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.     

城市群落大气污染源影响的空间结构及尺度特征

以迅速发展的城市群落-北京及周边区域为样本, 利用2003年冬季(2月)、夏季(8月)北京城市大气环境现场科学试验(BECAPEX, Beijing City Air Pollution Observation Experiment)建筑群边界层大气污染动力-化学过程观测资料以及相关的气象要素、卫星反演气溶胶光学厚度等综合资料, 进行“点-面”空间结构动力-统计合成分析, 剖析北京大城市及周边区域大气污染影响域的空间结构及多尺度特征. 结果表明, 冬、夏季不同污染排放源对大气污染成分特征的贡献率具有显著差异, 统计模型主成分分析结果亦表明, 冬季气溶胶颗粒物成分结构以SO2和NOx影响为主; 夏季粒子成分结构则以CO, NOx影响为主. 冬、夏季北京城区不同方位测点近地层大气动力、热力结构及建筑群上边界各类污染物种均具有“同位相”变化及其“影响域”空间尺度特征. 功率谱分析发现冬、夏季颗粒物浓度和大气风场动力结构的周期谱相吻合, 冬季以长周期为主, 夏季则多为短周期, 揭示出冬、夏季大气环流季节性尺度特征对大气污染变化周期特征的影响效应. 分析城市区域热力非均匀性特征, 可发现北京地区热岛多尺度效应与高层建筑群面积非均匀扩展特征存在相关关系. 城市大气动力、热力特征空间结构中城市边界层群筑群湍流尺度特征对城市大气污染多尺度特征具有重要影响. 晴空、稳定天气条件下MODIS气溶胶变分订正分析场和污染源追踪相关合成风矢场综合分析模型均表明, 冬季北京大气污染气溶胶颗粒物的排放源可远距离追溯到北京南部周边的河北、山东及天津等地更大尺度空间范围, 气溶胶指数高值区与北京及周边地区居民户数高值区(采暖面源)空间分布存在关联. 冬、夏季空气质点后向轨迹特征呈类似上述多尺度特征, 且描述出不同季节污染源空间分布的尺度特征差异, 城区大气污染周边源轨迹路径主体来自城市近郊固定工业面源或采暖面源, 且冬季周边污染源扩散输送距离较夏季呈更远的空间尺度, 上述结论描述出城市区域大气污染源影响和大气动力结构引起的多尺度空间影响域及季节性特征. 冬季TOMS气溶胶光学厚度高值区域位于北京地区并向南延伸, 且呈南北向带状分布, 可描述出周边地形分布对区域尺度大气污染源扩散的动力影响效应. 研究分析表明: 北京周边大地形“谷地”内冬季污染程度与南部周边地区的污染排放源密切相关; 北京及周边地区冬季的气溶胶光学厚度和日照时数的“反位相”变化特征显著, 冬季云量、雾日数与气溶胶呈区域尺度相关特征, 反映了该区域尺度气溶胶影响的局地气候效应. 另外, 流域面尺度的大气干、湿沉降分布对密云水库区域尺度空间水体的影响分析亦反映了夏季水、土、气多圈层污染源影响多尺度空间结构对密云水库水质影响的可能性.     

京津冀地区大气局地环流耦合效应的数值模拟

应用中尺度非静力模式MM5.V3, 采用三层双向嵌套技术, 模拟了京津冀地区不同季节温度场和风速场等边界层特征量及其变化特征. 模拟结果表明: (1) 在弱天气系统控制下, 该地区大气边界层中可同时存在海陆风、山谷风和“城市热岛”环流, 同时三者还存在明显的耦合效应; (2) 海陆风环流极盛时可深入陆地200 km左右, 山谷风环流的影响最大可覆盖北京区域内的平原地区, 而“城市热岛”环流则发生在城市中心几十公里范围内, 并对前两个环流起明显的削弱作用; (3) 三者的演化均存在日变化特征, 且前两者的相位相差约6 h左右; (4) 上述三种环流的耦合结果使一年内京津冀地区边界层环流形势大致可分成春夏型与秋冬型, 在一天内又可分为凌晨至上午的平原风和下午至深夜的山地风; (5) 上述三种环流的耦合在该地区西北部山地与平原的交接地带形成一条大致沿地形等高线走向的风场辐合带, 即所谓的污染物汇聚带. 这条水平风辐合带几乎常年存在, 其下端一直向西南方向延伸直到和另一条平行于太行山走向的水平风辐合带汇合, 从而对北京地区大气污染物的积聚与输运可能产生重要影响.     

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.     

