地表非均匀加热条件下边界层湍流特征的实验研究

在下垫面非均匀加热条件下进行对流边界层的水槽模拟实验,并与下垫面均匀加热条件下的情形对比,研究地表热力非均匀性对边界层湍流特征的影响．结果表明,地表的非均匀加热使得混合层湍流的组织性得到加强,湍流涡旋结构的空间分布比较稳定,湍流强度也有明显的增强．进一步分析表明,对流边界层的发展受到下垫面热力非均匀尺度的影响,在对流边界层的发展过程中,当边界层高度为下垫面非均匀尺度的1．3～1．4倍时,夹卷速度（即边界层高度的抬升速度）最小．     

城市建筑物对城市边界层三维结构影响的数值模拟

设计了一个考虑城市建筑物动力作用和人为热量影响的城市边界层参数化方案(UBP),并将之耦合到新一代中尺度模式WRF中。利用WRF/UBP模式对北京地区夏季晴空下边界层结构进行了数值模拟分析,并与不考虑建筑物及人为热源影响的MYJ方案的模拟结果进行对比。结果表明, UBP方案模拟的边界层结构反映了城市下垫面作用下的边界层结构特征,近地面层风场和温度场的模拟与自动气象站的观测结果更为接近。人为热源使得城市热岛效应增强,诊断分析显示由于夜间为稳定边界层,而白天边界层发展,湍流输送加强,热岛效应的日变化与人为热源的日变化有明显的反相关。另外,对湍流动能和边界层高度也进行了对比分析,发现城市建筑物使得湍流动能增加,夜间边界层高度有明显升高。研究表明,考虑了建筑物影响的UBP方案大大改善了模式对于城市近地面要素的模拟能力,对城市边界层的描述更为合理。     

大涡模拟方法在非均匀边界层研究中的应用

首先回顾了大涡模拟方法在边界层研究中的应用 ,总结了该方法在非均匀性研究中的概况。然后 ,用大涡模拟方法 ,并且启用陆面模块 ,模拟了真实下垫面条件下地表热量通量和动量通量的分布和边界层气象场 ,初步分析了非均匀下垫面对边界层结构的影响     

大涡模拟与大气边界层研究--30年回顾与展望

对大涡模拟(LES)技术应用于大气边界层(PBL)研究30年来的发展历程、应用前景及发展趋势作了简要评述,内容包括:LES网格体积平均方程组,次网格闭合方案(K闭合、湍能(TKE)闭合、二阶闭合、动力学闭合、随机闭合、各向异性TKE闭合和非线性闭合);均匀、非均匀下垫面对流边界层(CBL)的大涡模拟,稳定边界层(SBL)、实际PBL的大涡模拟,森林下垫面流场和建筑物周围流场的大涡模拟,污染扩散的大涡模拟,LES-化学模式,对流层大涡模拟,大涡模拟对模拟域、网格及大涡时间尺度的敏感性,适用于LES和中尺度模拟的湍流方案研究等.提出了LES需要进一步研究的问题,如次网格(SGS)闭合方案,物理过程参数化方案,高分辨卫星和Doppler雷达资料的使用,与中尺度模式的连接与嵌套等;以及可能的应用领域,如大气湍流发展及湍涡相互作用,复杂地形流场及城市边界层模拟,污染扩散模拟,LES-大气化学模拟,中尺度气象模拟,数值天气预报及大气环流模式中高分辨边界层方案(大涡机制)的引入.希望能为大气边界层研究与应用中发挥LES模拟效能的成功实施起到一定的推动作用.     

多尺度城市边界层数值模式系统

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.研究工作着眼于引入更完善的城市大气边界层物理过程,进一步发展完善南京大学的多尺度数值模式系统,以提高模式系统的模拟性能.主要研究内容包括:1)城市尺度模式中人为热及建筑物拖曳参数参数化方案的完善;2)基于参数化方案完善以及精细地理信息、地表特征参数支持下提高了城市尺度数值模式的分辨率;3)完成不同尺度边界层模式单向向下嵌套及各边界层模式与空气质量模式的单向嵌套;等等,从而建立物理机制更合理,计算过程更完善的多尺度城市边界层数值模拟系统,为天气气候研究,城市环境保护,城市发展规划以及国家安全防御等工作服务.     

