城市下垫面空气动力学参数的估算

为了定量描述北京城市下垫面的空气动力学特征 ,为模式提供准确的下垫面参数。利用气象塔大气湍流观测资料 ,结合Martano(2 0 0 0 )由单层超声风速、温度资料估算非均匀下垫面空气动力学参数的方法 ,计算了中国科学院大气物理研究所气象塔附近的下垫面空气动力粗糙度z0 和零平面位移d ,即z0 为 1 .75m和d为 40 .1 2m。该结果与前人研究成果的比较结果表明 :最近的 8年内 ,该处的零平面位移和空气动力粗糙度明显增大 。

4种城市下垫面地表温度年变化特征及其模拟分析

利用对沥青、水泥、裸地和草地等4种城市下垫面地表温度的2年观测资料,系统分析了4种城市下垫面地表温度年变化特征及其影响因素,建立了地表温度模拟模型。主要结果:(1)4种城市下垫面日平均温度、日最高温度、日最低温度的年变化特征总体与气温一致,不同下垫面间温度差异在夏半年均大于冬半年。(2)沥青、水泥、裸地和草地的日平均温度、日最高温度全年均高于气温,以沥青最强,水泥次之,裸地和草地较弱,日最低温度与气温差异不大,表明典型城市下垫面对大气具有一定的加热作用。(3)总云量、日平均相对湿度、日照时数等气象因子对4种下垫面温度的影响较大,云量总体上对地表以降温作用为主,相对湿度则相反。总云量和日平均相对湿度对裸地和草地等透水性下垫面温度变化影响较大。(4)4种下垫面各温度参数依赖于日平均、日最高、日最低气温、日照时数、日平均相对湿度、总云量等影响因子的回归模拟方程中,复相关系数均在0.809～0.971之间,且均通过置信度为0.99的F检验。

南京地区城市下垫面特征对雷暴过程影响的数值模拟

本文选取2011年7月23日发生在南京的一次雷暴个例,利用中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecasting model),耦合Noah/UCM,并采用NCEP FNL 1°×1°每日4次的全球分析场资料作为初始场及南京自动站观测数据等,对南京地区城市下垫面特征对雷暴过程的影响进行了数值模拟。结果表明:模拟的雷暴发生发展过程与该地区城市下垫面有着密切的联系。首先,雷暴发生前期,南京地区热岛效应明显。其次,城市上空的感热通量较高,结合城郊下垫面热力差异造成的城市热岛环流,加强了城区的辐合上升,为雷暴的形成提供了重要的抬升作用。城市下垫面扩张,使其上空边界层高度相应提升,垂直混合高度增加,有助于对流云的发展。此外,城市下垫面加强了大气低层的扰动位温,为雷暴提供了不稳定的层结条件。最后,城市地表较大的粗糙度使雷暴降水在城区低层的迎风面一侧明显增强。

城市下垫面对渤海湾海风锋特征影响的一次数值试验

海风锋与沿海强对流天气密切相关,而城市化发展对沿海地区下垫面的改变会对海风锋特征产生影响。鉴于此,本文利用耦合了新一代城市物理方案UCP-BEM(Urban Canopy Parameterization-Building Energy Model)的WRF(Weather Research and Forecasting)模式开展数值试验分析了城市下垫面对渤海湾海风锋特征的影响。结果显示:城市下垫面高粗糙度对低层海风风速的明显削弱造成海风锋往内陆推进距离稍减,低层辐合和上升运动减弱;城市下垫面较大的向上感热通量和较小的向上水汽通量以及高粗糙度对海风的削弱的共同作用造成冷湿海风对低层大气的降温和增湿幅度减弱;高粗糙度的城市下垫面对海风环流的摩擦力效应使得海风得到抬升,这导致了冷湿海风对低层大气的降温和增湿的垂直范围得到提升;受这些结果影响,海风锋背后低层有效位能减小,但垂直分布范围扩大,从而造成对流抑制高值区抬升,同时海风锋背后的静力不稳定区变厚,其上面的动力不稳定区则变薄,但不稳定区总厚度基本不变。

