城市建筑物对边界层结构影响的数值试验研究

在区域边界层模式的数值模拟中引入建筑物的影响,与实际观测的对比表明,模拟结果能较好地体现建筑物对城市风场的影响,提高了模拟性能。本研究根据城市形态特征,设计不同建筑物高度和密度的敏感性试验,结果表明:建筑物一般会使城市地区风速减小,风速最大可减小1.6 m/s,易引起低层气流的辐合。湍流动能中的机械产生作用增加,湍流交换加强,大气层结的不稳定性增大,混合层高度增加。地表和大气之间动量交换被削弱;日间热量交换减弱,夜间热量交换增强。这些变化表明,建筑物对城市气流及边界层结构的影响十分明显,尤其在风速较大的时候。     

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.     

夏季北京城市大气边界层湍流通量的塔层观测

利用2003年8月13～26日期间中国科学院大气物理研究所大气边界层气象塔47、120和280 m 3层高度上三维风速和温度脉动的观测资料,结合涡动相关方法,分析了夏季北京市城市下垫面的动量和感热等湍流通量。结果表明：3层高度上动量通量和感热通量的日变化彼此非常接近, 且3层高度上最大感热通量达到200～250 W·m-2。观测期间盛行南风,120 m高度的水平风速小于10 m·s-1。同时分析了由慢响应传感器采集的15个高度上的气温和8个高度上的相对湿度。结果表明：受地表加热影响,320 m高度上气温和相对湿度的日变化非常显著。不同高度上动量通量和感热通量的比较表明：城市下垫面的空气动力不均匀性比热力不均匀性显著。用廓线法计算了32和65 m高度之间的湍流通量,结果表明：1）夏季晴好天气情况下,北京城市下垫面能量输送以感热为主;2）由廓线法计算得到的动量通量、感热通量和由涡动相关法直接测量结果相近。此外还初步讨论了大气边界层温度、湿度垂直廓线随时间的演变。     

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。     

利用大涡模拟分析地表加热和动力作用对边界层结构的影响

大气边界层结构影响地气间物质能量交换、污染物扩散及人类健康。边界层结构受地表加热和动力作用影响显著,但实际观测中难以分离每种因素的影响,造成边界层结构和大气湍流参数化的困难。为此,利用中尺度天气模式WRF中的大涡模块WRF-LES,设置控制试验（Test1）,地表热通量试验（Test2）、低层风切变试验（Test3）、地表粗糙度试验（Test4）及同时改变上述变量的试验（Test5）,研究地表加热、低层风切变和地表粗糙度对平坦下垫面条件下的边界层结构的影响。模拟结果表明：（1）地表加热增强5倍使边界层升温,对流增强,夹卷层厚度增加120.8%,全边界层湍流动能增加45.7%,热力和动力边界层高度分别增大28.3%和29.9%。强烈的垂直混合作用有利于动量向下传递,使风速在边界层低层增大、中上层减小。（2）低层风切变增大0.5倍,使得热力和动力边界层高度分别增大11.9%和降低6%,夹卷层厚度增大31.2%,全边界层湍流动能增大25.7%。（3）粗糙度增加4倍,对湍流动能的影响主要集中在低层,动力边界层高度变化较小,但摩擦损耗作用使动力边界层内风速减小;同时,增加了边界层顶附近的夹卷作用...     

太原城市下垫面扩张对边界层特征影响的个例研究

通过高分辨率卫星夜间灯光数据获取最新的城市地表分布,并利用高分辨率数值模式对2013年8月14~16日太原区域的一次高温过程进行研究,探讨城市下垫面扩张对大气边界层的影响。结果表明：基于DMSP/OLS夜间灯光数据对模式中地表参数修正后,能够更准确地反映太原主城区和高速公路沿线小规模建筑群的扩张,有效改善了模式的预报性能,显著提高对近地面气温、地表温度的预报能力。城市下垫面的扩张,使城区夜间升温明显,热岛强度增强。与1992年的城市化状况相比,晴空天气条件下,2012年太原城区夜间气温上升5℃,热岛强度升高2~3℃。城市下垫面扩张,改变了地表能量分配关系,使得地表感热传输明显加强,潜热通量明显减弱,城市冠层作用下的储热能力增强。边界层内部湍流交换、水汽输送等的进一步研究表明：城市地表水汽输送减弱,边界层水汽含量减少,2~4 km高度的水汽含量增加,湍流动能的影响高度增高,湍流混合加剧;14：00,城区边界层高度抬高了800 m,城市上空混合层加深,持续时间更长。     