气溶胶辐射效应对城市边界层影响的数值模拟研究

近年来,伴随污染和城市化进程的加剧,气溶胶辐射效应对城市边界层的影响日益显著.文章以北京地区一次冬季污染过程为例,采用中尺度数值预报模式,在优化辐射方案中气溶胶垂直廓线的基础上验证了模式的有效性,分析了气溶胶对辐射和边界层的影响过程,最后通过敏感性试验探究了气溶胶、城市化和气象要素间的相互关系.结果表明:(1)优化后的模式可以较好地模拟北京地区温度场、湿度场、风场的分布特征.(2)气溶胶在大气中通过削减到达地面的入射短波辐射使地表温度降低,通过对辐射的吸收或后向散射作用,使高层温度升高,温度场的变化使层结稳定性增强,从而减少近地层的能量输送,使边界层高度下降.(3)随着气溶胶光学厚度的增加,乡村地区最易变为稳定层结,郊区较易变为稳定层结,城区最难变为稳定层结,且气溶胶辐射效应、城市下垫面以及二者的共同作用是影响城市边界层气象要素变化的主要原因.     

北京城市化进程对城市热岛的影响研究

利用1971～2000年北京20个气象观测站逐日４个时次（02:00、08:00、14:00、20:00）的温度资料,选取具有代表性的城区和郊区多个站点的平均值对北京城市化进程对城市热岛效应的影响、城市热岛强度的日变化和长期变化进行了研究.分析结果指出：（1）北京城市热岛强度和总人口对数呈线性相关关系,其长期变化相关系数为076;（2）北京城市建成区的范围与城市热岛影响范围呈同步变化趋势;(3)不同时次城市热岛强度的长期变化指出,北京城市热岛强度以平均每10年022℃的速率加剧,其中1999年北京热岛强度达113℃（夜间,02:00）;(4)夜间热岛强度明显大于日间.就10年平均而言, 20世纪80年代和90年代夜戒热岛强度均超过05℃;(5)一天4个时次热岛强度的季节变化趋势基本一致,均表现为冬季强、夏季弱.并且,夜间02:00时热岛最强,中午14:00时热岛最弱.     

华北典型污染地区多轴差分吸收光谱技术的气溶胶反演研究

基于华北典型污染地区的地基多轴差分吸收光谱仪（MAX-DOAS）近4年的观测数据,利用最优估计算法和LIDORT辐射传输模式反演了该区域气溶胶的消光系数垂直廓线和光学厚度（AOD）.MAX-DOAS观测反演的AOD与全球气溶胶观测网络同波段在华北地区的AOD间具有很好的一致性,相关系数都在0.9以上,证明MAX-DOAS具备对华北污染区域气溶胶光学厚度和消光系数垂直廓线的反演能力.AOD的反演误差表现为冬季最大,春夏最小,早晚大于正午,这是因为冬季以及早晚太阳天顶角较大导致信噪比偏小,所以AOD反演误差偏大.反演廓线表明该区域气溶胶主要集中在1 km以下的边界层,浓度随高度呈指数递减,部分情况下峰值出现在300 m处;气溶胶光学厚度夏季最大,冬季最小,正午较大,早晚较小.在东风条件下浓度最高,表明东边（即重工业城市唐山方向）的输送对香河和周边区域的气溶胶积聚有重要贡献.     

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/m2,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.     

有限区域分解分析方法在2006年一次东北冷涡暴雨分析中的应用

2006年7月19-24日,东北地区出现一次明显的冷涡发展导致强降水的过程.对这次东北冷涡过程的天气形势分析表明,该东北冷涡的维持和发展与冷涡东部阻塞高压的建立与消亡有关.本文根据500 hPa环流形势演变特征,将东北冷涡发生发展过程分为4个阶段,并借助调和-余弦谱展开方法,对东北冷涡各阶段850 hPa水平风和水汽通量进行无辐散和无旋转分量分解,分析各阶段无旋转风动能和无辐散风动能之间的能量转化.研究结果表明,分解得到的无辐散风及其水汽通量清楚地展现出了东北冷涡的大尺度环流和水汽输送通道及水汽来源,而从无旋转风及其水汽通量上则可以直观地看到冷涡低层的中小尺度风场及水汽辐合辐散区,为分析东北冷涡内部对流提供帮助.东北冷涡发展的不同阶段其水汽来源有所不同,初始阶段的水汽主要来自黄海和渤海地区,发展阶段水汽主要来自日本海,而到成熟阶段和减弱阶段,水汽输送通道被破坏,冷涡的水汽供应大大减少,与同时期暴雨减弱一致.同时,无旋转风辐合强值区和无旋转风水汽通量大值区的重合区域有利于强对流的发生发展,表现为重合区与TBB(Temperature of Black Body,黑体辐射温度)强对流云带的形状和位置对应良好,与降水落区也较为一致,可为预报东北冷涡引发的强降水落区这一预报难点问题提供参考.从动能转化上看,无旋转风和无辐散风的动能转化项能很好地反映东北冷涡整个生命史过程中各阶段强度的变化特点,对冷涡强度预报具有一定的指示意义.     

