成都市精细化数值模式研究及试验

本文在引入成都市精细化下垫面资料后将G rapes与城市冠层方案相耦合,并在此基础上进行数值试验。初步试验结果表明:该耦合模式能基本表现城市冠层的特征的作用,即能够较好地模拟出城市热岛效应。城市冠层参数化方案及精细化下垫面资料的引入能够影响陆气之间的相互作用,改变大气的能量平衡,致使向上长波辐射增强,感热通量增加,潜热通量减少。城市化效应白天对边界层大气的增温作用还会影响低层大气的层结结构,使之在午后产生弱的上升运动。     

多层城市冠层模式的建立及数值试验研究

为在城市气象数值模拟中更好地体现由城市发展引起的下垫面土地利用改变及人为活动对大气过程的影响,建立了基于建筑物三维分布的多层城市冠层模式,冠层内动力方程组考虑了建筑物冠层拖曳力的作用及雷诺应力的影响,通过引入建筑物宽度、间距以及垂直分布密度指数等建筑物形态特征参数,以更好地体现城市复杂地表对大气温度、湿度及动量方程的影响.同时,该模式分屋顶、4个侧壤及地面分别考虑辐射及能量平衡求解表面温度,计算各表面与大气的通量交换,并考虑辐射阴影效应、冠层内部各个面之间的可视因子、以及与冠层内建筑物密度指数、可视因子等相关的多重反射辐射导致的辐射截陷作用.模式的离线检验结果表明:(1)冠层模式计算风廓线与风洞实验测量数据吻合良好;(2)离线冠层模式能够模拟实际小区的风速、温度垂直廓线,并能够较好地体现小区内气温日变化.冠层模式与区域边界层模式耦合检验结果表明:(1)耦合模拟的近地面(2 m处)气温及地表温度的结果明显优于传统的水泥平板方案,尤其是在夜间,水泥平板方案与实测气温最大偏差4 K左右,耦合模拟方案为1-2 K;(2)耦合模拟方案考虑了建筑物对冠层之上的拖曳力影响以及建筑物形态结构对雷诺应力的影响,风速(10 m处)计算结果与观测值相差约在1 m/s,水泥平板方案偏差3 m/s左右.     

城市下垫面对河谷城市兰州冬季热岛效应及边界层结构的影响

利用中尺度数值模式WRF耦合单层城市冠层模块UCM,引入2005年MODIS土地利用类型资料,在对2005年1月25—28日兰州市热岛现象进行高分辨率数值模拟的基础上,设计了去除城市下垫面敏感性试验,探讨了城市下垫面对城市边界层的影响程度。结果表明,城市下垫面能使近地层大气温度升高而风速减小,并且,在夜间表现更明显。由城市热岛强度日变化分析可知,城市下垫面对兰州市热岛强度的贡献率为44%。夜间,城市上空200 m以下的近地层大气保持了白天的混合层特征,热岛环流的上升运动促进了山风环流,使得上升气流到达地面以上600 m左右;白天,由于山峰加热效应,城市上空400—600 m存在一个脱地逆温层,城市热岛环流使得11—15时（北京时）市区近地层出现弱上升气流,抑制了谷风环流的形成及发展。城市下垫面的低反照率特性和建筑物的多次反射作用导致城市下垫面的净辐射通量大于非城市下垫面;城市下垫面由于建筑材料的不透水性,导致潜热通量远小于感热通量,而储热项所占比重明显增大。     

郑州地区城市化对一次暴雨过程影响的模拟研究

近年来郑州地区城市化迅速发展,为分析郑州地区城市下垫面扩张对天气过程,特别是暴雨过程的影响,本文利用城市冠层模式(UCM)与WRF3.7模式耦合对2017年5月22日的暴雨过程进行模拟研究。通过改变模式下垫面,设计3组敏感性试验,分别是原始USGS下垫面(方案1),郑州市内5区改为城市(方案2),郑州市行政区范围内都改成城市(方案3)。结果表明,WRF模式能够较好地模拟出这次暴雨的时空分布特征,总体上城市下垫面扩张增强了此次暴雨过程在郑州地区的降水,但对降水的影响分布不均,对城市中心及其上风方向的巩义、荥阳地区的影响更为明显。郑州地区城市化使得城市区域感热通量增加,边界层高度升高,垂直速度增强,有利于城市边界层大气中不稳定能量的积聚,有助于强降水的发生发展。同时,城市下垫面扩张使得城区水汽蒸发减少,潜热通量降低,影响水汽通量的分布,部分地区的水汽条件变差,不利于降水的发生发展。     

成都精细下垫面信息对城市气象影响的模拟试验

为了提高成都市精细化天气预报水平,使用成都地区精细下垫面土地利用资料,在WRF中耦合了单层城市冠层模式,对2008年7月6 日晴空背景下的成都城市气象特征进行了模拟,并和使用旧土地利用资料、slab模式的模拟结果进行了对比分析.模拟结果表明城区因为不透水下垫面的增加,使得地表蒸发和地表水汽通量显著减小,潜热通量减小,感...     

