基于耦合湖模式的城市边界层模式研究太湖的气象与环境效应

本文发展了一个耦合的城市边界层—湖泊模式(RBLM-Chem-Lake),通过离线和在线两种方式对模式的模拟效果进行了检验。并通过敏感性实验分析了太湖冬季和夏季对周边地区气象特征和空气污染的影响。结果表明:(1)白天太湖对周边气象环境产生了明显的降温效应,而夜晚出现了明显的升温。冬季夜晚周边地区升温达到0.4~0.6℃,白天可以使得周边气温降低1~2℃。夏季夜晚使周边地区升温可达1~1.5℃,白天使得周边气温降低1~2℃。(2)太湖对周边地区气温的影响范围夏季远高于冬季,夏季影响范围可达到80 km,冬季影响范围平均为5 km。此外,太湖使得湖区平均边界层高度下降,湿度上升,使得苏州市区垂直风速减弱,这种影响同样在夏季更为明显。(3)太湖的存在总体上使湖区和周边地区PM_(2.5)和臭氧的质量浓度增加。在冬季PM_(2.5)污染个例中,太湖导致区域夜晚PM_(2.5)质量浓度下降,下降幅度达到4~5μg·m^(-3)。而在白天,太湖区域500 m高度以下PM_(2.5)质量浓度增加,幅度达到25~30μg·m^(-3),在500 m高度以上质量浓度下降约5~10μg·m^(-3)。夏季的臭氧污染日个例中,白天,在太湖的东岸以及苏州市区臭氧的质量浓度出现了明显的增加,可以达到10~12μg·m^(-3)。

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.

雾对城市边界层和城市环境的影响

根据 1 999年 1 1、1 2月及 2 0 0 1年 2月北京市几次雾过程的大气边界层探测资料 ,再配合大范围气象资料 ,分析了北京城市雾发生过程中的大气环流形势 ,对比研究了出现水雾和霾时不同的边界层结构特征 ,结合环境污染监测资料 ,分析了雾对城市大气环境的影响。结果表明 ,在雾的发生发展过程中 ,边界层的温度层结由雾前的逆温层转变为雾区内的近中性层结 ,雾的微物理结构变化也表现出对污染物的沉降作用明显减弱 ,造成在雾发生时 ,城市空气污染相对严重。同时 。

南京城市边界层微气象特征观测与分析

南京大学大气科学系分别于2005年7月17日～7月31日,2006年2月18日～3月10日在南京市市区和郊区两个观测点进行了城市边界层气象观测,同时采用流动观测方法和在6个固定观测点进行城市热岛观测,观测发现：南京市存在明显的城市热岛特征,气温由市区中心的最高值向郊区逐步减少,冬夏季节的平均热岛强度分别为1.2℃和0.83℃,晴天热岛强度大于阴天,夜间热岛强度普遍高于白天,夏季和冬季热岛强度最大可达3.6℃和2.4℃.热岛强度随高度增加而减小,在约400 m高度,城区和郊区气温没有明显差异.观测结果还表明城区湿度普遍低于郊区,冬夏季节的城市与郊区的相对湿度差分别为10.6%和7.3%.南京紫金山森林地区对附近地区的气温和湿度有明显影响;城区风速明显低于郊区,高度越低,城区与郊区风速相差越大.南京市区的平均零平面位移约为19.9 m,平均粗糙度1.1 m.

