城市近地层湍流交换特征的观测研究和城市群区域非均匀大气边界层影响局地天气的模拟研究

【作者】 孙鉴泞； 刘红年； 张宁； 彭珍； 赵文静； 邹钧； 刘鹏； 沈历都； 杨健博； 张宏昇； 宋宇； 蔡旭晖； 袁仁民；

【机构】 南京大学大气科学学院； 北京大学物理学院大气与海洋科学系； 北京大学环境科学学院； 中国科技大学地球与空间科学学院；

【摘要】 利用城区铁塔观测资料分析城市近地层湍流交换特征,分析结果表明:城市粗糙子层中气流的拖曳系数随不稳定度的增加而减小,与相似理论的描述不同,说明城市冠层使得城市近地层气流的动力热力学特征与平坦下垫面之上的气流不同;发现城市粗糙子层中动量通量-梯度关系满足局地相似理论,但相似关系中的系数随高度变化,逐渐趋近经典相似关系的数值,据此提出了一个判定粗糙子层厚度的客观判据;城市粗糙子层中不仅动量通量随高度增加,感热通量也随高度增加,说明以往的观测可能存在对感热的偏低估计;同时发现反照率随高度减小,潜热通量随高度增加,城市地表能量平衡关系随高度变化,说明观测高度较低时采用余差法估算的人为热可能存在过高估计;观测资料对单层城市冠层模式的检验表明模拟结果对冠层的热参数很敏感,模式自带参数的不确定性可能是导致模拟误差的重要原因,需要对相关参数进行本地化修正。理想条件下的数值模拟结果表明:二维地表热力非均匀激发出次级环流,背景风场的存在有利于次级环流的生成和发展,在边界层发展过程中,当边界层大涡的尺度大于次级环流尺度时,次级环流溃散,当边界层大涡的尺度小于次级环流尺度时,次级环流始终维持;当多个城市呈带状分布且其走向与风向平行时,所激发出的侧向次级环流形成辐合带,其对水汽的输送作用使得边界层顶部水汽聚集,增加了成云和降水的几率;临海城市热岛环流与海风环流之间存在明显的相互作用,可以激发强烈的局地有组织上升运动。对长江三角洲的实况模拟表明,受城市热岛和海风环流的共同影响,上午上海地区边界层高度高于苏锡常地区,下午边界层高度自上海向南京呈倾斜分布,越往内陆边界层高度越高;城市带状分布激发的次级环流使得长三角地区形成辐合带,次级环流强度在傍晚18:00达到最大,降水从午后开始增加,并在18:00达到最大;长三角地区的城市群效应导致了区域大气边界层的非均匀性,通过边界层过程形成有组织上升运动,改变了水汽的输送与分布,在上升运动区造成云和降水的增加。更多还原