北京城市下垫面对雾影响的数值模拟研究

为了探究北京城市下垫面对雾天气过程的影响,为北京地区雾数值预报水平的提高提供理论基础和科学依据,选取2011年10月29日北京地区雾天个例进行了数值模拟试验,通过对WRF/Noah/UCM模式系统中城市冠层参数的调整,显著改善了模式对此次雾天气过程的模拟效果.使用参数调整后的模式系统通过敏感性试验分析研究了北京城市下垫面对雾发生、发展和消散过程的影响.结果表明：参数调整后的WRF/Noah/UCM模式系统能够与实际观测较相符地模拟此次发生在北京地区的雾天气过程,北京城市下垫面主要通过对温度的改变对雾的形成、发展和消散产生显著影响,使雾不易在城市及其附近形成和发展,延后城市地区雾的形成,但城市的存在也使得城市地区及其附近雾不易消散,相较于没有城市时消散时间延后.

     

人为热源对城市边界层结构影响的数值模拟研究

用南京大学多尺度模式系统在不同区域进行了多种人为热源引入方案的研究,结果表明：考虑时空变化的人为热源按比例分别引入到地表能量平衡方程和大气热量守恒方程是将人为热源引入模式的最优方案.人为热通量密度变化的敏感性试验结果发现：人为热源的存在对城市热岛的生成有重要作用.计算结果表明,南京现有的人为热源排放量对该地区的城市热岛贡献率约为29.6％,若人为热通量密度在现有量值的基础上增大1倍,则其热岛贡献率可达42.9％;此外,人为热的排放对清晨城市边界层逆温结构有一定程度的破坏作用,能明显升高夜间近地层气温达0.5～1.0℃,并能使白天湍流活动的影响范围增大,混合层高度抬高,使夜间城市热岛环流的影响范围扩大.     

城市冠层结构热力效应对城市热岛形成及强度影响的模拟研究

本文在城市边界层预报模式中耦合了一个单层冠层模式,此模式能够体现城市冠层结构和人为热源对城市热岛的共同作用.通过传统平板模式和城市冠层模式的模拟结果与自动气象站观测资料对比发现,耦合了城市冠层模式的模拟结果与观测资料更为吻合,尤其能够较好地模拟出城市地区夜间地面的气温变化情况.对北京城市区域的模拟结果进行分析,白家庄地区冠层建筑物使得城市地区气温白天下降,夜晚上升,不考虑人为热源作用时,城市冠层使得白家庄站地面气温白天最低下降2.5℃,夜间气温最大升高为4.7℃.针对模拟区域较小的理想算例模拟结果分析表明,城市冠层模式能够很好地模拟城市地区地表能量平衡关系,体现城市冠层对长短波辐射的封截以及热量存储能力,全天平均净辐射通量由传统模式的43.38 W/m2变为84.19 W/m2,热存储通量白天最大值为278.04 W/m2,夜晚最大释放热存储通量为160.35 W/m2.冠层建筑物和人为热源对夜间城市热岛强度的贡献分别为70.65％和29.35％.城市冠层建筑物对夜间城市热岛的形成起决定性作用.     

北京城市化进程对边界层风场结构影响的研究

随着近10年来北京城市化步伐的加快,城市规模迅速扩大,北京三环以外的地区已由20世纪七、八十年代的城郊非均匀下垫面发展成现在粗糙复杂的城区下垫面,市区建筑物相应增多、增密和增高,导致城区地面动力学粗糙度明显增大.本文统计分析了北京325 m气象塔1994年和1997～2003年夏季平均场观测资料,结果表明:(1)在受下垫面影响最为剧烈的近地层,风向逐年趋于紊乱,现在气象塔周围近地面的流场已经具备了典型城市粗糙下垫面的流场特征;(2)近地面夏季平均风速呈现非常明显的逐年递减的趋势,而且距离地表越近,平均风速逐年递减的趋势也越为显著,这种风速逐年递减的趋势直到63 m左右才不明显,说明现在气象塔47 m以下的观测资料反映的是城市冠层的流场特征,城市冠层厚度约在47～63 m之间;(3)随着北京城市化的发展,城区近地面的平均风速存在逐年递减的趋势,但阵风并不存在相似的递减趋势,表明城市冠层的抬升对阵风的影响并不显著.     

