包含两个模型：①以中尺度数值模式MM5和区域大气模拟系统RAMS 60为核心的快速污染扩散数值预报模型,该模型具有精细准确、可预测性的优点,应急人员在接到命令后15 min内可完成事发后1 h的气体扩散应急产品的制作;②以街区模式和高斯模式为核心的快速应急气象服务软件,它具有操作简洁、安装方便、产品输出快速直观的优点,能够在2～3 min内完成事发地点应急产品制作。通过一年的日常城市应急演习及奥运会、残奥会的应用证明,该服务系统较好的满足了应急指挥时效性、服务性的需求,为北京城市应急指挥人员现场处置提供即时科学依据。     

城市化对长沙市两气象站气温记录的影响

为深入认识城市对其附近气象站气温的影响,采用位于长沙市区东部和西部两个气象观测站的2007-2009年的逐日气温、风向和风速资料,结合地表覆盖特征数据,对比分析了两站气象记录差异,并通过改进的城市影响指数模型估算了气温资料中的城市影响偏差。分析显示：（1）2007-2009年东、西气象站逐月平均气温（T_mean）、最高气温（T_max）和最低气温（T_min）差异很大,最大差异分别可达0.90℃、0.83℃和1.34℃;（2）受城市及风向的影响,两气象站的逐月城市影响指数（K）差异较大,东、西站平均K值分别为2.01和1.50,年内同一台站的K值存在季节变化规律;（3）两站逐月△K与△T之间存在极显著正相关关系;（4）东、西两站2007年T_mean中的城市增温最大,分别达0.63℃和0.45℃。城市附近气象站气温记录受城市规模、风向和风速等因素影响明显,在分析长历时气候变化特征和利用站点记录数据进行空间分析时,有必要对气温数据进行订正。     

冬季乌鲁木齐城区和机场雾的特征及地面气象条件对比分析

基于乌鲁木齐城区气象站和城北乌鲁木齐地窝堡国际机场（简称机场）2016—2021年冬季逐小时地面气象观测资料,对近6 a冬季两地雾的特征及其对应的地面气象条件进行对比分析。结果表明,城区和机场3种情景雾日出现的概率较为接近,但是不同级别雾日的出现概率有一定的差别,其中大雾日数以两地同时出现为主,概率最高达到19.6%。两地不同强度雾日数和雾过程的频次均呈明显下降趋势,其中机场大雾日数和过程频次均略多于城区。城区雾起始时间有33.3%集中在1—4时,而机场25.2%出现在8—10时。城区雾强度总体强于机场雾,机场雾日最小能见度均值(412.9 m)高于城区(360.8 m)。此外,在冬季准噶尔盆地的“冷湖效应”和山谷风的共同作用下,机场一带盛行的西北偏北和偏北风导致温度相对较低,有利于降温形成大雾天气,城区和机场分别在-12～-4 ℃和-16～-8 ℃的温度区间内出现雾的频率最高,比例分别高达57.4%和50.1%。     

北京PM10重污染预警预报关键因子研究

利用CART方法对造成北京PM10重污染的气象条件分析结果表明:适当的湿度条件和前期的污染状况是造成北京PM10重污染的必要条件,其他条件,如大气稳定度、边界层高度、持续性小风以及气压,是造成PM10重污染的重要条件。特别值得指出的是,湿度作为必要条件的出现,可能蕴涵着重要的物理化学过程,对其开展深入研究将对北京大气污染的控制和预报有所裨益。     

辽宁中部城市群大气污染分布及与气象因子的相关分析

根据2002年辽宁省中部城市群（沈阳、鞍山、本溪、抚顺、辽阳）的主要大气污染物（TSP、PM10、SO2、NOx）的监测值及气象因子（能见度、风速、温度、湿度、降水、总云量和低云量）的观测资料，分析了辽宁中部城市群大气污染的现状、污染程度及污染物与气象因子的相关关系。结果表明：城市群的主要大气污染物是TSP、PM10和SO2冬季是城市群大气污染最重的季节，夏季大气污染最轻；城市群大气污染最重的城市是本溪，其次是鞍山、沈阳、抚顺、辽阳；污染物与能见度、温度的相关性非常显著，平原城市的污染物与气象因子的相关性较山区城市好。     

Simulation of Meteorological Fields Within and Above Urban and Rural Canopies with a Mesoscale Model

Accurate simulation of air quality at neighbourhood scales (on order of 1-km horizontal grid spacing) requires detailed meteorological fields inside the roughness sub-layer (RSL). Since the assumptions of the roughness approach, used by most of the mesoscale models, are unsatisfactory at this scale, a detailed urban and rural canopy parameterisation, called DA-SM2-U, is developed inside the Penn State/NCAR Mesoscale Model (MM5) to simulate the meteorological fields within and above the urban and rural canopies. DA-SM2-U uses the drag-force approach to represent the dynamic and turbulent effects of the buildings and vegetation, and a modified version of the soil model SM2-U, called SM2-U(3D), to represent the thermodynamic effects of the canopy elements. The turbulence length scale is also modified inside the canopies. SM2-U(3D) assesses the sensible and latent heat fluxes from rural and urban surfaces in each of the computational layers inside the canopies by considering the shadowing effect, the radiative trapping by the street canyons, and the storage heat flux by the artificial surfaces. DA-SM2-U is tested during one simulated day above the city of Philadelphia, U.S.A. It is shown that DA-SM2-U is capable of simulating the important features observed in the urban and rural RSL, as seen in the vertical profiles of the shear stress, turbulent kinetic energy budget components, eddy diffusivity, potential air temperature, and specific humidity. Within the canopies, DA-SM2-U simulates the decrease of the wind speed inside the dense canopies, the skirting of the flow around the canopy blocks, warmer air inside the vegetation canopy than above open areas during the night and conversely during the day, and constantly warmer air inside the urban canopy. The comparison with measurements shows that the surface air temperature above rural and urban areas is better simulated by DA-SM2-U than by the `standard version' of MM5.     

那曲站与其相邻野外站气象要素的对比分析

利用1955-2009年西藏那曲气象站(NQ站)和2001-2009年BJ野外气象站(BJ站)的观测资料,对NQ站和BJ站气温、风速的变化特征进行了对比分析。结果表明,BJ站的年平均温度和最低温度均低于NQ站,年平均风速反之;两站(NQ站-BJ站)温度差的增长率依次为最低温度(0.117℃.a-1)>年平均温度(0.034℃.a-1)>最高温度(-0.014℃.a-1),年平均风速为0.076m.s-1.a-1;以青藏铁路正式通车的2006年为界,2001-2005年和2006-2009年分别为人类活动影响较弱期和较强期。人类活动影响较强期与较弱期相比,两站温度差异增加的幅度依次为最低温度(0.512℃)>年平均温度(0.152℃)>最高温度(-0.025℃),年平均风速为-0.198m.s-1。