北京城市热岛“尺度”变化与城市发展

用北京地区20个气象观测站、1960~2000年的温度资料研究了北京城市热岛的季节变化, 年际变化, 进而用北京的城市化指数, 讨论了它与热岛强度与尺度范围变化之间的关系, 得到如下几点结论: (i) 北京城市热岛存在明显的季节变化, 其中以冬季为最强, 春、秋季次之, 夏季为最小, 城市热岛的季节变化主要发生在市区, 冬季市中心的温度在0.8℃以上, 夏季只有0.5℃. (ii) 北京城市热岛强度具有清楚年际增温, 年平均热岛强度的增温率为0.3088℃/10a, 其中冬季的增温率最大, 春、秋季次之, 夏季为最小, 热岛强度的增加主要由市区的温度上升引起的. (iii) 改革开放以来, 城市化指数成几十倍乃至百倍的增长, 热岛强度也出现了跃变式的增加, 且随城市建筑群扩大, 热岛“尺度”范围亦显著扩大. (iv) 城市化指数的年际变化与城市热岛强度的年际变化非常相似, 具有良好的线性关系, 它们与热岛强度之间的相关系数都已超过了0.1%信度.     

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.     

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.     

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10mm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.     

巢湖对冬季陆面辐射和热量过程的影响

从物理气候学的观点出发,分析了湖泊对水体和陆地辐射平衡和热量平衡各分量的影响。以巢湖地区冬季观测资料为例,揭示了在晴稳天气湖陆风环流对陆面显热输送的影响,以及在冷平流天气,湖泊对上下风方陆面显热输送的影响。     

Spatial structure and scale feature of the atmospheric pollution source impact of city agglomeration

The spatial structure and multi-scale feature of the atmospheric pollution influence domain of Beijing and its peripheral areas (a rapidly developed city agglomeration) is dissected and analyzed in this paper on the basis of the atmospheric pollution dynamic-chemical process observation data of the urban building ensemble boundary layer of the Beijing City Air Pollution Observation Experiment (BECAPEX) in winter (February) and summer (August) 2003, and relevant meteorological elements and satellite retrieval aerosol optical depth (AOD), etc. comprehensive data with the dynamic-statistical integrated analysis of "point-surface" spatial structure. Results show that there existed significant difference in the contribution of winter/summer different pollution emission sources to the component character of atmospheric pollution, and the principal component analysis (PCA) results of statistical model also indicate that SO2 and NOX dominated in the component structure of winter aerosol particle; instead, CO and NOX dominated in summer. Surface layer atmospheric dynamic and thermal structures and various pollutant species at the upper boundary of building ensembles at urban different observational sites of Beijing in winter and summer showed an "in-phase" variation and its spatial scale feature of "influence domain". The power spectrum analysis (PSA) shows that the period spectrum of winter/summer particle concentration accorded with those of atmospheric wind field: the longer period was dominative in winter, but the shorter period in summer, revealing the impact of the seasonal scale feature of winter/summer atmospheric general circulation on the period of atmospheric pollution variations. It is found that from analyzing urban area thermal heterogeneity that the multiscale effect of Beijing region urban heat island (UHI) was associated with the heterogeneous expansion of tall buildings area. In urban atmospheric dynamical and thermal characteristic spatial structures, the turbulent scale feature of the urban boundary layer (UBL) of architectural complexes had important impact on the multi-scale feature of urban atmospheric pollution. The comprehensive analyses of the variational analysis field of Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) AOD-surface PM10 under the condition of clear sky and the correlation resultant wind vector field for pollution source-tracing suggest that the emission sources for winter Beijing atmospheric pollution aerosols particle might be remotely traced to the south peripheral greater-scale spatial range of Hebei, Shandong, Tianjin, etc., and the spatial distribution of the high value area of AOD was associated with that of the high value area of resident family number (heating surface source). The backward trajectory feature of winter/ summer air particles exhibits analogous multi-scale feature, and depicts the difference in the scale feature of the pollution sources spatial distribution in different seasons. The peripheral source trajectory paths of urban atmospheric pollution (UAP) mainly come from the fixed industrial surface source or heating surface source in the outskirt of Beijing, and the diffusion and transport distance of peripheral sources in winter is larger than one in summer. The above conclusions depict the multi-scale spatial influence domain and seasonal features caused by UAP source influence and atmospheric dynamical structure. The high value area of the winter Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS) AOD lay in the Beijing region and its south peripheral area, an S-N zonal pattern, which reflects the dynamical effect of peripheral topographic pattern on the diffusion of regional scale atmospheric pollution sources. Study suggests that the extent of winter atmospheric pollution within the "valley" megarelief in Beijing and periphery was close related with the pollution emission sources of the south peripheral area; and the significant "anti-phase" variation feature of winter AOD and sunshine duration in Beijing and its peripheral areas, and regional scale correlation of low cloud cover, fog days, and aerosols reflects the local climatic effect of aerosol influence in this region. Besides, analysis of the impacts of atmospheric dry/wet deposition distributions within a valley-scale on the regional water body of Miyun reservoir also reveals the possible influence of the multi-scale spatial structure of summer water, soil and atmospheric pollution sources on the water quality of Miyun reservoir.     

