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1、城市冠层模式的建立城市冠层模式的建立与应用研究与应用研究南京大学大气科学系南京大学大气科学系 研究意义研究意义 研究现状研究现状 研究工作研究工作 讨论讨论研究意义研究意义优化城市陆面过程参数化方案优化城市陆面过程参数化方案完善对城市地气相互作用的模拟处理完善对城市地气相互作用的模拟处理改善城市非均一复杂下垫面上的气象改善城市非均一复杂下垫面上的气象模拟效果模拟效果城市反射潜热感热向下长波向上长波向上长波土壤热通量入射入射短波短波水泥平板机制水泥平板机制城市冠层中物理过程城市冠层中物理过程城市冠层效应城市冠层效应湍能湍能加强加强冠层冠层加热加热或冷却或冷却建筑物建筑物拖曳拖曳人为热人为热排放排
2、放辐射辐射截陷截陷辐射衰减辐射衰减 城市下垫面城市下垫面 热属性热属性阴影阴影遮蔽遮蔽Oke(1987)首次定义城首次定义城市冠层的概念：建筑物市冠层的概念：建筑物高度以下的大气层高度以下的大气层热力：人为热排放热力：人为热排放 人为地表人为地表 各表面辐射过程各表面辐射过程 各表面能量平衡各表面能量平衡动力：拖曳力动力：拖曳力 雷诺应力雷诺应力 湍能扰动项湍能扰动项研究现状研究现状Masson(2000)Masson(2000)首次建立单层冠层模式首次建立单层冠层模式Kusaka(2001)Kusaka(2001)增加街区方位不同考虑增加街区方位不同考虑Lemonsu(2004)Lemons
3、u(2004)计算阻抗，发展模式计算阻抗，发展模式Lemonsu&Masson(2002)Lemonsu&Masson(2002)引入引入MesoMesoNHNHKusaka,ChenfeiKusaka,Chenfei等等(2002)-(2002)-引入引入WRFWRF Timothy(2006)-Timothy(2006)-引入引入RAMSRAMS Keith(2006)Keith(2006)引入引入CLMCLM何晓凤何晓凤(2006)(2006)引入引入NJU-RBLMNJU-RBLM研究工作研究工作1.1.单层冠层模式的建立及耦合研究单层冠层模式的建立及耦合研究 2.2.动力冠层模式的建
4、立及耦合研究动力冠层模式的建立及耦合研究3.3.多层冠层模式的建立及耦合研究多层冠层模式的建立及耦合研究 4.4.城市冠层结构对热岛效应及污染扩散的影城市冠层结构对热岛效应及污染扩散的影响研究响研究5.UCM5.UCM与与WRFWRF模式的耦合应用模拟研究模式的耦合应用模拟研究1.单层冠层模式的建立单层冠层模式的建立及耦合研究及耦合研究大气模式第一层大气模式第一层：U,T,q,TKEU,T,q,TKE强迫强迫变量变量冠层平均冠层平均能量通量能量通量大气模式底边界大气模式底边界冠层模式顶边界冠层模式顶边界大大气气模模式式城城市市地地表表方方案案单层冠层模式单层冠层模式 通过计算建筑物屋顶、通过计
5、算建筑物屋顶、墙壁及路面的辐射能量墙壁及路面的辐射能量收支平衡，求解地温预收支平衡，求解地温预报方程，最后通过面积报方程，最后通过面积加权加权平均平均的方法计算向的方法计算向冠层上部大气层的热通冠层上部大气层的热通量输送量输送 楼顶感热模拟与观楼顶感热模拟与观测对比测对比2005.7.172006.3.2单层冠层模式离线检验单层冠层模式离线检验 -南京边界层观测资料南京边界层观测资料楼顶储热观测与模楼顶储热观测与模拟对比拟对比2005.7.172006.3.2引入引入NJU-UBLMNJU-UBLM及及模拟检验模拟检验BCAD检验算例模拟区域检验算例模拟区域1：城市城市2：卫星城市：卫星城市3
6、：水面：水面4：树木：树木5：草地：草地6：农作物：农作物7：道路和机场：道路和机场A：古观象台站古观象台站B：白家庄站白家庄站C：十八里店站十八里店站D：南郊观象台站南郊观象台站夏季气温对比夏季气温对比 古观象台古观象台白家庄白家庄十八里店十八里店南郊观象台南郊观象台A01A01：水泥平板机制：水泥平板机制 A02A02：单层冠层方案：单层冠层方案地表能量平衡对比地表能量平衡对比水泥平板机制水泥平板机制单层冠层方案单层冠层方案净辐射通量净辐射通量储热通量储热通量感热通量感热通量2.2.动力冠层模式的建立动力冠层模式的建立及耦合研究及耦合研究Raupach和和Shaw(1982)、Finnig
