第6章 城市冠层物理过程数值模拟

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1、第6章城市冠层物理过程参数化城市下垫面建筑材料的热力特性和建筑物空间分布的非均匀性，是形成城市复杂大气边界的重要因素。城市冠层和大气边界层热力学和动力学特征研究是边界层气象学的重要研究内容之一，也是城市边界层气候学、污染气象学的理论基础。城市冠层和大气边界层数值模拟的基本任务是研究发生在城市冠层、城市区域及其周边地区大气边界层中各种物理过程的演变规律，探索城市复杂下垫面冠层及其地形影响下的风、温、湿和污染物浓度场的时空变化及其对城市天气、降水和气候规律。对城市环境规划也具有重要的科学意义。6.1城市冠层物理过程参数化方案（UrbanCanopyPhysicsProcessesPara

2、meterization简称UCPPP方案）6.1.1城市冠层物理过程参数化方案（UCPPP）研究进展在城市近地面层中，从地面到建筑物顶的平均高度称为城市冠层（UrbanCanopy），在该层中城市下垫面结构和人为活动直接影响了城市大气的热力和动力过程[1,2]，因此，深入研究城市冠层中城市结构对大气热力及动力结构特征的影响，不仅是认识城市大气边界层结构特征及变化规律的重要基础，同时，也是城市大气边界层数值模拟研究所需要考虑的重要物理过程。长期以来，利用数值模拟研究城市结构对城市大气边界层气候和环境的影响一直受到人们的重视[3-9]。国内外利用中尺度数值模式对城市大气边界层和大气环境

3、的研究已取得了一些成果。但对城市下垫面作用的参数化处理方法却基本相同，主要还是利用建立在平坦、均匀下垫面上的传统Monin-Obukhov近地面层相似理论和能量收支理论，即通过区别于其它下垫面的动力及热力特征参数来体现城市下垫面对低层大气动力、热力结构及地面能量平衡的影响。这种处理方法对城市下垫面的描述能力过于简单，且未能详细地考虑城市下垫面结构的非均匀性和城市建筑对城市低层大气的动力、热力特征及地面能量平衡的影响，因此，在很大程度上限制了中尺度模式对城市大气边界层和区域气候的模拟能力。最近，已有一些国外学者在提高中尺度模式对城市复杂下垫面的描述能力上做了一些研究工作。Brown(1

4、998)[10]在植被冠层数值模拟研究的基础上，发展了一个城市冠层参数化方案；Masson(2000)[11]提出了一个比较复杂的能够预报城市路面、墙面和房顶温度的城市能量收支参数化方案；Martilli(2002)[12]在非静力模式（FiniteVolumeModel）FVM的基础上，发展了包括类似于Masson的城市热力作用，且考虑了城市下垫面结构的动力作用的城市湍流参数化方案。李晓莉等（2003）[1]综合以上模式，建立了一个城市冠层参数化方案（UCP），并应用徐祥德（2002）[13]在BECAPEX试验中北京城市边界层观测资料及自动气象站资料检验了UCP参数化方案的合理性

5、。另外徐祥德（2002）[13]研究了城市化环境污染模型的动力学问题。这些参数化方案都是目前能够较好地描述城市下垫面作用的模式。上述方案在对城市下垫面特征的描述上主要还是基于理想的城市结构，其中有的方案还需比较详细的城市下垫面结构特征参数，如：街道走向、建筑物宽度等。在目前城市大气边界层和环境模式的研究工作中，如何合理、全面、细致地描述城市覆盖层的作用对大气边界层动力、热力结构的影响，并能够建立合理的参数化方案，不仅是提高数值模式对城市大气边界层和大气环境的模拟及预测水平所丞待解决的关键问题和技术难点，同时也是近年来国际城市大气边界层气候和大气环境研究中所面临的前沿科学问题之一。下面

6、介绍城市冠层物理过程参数化方案（UrbanCanopyPhysicsProcessesParameterization）6.1.2城市冠层物理过程参数化方案（UCPPP）介绍城市冠层物理过程参数化方案（UCPPP）在以下几个方面考虑了城市结构的作用：UCPPP方案中的格点结构；UCPPP方案中大气运动和热力等控制方程及其相关物理过程的处理；城市冠层中地面的辐射、热量收支平衡的处理及其相关参数的确定；城市冠层风速廓线分布规律；城市特性参数的确定。因此，城市冠层物理过程参数化方案（UCPPP）设计的主要目的是描述城市冠层内的城市结构对大气动力、热力结构及其地面热量平衡的作用。而UCPPP

7、方案与MM5模式的耦合连接是通过模式中的边界层模块和计算陆面过程的模块来实现的。因此，城市冠层物理过程参数化方案（UCPPP）的优劣直接影响到中尺度大气边界层模式的模拟精度。6.1.2.1UCPPP方案的格点结构UCPPP方案主要考虑城市冠层中下垫面结构对大气边界层的影响，因此，在格点的垂直设计上要能够体现其下垫面动力、热力的影响作用。例如：对每个格点上除考虑地表热力特征外，还要考虑建筑物高度等。在格点的水平结构中，网格区域可包括n种不同下垫面，其中，表示