鄱阳湖地区大气边界层特征的数值模拟

采用WRFV2.2中尺度数值模式对鄱阳湖地区200 km×200 km范围内,2009年11月5日00∶00至2009年11月6日12∶00不同高度的气象要素进行了数值模拟,得到了水平分辨率为1 km的鄱阳湖地区大气边界层风、温、湿度场和廓线分布的大气边界层物理特征.模拟结果发现:白天鄱阳湖面上空存在着冷岛效应并伴随湖风,而夜间湖面上空存在着热岛效应并伴随陆风,湖面与陆地之间最大温差可达6 ℃;同时地形以及下垫面类型对鄱阳湖区风场的分布具有很大影响,夜间存在一条东北西南走向的低空辐合带,白天逐渐消失;此外受风场和地形作用湖面上空的湿度分布也不均匀,白天湿度层厚度低而夜晚湿度层厚度高,湖中心右侧湿度值大于左侧湿度值.模拟结果能较好地反映鄱阳湖的大气边界层物理特征,有助于了解鄱阳湖地区区域气候的特点,以及由于地形、地理环境、地表特征所形成的不同高度上的风、温、湿的分布规律和大气边界层物理特征,为鄱阳湖地区局地天气预报、风能资源开发、环境保护等提供了科学依据.     

边界层参数化方案及海气耦合对WRF模拟东亚夏季风的影响

区域气候模式的边界层参数化方案很大程度上影响着陆地-海洋-大气间水汽、动量及热量的交换,该方案的不确定性会给模式结果带来明显误差.本文基于WRF区域气候模式中四种常用的边界层参数化方案(YSU,ACM2,BouLac和MYJ)分别对东亚夏季风进行模拟研究,分析了不同的边界层方案对东亚夏季风环流及降水模拟的影响.结果表明,局地湍流动能方案BouLac和MYJ对东亚夏季风的模拟结果相对于非局地闭合方案YSU和ACM2更接近于观测,前者能更好的模拟出中国东部中低空西南风气流和西太平洋副热带高压.对于东亚夏季风降水,无论是空间分布还是季节内演变,BouLac和MYJ方案都要明显优于YSU和ACM2.此外,通过对比YSU和BouLac两种方案的模拟结果,发现边界层方案对东亚夏季风的模拟在海洋区域的影响更为显著.造成不同方案模拟差异的主要原因是非局地方案YSU和ACM2的边界层垂直混合偏强,使得海表向上输送的潜热通量明显偏强,对流更活跃,导致降水偏多以及相应季风环流的异常偏差.进一步研究指出缺少海气反馈过程使得WRF模式由边界层方案引起的模拟误差在海洋区域更为突出,引入海气耦合可以减小海表热通量误差并明显改善东亚夏季风的模拟结果.     

城市地表潜热通量数值模拟方法研究

近年来,中尺度气象模式中城市建筑物影响的数值模拟方法日趋完善,城市地表潜热通量数值模拟方法是目前城市地气耦合研究面临的瓶颈问题之一.采用北京325 m气象塔140 m高度处的能量平衡观测资料,用陆面-单层城市冠层耦合模式进行了一年连续的离线模拟.根据模式对城市下垫面潜热通量模拟的系统性误差较大的特点,基于观测资料研究了城市下垫面潜热通量的数值模拟方法.采用观测分析与城市陆面模式相结合的方法,求出了城市中绿地的绿洲效应系数、城市不透水下垫面水份有效率的时间变化公式以及人为潜热排放的日变化曲线和四季最大值,可直接应用于城市陆面模式,有效提高了模式的整体模拟性能.该方法对其他城市地区有一定的参考意义.     

晴天及阴天条件下WRF模式中几种边界层参数化方案的对比分析研究

利用WRF模式中5种常用边界层参数化方案（ACM2、YSU、BouLac、MYJ和MYNN2.5）及美国能源部大气辐射观测试验（ARM）寿县综合观测数据（2008年8-12月）,对比分析了晴天及阴天条件下,不同参数化方案对典型农田下垫面气象要素及边界层结构的模拟效果,结果表明：（1）模式对于云层状况的模拟,非局地方案ACM2和YSU方案优于局地方案.（2）对于近地层气象要素,晴天和阴天条件下均是ACM2方案对于2 m温度和比湿的模拟效果最好,MYJ方案对于风向风速的模拟效果最好.（3）对于位温及比湿垂直廓线的模拟,晴天和阴天条件下均是非局地方案（ACM2和YSU）对白天的模拟效果优于局地方案;ACM2方案对夜间弱稳定层结和逆湿结构的模拟最优;（4）对于风速垂直廓线的模拟,白天不稳定条件下,晴天条件MYJ方案最优,阴天MYNN2.5方案的模拟效果最好;夜间弱稳定条件下,晴天条件ACM2方案与观测值之间的偏差最小,阴天YSU方案模拟效果最好;（5）总体而言,在对典型农田下垫面进行模拟时,晴天和阴天条件下均是ACM2方案更具优势.