人为热源和城市绿化对冬季山谷城市边界层结构影响的数值模拟

为了探讨人为热源和城市绿化对城市边界层的影响,本文在RAMS模式中引入周期性日变化的人为热源和人工改变下垫面状况,初步模拟分析了人为热源和城市绿化对城市边界层结构的影响。结果表明:人为热源具有明显的增温效应,增强了城市的湍流交换,白天增加了大气不稳定度,促进了混合层的发展,夜间降低了大气稳定度,减弱了城市夜间逆温。城市绿化减小了地表反照率,增加了到达地面的净辐射,模拟期间土壤冻结,增加的净辐射其中一部分以感热的形式来加热大气;绿化后地气之间的湍流交换增强,增加了大气不稳定度,减弱了白天高空逆温;本文还讨论了不同绿化布局对白天高空逆温的影响以及人为热源和城市绿化之间的非线性相互作用。

在北京气象塔上测量城市边界层辐射特征

利用2004年10～12月在北京325m气象铁塔上所测量的长波辐射和短波辐射垂直分层资料,分析了晴空、霾(烟、尘、轻雾)和浓雾天气条件下塔上两层的辐射特征。结果表明,城市边界层大气对短波总辐射有明显的衰减作用,2m处的总辐射<280m处的总辐射。在晴好天气下,衰减比例为11.2%;在霾和雾天气下,衰减比例分别达到22.3%和36.6%。在塔上280m处测量的晴天城市地表反照率为0.12,而在霾和雾天气条件下分别为0.17和0.29。大气逆辐射(向下长波辐射)的日变化没有短波辐射的明显且有规律,晴好天气的辐射通量密度最小,霾天较大,雾天最大,2m处的大气逆辐射一般高于280m处的。向上长波辐射呈明显的日变化,且2m处的向上长波辐射日变化幅度>280m处的。净辐射具有典型的日变化,晴天日变化幅度最大,霾和雾天的日变化幅度减小。晴天辐射加热最显著,278m厚气层的辐射加热达1.35℃.h-1,霾天为1.13℃.h-1,雾天为0.40℃.h-1。个例分析表明,在近地面气层内,霾中的气溶胶粒子和雾中的水滴对辐射产生程度不同的影响,并影响到辐射平衡,进而影响不同高度气层的加热和冷却,导致边界层结构的改变。

在北京气象铁塔上测量城市边界层辐射的研究

测量边界层辐射对研究地气系统相互作用有重要意义，城市边界层辐射的变化影响着城市局地气候和环境。目前辐射测量仪器的精度不能满足城市大气边界层辐射分层测量的特殊要求。2004年10～12月，在北京325m气象铁塔上的280m和2m高度上分别安装了长波辐射表和短波总辐射表，进行辐射测量。为提高辐射测量精度，采取多种方法，进行了较细致的误差分析和资料订正，使两层不同高度上仪器的一致性得到明显提高，计算订正了铁塔塔体发射的长波辐射对辐射测量的影响，取得了比较合理的结果。辐射观测资料分析表明，边界层内辐射通量密度随高度的变化是明显的，在不同环境条件下对边界层结构有着重要作用。

天津城市边界层湍流统计特征

利用2008年2月1～28日在天津气象塔上观测的超声风、温资料和常规风、温及湿梯度资料,计算了天津城市边界层无量纲湍流速度方差、湍流温度方差、感热通量、动量通量和湍流动能。结果表明,在不稳定层结条件下,40m高度上无量纲湍流速度方差和湍流温度方差遵循莫宁-奥布克霍夫相似理论,在220m高度上只有垂直方向上的湍流速度方差遵循莫宁-奥布克霍夫相似规律,其他变量均不遵循这一规律。城市复杂下垫面特征主要影响风速的水平分量方差,对风速垂直分量方差影响不大。湍流通量和湍能均具有明显的日变化特征。

人为热对城市边界层结构影响研究

为研究不同人为热源引入方案对城市边界层结构模拟性能的影响，以杭州地区为例，在区域边界层模式（RBLM）中引入一种新人为热源处理方案，即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和密度联系起来，加入热量方程中，同时考虑了人为热源强度的日变化。数值试验结果表明，这是一种比较合理的处理方案。人为热源引入方案对城市边界层结构的影响表现在：气温、湍流动能增加，并通过湍流交换输送到较高层大气；大气不稳定度增加，混合层高度最高抬升了400m；城市地区上升速度增加，热岛环流加强；白天人为热源一般为太阳辐射的10%～20%，对地气交换的影响较小。夜间没有了太阳辐射能量，对地气交换的影响比日间更明显；冬季低层湍流活动加强，湍能约增加40％，大气层结稳定度降低。

