低空急流与北京城市边界层特征的观测与模拟研究

作     者：林逸 

作者单位：南京信息工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王成刚

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 070602[理学-大气物理学与大气环境] 0706[理学-大气科学] 

主      题：低空急流 城市边界层 三维结构 城市热岛 资料同化 

摘      要：本文利用2016年8月28日-9月2日北京小球加密探空资料、自动气象站点数据及WRF模式模拟结果,概括低空急流与城市热岛的基本特征,讨论了低空急流对城市边界层中温、湿环境的影响。此外,运用GRAPES三维变分同化技术加入小球探空资料进行模拟,分析低空急流背景下的边界层结构特征,总结了不同时刻单次同化、循环同化对边界层中各气象要素的影响。主要结论如下:低空急流频发时段为夜间至清晨过渡期。城区急流高度更高、强度更弱、持续时间更短。热岛在日出后消散、日落形成,夜间持续且强度维持在较大值;垂直发展表现为从地面向上发展,近地面热岛强度最强,向上逐渐减弱。低空急流对城市边界层中热岛、干岛的影响表现为:(1)4)在城郊站点均小于0.25,高空动量向下传递,增大的近地面风速将热量从城区向下游输送到郊区,使冠层热岛向下风漂移,面积扩大约1.00×10 km。(2)风切是城市边界层湍流动能增强的主要机制。急流增强了城区上空的垂直混合,近地面湍流动能达0.52 m/s,在较高的高度仍存在热量混合,导致城区近地面的垂直温度递减率仅为0.3℃/100m,不及无急流时(0.7℃/100m)的一半,使热岛垂直发展高度上升至200 m。(3)在200 m以下暖平流可使城区下游温度升高8.5℃/h,高空温度平流输送使边界层热岛的三维结构向下风方向倾斜,最终表现为烟羽尾流状。(4)冠层城市热岛在形状和范围大小上均与干岛有较好的对应关系,急流对热岛的影响同样也作用于干岛。资料同化对边界层模拟的影响表现为:(1)单次同化中在急流发生时刻加入加密探空资料对于急流模拟效果的改善显著,风速的均方根误差相较于控制实验减小1.1 m/s,相关系数提高0.19,偏差减小43%;急流强度误差减小2.0 m/s,高度与观测一致,位置及范围均符合观测分布结果。(2)循环同化结果优于单次同化,每3h循环同化效果略好于每6h同化。每3h循环同化的风场有明显的位置订正和急流强度模拟的改善,模拟出了城郊逆温的存在,北边郊区近地面温度高,体现了急流将热量由城区向下游郊区输送的作用。(3)循环同化的预报效果优于单次同化,预报准确度在前3h最佳,随后误差增大。每3h循环同化在预报3h后风速的相关系数仍大于0.9,均方根误差在1.0-1.1m/s之间,偏差小于10%,优于其他方案同化效果。