Evapotranspiration estimation considering anthropogenic heat based on remote sensing in urban area

Urbanization influences hydrologic cycle significantly on local, regional even global scale. With urbanization the water resources demand for dense population sharpened, thus it is a great challenge to ensure water supply for some metropolises such as Beijing. Urban area is traditionally considered as the area with lower evapotranspiration (ET) on account of the impervious surface and the lower wind speed. For most remote sensing models, the ET, defined as latent heat in energy budget, is estimated as the difference between net radiation and sensible heat. The sensible heat is generally higher in urban area due to the high surface temperature caused by heat island, therefore the latent heat (i.e. the ET) in urban area is lower than that in other region. We estimated water consumption from 2003 to 2012 in Beijing based on water balance method and found that the annual mean ET in urban area was about 654 mm. However, using Surface Energy Balance System (SEBS) model, the annual mean ET in urban area was only 348 mm. We attributed this inconsistence to the impact of anthropogenic heat and quantified this impact on the basis of the night-light maps. Therefore, a new model SEBS-Urban, coupling SEBS model and anthropogenic heat was developed to estimate the ET in urban area. The ET in urban area of Beijing estimated by SEBS-Urban showed a good agreement with the ET from water balance method. The findings from this study highlighted that anthropogenic heat should be included in the surface energy budget for a highly urbanized area.     

Simulation of the Urban Heat Island Phenomenon in Mediterranean Climates

An intelligent data-driven method is used in the present study for investigating, analyzing and quantifying the urban heat island phenomenon in the major Athens region where hourly ambient air-temperature data are recorded at twenty-three stations. The heat island phenomenon has a serious impact on the energy consumption of buildings, increases smog production, while contributing to an increasing emission of pollutants from power plants, including sulfur dioxide, carbon monoxide, nitrous oxides and suspended particulates. The intelligent method is an artificial neural network approach in which the urban heat island intensity at day and nighttime are estimated using as inputs several climatic parameters. Various neural network architectures are designed and trained for the output estimation, which is the daytime and nighttime urban heat island intensity at each station for a two-year time period. The results are tested with extensive sets of non-training measurements and it is found that they correspond well with the actual values. Furthermore, the influence of several input climatic parameters measured at each station, such as solar radiation, daytime and nighttime air temperature, and maximum daily air temperature, on the urban heat island intensity fluctuations is investigated and analyzed separately for the day and nighttime period. From this investigation it is shown that heat island intensity is mainly influenced by urbanization factors. A sensitivity investigation has been performed, based on neural network techniques, in order to adequately quantify the impact of the above input parameters on the urban heat island phenomenon.     

北京夏季晴天边界层特征及城市下垫面对海风影响的数值模拟

对耦合了Noah陆面模式和单层城市冠层模式的WRF(Weather Research and Forecasting)模式系统进行了改进和优化,通过对2010年8月6－7日北京地区晴天个例的模拟试验,检验了优化前后模式系统的模拟能力,分析研究了该个例中城市边界层的特征及日变化.另外,使用优化后的模拟系统通过两组敏感性试验研究了京津城市下垫面对海风的影响.结果表明,优化方案能够显著提高模式系统对该个例的模拟性能,模式系统基本能够模拟出北京夏季边界层的日变化特征,精确的地表使用类型分类等地理信息数据对提高模式预报的准确度有着至关重要的作用,京津城市对海风的发展和推进过程有明显影响,能够阻碍海风的推进、加强风场的水平辐合和垂直上升气流,北京城市下垫面还能在海风到达前增加其强度和推进速度,并在海风经过后延缓其消亡、增加其推进距离.     

Analysis of the influence of Taihu Lake and the urban heat islands on the local circulation in the Yangtze Delta

The influences of human activities on regional climate and weather are tremendous. The re-gional temperature and the distributing of wind field are influenced, whereas the precipitation in-tensity and the spatial and temporal distribution of the precipita…