大风天气下北京城市边界层阵风结构特征

通过分析北京 32 5米气象塔风温观测资料,研究了大风天气条件下北京城市地区大气边界层特征。发现在大风天气条件下北京城市大气边界层阵风结构存在如下规律:(1 )大风条件下,对数风廓线规律可适用到 1 5 0m的高度,主要是因为城市下垫面的地面粗糙度较大,使得大风与地面粗糙元素之间的相互作用加强;(2 )阵风系数在地面附近较大,随高度呈负指数函数形式递减;(3)阵风强度随高度也呈负指数函数形式递减,但其递减率要小于阵风系数的递减率。

热力粗糙度引入精细城市边界层模式的初步应用

运用南京大学城市尺度边界层模式(UBLM)以100 m水平网格距的精细高分辨率,诊断分析小规模城市(水平范围在一二十公里)的气象环境与边界层结构。就高分辨率精细模拟分析研究了两个问题:(1)在模式中引入热力粗糙度,就引入热力粗糙度前后的模拟结果与实测结果进行对比,结果表明引入后的模拟结果与自动气象站的观测结果吻合较好,能够很好地反映出地面气温的日变化规律。冬季,白天不引入热力粗糙度比引入热力粗糙度会高估小规模城市地区感热通量约60 W/m2,而对乡间农作物地区约10 W/m2。(2)以四种不同水平网格距对同一下垫面及气象条件进行诊断分析,结果表明以100 m网格距精细模拟效果明显优于以较大网格距进行的模拟效果。以这样的精细高分辨率模式所获模拟结果分析了小规模城市的边界层特征,表明:冬季白天和夜间小规模城市与乡村气温差分别为0.8℃和0.6℃;风速明显低于乡村地区;湍能高于乡村地区,白天和夜间湍能一般为乡村的3倍左右;白天混合层发展较乡村迅速,且高度高于乡村地区。这样的特征在当今城市规划布局工作中,为特大型城市的卫星城市的建设规划提供了有益的科学实验依据。模拟效果表明以如此高的水平分辨率实施的模式和模拟是可行和有意义的。

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。

局地相似性关系在城市边界层中的适用性验证

利用中国科学院大气物理研究所325m铁塔在2003年8月期间47和120m高度上的湍流观测资料,对局地相似性关系在城市边界层的适用性进行了检验。结果表明:47m高度仍属于城市冠层之上的近地面常通量层,莫宁-奥布霍夫相似性关系基本适用。但120m高度则基本属于近地面层与自由对流层之间的过渡高度,在该处,相似性关系部分适用。同时,给出了不同的层结稳定度条件下47和120m高度上的无量纲速度和温度标准差与稳定度之间的局地相关表达式。

城市边界土地增值收益之经济学分析——兼论土地征收中的农民利益保护

经济发展使得城市增长具有必然性,而城市增长又会带来城市内外特定区位土地价格的增加。城市边界区土地价格具有自身的特点,从动态的城市地价模型分析来看,其增值不仅来自于外部性作用,还得益于城市的扩张。城市的扩张有两种方式:一是由于城市化和收入的增加导致城市地租曲线整体向外平移;二是即使人口保持不变,但由于交通的改善使得城市地租曲线逆时针旋转。不能以农业地价来定量边界区土地价格。因为该区土地增值不仅仅来自于外部性,农民具有参与增值分割的权利。应该重新建立土地征收补偿的价格体系,保护农民的合法权利。

