城市冠层过程的研究与进展

介绍了城市冠层过程研究的概况和历史,概括了城市冠层的特征及其作用于局地气候和中尺度系统的主要方式,总结了城市冠层参数化方案或模式的研究进展.比较了几种参数化方法和模式的特点,提出目前存在的一些问题.认为：现有的参数化方案和模式尚未能完整体现城市下垫面特征、准确反映人类活动影响,二者的发展有赖于对城市下垫面建筑特征更合理、细致地描述,对人为热量、水汽影响更准确的估计与刻划.与局地因素密切相关的城市冠层模式还需要更多地在模式中引入局地差异影响.同时指出,要提高耦合城市过程的中尺度模式预报水平,需要相应改进包括云、降水、次网格地形及边界层动力学等的参数化.     

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.     

城市建筑物动力冠层方案的引入及应用研究

文中将建筑物动力冠层方案引入到城市边界层精细模式中,该方案描叙了城市地Ⅸ建筑物对气流的拖曳作用以及建筑物形态对城市地区湍流活动动量输送的影响.采用建筑物拖曳法和建筑物动力冠层方案两种不同建筑物动力学处理方法对北京地区东南部进行模拟,通过城市地区水平风速的模拟结果与自动气象站实测资料对比发现模拟结果与实测相当吻合,建筑物动力冠层方案的引入能够更好地实施对城市地区的水平风速分布的数值模拟.分别采用建筑物拖曳法与建筑物动力冠层方案对一个实际小规模城市进行模拟试验,分析表明引入建筑物动力冠层方案可以模拟出小规模城市地区水平风速偏低的现象;还可以模拟出城市地区建筑物动力作用对湍流活动的影响;对湍流动能模拟结果表明比较符合实际分布情形.采用建筑物动力冠层方案对小规模城市地区建筑物高度变化对城市地区的流场及湍流活动的影响进行模拟分析,结果表明:城市地区建筑物高度增加,风速变小,但是高大建筑物底部风速略高于低矮建筑物底部;城市地区大气湍能增加,高大建筑物底部湍能较小,冠层高度内湍能随高度增加而增加;同时城市地Ⅸ的垂直扩散系数也随建筑物高度增加而增加;城市地区污染物排放高度处污染物浓度较低,下游乡村地区地面污染物浓度较低,但高空污染物浓度却较高.     

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”。     

应用城市地表能量平衡方案研究城市冠层结构对城市热岛的热力影响

用南京大学区域边界层模式NJU-RBLM, 通过对一组理想试验的模拟, 研究了TEB方案 (town energy balance) 和SVAT方案 (soil－vegetation－atmosphere transfer) 模拟城市热岛现象的差异及本质原因, 发现TEB方案对城市热岛 (UHI) 尤其是夜间UHI模拟效果更优, 这是由于TEB方案具备较强模拟城市储热项的能力形成的。此外, 深入探讨UHI对大气边界层热力结构的影响, 发现UHI现象使城市和郊区的近地层位温廓线在清晨和傍晚都存在明显差异, 同时使城市区域气温全天高于郊区, 且日间城乡温差能达到的高度明显高于夜间。分析人为热源和建筑物冠层对UHI的影响时发现: 人为热源对UHI的影响在夜间强于白天, 而建筑物对白天城市湍能的影响强于人为热源的作用。     

城市冠层中湍流运动的统计特征

对１９９７ 年夏天和冬天北京湍流运动的各种统计特征量进行了初步的统计分析。结果表明,城市冠层中湍流运动的各种统计特征量与平坦下垫面条件下边界层湍流运动的相比, 有不同的地方也有相似的地方; 无论白天还是夜晚, 垂直方向的湍流强度和湍流脉动风速标准差均小于水平方向的, 水平方向的相应湍流特征量则总是接近相等; 城市冠层中湍流脉动强度和标准差几乎均大于平坦下垫面边界层的; 平均风速ｕ≥１ ｍ ／ｓ 时的湍流统计特征量与ｕ＜ １ ｍ ／ｓ 时的有所不同; 城市冠层的阻力系数较大, 可达００６２５,Ｐａｎｏｆｓｋｙ 等提出的公式σｗ ／ｕ＊ ＝ １３ （１－ ３ｚ／Ｌ）１／３在城市冠层中并不适用。     

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。     

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.     