北京城市下垫面对雾影响的数值模拟研究

为了探究北京城市下垫面对雾天气过程的影响,为北京地区雾数值预报水平的提高提供理论基础和科学依据,选取2011年10月29日北京地区雾天个例进行了数值模拟试验,通过对WRF/Noah/UCM模式系统中城市冠层参数的调整,显著改善了模式对此次雾天气过程的模拟效果.使用参数调整后的模式系统通过敏感性试验分析研究了北京城市下垫面对雾发生、发展和消散过程的影响.结果表明:参数调整后的WRF/Noah/UCM模式系统能够与实际观测较相符地模拟此次发生在北京地区的雾天气过程,北京城市下垫面主要通过对温度的改变对雾的形成、发展和消散产生显著影响,使雾不易在城市及其附近形成和发展,延后城市地区雾的形成,但城市的存在也使得城市地区及其附近雾不易消散,相较于没有城市时消散时间延后.

城市下垫面对北京冬季气象要素影响的模拟研究

首先总结和分析了气象站观测的2012年1月北京地区主要天气过程和月平均物理量分布特征,然后利用中尺度天气预报模式WRF(Weather Research and Forecasting Model),通过个例模拟平均和平均场模拟两种方法分别模拟了1月北京新、旧城市土地利用状况下月平均2 m温度、2 m比湿和10 m风速;将模拟结果与观测结果验证之后,对比分析了两种模拟方法反映城市发展对冬季月平均气象要素的影响特征。结果表明,两种模拟方法均具有较好的模拟效果,对城区月平均2 m温度、比湿的模拟命中率在70%以上,10 m风速超过60%,且二者对研究区月平均物理量的模拟在空间分布特征和日变化规律是一致的,平均场对2 m气温的模拟效果好于对湿度和风速的模拟;城市下垫面发展对北京地区冬季月平均气象条件影响显著,两种方法在模拟城市发展对月平均气象条件影响方面有较好的一致性,个例模拟平均方法能得到极端影响状况,平均场模拟方法局限性在于无法得到极端影响状况和降水模拟。

杭州城市下垫面变化对污染物扩散影响的研究

利用中尺度化学模式WRF-CHEM,及2000—2010年土地利用类型资料、污染物浓度资料、气象场资料,对比分析了杭州城市下垫面变化对空气污染扩散的影响。(1)对比2000年及2010年杭州城市下垫面的变化可见,不同风向条件下市区的整体风速都有明显减弱趋势,其中主城区、萧山、滨江三个区域风速减小程度最大,而且受水平扩散能力的减弱,NO_x浓度的高值区范围有所增加,强中心的污染程度加大;(2)不同类型下垫面对污染物扩散的影响程度有显著差异。模式中原有的下垫面替换为水体后,大气扩散能力显著增强,整个区域的污染物浓度降至最低。在森林下垫面的模拟结果中,由于风速相对较小,扩散能力较弱,浓度大值区主要分布在上城区、下城区、滨江区及萧山区。

北京城市下垫面的非均匀性度量研究

城市下垫面非均匀性度量研究对于改进中尺度数值模式、提高城市气象预报准确率具有重要意义.基于分形布朗运动理论和Landsat-TM卫星遥感图像,估算了2011年北京典型下垫面类型个例和整个空间区域的分数维,由此来度量北京城市下垫面的非均匀性特征.研究结果显示:分数维能有效度量北京城市下垫面的非均匀程度,典型下垫面类型的分数维高低顺序为商业区>大型居民区>城市绿地>农田>林地>水体;北京六环内区域及郊区城镇地表非均匀特征明显,分数维一般在2.50以上,北京城市中心(二环内)存在一个分数维相对低值区,二环—四环之间区域分数维普遍较高,在2.70以上,五环以外分数维则不断降低,反映出北京城市下垫面非均匀性从中心向外呈低—高—低的空间分布;下垫面类型中建筑用地、绿地、未利用地、农田、林地和水体的平均分数维分别为2.71、2.62、2.55、2.38、2.30和2.28,分数维值的高低反映了城市下垫面类型的非均匀程度大小,对定量描述城市边界层参数的复杂特征具有参考意义.