精细的城市边界层模拟中热力粗糙度引入的初步研究

运用南京大学城市尺度边界层模式（UBLM）以100 m水平网格距的精细高分辨率，诊断分析小规模城市（水平范围在一二十公里）的气象环境与边界层结构。就高分辨率精细模拟分析研究了两个问题:（1）在模式中引入热力粗糙度，就引入热力粗糙度前后的模拟结果与实测结果进行对比，结果表明引入后的模拟结果与自动气象站的观测结果吻合较好，能够很好地反映出地面气温的日变化规律。冬季，白天不引入热力粗糙度比引入热力粗糙度会高估小规模城市地区感热通量约60 W/m2，而对乡间农作物地区约10 W/m2。（2）以四种不同水平网格距对同一下垫面及气象条件进行诊断分析，结果表明以100 m网格距精细模拟效果明显优于以较大网格距进行的模拟效果。以这样的精细高分辨率模式所获模拟结果分析了小规模城市的边界层特征，表明:冬季白天和夜间小规模城市与乡村气温差分别为0.8℃和0.6℃；风速明显低于乡村地区；湍能高于乡村地区，白天和夜间湍能一般为乡村的3倍左右；白天混合层发展较乡村迅速，且高度高于乡村地区。这样的特征在当今城市规划布局工作中，为特大型城市的卫星城市的建设规划提供了有益的科学实验依据。模拟效果表明以如此高的水平分辨率实施的模式和模拟是可行和有意义的。     

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...     

中国西北干旱区戈壁下垫面夏季的热力输送

以敦煌戈壁站2004年6月和2008年8月的常规观测和超声观测为例,分析了西北干旱区戈壁下垫面夏季热力输送的一般过程及特征。首先评价了湍流通量的观测质量以及仪器观测的地表能量通量闭合问题,结果表明敦煌戈壁站的观测在白天总体较好。夏季地表能量通量的平均日变化显示,潜热通量整天都很小,可以忽略,白天到达地表的短波辐射以及地表向上的长波辐射非常强,地表净辐射主要转化为感热输送（敦煌戈壁站在中午时平均分别达380W·m-2以上和250W·m-2以上）;夜间土壤释放热量以平衡地表的辐射冷却,感热通量略低于0。白天时地表大气经常触发自由对流活动,影响动量通量的观测质量,并有效输送地表热力至上层大气中,有助于形成超厚大气边界层。分析了戈壁下垫面的动量粗糙度特征和热力粗糙度特征（敦煌戈壁站动量粗糙度约为0．6mm）,热力粗糙度基本小于动量粗糙度一个量级,这符合目前对干旱区戈壁下垫面热力输送特征的初步认识。     

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.     

Study on Effects of Building Morphology on Urban Boundary Layer Using an Urban Canopy Model

An urban canopy model is incorporated into the Nanjing University Regional Boundary Layer Model. Temperature simulated by the urban canopy model is in better agreement with the observation, especially in the night time, than that simulated by the traditional slab model. The coupled model is used to study the effects of building morphology on urban boundary layer and meteorological environment by changing urban area, building height, and building density.It is found that when the urban area is expanded, the urban boundary layer heat flux, thermal turbulence, and the turbulent momentum flux and kinetic energy all increase or enhance, causing the surface air temperature to rise up. The stability of urban atmospheric stratification is affected to different extent at different times of the day.When the building height goes up, the aerodynamic roughness height, zero plane displacement height of urban area, and ratio of building height to street width all increase. Therefore, the increase in building height results in the decrease of the surface heat flux, urban surface temperature, mean wind speed, and turbulent kinetic energy in daytime. While at night, as more heat storage is released by higher buildings, thermal turbulence is more active and surface heat flux increases, leading to a higher urban temperature.As the building density increases, the aerodynamic roughness height of urban area decreases, and the effect of urban canopy on radiation strengthens. The increase of building density results in the decrease in urban surface heat flux, momentum flux, and air temperature, the increase in mean wind speed, and the weakening of turbulence in the daytime. While at night, the urban temperature increases due to the release of more heat storage.     

