城市非均匀性对城市地表能量平衡和风温特性的影响

为了研究城市的非均匀性对城市气象特征的影响,根据南京市landsat卫星资料的建筑密度分布特征,将南京市不同区域的城市分成:商业型城市、高密度城市、低密度城市.利用天气预报模式(WRF)模式针对南京地区非均匀城市类型分布进行了1年的高分辨率模拟,研究了城市非均匀性对城市地表能量平衡和城市热岛等气象特征的影响.研究结果表明:城市地表能量平衡和城市热岛等气象特征对城市非均匀性比较敏感,城市非均匀性导致平均城市感热、净辐射、热岛强度、城市郊区风速差减弱,而潜热增加.考虑城市的非均匀性之后,地表能量平衡各项以及温度、湿度、风场在城市区域的分布更加复杂,空间分布的方差和极值明显增加.如非均匀城市使平均感热、热岛强度和城市风速衰减分别下降了9.3 W·m-2、0.18℃和0.14m·s-1,潜热增加11.2 W·m-2;但非均匀城市使热岛强度、风速衰减、净辐射的最大值增加了0.28℃、0.28m·s-1和5.7·m-2.城市对于风速的衰减,会导致低空急流带的强度变小、厚度变薄.     

对流边界层顶部夹卷速度参数化的分析研究

应用 1979年 7月美国CIRCE试验边界层观测资料对两个夹卷速度参数化方案进行了对比验证 ,结果表明 :基于简单夹卷层结构模型的参数化方案we/w =A·Ri- 1 只适用于自由对流边界层 ,当对流边界层中存在较强机械湍流时 ,该方案变得不再适用 ;而基于“侵吞模型”的参数化方案we/w =B·θ /(Γzi)则不仅适用于自由对流边界层 ,对于含有较强机械湍流的对流边界层也能较好地符合 ,因而具有较强的适用性 .当对流边界层受机械湍流和浮力湍流共同驱动时 ,仅以浮力对流速度w 表征混合层垂直湍流速度尺度是不恰当的 ,还应该包含机械湍流的贡献 .对比验证表明 ,这一改进非常有效 ,不仅使物理意义更加合理 ,也使夹卷速度参数化方案与实际大气状况符合得更好     

对流槽模拟对流边界层实验研究

叙述了利用对流槽（长＊宽＊高为２００ｃｍ＊４０ｃｍ＊４５ｃｍ）模拟对边界层（ＣＢＬ）的温度场结构特征的实验研究了工作,包括平均温度、垂直热通量、温度脉动、温度谱等,以及混合层顶部夹卷特征,模拟实验结果表明,对流槽能很好地模拟对流边界层发展过程中边界层结构特征和湍流特征,并且细致观测到混合层顶部夹卷过程,为揭示卷机制提供实验依据。     

南京市区及郊区近地层通量观测比较

2005年夏季、2006年春季在南京市区及南京郊区进行了两次近地层通量观测实验,运用涡动相关(eddy-covariance,EC)技术得到感热通量、潜热通量、二氧化碳通量和摩擦速度.为了消除地形对这些测量值的影响,运用平面拟合方法(PF)对其进行倾斜校正.进一步研究发现,平面拟合因子与风向角度密切相关,因而在采用平面拟合方法处理数据时,必须考虑风向的影响,分别做出不同风向扇区的拟合平面,我们命名这种改进后的新方法为分角度平面拟合法(sector planar fit,SPF);相应的,称不区分风向扇区的平面内拟合法为总体平面拟合(general planar fit,GPF).着重比较了不同季节、不同地点两种方法修正后的通量结果的差异.春夏两季,市区各通量分布总体趋势一致;地域上,市区SPF法、GPF法修正后通量值之间有明显的差异,郊区二者差异较小.接着,运用SPF法、GPF法修正垂直速度,两方法修正后垂直速度差异显著;最终,得出两种方法修正后垂直速度的概率分布,SPF方法得到的垂直速度更接近于正态分布.     