戈壁下垫面大气边界层温、湿结构的数值模拟

本文利用二维大气边界层模式研究了平坦、均匀戈壁下垫面对流大气的位温和比湿廓线及其时间变化的垂直结构。与实测廓线资料比较表明，模拟结果基本反映了对流条件下，戈壁下垫面大气边界层中温、湿结构特征。     

华北北部半干旱地区夏季大气边界层特征的实验研究

2016年7月3—16日在内蒙古自治区科尔沁地区大气科学与大气环境综合实验站开展科尔沁半干旱下垫面大气边界层野外综合观测试验, 利用 GPS大气边界层精细探空资料, 分析华北北部半干旱地区晴天、阴天和雨天等不同天气条件下的大气边界层结构。采取不同的方法和判据对比确定大气边界层高度, 统计实验期间低空急流特征, 并对近地面湍流特征及地表能量收支状况进行初步的探讨。结果表明: 晴天, 白天的大气边界层平均高度约为1790 m, 夜间约为250 m; 阴天和雨天, 白天的大气边界层平均高度约为980 m, 夜间约为430 m。夜间, 近地面层湍流动能与边界层高度有较强的相关性。低空急流多发生在午夜, 平均高度约为390 m, 强度与高度正相关。     

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。     

白洋淀湿地夏末大气边界层温湿廓线特征对比分析

2005年9月北京大学与中国科学院大气物理研究所联合在白洋淀湿地地区开展非均匀下垫面的大气边界层综合野外观测实验,利用新型高精度温湿度探空系统分别在陆地和水面两种下垫面进行连续观测。实验结果显示水陆两种下垫面的大气边界层结构具有明显特征：不同时刻、不同高度出现多层逆湿、逆温现象及清晰的边界层顶位置。同时发现该地区的陆地下垫面上空湿度较水面大、温度较低;水面上空湿度较小,温度较高,且水面上空边界层厚度要大于陆地。作者从盛行风向、局地能量平衡、陆气相互作用等方面对实验结果进行分析,结果有助于研究和了解夏秋季节白洋淀湿地地区大气边界层特性和演变规律,为进一步认识白洋淀湿地的水循环及能量平衡提供了参考。观测结果也检验了北京大学自行研制的新型高精度温湿度探空系统的性能。     

珠江三角洲地区边界层气象特征研究

根据珠江三角洲地区9个气象台站1995-2000年地面气象资料和部分地区的探空资料,分析研究区域气候与天气背景,风、温、混合层厚度、大气稳定度等大气边界层特征.结果表明:珠江三角洲地区受季风影响显著,还受海陆风、城市热岛环流、越南岭下沉气流等的复合影响;逆温频率很高,混合层高度较低,大气层结比较稳定;复杂的下垫面对珠江三角洲地区大气边界层有重要影响.     

上海城市对大气边界层若干影响的初步分析

本文根据上海城市气候特征与大气污染防治课题组提供的上海城、郊同步观测的小球测风、低空探空和平衡球等资料,对上海城郊近地层和边界层内的湍强、R_i数、摩擦速度、下垫面粗糙度、风速廓线以及扩散参数等进行计算,并且采用城郊对比法进行分析和探讨.结果表明,上海城市对边界层动力和热力特征影响甚大,城市这个人为因素对边界层的影响不容忽视.     

上海城市对大气边界层若干影响的初步分析

本文根据上海城市气候特征与大气污染防治课题组提供的上海城、郊同步观测的小球测风、低空探空和平衡球等资料,对上海城郊近地层和边界层内的湍强、R_4数、摩擦速度、下垫面粗糙度、风速廓线以及扩散参数等进行计算,并且采用城郊对比法进行分析和探讨。结果表明,上海城市对边界层动力和热力特征影响甚大,城市这个人为因素对边界层的影响不容忽视。     

地气耦合系统中下垫面气候效应的数值模拟

区域气候环境的变化，不仅受大尺度气候环境的影响，而且在一定程度上还取决于该区域下垫面状况的改变。本文利用一维十六层地气耦合模式研究了陆地下垫面特征变化对近地层气候的影响，分析了大气边界层垂直温度特征、地面温度变化特征以及地面能量平衡和转换特征、试验结果表明下垫面特征是影响区域气候的一个重要因子，其变化对边界层垂直温度结构、地面温度日变化以及地面能量平衡和转换机制具有重要的影响，进而改变一个地区的区域气候状况。     

干旱半干旱气候条件下夏季地表城市热岛特征与影响因素研究

利用MODIS土地利用产品提取城市建成区和郊区,以2013年6、7、8三个月的MODIS地表温度产品以及植被覆盖产品分析夏季甘肃省内干旱半干旱气候条件下的地表城市热岛特征,讨论影响地表城市热岛的主要因素。结果表明,在干旱半干旱气候条件下,地表城市热岛具有显著的昼夜差距与区域特点,表现为夜晚地表城市热岛强度大于白天;城市周围的农田、草地等生态屏障可以避免建成区地表被荒漠裸地直接包围,对于控制地表城市热岛具有重要作用,传统计算城郊温度差的方法对于衡量干旱半干旱气候条件下的地表城市热岛具有明显局限性;影响地表城市热岛的主要因素在一天中会产生变化,城郊植被覆盖度差异与夏季白天的地表城市热岛有显著相关性,夜晚地表城市热岛则可能与人类活动强度和人为热源排放有关。     