城市冠层模式在GRAPES模式中的应用

在GRAPES中尺度模式中耦合了城市冠层模式(Urban Canopy Model,简写为UCM),并选择珠江三角洲(简称"珠三角")地区2011年7月10日夜间强降水过程和2012年8月19日的高温个例,考察了GRAPES中尺度模式与城市冠层模式耦合在珠三角地区的模拟效果,分别设置了两组试验,在GRAPES模式中耦合和未耦合城市冠层模式(UCM和noUCM)。结果发现,UCM对强降水中心和降水落区的模拟都较noUCM有明显的改善,从降水的四个评估指数(命中率、反命中率、威胁指数及偏差)也可以看出,UCM的结果较noUCM有了较明显的提高,尤其是命中率和威胁指数;对2 m高度的温度和地表热通量而言,两组试验的日间温度和热通量差异较大,中心城区UCM模拟的温度较noUCM高2~4℃,最大差值达5~6℃,热通量差异基本在150 W/m~2,而在夜间,两组试验模拟的温度和热通量差异减小,温度差值基本在0.5~1.0℃之内,热通量差异一般在10 W/m~2左右。两组试验对降水模拟差异的主要原因是UCM模拟出了降水前期地面强的辐合区及相应的温度高值区,对流层低层较大范围的垂直上升运动和辐合上升,对流层中层的暖湿中心及地面较大的CAPE值(达2 000~3 000 J/kg),而noUCM的模拟偏弱或是未能模拟出来。从另外高温个例观测与模式模拟的对比结果来看,UCM模拟的近地面气温、风速、感热通量、向下短波辐射通量和向上长波辐射通量与观测的误差减小,但感热通量与向下短波辐射通量与观测存在一定差距。     

不同城市冠层参数化方案对重庆高密度建筑物环境的数值模拟研究

目前,耦合在WRF模式中的城市冠层方案包括单层冠层方案（UCM）,多层冠层方案（BEP）以及考虑室内外大气能量交换的多层冠层方案（BEP+BEM）。不同方案计算过程及参数设置不尽相同,这些方案能否适应高密度建筑物复杂下垫面的城市气象环境的模拟?建筑物形态参数对于城市气象因子模拟的敏感性如何?为回答上述问题,选取建筑物高密度城市——重庆为研究对象,以2006年重庆高温伏旱天气为背景,采用高分辨率（333 m×333 m）的地理信息系统数据替换WRF模式中默认的美国地质调查局（USGS）静态数据,对WRF中的3种城市冠层方案进行了模拟评估,并进行建筑物形态参数变化对气象因子影响的敏感试验。结果表明：（1）BEP+BEM、BEP、UCM方案模拟值与城区内10个站点2 m高气温观测值的均方差和平均误差分别为1.3、1.4、2.1和-0.5、-0.8、-1.4℃,单层冠层方案相对较差,BEP+BEM方案最好。模拟值普遍略低于观测值。位于密集建筑物周边的2 m高气温模拟值与自动站观测吻合相对较好,而中国国家基本站的观测值与模拟值相比,观测值偏低,靠近水体的模拟结果相对较差;（2）建筑物高度及密度参数的变化对城市近地层气温产生明显的影响,当建筑物高度增高时,由于短波遮蔽作用的影响,白天气温降低最大达到0.4℃,而夜间由于辐射截陷作用增强,气温明显升高,最大可达0.7℃。建筑物间距缩小,导致白天近地面气温降低,夜晚则升高,且夜间变化幅度更大;（3）当调整建筑物高度及密度参数分别为：高度20%（15 m）+60%（20 m）+20%（25 m）,间距20 m时,城区内观测站点2 m高气温观测值与模拟值的均方根误差从1.3℃减小到0.6℃,提高了模式的模拟性能。     

建筑物分布对市区流场及污染物扩散影响的数值模拟

本文运用已建精细城市PBL模式，用拖曳力法考虑城市建筑物的影响，并以北京前三门地段板房为例，通过8个数值试验具体研究了建筑物对气象场的影响。结果表明：前三门地段板房的有无对风速、湍能和NOx浓度的影响较明显。有板房比没有板房时30m处水平总风速减少0．03～0．10m／s，湍能增大O．02～0．14m^2／s^2。板房对水平总风速的影响大于0．01m／s的范围为：迎风向和背风向约400～500m，侧风向约100～200m；垂直方向的影响高度约为150m。在30m高度附近影响最大。对湍流动能的影响范围与风速的类似。对NOx浓度的影响以地面为最大，其影响程度及影响范围和板房与污染源的相对位置以及板房与周围建筑物的距离有关。总之，在高分辨的边界层模式中，用拖曳力法考虑城市建筑物的影响是可行和必要的。     

北京冬季城市边界层结构形成机制的初步数值研究

利用耦合了城市冠层参数化方案的MM5模式对2001年冬季北京地区一次典型的城市边界层过程进行成功模拟的基础上,对北京城市化作用、周边地形以及城市化进程发展对城市边界层结构的影响等问题进行了一系列的数值模拟试验。城市化作用的因子分离试验发现,城市化的总体作用即城市下垫面结构对大气热力及动力的综合影响导致了北京冬季城市边界层结构主要特征的形成。此外,揭示了城市结构的不同影响因子———动力因子、热力因子和热动力因子间的相互作用在北京冬季城市边界层结构形成和演变过程中的不同作用。在夜间,城市结构的动力因子对于城市边界层主要特征如市区悬浮逆温、近地层中小的风速及较强的湍流动能等的形成起着主导作用;在白天,城市结构的热力因子则成为影响市区混合层强度以及湍流运动特征等边界层结构的主导因素;热、动力因子间的相互作用对城市边界层结构的形成和演变也有着重要作用,但其影响特征比较复杂。北京周边地形作用的敏感性试验的结果表明,北京周边的特殊地形条件对城市边界层热力结构特征如悬浮逆温层及城市热岛等的结构及分布特征的形成也有着明显的影响,使其具有特殊的局地化特征,同时,它也是北京地区近地层主要气流特征的强迫源。不同城市化程度的敏感性试验结果揭示,随着北京城市建筑高度和密度的增加,市区风速将减小、湍流动能将加强,夜间城市悬浮逆温层底的高度会有所提高,城市热岛的强度也将加强,并可能在白天出现比较明显的城市热岛效应。     

