北京城市下垫面的非均匀性度量研究

城市下垫面非均匀性度量研究对于改进中尺度数值模式、提高城市气象预报准确率具有重要意义.基于分形布朗运动理论和Landsat-TM卫星遥感图像,估算了2011年北京典型下垫面类型个例和整个空间区域的分数维,由此来度量北京城市下垫面的非均匀性特征.研究结果显示:分数维能有效度量北京城市下垫面的非均匀程度,典型下垫面类型的分数维高低顺序为商业区大型居民区城市绿地农田林地水体;北京六环内区域及郊区城镇地表非均匀特征明显,分数维一般在2.50以上,北京城市中心(二环内)存在一个分数维相对低值区,二环—四环之间区域分数维普遍较高,在2.70以上,五环以外分数维则不断降低,反映出北京城市下垫面非均匀性从中心向外呈低—高—低的空间分布;下垫面类型中建筑用地、绿地、未利用地、农田、林地和水体的平均分数维分别为2.71、2.62、2.55、2.38、2.30和2.28,分数维值的高低反映了城市下垫面类型的非均匀程度大小,对定量描述城市边界层参数的复杂特征具有参考意义.     

Mesoscale Atmospheric Numerical Simulation and Its Progress

首先,以MM5,RAMS,WRF模式为例,简要介绍了各模式的动力学框架、物理过程以及应用情况,同时比较了当前国内外几种著名的中尺度数值模式性能。其次,归纳分析了积云、行星边界层和陆面过程3种主要的参数化方案。积云参数化方案按其发展过程分为对流调整、大尺度水汽辐合和质量通量3类方案,对各个方案的优缺点进行了总结;行星边界层参数化方案分为总体行星边界层、高分辨行星边界层参数化方案和大涡模拟3部分,概括了每种方法的特点;还分析了陆面过程参数化的发展过程、非均匀下垫面参数化和目前主要的陆面模式。然后,简要概括了客观分析方法和3类主要的资料同化方法。最后,对该领域存在的问题进行了阐述,并展望了中尺度大气数值模拟今后的发展趋势。希望通过对这些问题的综合分析,有助于进一步开展中尺度大气数值模拟的研究。     

城市下垫面截流降污效应模拟研究

城市下垫面的改变影响了城市原本的水文状态,成为城市内涝和城市地表径流及地下水污染的主要原因之一.采用不同比例粘土与砂混合模拟城市下垫面作为研究对象,通过某市工业区小时最大雨量进行模拟经流,研究不同渗透性能下垫面的截流降污效应.结果显示:模块的含砂量与其蓄渗效果呈正相关,单个模块的蓄渗率为1.43%~41.18%;对模块进行组合时,增加透水模块的比例可以提高蓄渗能力,当透水下垫面与不透水下垫面比例为3∶1时,蓄渗率为40.22%,比例为4∶1时,蓄渗率达到50%以上.总体来说,下垫面的去除率与其蓄渗率呈正相关,渗透型下垫面对SS去除效果明显,对COD、NH4-N、TP、Pb等有一定的去除效果.     

城市下垫面对夏季微气候影响的测试研究

下垫面是形成微气候的关键因素,为了研究其对夏季城市局地微气候的影响机制,选择4种具有代表性的城市下垫面(沥青路面、混凝土路面、铺面砖地面、草地)作为研究对象,对下垫面热环境参数进行测量.分析了不同下垫面微气候特征和地表温度变化特征,以及下垫面地表温度和气象参数、物理性质的影响关系,对比研究了不同下垫面的微热环境影响,结果如下:不同下垫面地表上方空气温度、太阳辐射、相对湿度和风速共同构成的下垫面微气候环境存在差异,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,沥青地表温度在全天均高于其他下垫面;气温、太阳辐射以及空气相对湿度与下垫面地表温度的关联性显著;材料热物理性质会影响下垫面地表温度表现,但影响程度不同,由高至低依次为热扩散率、比热容和反射率;四种下垫面热环境舒适度从高到低依次是草地、混凝土、铺面砖、沥青.本研究可为优化城市热环境设计提供科学依据.     

建筑群不均匀性参数化方案的风洞实验

为了在参数化数值模型中更好地引入城市下垫面不均匀建筑群对大气动力特性的影响,从建筑几何结构的形态学角度出发,建立了描述城市建筑群不均匀性的形态学参数化方法,形成一组可以较为系统地表达建筑不均匀性的参数,包括迎风面积指数(λf)、平面面积指数(λp)、形状指数(SBC)和综合非直线系数(R).利用风洞实验方法研究建筑群各形态学参数对拖曳力的影响,其中整个区域所受的拖曳力采用悬浮实验平台直接测量.结果表明:周围环境地貌粗糙度的改变对拖曳力系数影响不明显;迎风面积指数是风向变化引起拖曳力系数变化的主要作用因素.实验工况之间对比表明,在迎风面积指数、平面面积指数、形状指数分别增大或综合非直线系数减小的单因素变化情况下拖曳力系数会出现不同程度地增大.     