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。     

城市街区形态及冷却屋顶对冠层内辐射热通量的影响

在当前中国城市化进程愈演愈烈的情形下,城市热岛冷却效应的研究对于确立城市生态环境可持续化发展的正确途径等有重要意义。采用离线城市冠层模型分析了城市冠层中街区形态和屋顶材料的变化对辐射热量、表面温度及冠层内气温的影响。研究发现:建筑物高度、宽度以及街道宽度等参数的改变对冠层各表面温度的影响较大,当街道宽度增加3 m时,地面温度升高约3.5 K。但是街道宽度增加,多重反射导致的辐射截陷效应减弱,墙面上更多的热量释放出去,各墙面温度降低约1.5 K;冠层气温先增加,日出后降低约0.4 K。屋顶材料的改变对辐射及热通量和表面温度也有较大影响,与灰色水泥屋顶相比,采用高反照率白色涂料冷却屋顶后,屋顶净辐射热量损失约380 W m-2,屋顶表面温度降低约10 K。冠层内街区形态和屋顶材料对城市辐射热环境产生直接的影响。     

Impact of Eddy Characteristics on Turbulent Heat and Momentum Fluxes in the Urban Roughness Sublayer

Eddy-covariance observations above the densely built-up Centre of Nanjing were made from December 2011 to August 2012. Separate eddy-covariance systems installed at two levels on a 36-m tower located on a rooftop were operated simultaneously, and observations grouped into two sectors (A, B) according to the prevalent wind directions. For sector A, where the nearby buildings are all below the lower measurement level, the sensible heat and momentum fluxes are generally greater at the upper level. For sector B, where several high-rise buildings are located upwind, the sensible heat and momentum fluxes at the upper level are close to those at the lower level. The analysis shows that the turbulent eddy characteristics differ between the two wind sectors, leading to a different behaviour of turbulent exchange between the two levels. A hypothesis is proposed that addresses the vertical variation of turbulent fluxes in the urban roughness sublayer (RSL). For sector A, the buildings block the flow, change the trajectory of scalars, and distort the footprint of scalar fluxes; this ‘blocking effect’ is believed to lead to a smaller sensible heat flux above the canopy layer. Such an effect should decrease with height in the RSL, explaining the increase of the observed turbulent heat flux with height. In addition, the presence of non-uniform building heights adversely affects turbulence organization around the canopy top, and likely elevates the inflection point of the mean flow to a higher elevation close to the upper measurement level, where larger shear results in a larger momentum flux. For sector B, wake effects from the nearby high-rise buildings strongly reduce turbulence organization at higher elevations, leading to similar sensible heat and momentum fluxes at both measurement levels.     

Evaluation of the Urban Tile in MOSES using Surface Energy Balance Observations

The UK Met Office has introduced a new scheme for its urban tile in MOSES 2.2 (Met Office Surface Exchange Scheme version 2.2), which is currently implemented within the operational Met Office weather forecasting model. Here, the performance of the urban tile is evaluated in two urban areas: the historic core of downtown Mexico City and a light industrial site in Vancouver, Canada. The sites differ in terms of building structures and mean building heights. In both cases vegetation cover is less than 5%. The evaluation is based on surface energy balance flux measurements conducted at approximately the blending height, which is the location where the surface scheme passes flux data into the atmospheric model. At both sites, MOSES 2.2 correctly simulates the net radiation, but there are discrepancies in the partitioning of turbulent and storage heat fluxes between predicted and observed values. Of the turbulent fluxes, latent heat fluxes were underpredicted by about one order of magnitude. Multiple model runs revealed MOSES 2.2 to be sensitive to changes in the canopy heat storage and in the ratio between the aerodynamic roughness length and that for heat transfer (temperature). Model performance was optimum with heat capacity values smaller than those generally considered for these sites. The results suggest that the current scheme is probably too simple, and that improvements may be obtained by increasing the complexity of the model.