南京城市下墊面中尺度通量的大渦模擬和參數化研究

《南京城市下墊面中尺度通量的大渦模擬和參數化研究》是依託南京大學，由張寧擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：南京城市下墊面中尺度通量的大渦模擬和參數化研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張寧
• 依託單位：南京大學

項目摘要

城市下墊面非均勻性激發的中尺度環流和中尺度通量對天氣氣候過程有重要影響。本課題擬採用申請人開發的能夠體現城市動力和熱力非均勻作用的大渦數值模式，模擬研究南京地區城市下墊面中尺度通量的時空特徵和季節特徵，並分析城市中尺度通量對下墊面非均勻性的敏感性。在此基礎之上，利用相似理論分析方法（白金漢量綱分析方法），建立能夠體現城市非均勻性特點的中尺度通量參數化方案。通過本項目的工作以期改進目前中尺度或區域氣候數值模式在城市地區的模擬性能。本項目的研究成果有助於進一步理解城市對天氣氣候過程的影響機制，進而有助於提高城市區域環境氣象服務水平和天氣氣候的預測預報準確性。

結題摘要

本項目以城市下墊面非均勻性激發的中尺度環流和中尺度通量對邊界層結構的影響為研究對象，以高解析度大渦數值模式為工具，研究了城市下墊面熱力和動力非均勻對邊界層結構的影響，分析城市下墊面中尺度通量的時空特徵，及其下墊面非均勻性的敏感性。並嘗試利用相似理論分析方法建立能夠體現城市非均勻性特點的中尺度通量參數化方案。通過對國內外現有的大渦數值模式的比較，本項目選取WRF模式作為主要研究工具。利用WRF模式研究了高溫天氣過程下城市擴張對城市氣象環境和邊界層結構的影響。結果表明在長江三角洲地區，隨著城市的快速擴展，城市熱島無論在強度和範圍上都有明顯的變化，同時城市熱島的出現加劇了湖陸風等局地環流，並在下風向可能誘發小尺度的對流渦旋。對WRF模式中的大渦模組進行了改進，使之能夠考慮城市熱島的時空非均勻性，並對理想城市熱島影響下的城市邊界層結構以及中尺度通量特徵進行了模擬。模擬結果表明城市熱島自身的非均勻性對城市邊界層結構有明顯影響，特別是在無風條件下，城市熱島導致冷空氣在城市邊界層下部的輻合和在邊界層上部的輻散，使得城市邊緣大氣邊界層高度降低；同時城市熱島環流所引起的中尺度通量輸送受城市熱島強度影響較大，受城市熱島空間分布形態影響小，並且背景風速和大氣穩定度對中尺度通量有著明顯的影響，這對合理地利用白金漢量綱法構建無量綱數，並建立城市熱島環流帶來的中尺度通量參數化方案有著重要的意義。在以上研究的過程中，申請人注意到城市地區大氣邊界層高度可能存在明顯的時空非均勻特徵，並利用蘇州城市地區的雷射雷達觀測和微波輻射計觀測分析了城市邊界層高度與溫度場之間的關係，發現雷射雷達在城市邊界層高度確定算法上的不確定性，以及城市下墊面非均勻性對邊界層高度的潛在影響。