7、an(2000)空间平均雷诺应力空间平均雷诺应力 扩散应力扩散应力拖曳项拖曳项 考虑建筑物形态计算拖曳力考虑建筑物形态计算拖曳力混合长混合长l l表征建筑物形态不同的动力学表征建筑物形态不同的动力学特征特征Scheme01Scheme01：Uno(1989)Uno(1989)建筑物拖曳法建筑物拖曳法Scheme02Scheme02：动力冠层方案：动力冠层方案引入引入NJU-UBLMNJU-UBLM及及模拟检验模拟检验风速日变化风速日变化3.3.多层冠层模式的建立多层冠层模式的建立及耦合研究及耦合研究多层冠层模式多层冠层模式 建筑物分布假设建筑物分布假设 方位示意方位示意 以冠层以冠层密度指密度
8、指数表征数表征垂直方垂直方向不均向不均匀分布匀分布动力方程组 （KondoKondo，20052005）三维建筑物辐射方案建立新的辐射方案，考虑以下机制：建立新的辐射方案，考虑以下机制：不同高度可视因子的计算不同高度可视因子的计算短波辐射阴影遮蔽（墙壁及地面）的计算短波辐射阴影遮蔽（墙壁及地面）的计算辐射截限的计算辐射截限的计算 多重反射与吸收过程与不同高度可视多重反射与吸收过程与不同高度可视 因子，冠层密度指数等有关因子，冠层密度指数等有关离线检验风洞试验测量数据离线检验风洞试验测量数据1m/s 2m/s西北风西北风 1m/s 2m/s西南风西南风离线检验楼顶辐射与能量平衡观测数据验离线检验
9、楼顶辐射与能量平衡观测数据验南京市南京市委党校委党校楼顶楼顶选取选取20062006年年3 3月月1 1日，雪后初晴的天气条件，以楼顶日，雪后初晴的天气条件，以楼顶铁塔观测的风温资料作为大气的风速与温度铁塔观测的风温资料作为大气的风速与温度向下短向下短波辐射波辐射吸收短吸收短波辐射波辐射吸收吸收长波长波辐射辐射屋顶屋顶温度温度感热感热通量通量储热储热各表面各表面温度温度屋顶屋顶南侧南侧地面地面东侧东侧西侧西侧北侧北侧4.4.城市冠层结构对热岛效应及城市冠层结构对热岛效应及污染扩散的影响研究污染扩散的影响研究城市冠层结构对热岛效应影响研究城市冠层结构对热岛效应影响研究算例名称算例名称热源量值热源
10、量值(W/m(W/m2 2)冠层高度冠层高度(m)(m)城市形态城市形态方案选择方案选择1 1：UHI01UHI010 00 0无城市无城市SVATSVAT方案方案2 2：UHI02UHI020 01515水泥平板水泥平板SVATSVAT方案方案3 3：UHI03UHI0350501515水泥平板水泥平板SVATSVAT方案方案4 4：UHI04UHI040 01515三维冠层三维冠层UCMUCM方案方案5 5：UHI05UHI0550501515三维冠层三维冠层UCMUCM方案方案数值试验方案数值试验方案 02:00 02:00 城市气温城市气温郊区郊区城市城市郊区郊区5.UCM5.UCM与
11、与WRFWRF模式的模式的耦合应用的初步研究耦合应用的初步研究UCMUCM与与WRFWRF模式的耦合模拟模式的耦合模拟温温 度度 对对 比比风风 速速 对对 比比WRF-UCM WRF-UCM 模拟所得南京冬季热岛和风速分布模拟所得南京冬季热岛和风速分布主主 要要 结结 论论 与传统土壤修正方案比较，冠层模式中城市三与传统土壤修正方案比较，冠层模式中城市三维建筑物结构的考虑，使数值模式能够更准确的维建筑物结构的考虑，使数值模式能够更准确的反应城市冠层内各表面的辐射能量平衡过程及地反应城市冠层内各表面的辐射能量平衡过程及地气交换、建筑物形态对气流运动的影响，从而能气交换、建筑物形态对气流运动的影响，从而能够更好的计算城市复杂下垫面下的边界层结构及够更好的计算城市复杂下垫面下的边界层结构及气象环境，模拟所得结果更为真实可信。气象环境，模拟所得结果更为真实可信。展展 望望冠层模式机理的完善冠层模式机理的完善质量较好的检验资料质量较好的检验资料城市地气响应对边界层结构、气象环城市地气响应对边界层结构、气象环境及大气环境、天气预报，乃至气候境及大气环境、天气预报，乃至气候变化等影响的研究变化等影响的研究