朗伯下垫面的漫反射作用对天空亮度的影响

随机粗糙下垫面对入射到地表的太阳辐射的漫反射必然引起天空亮度的增加。本文基于下垫面为朗伯粗糙表面的假设基础上,对下垫面对向下太阳辐射的漫反射作用引起天空亮度变化的计算方法进行了研究,分析了利用互易性原理计算大气反射率、半球平均反射率和透过率的方法。对不同下垫面反照率对天空亮度的影响随观察天顶角的变化进行了计算和比较,结果表明随着观察天顶角的增加,下垫面的漫反射作用对天空亮度的影响也随之增强,特别当天顶角接近90°时,这种影响迅速增强。     

基于变化的水热耦合平衡方程参数预测区域水资源量

水热耦合平衡Budyko方程被广泛地应用于水文过程模拟和水资源预测中。目前,多数应用均基于方程唯一的参数在未来气候条件下恒定不变这一假设,这个假设与实际的气候变化与人类活动影响下流域特征改变的事实不符。为此,本研究综合考虑不同气候情景下Budyko参数的动态变化,选取了代表我国不同气候区的3个典型流域(松花江流域、黄河源区和珠江流域),通过研究其水文气象变量的变化趋势,计算并分析Budyko参数的变化规律。利用基于Budyko方程的动态水量平衡模型,采用CMIP5中4种气候模式的3种情景分别预测3个流域未来的水资源量,进而评价Budyko参数改变对水文响应预测的影响。结果发现:黄河流域2021—2050年间降水、潜在蒸发均增大,径流减小;松花江流域未来降水、潜在蒸发、径流均增加;珠江流域未来径流在RCP4.5和RCP8.5情景下仅GFDL模式下的径流增加,其余3个气候模式下的径流减少。与基于恒定Budyko模型参数预测的径流相比,黄河流域由于未来下垫面改变会加剧该区水资源量减少,松花江流域下垫面的改变更将造成该区未来水资源量的增加,珠江流域下垫面的改变对Budyko模型预测该区未来径流改变不明显。研究结果为变化环境下的水文模拟与水资源研究开辟了新的思路。     

耦合风电场参数化模型的天气预报模式对风资源的评估和验证

为了验证耦合风电场参数化模型的天气预报模式（WRF-WFP）对大规模风电场风资源特性评估的准确性,以我国河北省张北县百万千瓦风能基地为研究对象,分别采用耦合与未耦合风电场参数化模型的天气预报模式开展相关的模拟试验,利用在平坦及复杂地形场区的测风塔的观测数据对风速及其概率密度函数分布以及风向进行验证分析. 研究结果表明：耦合与未耦合风电场参数化模型的天气预报数值模式对风资源特性的评估均有较高的可靠性,且对平坦地形区域的模拟精确性优于山地地形区域;由于前者考虑了风电场的尾流效应,对风速预测的精确性比后者高约4.5%. 该数值模式可为风能丰富地区的风电场微观选址、大规模风电场的运行特性及其对大气边界层影响的评估提供可靠的技术支撑.     

夏季下垫面材质类型与颜色表面温度热环境关系研究

随着近些年来城市热岛问题的日益突出,城市下垫面对人室外热环境感受上有着显著的影响.城市下垫面铺装材质,其表面温度通过对流和辐射等方式,加热材质上方空气,影响城市热环境.为此,选取8种不同材质下垫面,以及10种相同材质不同颜色作为研究对象.利于红外热像法测量材质表面温度,进而分析各种类型材质,以及颜色对城市热环境的关系和...     

利用WRF-NAQPMS模拟土地利用变化对武汉城市灰霾天气的影响

城市化极大地改变了城市下垫面的性质,这有可能增加灰霾天气发生的概率和强度.利用Landsat-7 ETM+和HJ-1A卫星多光谱遥感数据,通过人工解译获得2002年和2012年武汉市土地利用情况,并对武汉市土地利用规划图进行数字化和尺度转换.在此基础上,针对武汉市典型灰霾天气过程,对不同土地类型(历史、现状和规划)利用WRF-NAQPMS空气质量数值模式进行了不同情景的模拟.同时,对比分析和揭示了不同情境下,大气风场和主要大气污染物浓度场的变化,解析了下垫面对灰霾天气的影响.可为从灰霾天气防治的角度完善城市土地规划和建设提供科学依据.