对流边界层水平温度场特征的水槽模拟研究

利用对流水槽模拟分析了均匀下垫面自由对流边界层的水平温度场结构特征.根据几何相似、运动相似和动力相似等要求设置初始条件和边界条件实施模拟.对流水槽的尺度为1.5 m×1.5 m×0.6 m,先加入具有一定温度层结的去离子水,然后底部加热形成对流,模拟对流边界层的发生和发展.利用快速响应的温度传感器测量温度廓线和不同高度上的温度起伏;利用准直光闪烁原理获得光学湍流场.根据温度廓线和光学湍流场的结果得到对流边界层厚度和稳定度等参数.根据不同高度的水平脉动温度,利用AR谱方法分析水平温度谱峰值频率所对应的尺度,该尺度对应于对流边界层的准二维对流热泡的水平尺度.统计分析结果表明,自由对流边界层大涡的水平尺度在边界层的下部随高度的增加而增加,约在0.65倍边界层厚度处达到最大,然后随高度的增加又逐渐减小.物理模拟与数值模拟和野外观测结果符合一致.根据对流热泡的这种特征,提出了一个自由对流边界层的热泡模型.     

对流边界层顶部夹卷层厚度特征及其参数化分析

运用大涡模拟结果分析并讨论了对流边界层顶部夹卷层厚度特征及其参数化．常见的参数化方案是建立归一化夹卷层厚度与对流理查森数（Ri＊）之间的指数对应关系,但不同研究结果得到的幂指数有很大差异．分析表明：“Ri＊方案”本身是造成这种不确定性的原因;另一种理查森数（RiN）,即浮力理查森数,可以较好地表征夹卷层厚度．大涡模拟结果表明：“RiN方案”能够有效地减小夹卷层厚度参数化的不确定性．为消除湍流随机性对参数化的影响,我们对大涡模拟结果进行了时间平均处理,并用所得数据讨论了夹卷层厚度与浮力理查森数之间的关系．结果表明：两者之间有很好的指数对应关系,平均幂指数为-2／5;计算结果同时显示,幂指数仍然存在一定的变化范围（-1／3～-1／2）．夹卷层厚度的这种特性反映出夹卷过程的复杂性,即兼有热泡和界面振荡的特征．     

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1.1m.     

对流边界层高度预报方案的改进

基于对流边界层“一阶模型”,并考虑机械湍流和夹卷过程对对流边界层发展的贡献,提出了对流边界层顶部夹卷速度参数化的改进方案.理论分析表明,在对流边界层受热力湍流和机械湍流共同驱动的情况下,夹卷速度的参数化方案中应该包括机械湍流、热力湍流、夹卷过程和边界层顶上自由大气的逆温强度.用1979年7月美国CIRCE试验的边界层观测资料对改进后的参数化方案进行了对比验证,结果表明新方案能很好地预报对流边界层高度的演变过程.这一改进不仅使物理意义更加合理,也使夹卷速度参数化方案与实际大气状况符合得更好.     

“城市化的环境影响和气候效应”专栏前言

<正>城市化是工业社会的产物,并不是什么新鲜事物,从工业革命开始,人类就走上了城市化的道路.通俗地讲,城市化就是地表由乡村变为城市,人口从乡村向城市聚集的过程.城市对环境的改变显著而直观,城市的气温通常高于乡村,产生了所谓的热岛效应,人们对这一现象的认识已经超过一百年;城市大部分地表被建筑和路面覆盖,减少了地表向大气的水汽输送,城市的空气湿度通常都低于乡村,所以城市又被说成是干岛;城市是人类活动的密集区和污染     

地表非均匀加热影响对流边界层湍流特征大涡模拟研究

本文运用大涡模拟方法研究了地表非均匀加热对边界层湍流特征的影响.共进行五个算例的数值模拟,其中一个算例为地表均匀加热,四个非均匀算例的地表加热方式均采用“马赛克”分布,非均匀尺度分别为1.2km、2.5km、5.0km和10.0 km,其平均地表热通量与地表均匀加热算例相同.模拟结果表明:地表非均匀加热激发出有组织湍流...