摘要: 随着城市化进程的加剧，城市地表的非均匀特性越来越强，这使得城市区域地气交换过程比平坦均匀下垫面更复杂，故在植被下垫面上适用的传统陆面过程参数化方案在城市区域已不太适用，尤其是用传统陆面方案模拟城市地表能量平衡(SEB)时存在的问题越来越... 展开 随着城市化进程的加剧，城市地表的非均匀特性越来越强，这使得城市区域地气交换过程比平坦均匀下垫面更复杂，故在植被下垫面上适用的传统陆面过程参数化方案在城市区域已不太适用，尤其是用传统陆面方案模拟城市地表能量平衡(SEB)时存在的问题越来越多，而陆面过程参数化方案对城市SEB的模拟效果在很大程度上影响了数值模式的模拟能力，在这种情况下，建立、发展、完善专门应用于城市区域的冠层模式(UCM)是十分必要的。 本文首先建立了一个城市冠层模式。(1)用南京市两次城市边界层外场观测试验的楼顶SEB数据对其进行了离线检验，结果表明：UCM能够很好的模拟楼顶感热通量和储热，模式对建筑物表面材料反照率十分敏感，该参数是模拟结果准确与否的关键之一。通过与观测结果的对比分析发现，我们在UCM中的两个假定，即：漫射辐射通量为0以及不计城市中积水积雪等对潜热的影响都是可行的。(2)本文还用经过上述检验的UCM模拟了城市SEB各分量，讨论了城市SEB各分量的基本特征：考虑人为热源后模拟的城市感热通量在所有算例中都全天为正，城市储热项大于城市感热通量，城市潜热通量很小，储热通量峰值时间与净辐射通量峰值时间没有明显滞后性，但是感热通量峰值时间明显滞后于净辐射通量峰值时间，晴天的滞后现象强于阴天。(3)对UCM中的人为热源、街渠高宽比和建筑物表面材料反照率三个因子做了大量敏感性试验，发现：人为热对大气全天都有增温作用；街渠高宽比的变化影响街渠辐射陷阱效应的强度，建筑物表面材料反照率量值发生变化会都使得城市冠层等价反照率朝相同方向转变，二者量值变化对SEB各项的作用程度以反照率为大，而对冠层内气温的影响则以街渠高宽的为显． 在对UCM进行较为充分的检验分析之后，本文又成功实施了UCM和区域边界层模式NJu—RBLM的技术耦合。为对比UCM方案和传统陆面过程参数化方案对NJU—RBLM模拟性能的影响，用两种方案分别模拟了不同季节的三个算例，并以多种手段获得的常规或非常规观测资料对两种方法的模拟结果进行比对，结果表明：UCM的引入明显改善了NJu—RBLM的模拟效果，尤其是对热力场和地表通量场的模拟，并使NJU—RBLM模拟热岛现象的能力大大提高。上述结果从在线模拟的角度证明了UCM的模拟性能，同时也发展完善了NJU—RBLM。UCM考虑的街渠物理过程使它与边界层模式的祸合能更有效地模拟城市热岛(UHI)等现象，于是，我们以通过检验的NJU—RBLM选择UCM方案研究了与UHI相关的几个问题，得出以下结论：(1)城乡SEB之间的差异是产生热岛现象的主要原因之一，在各分量中，储热项的差异是关键；人为热源对UCM方案模拟夜间UHI效果的改善很明显，而传统方案的UHI模拟不利于反映人为热源的影响(2)UHI对城市边界层热力结构有明显影响，会使清晨和傍晚时分城市区域的近地层位温廓线与郊区位温廓线之间存在明显差异，且这种差异在傍晚强于清晨，日间城乡温差能达到的高度明显高于夜间(3)人为热源和建筑物的存在对UHI的产生都很重要，人为热源对UHI的生成有推进和加剧的作用。人为热源对UHI的影响在夜间强于白天。对于日间城市湍能而言，建筑物的作用强于人为热源的作用．在建筑物热力和动力效应以及人为热源的共同作用下，城市区域有出现热岛环流的趋势．(4)人为热源对热岛强度全天都起到增强作用，建筑物高度增大对夜间UHI强度有增强作用，而对日间热岛强度却有减弱作用，当二者同时增大时，对夜间热岛现象明显起增强作用，但对日间情况则不确定，因为两因子增强对白天热岛强度的作用是反向的。 城市冠层对PBL的影响包括冠层动力拖曳效应和热力辐射效应两方面，在研究建筑物对PBL的影响时应将两种作用同时考虑，故本文以NJU—RBLM为模拟工具选择UCM方案模拟了城市面积、建筑物高度以及建筑物分布密度的变化对PBL的影响，结果表明：(1)城市面积扩张使得城市区域气温升高，湍流活动旺盛，垂直运动加剧，在城市下游一定区域内风速增大有辐合趋势(2)城市建筑物高度增大会增强日间辐射陷阱效应，减小地表热通量。降低城市上空气层温度，气流有辐散现象，平均会风速减小，湍能、垂直风速都减小；夜间，热力湍流相对活跃，地表热通量增大，使得城市区域出现升温现象(3)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，垂直运动也随之减弱；建筑物密度增大使得夜间城市气温升高，气流的辐合上升运动增强．建筑物密度变化对边界层热力结构的影响强于建筑物高度变化带来的影响，但是弱于城市面积扩张造成的影响。本文通过对UCM模拟结果的离线检验和对UCM耦合到NJU—RBLM后其模拟结果的多种手段检验说明UCM的模拟效果良好。此外，通过分析UCM模拟UHI的能力和UCM在研究冠层形态学对PBL的影响时发挥的作用都说明引入UCM到中尺度大气模式中是十分必要的，也说明本论文建立研究这样一种城市参书化方案是十分有意义的，将UCM耦合到HJU—RBLM中优化并发展了区域边界层模式。 收起