中国东部城市下垫面变化对南海夏季风爆发影响的数值模拟

本文利用美国国家大气研究中心(NCAR)开发的公用大气环境模式(CAM5.1)进行了中国东部大规模城市下垫面变化对南海夏季风爆发影响的数值模拟研究.结果表明:CAM5.1模式能够很好地模拟出东亚夏季风系统季节演变过程中大尺度环流场和降水分布的变化.敏感性试验结果表明中国东部大规模城市群的发展会使得南海夏季风提前1侯爆发;控制试验中5月中旬南海地区东南风向西南风的转变,以及降水量激增现象的出现,均较无城市试验中提前.同时,城市化快速发展阶段与南海夏季风爆发的年代际变化存在时间段的吻合,初步推断城市下垫面发展可能是1993年之后南海季风提前爆发的原因之一.对南海季风爆发影响的原因分析可以看出,城市化引起的下垫面物理属性变化,使得从春至夏的季节转变中,东部(110°-120°E)中高纬度陆地对大气的感热加热增强,减小了海陆之间的热力对比,加快陆地低层大气降压,从而引导南海季风提前爆发.

基于城市下垫面和雨污排放口监测方法的内江市建成区城市面源对比分析

分别用基于城市下垫面和雨污排放口监测方法对内江市建成区城市面源进行3次全过程降雨监测。结果表明：（1）屋面5种污染物3次降雨的次降雨径流平均浓度（EMC）平均值均低于其他监测点位。雨污排放口氨氮、总氮的浓度总体高于其他监测点位。交通道路,尤其是交通主干道,由于受人类活动影响大,各种污染物浓度都普遍较高。（2）交通主干道的降雨初始冲刷效应（FFE）最明显,其次为一般道路、庭院、屋面;雨污排放口的FFE很不明显。（3）两种监测方法相对误差最大的是9月6日总磷的估算结果,为14.75%;两种监测方法所得的COD相对误差最大,为9.10%～14.30%,相对误差最小的为氨氮。（4）比例推算法与基于城市下垫面监测方法的相对误差为1.3%～19.2%;排放强度法与基于城市下垫面监测方法的相对误差为0.7%～25.4%。

基于地理国情的城市下垫面变化监测在海绵城市建设中的应用与实践

海绵城市,是时下城市建设管理的新热点,城市下垫面是城市健康的晴雨表,是城市体检的重要特征项。近些年来在地理国情常态化监测的大背景下,城市下垫面的监测变得越来越重要,应该说在海绵城市建设和地理国情监测间搭起了一座桥,为海绵城市建设提供数据支撑和科学分析。本文主要讨论基于地理国情的城市下垫面变化监测在海绵城市中的应用和探索,结合北京城市实践,给出城市下垫面监测的实现途径和重要意义;通过下垫面监测摸清底数,分析得出地表各类覆盖类型优化对海绵城市建设的重要作用和深远的意义。

基于多源数据的城市下垫面信息提取与内涝模拟模型研究

在全球气候变化与中国城市化加速的背景下,城市内涝发生的频次、风险和造成的损失不断增加。城市内涝灾害模拟预测及内涝影响分析评估是防治城市内涝自然灾害、控制和降低减少灾害损失的核心内容,是分析内涝过程中内涝积水时空分布及其对社会经济影响的重要手段,对于提高城市管理水平、完善城市规划设计、切实有效地降低灾害造成的损失和影响具有重要作用,也是国际社会、学术界高度重视的热点问题之一。本文以城市内涝灾害模拟预测及影响分析评估为应用目标,基于多源空间数据,研究了服务于内涝模拟的多尺度城市汇水区划分方法、基于真正射影像和高度信息融合的下垫面信息快速提取方法,构建TGFMS-SWMM流域-城市内涝模拟模型与方法,开展了基于该模型模拟情境下的内涝影响评估应用研究。论文主要创新总结如下:(1)提出了GFMS-SWMM流域-城市内涝模拟模型与方法,解决了城市管网与自然河流接口边界条件难以获取的问题,提高了城市内涝模拟精度与准确度。将自然流域水文过程与城市雨洪过程耦合,充分发挥了 GFMS中陆面水文过程模型在全球尺度、流域尺度方面的模拟优势,尤其是提供全分布式和实时的城市管网排水与自然流域汇流干道所有接口的边界条件等,通过耦合SWMM模型,将精细的城市地形、排水管网、地表覆盖等纳入模型计算,从而模拟城市内涝的时空分布,体现了自然河道水体与地下排水管网系统之间的相互作用,实现了流域水文与城市内涝模拟的有机结合。(2)针对城市航空遥感真正射影像光谱分辨率较低、空间分辨率超高、数据量大、基本无几何畸变和位移、遮挡少、能同期获得地形数据等特点,提出了一种基于规则集的下垫面信息快速提取方法,并验证了方法的有效性、实用性。该方法基于真正射影像和地形数据,采用高度、植被颜色指数、高度纹理、亮度等特征信息,在面向对象的基础上,综合阈值分层逐步提取下垫面信息,计算量小、效率高、适用范围广。(3)提出了内涝情境下基于可达性分析的设施服务人口覆盖率、改进步行指数等指标与评估方法,建立了内涝模型模拟结果与城市居民日常生活需求之间的联系,为内涝影响评估提供了新视角、新维度。利用互联网地图、交通流量、手机信令、车行网络、步行网络等海量空间数据,面向居民生活需求,分车行和步行两种出行方式,基于可达性分析提出了内涝情境下相应指标的评估方法。

