城市下垫面若干非均匀特征对大气边界层结构影响的研究
  • 【摘要】

    人类社会的城市化是人类大规模、大范围、短时间内对局地自然特征的一种改变,这种改变对局地大气环境有明显的影响。研究城市化进程对城市边界层的影响,在城市天气气候研究、环境保护、城市规划与建设、城市防灾减灾等领域都有着实际的应用价值,同时对改善人们的生活居住环境,提高生活质量有重要的意义。 本文通过数值模拟手段,分别定性、定量的研究城市下垫面的若干非均匀性特征(人为热源分布非均匀性、城市建筑物分... 展开>>人类社会的城市化是人类大规模、大范围、短时间内对局地自然特征的一种改变,这种改变对局地大气环境有明显的影响。研究城市化进程对城市边界层的影响,在城市天气气候研究、环境保护、城市规划与建设、城市防灾减灾等领域都有着实际的应用价值,同时对改善人们的生活居住环境,提高生活质量有重要的意义。 本文通过数值模拟手段,分别定性、定量的研究城市下垫面的若干非均匀性特征(人为热源分布非均匀性、城市建筑物分布非均匀性、地表湿度非均匀性、地表反照率非均匀性)对城市边界层结构的影响,以及对地气间能量物质交换的支配和影响,在此基础上研究了南 (1)本文在区域边界层模式(NJU-RBLM)中引入一种新人为热源处理方案以分析研究城市人为热源分布非均匀性对大气边界层结构的影响。在这种新的人为热源处理方案中,对城市中的人为热排放分层考虑,将低层的人为热源加入地表能量平衡方程,将高层人为热源分布与建筑物高度、密度联系起来,加入热量方程中,同时考虑了人为热源强度的日变化。通过本文的数值模拟试验,结果表明这是一种比较合理的处理方案,模拟得到的温度、风向、与另一种方案,即不考虑人为热源日变化,仅将人为热源作用引入地表能量平衡的处理方案相比,上述新方案模拟所得气温、湍流动能增加,白天这种影响通过湍流交换输送到较高层火气,低层气温、湍能的增加反而不明显;大气不稳定度增加,边界层高度最高上升了400m;城市地区上升速度增加,热岛环流加强。夜间没有了太阳辐射能量,人为热源对地气交换的影响比白天明显;冬季低层湍能增加了40%,大气层结稳定度降低。 总体来说,按新方案引入人为热源影响后的数值模拟结果表明,其对城市边界层结构的相对影响在夜间明显,但影响高度小;对白天的相对影响小,但影响高度高。就季节变化而言,冬季的影响大,春秋次之,夏季较小。这是因为就地表的能量收支来说,太阳辐射仍然是主要的能量来源,城市人为热排放与之相比仍然较小。同时由于太阳辐射有明显的日变化和季节变化,而人为热排放总量相对稳定,这就使得在地表和低层大气接受的能量总量中,城市人为热所占的比例有所不同,造成了其影响的日变化和季节变化。 (2)本文对不同高度和密度的建筑物分布形式对城市边界层的影响进行了研究,数值试验结果表明: 建筑物使城市地区风速减小,并易于引起低层流场的幅合;对风场的阻尼作用在低层尤其明显,风速较大时较明显,风速最大可减小1.6m/s;建筑物的强迫抬升作用使垂直速度增加,促使低层的热量、水汽向高空输送。 湍流动能中的机械产生作用增加,湍流交换强度增强,这种影响在风速较大时比较明显。 建筑物的存在增强了上下层大气之间湍流交换,使大气层结的不稳定性增加。在白天混合发展最强时,边界层高度最大增高300m。夜间使逆温出现的时间推后,强度降低。 建筑物引起的风速衰减,对地气之间动量交换的影响中起决定性作用,它使动量交换减弱。热量交换受风速衰减和湍流加强两方面的共同作用,白天风速衰减起决定性作用,地气热量交换减弱;夜间湍流交换加强起决定性作用,热量交换加强。 这些变化说明建筑物对城市流场及边界层结构的影响十分明显,尤其在风速较大的时候。 (3)不同地表湿度对城市边界层影响的数值试验结果表明: 地表湿度减小时,地表反照率增加,地表净辐射通量略有减少,而感热通量明显增加,最大增加170w/m<'2>;潜热通量明显减少,最大减小210w/m<'2>;城市地区的波恩比增大。 当地表湿度减小后,一方面改变了地表热容量,另一方面减少蒸发耗热,地温、气温的日变化幅度加大,最大值出现时间提前。 当地表湿度较小时,地表输送给大气的水份少,水汽通量减小,但由于湍流交换增强,在边界层高度内,水汽含量随高度的变化幅度不大。 这些变化说明地表湿度对城市边界层结构的影响在白天更明显。夏季地表有足够的能量用于水分蒸发,所以不同地表湿度引起的变化在夏季明显,冬季最弱,春秋季介于两者之间。 (4)城市的地表反照率受地表湿度、街谷辐射陷阱效应等方面的影响,非均匀性较强。它是控制地表净辐射的重要参数,对城市边界层结构有明显的影响。 本文对城市地区不同地表反照率的影响进行了模拟研究,结果表明:地表反照率较小时,地表吸收更多的太阳能量,地面净辐射通量、感热通量明显增加。感热通量最大增加了100w/m<'2>。地表温度升高,地气热量交换增强,大量热量交换促使混合层发展旺盛,湍流动能和扩散系数增加,混合层顶抬升。 地表反照率较小时,气温的日变化幅度增大,高层气温的变化幅度小于低层,并滞后一段时间。夏季的变化幅度大,冬季的滞后时间长。这些变化说明地表反照率对城市边界层结构的影响主要体现在白天。夏季的影响大,春秋次之,冬季小。 随着城市化进程的加速,城市面积扩大,人口增多,建筑物增多、增高,地表反照率减小,植被覆盖率降低,地表湿度降低。城市下垫面的各种非均匀性相互作用,共同影响城市边界层结构的发展变化。在分别考虑了各种非均匀性的影响后,利用南京地区的常规和非常规观测资料对本地区城市发展影响下的边界层结构进行研究,模拟结果表明: 建筑物增多、增高,反照率减小后,感热通量增加140w/m<'2>;植被减少、地表湿度减小蒸发耗热减少;城市地区的波恩比增加。 热通量受反照率减小和植被减少的共同影响而增大了一倍,湍流交换发展加剧,出现数百米的充分混合层,14:00时边界层高度抬高了500m;对夜间大气层结的影响远比白天小。 受植被减少和地表湿度降低的影响,水汽通量和水汽含量都减小,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。 通过高分辨率的卫星遥感资料获得区域边界层模拟所需的土地利用类型、地表反照率、植被指数等地表参数是一种可行的手段,将这些地表参数应用到城市边界层结构的研究中,会得到和实际情况更接近的模拟结果,有利于了解城市边界层结构的发展和变化。 收起<<

  • 【作者】

    陈燕 

  • 【学科专业】

    大气科学 气象学

  • 【授予学位】

    博士

  • 【授予单位】

    南京大学

  • 【导师姓名】

    伍荣生,蒋维楣

  • 【学位年度】

    2005

  • 【语种】

    chi

  • 【关键词】

    大气边界层结构  地表非均匀性  人为热源  地表反照率  城市建筑物  地表湿度  湍流动能