     

YSU边界层参数化方案中不同地形订正方法对地面风速及温度模拟的影响

为了修正中尺度气象模式WRF(Weather Research and Forecasting model)对低层风速模拟的系统性误差,有学者在新版本WRF模式的YSU(Yonsei University)边界层参数化方案中加入了两个地形订正方法:Jiménez方法和UW(University of Washington method)方法.本文利用这两个地形订正方法,选取了两个时间段,对北京地区的地面气象要素以及气象要素垂直廓线进行了个例模拟研究,模拟结果和观测数据的比对表明在北京地区:是否采用地形订正,对地面温度的模拟几乎没有影响;采用地形订正后,模式对地面风速的模拟有明显的改进,两种方法对风速模拟的差别主要体现在山/丘陵地区;Jiménez方法在山/丘陵地区的模拟风速明显偏大,而采用UW方法进行订正后,模拟的风速减小,更接近观测值;两种方法在山谷地区对风速均有一定的过度订正.通过分析气象要素的垂直廓线发现,不同地形订正方法主要影响的是2000 m以下的低层风速.总体而言,UW地形订正方法在北京地区更为适用,采用UW方法后,模拟得到的地面气象要素的各项统计参数基本达到了统计基准值.     

北京地区夏季城市气候趋势和环境效应的分析研究

本文利用1994～2003年北京市11个气象台站的7、8月夏季常规地面观测资料,并结合中国科学院大气物理研究所325m高铁塔观测资料,分析了近10年的城市化进程对北京市夏季城市气候造成的影响. 结果表明,各气象要素变化都突现了城市化进程的影响：(1)城区相对湿度较郊区明显偏小,呈现一“干岛”特征,且相对湿度呈逐年下降趋势;(2)降水方面,近10年来,北京市的夏季降水量逐年下降非常明显;(3)平均日蒸发量和日照时数城区大于郊区;(4)虽然城区能见度明显小于郊区,但总体来讲,1999年以后,北京地区的能见度趋好;(5)地温同样存在城市热岛现象;(6)北京地区35℃以上高温天数基本呈增多趋势,且城区高温天数明显多于郊区;(7)边界层强逆温的存在有利于城市夏季强热岛的出现.     

近地层参数化对海南岛海风降水模拟的影响

利用WRF模式探讨了两种近地层参数化方案（MM5方案和Eta方案）对2013年5月31日海南岛一次海风降水过程模拟的影响.结果表明,改变近地层方案可对当地的海风环流及相应的降水特征产生明显影响,两个试验最重要的差别主要体现在模拟的海风及降水的强度差异上,与MM5试验相比,Eta试验的低层海风及辐合程度更强,相应的降水也更强,表现为岛屿总格点降水量、大于10 mm的降水区域、最大格点降水三个量化指标均比较大.通过分析两种方案在不同降水阶段的地表通量及近地层变量场,发现Eta试验模拟的降水前环境场更有利于对流的启动,随着午后热力湍流的不断增强,将MM5方案替换为Eta方案可使近地层感热通量、潜热通量分别增加约3.57%、5.65%,动量通量减小约10.79%,感热、潜热的增加使Eta试验中近地层大气的加热加湿作用更加明显,相应的低层大气不稳定度更高,再配合海风锋前较强的辐合上升运动,局地不稳定能量的释放变的更加容易,因此降水强度更大.

     

Impacts of boundary layer parameterization schemes and air-sea coupling on WRF simulation of the East Asian summer monsoon

The planetary boundary layer(PBL)scheme in the regional climate model(RCM)has a significant impact on the interactions and exchanges of moisture,momentum,and energy between land,ocean,and atmosphere;however,its uncertainty will cause large systematic biases of RCM.Based on the four different PBL schemes(YSU,ACM2,Boulac,and MYJ)in Weather Research and Forecasting(WRF)model,the impacts of these schemes on the simulation of circulation and precipitation during the East Asian summer monsoon(EASM)are investigated.The simulated results of the two local turbulent kinetic energy(TKE)schemes,Boulac and MYJ,are more consistent with the observations than those in the two nonlocal closure schemes,YSU and ACM2.The former simulate more reasonable low-level southwesterly flow over East China and west pacific subtropical high(WPSH)than the latter.As to the modeling of summer monsoon precipitation,both the spatial distributions and temporal evolutions from Boulac and MYJ are also better than those in YSU and ACM2 schemes.In addition,through the comparison between YSU and Boulac experiments,the differences from the results of EASM simulation are more obvious over the oceanic area.In the experiments with the nonlocal schemes YSU and ACM2,the boundary layer mixing processes are much stronger,which lead to produce more sea surface latent heat flux and enhanced convection,and finally induce the overestimated precipitation and corresponding deviation of monsoon circulation.With the further study,it is found that the absence of air-sea interaction in WRF may amplify the biases caused by PBL scheme over the ocean.Consequently,there is a reduced latent heat flux over the sea surface and even more reasonable EASM simulation,if an ocean model coupled into WRF.     