城市边界层数值模式研究以及在香港地区复杂地形下的应用

由于城市表面复杂的下垫面的影响 ,使得城市边界层风温场结构较其他下垫面有很大不同。作者通过将城市中 5 0 0m网格内的各种地表类型 ,按照各自在网格中所占的百分比及各自的地表参数加权平均 ,得到此网格的平均的地表参数 ,以此准确反映下垫面的情况 ,建立分辨率为 5 0 0m的城市边界层能量平衡模式 ,将此城市边界层能量平衡模式嵌入动力学框架 ,并用中尺度模式MM5作为初始条件和边界条件 ,建立一个既考虑中尺度背景场又详细考虑城市下垫面复杂性与多样性的城市边界层模式系统。将模式系统运用于香港复杂地形下的边界层特点的模拟研究。通过与观测值的比较 ,模式能够较准确的模拟出海陆风、城市热岛等热力过程 ,及气流过山引起的绕流等动力过程 ,并且通过对边界层高度的模拟预测污染扩散的条件等。说明模式系统具有模拟在中尺度的背景场的控制下海陆风环流、过山堆积和绕流及城市热力影响的能力。

精细城市边界层模式的建立及应用研究

本文建立了一个精细城市边界层模式,它是针对小型城市模拟应用特点,并在原有较粗网格区域边界层模式及模拟应用的基础上建立的.与原有模式相比,新建模式(1)加入水汽过程,(2)引入了热力粗糙度,(3)考虑了城市人为热源对城市地表能量平衡的贡献及其对城市热岛的影响,(4)考虑了城狭ψ饔市冠层建筑物的动力拖.运用建立的模式分别以北京东南部12 km×18 km范围的一块市区和一个卫星城镇(即亦庄,范围10.5 km×6.7 km)进行了实际模拟试验.通过模拟所获的城市地区地面气温、风速和比湿结果与当地自动气象站观测资料进行比对,结果表明:模式能较好地表征气象条件的日变化规律,模拟结果与实测数据间的相对平均偏差(FB):地面气温为0.02,风速为0.13,空气比湿为0.09.模拟研究了小型城市气象环境的诊断与分析.还分析研究了城乡地区之间气象环境和地面能量平衡的不同特性.取得了良好效果.

城市边界层湍流和下垫面空气动力学参数观测研究

城市大气边界层中的湍流交换和下垫面空气动力学参数的观测研究是城市环境气象研究的重要内容。文章概述了城市大气边界层中湍流的观测方法和计算城市下垫面空气动力学参数的可行性方案。对城市湍流的基本特性和城市边界层的垂直结构、城市边界层观测的历史。

现代城市化标准与城市边界

本文通过探讨城市化与城镇化的内涵,重新定义了城市化的标准,提出了城市边界理论模型,并以金华为实例进行了分析。

北京稳定天气条件下城市边界层环流特征数值研究

采用科罗拉多大学和MRC/ASTER共同开发的区域大气模拟系统(RAMS)对北京地区稳定天气条件下的个例进行数值模拟,通过对数值模拟结果与观测事实的比较以及敏感性试验,分析了北京城市边界层环流特征和环流影响因子在环流发展过程中的作用。结果表明:①在山谷风环流和热岛环流相互作用下形成了北京城市边界层流场特有的局地环流。②热岛中心在决定边界层环流的辐合区位置上起相对较大的作用,边界层环流的强度和发展高度由山谷风强度和热岛强度共同决定。

城市边界层动量和保守物通量的特征

利用2005年1-5月北京325 m气象塔47 m高度的湍流脉动资料(风速、温度、水汽和CO2),对城市边界层冠层内的湍流运动统计特征(相似关系、高阶矩、通量和谱等)进行了分析。其中,谱分析的结果表明,城市冠层内稳定度对湍流谱的影响比较小,而水平风速的影响比较大。因此,速度和温度的相似关系在夜间稳定条件下也成立。但是,由于水汽和CO2还受其他因素的影响,相似关系并不适用。更高阶矩的研究表明它们的陡峭度与偏斜度之间存在平方关系。而水汽和CO2之间也存在差异,它们的通量日变化特征明显不同,CO2通量的日变化更能体现人类活动的影响。同时,感热通量、潜热通量和CO2通量存在季节变化,尤其是潜热通量季节差异很大。