街谷环流和热力结构的数值模拟

文章介绍一种用于模拟街谷流场和温度场的动力学模式和热力学模式.应用动力模式模拟了方柱体塔楼和圆柱体塔楼形成的流场,应用动力和热力模式模拟了街谷中流场和温度场的日变化过程.计算实例表明,上述模式可用于城市街谷和建筑群风环境和热力环境研究以及街谷中空气污染物传输和扩散的计算.     

植被微气象的数值模拟

综合考虑梯度输送和阵性穿透作用，并对植被上方的过渡层作适当处理，提出了植被微气象的一阶闭合模型。它对温、湿、风等物理量垂直分布的模拟精度良好。引用系统优化理论和方法，对模型中参数作多维非线性搜索，结果客观可靠。由于植物本身的调节适应能力和反馈作用，大气与植被间的动量与水热交换机制和过程不尽相同。在动量输送过程中，梯度产生项和阵性穿透皆不可忽视，尤其在群体下部，更为重要；而在热量和水分输送过程中，阵性穿透作用在低矮密集植被中的贡献甚微，梯度产生项起主导作用。     

城市交通废气与低层大气臭氧形成和分布的数值模拟

建立了一个三维的边界层光化学模式，气象过程的模拟舍弃了静力近似的假定，模式由细网格、高分辨率并取湍流能量（E－ε）闭合的气象模式，提供较为细致的气流场和湍流场。文章中以汽车尾气和植物排放为光化学反应前体物的源，模拟了不同季节南京市的光化学过程以及臭氧随时间和空间的分布。结果表明，夏季南京市的地面臭氧浓度远远高于冬季，臭氧分布有所不同。并且在不少地方出现较高的O3浓度值，超过国家二级标准，气流对污染物浓度分布的影响在较高的高度上显得尤其明显。     

沿海城市建成区热力作用对局地环流影响的CFD模拟研究

基于计算流体力学(CFD)模拟开展了一系列理想数值试验, 分析了城市建成区的热力作用对局地环流的影响, 模拟结果表明: 在没有背景风的情况下, 城市热岛效应可破坏海陆环流的固有转换模式, 使近地面风场总是在城市建成区上空辐合; 在有微弱背景风的情况下, 热岛效应也会导致近地层风场出现线型辐合。而城市上空总是容易出现辐合风场, 可部分解释城市局地高污染带形成的物理机制。      

O3,CO2浓度及太阳光谱变化对作物光合作用影响的数值模拟研究

对光合作用 蒸腾作用 气孔调节进行耦合 ,从生物化学尺度扩展至冠层尺度 ,发展了一个冬小麦冠层光合作用生态动力模式 ,模式考虑了O3,CO2 和光谱变化对作物光合的综合影响。利用美国光合作用实测资料对模式进行验证 ,叶片模式通过了相关显著性检验并具有较高的准确度。数值分析表明 :当O3 浓度由 0× 10 -9V/V上升至2 0 0× 10 -9V/V时 ,冠层光合速率下降 2 9%左右 ;当CO2 浓度由 330× 10 -6V/V上升至 6 6 0× 10 -6V/V时 ,冠层光合速率增加大约 37% ;当光谱比例系数由目前的 0 .5下降至 0 .4时 ,冠层光合速率将下降 2 7%左右。对于污染严重、易发生光化学烟雾的城郊附近 ,在阳光强烈的典型晴天 ,中午O3 浓度达到 2 0 0× 10 -9V/V时 ,即使气候条件不发生改变 ,CO2 浓度对作物光合作用的正效应也不足以弥补O3 浓度升高所造成的负效应 ,冠层光合速率将比目前干洁地区略有下降 ,如果进一步考虑光合作用有效辐射光谱成分下降至 0 .4左右 ,冠层光合作用将比目前的BASE值下降 35 %左右。     

城市气溶胶对太阳辐射的影响及其在边界层温度变化中的反映

本文利用冬季观测的兰州市区、邻近山顶以及郊区皋兰县的辐射资料和温度廓线资料,分析了兰州城市气溶胶对太阳辐射影响;并用二流近似累加法计算了低层大气吸收太阳辐射的加热率,其结果与低层大气上部的实际增温在数值上比较接近。分析了城市气溶胶短波辐射效应对边界层温度廓线分布的影响。表明城市烟雾层削弱了地面热通量但增加了低层大气中上部的增温,从而增加了城市低层大气的稳定度。