污染天气下成都城市热岛环流结构的数值模拟

本文利用中尺度模式WRF V3.9对2016年7月16日成都一次污染天气下的城市热岛环流个例进行了数值模拟,分析了城市热岛环流的三维结构及演变特征.并通过设计减少气溶胶光学厚度的敏感性试验,研究了污染对城市热岛环流的可能影响.结果表明：当地时间17：00城市热岛环流开始形成.随着热岛强度增强,环流增强,城乡边界处的城市风锋不断向城市中心推进.19：00热岛环流结构最显著.21：00环流结构被破坏,仅低层存在微弱的乡村风.在热岛环流结构最显著时刻,近地面风场由郊区向城市辐合,地面以上2.0 km处风场由城市向乡村辐散,辐散中心与辐合中心位置大致对应.此时城市风锋在城市处合并,环流的水平尺度约为城市尺度的2~2.5倍.当气溶胶光学厚度减小后,城市热岛环流尺度和强度以减小为主.特别是在热岛环流最显著时刻,低层乡村风风速减小,城市风锋最大上升速度降低,环流的水平尺度在西、南、北三个方向均减小,且高空回流高度降低.可能的影响机制是,气溶胶光学厚度减小后,净辐射通量增大,城乡地表能量通量差异增大,城市边界层高度升高.但城市边界层高度升高对城市热岛的抑制作用超过了城乡地表能量通量差异增加对城市热岛的增强作用,最终造成城市热岛减弱,环流减弱.

     

南京城市化进程对大气边界层的影响研究

为了研究城市化进程对城市边界层结构的影响,通过高分辨率的卫星遥感资料获得土地利用类型,以及地表反照率、植被指数等地表参数,以南京为例,运用数值模拟手段进行了研究,结果显示这是一种可行的手段.数值模拟结果表明,随着城市的发展,城市反照率减小、植被减少、地表湿度减小,蒸发耗热减少,感热通量增加140 W/m2,城市波恩比增加.地表和大气之间热量交换加强,湍流热量通量增大了一倍,湍流交换发展加剧,14：00混合层高度抬高了500 m.地表湍流水汽通量和空气中水汽含量都减小,这也使更多的热量用于加热地表和大气,使地温、气温的日变化幅度增加.     

北京城市化对夏季大气边界层结构及 降水的月平均影响

为克服针对一次或几次天气过程研究城市化对边界层结构及降水影响的局限性,尝试研究北京城市化对夏季大气边界层结构及降水的月平均影响,本文首先总结了2006年8月份的主要天气过程,分析了气象站观测的10 m高度风速、2 m高度气温、2 m高度比湿和24 h降水的月平均分布特征,然后利用WRF/Noah/UCM模拟系统,进行了该月30个个例的高分辨率数值模拟及检验分析,并通过多组不同城市化情景的敏感性试验对比分析了城市化对夏季大气边界层结构及降水的月平均影响.研究表明:本文所用对高分辨率数值模拟结果进行月平均的方法可以较合理地模拟出城市化对大气边界层结构及降水的影响,并再现观测到的各站风频差异.8月份,北京城市化对气温的影响高度白天约为800 m,近地面气温升高1℃以上;夜间约为200 m,对近地面气温的影响达到最大(1.4℃以上).白天,城市化使城市及下风向的一些区域风速略有减小;夜间,城市及周边区域200 m以下风速明显减小,且在100 m左右高度处风速减小最明显,减小达0.8 m/s以上.城市化白天使700 m以下比湿减小,近地面处减小达1.2g/kg以上,夜间使近地面空气比湿略有减小.城市化对城市区域平均降水量的影响随城市发展的不同阶段而不同.初步模拟分析表明, 北京城市化已使上风向区域以及城区三环以内降水量减少,海淀和昌平降水明显增加.     

城市热岛效应和气溶胶浓度的动力、热力学分析

在能量平衡方程中引入气溶胶的吸收和散射作用,并与三维行星边界层运动方程组相耦合,根据温度分布显式求解运动场,探讨三维行星边界层内温度、运动、气溶胶浓度分布特征.结果表明,城市人为热释放直接决定了城市热岛效应的强度,城市面积越大,城市热岛效应的强度也越强,城市面积固定时,城市越分散,城市热岛效应的强度越弱,这为城市建设多采取卫星城的方式提供了一定的理论支撑.气溶胶的散射作用要大于吸收作用,其对城市热岛效应的强度主要起削弱作用,当气溶胶浓度较大时,吸收作用更显著一些,此时城市热岛效应的强度会有一定的增强,但是幅度不大.当城市热岛效应的强度增强时,其所驱动的环流也会增强,造成城区中心气溶胶浓度略有下降.