城市下垫面对西安地区一次强降水的影响

针对2015年8月3日发生在西安地区的一次强降水,首先利用WRF-3DVAR同化系统循环同化雷达反射率和径向风资料来减小模式初始场误差,以此增加基于模式预报结果分析研究的可信度,然后采用敏感试验手段探究有无城市下垫面对西安地区强对流性天气的影响。结果表明,同化雷达资料可以改善降水预报,其中10~25 mm降水TS(True Shooting)和ETS(Effective True Shooting)评分较未同化结果分别提高0.188和0.187,降水落区和强度与观测接近。有无城市下垫面的对比试验发现,有城市时,城区平均对流有效位能增大而对流抑制能减小,低层风速减小,城区上空假相当位温的垂直梯度变大,大气更加不稳定。城市下垫面使城区降水增强,若用农田代替城市下垫面会使降水落区向南漂移约0.2个纬距。

城市下垫面截流降污效应模拟研究

城市下垫面的改变影响了城市原本的水文状态,成为城市内涝和城市地表径流及地下水污染的主要原因之一.采用不同比例粘土与砂混合模拟城市下垫面作为研究对象,通过某市工业区小时最大雨量进行模拟经流,研究不同渗透性能下垫面的截流降污效应.结果显示：模块的含砂量与其蓄渗效果呈正相关,单个模块的蓄渗率为1.43%~41.18%;对模块进行组合时,增加透水模块的比例可以提高蓄渗能力,当透水下垫面与不透水下垫面比例为3∶1时,蓄渗率为40.22%,比例为4∶1时,蓄渗率达到50%以上.总体来说,下垫面的去除率与其蓄渗率呈正相关,渗透型下垫面对SS去除效果明显,对COD、NH4-N、TP、Pb等有一定的去除效果.

热红外遥感获取城市下垫面温度分析与评价

热红外遥感是温度测试的方法之一,在生态城市与热环境研究领域具有重要作用。作为非侵入式测量技术,热红外遥感可以弥补侵入式与半侵入式测量技术的一些不足。然而,在城市环境研究中热红外遥感观测温度结果如何却少有报道。因此,为了对热红外遥感获取城市下垫面温度进行分析与评价,设计了其与接触法测温同步观测实验,分别从相关性、温度差异及其百分比、差异显著性等角度将两种温度进行对比分析。结果表明,对于草地、水泥地面、地砖、透水砖,两种温度均存在极强的正相关性,平均温差值波动范围为0.46~1.79℃,温差百分比波动范围为1.3%~4.5%。在运用P=0.001的标准进行评价时,草地、地砖和透水砖的两种温度不存在显著差异。该研究表明热红外遥感获取城市下垫面温度具有较高准确性,并提供了几种下垫面两种温度的统计特征信息。