上海城市对风速的影响

本文根据上海城市和郊区实测的风速资料,首先论证了由于上海城市的发展,建筑群增多、增密、增高,导致下垫面粗糙度加大,其摩擦阻障效应消耗了空气水平运动的动能,因而使城区的年和月平均风速减小。其次,分析了上海城市热岛效应与风速的相互影响:盛行风速小,有利于热岛的形成;热岛强时,容易发展垂直湍流,有使城区风速增大的效应;在背景风场微弱时,热岛温度场会导致热岛环流。最后,阐明上海城市与郊区的风速差异有一临界风速v_0。当盛行风速大于v_0时,城市下垫面粗糙度大,使风速减小的效应突出;相反,当盛行风速小于v_0时,热岛湍流使城区风速增大的效应显著。上海v_0的年平均值在2米/秒左右。     

Modeling of Air Temperature for Heat Exchange due to Vertical Turbulence and Horizontal Air Flow

In order to calculate the air temperature of the near surface layer in urban environment,the Sur-face layer air was divided into several layers in the vertical direction,and some energy bakmce equations were de-veloped for each air layer,in which the heat exchange due to vertical turbulence and horizontal air flow was tak-en into account.Then,the vertical temperature distribution of the surface layer air was obtained through the coupled calculation using the energy balance equations of underlying surfaces and building walls.Moreover,the measured air temperatures in a small area (with a horizontal scale of less than 500 m) and a large area (with ahorizontal scale of more than 1000 m) in Guangzhou in summer were used to validate the proposed model.The calculated results agree well with the measured ones,with a maximum relative error of 4.18%.It is thus con-cluded that the proposed model is a high-accuracy method to theoretically analyze the urban heat island and the thermal environment.     

上海城市对风速的影响

本文根据上海城市和郊区实测的风速资料,首先论证了由于上海城市的发展,建筑群增多、增密、增高,导致下垫面粗糙度加大,其摩擦阻障效应消耗了空气水平运动的动能,因而使城区的年和月平均风速减小。其次,分析了上海城市热岛效应与风速的相互影响:盛行风速小,有利于热岛的形成;热岛强时,容易发展垂直湍流,有使城区风速增大的效应;在背景风场微弱时,热岛温度场会导致热岛环流。最后,阐明上海城市与郊区的风速差异有一临界风速v_o。当盛行风速大于v_o时,城市下垫面粗糙度大,使风速减小的效应突出;相反,当盛行风速小于v_o时,热岛湍流使城区风速增大的效应显著。上海v_o的年平均值在2米/秒左右。     

城市水泥下垫面／郊区下垫面湍流统计特征分析

为探讨城市水泥下垫面和郊区下垫面上的无量纲速度方差及温度方差与稳定度的关系,对2006年2月18日至3月10日南京市委党校楼顶和南京大学浦口校区观测站三层高度上的湍流资料的统计特征进行了对比分析,发现在不稳定层结下,城市水泥下垫面上的无量纲水平速度方差σu/u*和垂直速度方差σw/u*比郊区下垫面小,两者随稳定度z/L的变化基本符合1/3次律,但不能直接用Panofsky等提出的乡村下垫面条件下的经验关系式来表示。城市水泥下垫面上的无量纲温度方差σT/T*大于郊区下垫面。同时,在郊区30m高度附近的无量纲水平速度方差σu/u*和垂直速度方差σw/u*满足1/3次律,2m高度则不满足1/3次律。40m以下高度σT/T*与-z/L之间满足-1/3次律。     

北京市秋季大气边界层结构与特征分析

利用2000年9—10月北京市西部城、郊3个站点的探空资料,分析该地区秋季边界层高度的平均变化规律,探讨边界层内温度、风向、风速的廓线性质和结构特征,了解其时空变化和差异。结果表明,北京市秋季白天边界层最大高度平均约1km,夜间稳定层高度在200～400m之间。晴朗天气里,白天城区边界层温度高于郊区,反映出城市热岛的作用,夜间热岛现象不明显。较低的边界层高度和其顶部经常维持的强稳定层(强逆位温层)阻断上下层流动的关联,有利于近地面大气维持静稳状态和该季节雾、霾天气的出现。夜间约400m以下气层的流动大体分为3种形态,即整层小风型、低空急流型和贴地风速极大型。温度层结与夜间流动结构有密切对应关系。     

山地城市热环境及其聚落特征的关联分析

以重庆主城区为研究对象,利用Landsat 8传感器OLI和TIRS获取的遥感影像为数据源,进行城市聚落特征包括地形特征、土地利用等与地表温度的差异性分析。结果表明:城市的热环境空间分布差异较大,海拔高度对温度的影响强于地形起伏度;(NDVI、NDBI、MNDWI等)和地表温度的相关关系呈分段线性关系;不同土地利用类型的热强度和热变异程度差异明显,建设用地的温度最高且斑块温度间的变异性最强,虽然水体的平均温度最低,但斑块温度间的变异性却较高;从格网分析的结果可以看出,格网内部水体的"冷岛效应"明显、建设用地的"热岛效应"显著,耕地与自然植被面积的增加使得各空间格网温度更趋向于稳定。