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。     

城市效应对登陆热带气旋妮妲降水影响的模拟

运用中尺度数值模式WRF耦合城市冠层模式（urban canopy model,UCM）,对2016年登陆深圳的热带气旋妮妲（1604）（以下简称妮妲）进行数值模拟。高分辨率数值模拟较好地再现了妮妲登陆前后的强度、路径和累积降水。利用城市化过程当中城市冠层对热带气旋降水的敏感性试验结果表明:城市冠层会减弱对流运动和水汽的输送,导致热带气旋登陆后珠江口城市群区域累积降水量略减少。应用最新的土地利用资料进行的城市下垫面敏感性试验结果表明:由于城市下垫面粗糙度增加,造成登陆地面风的减速,强度减弱,潜热通量与2 m高度比湿相应减小;城市下垫面粗糙度增加会加强该区域垂直对流运动以及不稳定能量增加,有利于降水增强,尤其在城市化下垫面处,热带气旋登陆后6 h累积降水增加量最大可超过20 mm。总体而言,对登陆热带气旋降水而言,耦合城市冠层使城市区域热带气旋降水减少,但在数值模拟中城市冠层影响作用不显著。城市化下垫面对登陆热带气旋暴雨的增幅作用明显,在登陆热带气旋降水预报中应重视。     

城市冠层上下大气湍流特征分析

利用兰州市榆中县城市冠层架设的3台涡动相关仪(EC)观测大气湍流资料,分析了城市冠层上下不同下垫面湍流通量和不同风向范围内湍流动能变化特征,之后对城市冠层上下3台EC观测湍流动能最小、最大分布方向上分别对应的最小最大湍流动能的风速谱进行了研究,进一步检验了局地相似理论在城市冠层上下的适用性。结果表明:(1)城市冠层之上水泥、砖石等构成下垫面和城市冠层之内草坪下垫面观测感热通量、摩擦速度较为接近,观测潜热通量、CO2通量在白天差异明显。(2)城市冠层之上的湍流动能总体上大于冠层之内,冠层之上气流来向的上风向较为开阔时湍流动能较大,而冠层之内气流来向的上风向为街道口时湍流动能较大。(3)城市冠层之上的湍涡尺度大于冠层之内,城市冠层小尺度湍涡风速谱在惯性副区基本符合-2/3次方关系,且准各向同性,大尺度湍涡风速谱在惯性副区不符合-2/3次方关系,且各向异性。(4)不稳定层结下,城市冠层上下无量纲速度方差与稳定度基本满足1/3次方局地相似关系,稳定层结下不满足;城市冠层上下无量纲温度、湿度、CO2浓度方差在所有层结下均不满足-1/3次方局地相似关系。(5)近中性层结下,城市冠层上下u、v、w方向无量纲速度方差分别为3.52,3.03,1.49和2.62,2.22,1.50。     

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。     

西安一次夜间异常增温过程的数值模拟及诊断

利用WRF及其耦合单层城市冠层模式(UCM,Urban Canopy Model),对2012年12月4日夜间西安地区温度异常演变的天气过程进行模拟分析。结果表明,耦合了城市冠层模式的WRF系统能够较好地模拟出西安夜间温度异常升高的局地性特征,考虑了精细化下垫面分类模拟的逐时温度演变更接近实况,平均绝对误差小。天气系统与地处秦岭北麓关中平原的特殊地形是引起西安地区夜间出现温度不降反增的主要原因。首先表现在西北路冷空气推动锋前暖空气从高海拔地区到达关中平原引起的下沉增温效应;其次受秦岭地形阻挡的影响,西安地区近地层锋前的暖空气被急剧压缩出现短暂升温。城区地表温度存在显著的热岛效应,由于城区不透水下垫面的扩大,使得城区地表的水汽通量显著减小,感热通量增大,潜热通量减小,西安城区夜间气温异常升高幅度较其它区县明显偏大。