利用地理国情监测数据进行城市下垫面提取

本文选取城六区作为分析单元,充分利用北京市第一次地理国情普查成果数据及监测成果数据,获取2012年度及2015年度城六区下垫面数据,建立地理国情地表覆盖分类数据类型与下垫面数据类型之间对应关系,结合2012年和2015年下垫面数据进行特征数据分析、空间叠置分析,分析城六区道路、水域、硬化地表、房屋等地类的变化趋势,探讨了城六区近几年各地类的变化情况及透水面和不透水面的变化趋势。

6种城市下垫面热环境效应对比研究

选择6种具有代表性的城市下垫面(沥青路面、水泥路面、荷兰砖地面、草地、嵌草砖地面、大理石地面)作为观测对象,基于热红外成像技术对其地表温度特征进行观测,系统分析不同城市下垫面地表温度的日变化以及季节变化特征,并利用不同下垫面温度的时间标准差、空间标准差及时空数据标准差定量揭示城市不同下垫面地表温度的时空变化特征,对比研究不同下垫面的热环境效应,结果如下。1)不同下垫面地表温度的日变化一般呈先上升后下降的单峰形态,草地地表温度在不同季节的日变化波动差异较大。沥青的地表温度在全年均为最高,对热环境的影响较大;嵌草砖和大理石在全年的温度均较低,对热环境具有较好的缓解作用,且缓解作用在夏季最显著。2)不同下垫面地表日均温度全年均高于大气温度,表明城市下垫面对大气在一年中都有加热作用。3)气温、太阳辐射以及空气相对湿度对下垫面地表温度的影响均较为显著;气温和太阳辐射与下垫面地表温度之间呈正相关关系,对下垫面以增温作用为主;空气相对湿度与下垫面地表温度之间呈负相关关系,对下垫面增温起抑制作用。4)嵌草砖的热环境稳定性较草地和大理石要好;沥青路面的温度变化特征最能代表本研究观测区域下垫面地表温度的时空变化特征。研究结果对了解城市不同下垫面热环境具有一定参考意义,可为缓解城市热环境提供科学依据。

形态学方法在上海城市下垫面空气动力学参数估算中的适用性分析

基于上海市奉贤、青浦和宝山三座梯度观测铁塔半径1000 m区域的下垫面粗糙元几何形态参数,使用四种形态学方法(Rt,Ra,Ma,Ka)进行空气动力学参数估算,分析各方法计算结果及其对计算参数的敏感性,并以基于铁塔梯度观测数据的动力学计算方法(Lw)结果为参考,进行对比分析。结果表明:(1)在本文研究区域内,形态学方法与动力学方法计算结果在数值和分布趋势上都有差异。其中,形态学方法的零平面位移显著小于动力学方法,Ka方法结果最大,与动力学方法也最为接近;动力学与形态学方法的粗糙度差异相对较小,Ma和Ka与动力学方法结果较为接近。(2)通过对四种形态学方法对计算参数的敏感性的对比,Ka方法对建筑高度及其变化率、建筑排列方式等最敏感。首先,Ka方法计算结果与zHmax、σH和zH的相关性均较高,其中zd对建筑高度的非均匀分布更敏感,z0则与zH的相关关系更显著。其次,在本文研究区域中,Ka方法随λF和λP变化最显著,即对建筑排列方式最敏感。(3)通过与动力学方法的对比,认为Ka方法的方案一最适用于以本文研究区域为代表的、上海典型城市下垫面的动力学参数估算。此外,在观测资料、形态学数据较少的情况下,Rt方法可作替代方案进行计算和分析。

城市下垫面组成及其对水平衡要素的影响

阐述了佳木斯市下垫面的量测方法、量测精度、分类及统计分析；对下垫面状况的改变对地表径流量、陆面蒸发量、降水入渗量、包气带土壤水蓄变量的影响进行了分析。

城市下垫面空气动力学参数确定方法综述

地表粗糙度和零平面位移是2个重要的空气动力学参数,对于城市下垫面,粗糙元的形态非常复杂,空间分布上存在较大的非均匀性,如何确定城市下垫面地表粗糙度和零平面位移目前尚无最佳方案。概述了这2个参数适用于城市非均匀下垫面的参数化方法,包括风温观测方法和粗糙元形态学方法。探讨了各自在应用过程中存在的问题及进一步的研究工作,并且提出,通过数学模型的改进和卫星遥感技术的引入,粗糙元形态学方法会有更好的发展前景。