城市陆面过程与边界层响应的数值研究
  • 【摘要】

    人为活动影响天气气候变化是当前大气科学研究的热点问题。随着城市发展,人为活动的加剧,城市非均匀下垫面大气边界层的数值研究面临更多的挑战。本文着眼于在城市尺度数值模拟工作中引入更力口完善的城市效应参数化方案,进行城市陆面过程与边界层响应的数值研究工作。 运用考虑建筑物拖曳影响和人为热排放影响等参数化方案的城市区域边界层模式,以北京区域为对象,研究了不同年代、不同季节,由于城市下垫面变化,建筑... 展开>>人为活动影响天气气候变化是当前大气科学研究的热点问题。随着城市发展,人为活动的加剧,城市非均匀下垫面大气边界层的数值研究面临更多的挑战。本文着眼于在城市尺度数值模拟工作中引入更力口完善的城市效应参数化方案,进行城市陆面过程与边界层响应的数值研究工作。 运用考虑建筑物拖曳影响和人为热排放影响等参数化方案的城市区域边界层模式,以北京区域为对象,研究了不同年代、不同季节,由于城市下垫面变化,建筑物高度密度增加,人为热排放增加等变化对边界层结构、城市气象环境的影响,并研究了局地下垫面变化对周边区域边界层结构及大气环境的影响。研究结果表明,在晴天小风的天气条件下,城市化进程显著的改变了城市气象环境及边界结构,这种影响在夏季个例的日间尤为明显。如,由于建筑物对辐射能量的截陷的变化,地表反照率变化,导致城市表能量平衡重新分配,2004年个例较之1980年个例,夏季城市区域平均净辐射通量增加,人为热通量增加,城市植被覆盖率减小,地表湿度降低,潜热通量减小,更多的能量以感热通量和地表热通量的形式加热地表与大气,感热通量午间最大增加达到146W·m-2;热通量、动量通量增加,地气相互作用的加剧;建筑物高度及密度增大,湍能增强,且影响高度增大,混合层高度增加,使水汽等物质输送加强,垂直分布更加均匀。局地下垫面变化对周边区域边界层结构及大气环境的影响研究结果表明,城市发展的格局规模不同,对城市气象环境的影响程度也不同。由于地气多因子的相互影响和反馈作用,城建规模的变化对周边的环境也存在显著的影响,城建规模越大,对周边的气象环境及空气质量的影响越大。 为了进一步完善城市区域边界层模式中城市陆面参数化方案,本研究通过细致全面的调研工作,并汲取前人研究工作的精华,基于建筑物三维分布的假设确定辐射能量平衡方案,运用冠层密度指数λp(z)来表征垂直方向上建筑物的不均匀分布,确立冠层内一维的动量、热量及水汽方程,从而建立了考虑建筑物对大气运动热力和动力两方面影响的多层城市冠层模式。运用南京大学的风洞试验资料对多层冠层模式的动量方程进行检验;运用南京大学建筑物屋顶温度、能量平衡等观测资料进行辐射能量平衡方案的检验;运用在实际城市小区内风、温、湿的垂直观测资料进行冠层模式整体模拟性能的检验。检验结果表明,本文研究建立多层冠层模式能够较好的体现建筑物冠层内的大气运动。在多层冠层模式离线检验成功的工作基础上,将多层冠层模式耦合进入城市区域边界层模式。运用常规观测资料及Landsat卫星观测的地表温度及反照率结果进行耦合模式的模拟检验,检验结果表明,多层冠层方案能够合理的计算白天建筑物对太阳短波辐射的阴影遮蔽及对辐射能量的截陷,并考虑了建筑物对大气运动的拖曳影响,模拟所得结果与传统土壤修正方案比较更为合理. 运用耦合成功的城市区域边界层模式进行城市冠层结构对城市热岛气象环境及物质交换输送影响的研究,研究结果表明:三维建筑物结构对辐射能量的截陷使更多能量留在冠层内,加强了城市热岛效应,近地面气流的辐合更为明显,更多的物质能量向城市输送,同时由于建筑物拖曳影响及冠层内热力湍能的增加,城市下垫面近地层湍能明显增加,向上的垂直扩散增加。白天,城市混合层高度增加,夜间,近地面仍然保持一定程度的湍能混合作用。 收起<<

  • 【作者】

    王咏薇 

  • 【学科专业】

    大气物理学与大气环境

  • 【授予学位】

    博士

  • 【授予单位】

    南京大学

  • 【导师姓名】

    李占清,蒋维楣

  • 【学位年度】

    2007

  • 【语种】

    chi

  • 【关键词】

    气候变化  城市陆面过程  边界层响应  城市热岛气象环境  物质交换输送  大气运动  数值模拟