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城市冠层模式在GRAPES模式中的应用

热带气象学报 2016年第3期32卷 311-321页

作者：张艳霞蒙伟光戴光丰蒋德海姚帅中国气象局广州热带海洋气象研究所/广东省区域数值天气预报重点实验室广东广州510080

在GRAPES中尺度模式中耦合了城市冠层模式(Urban Canopy Model,简写为UCM),并选择珠江三角洲(简称"珠三角")地区2011年7月10日夜间强降水过程和2012年8月19日的高温个例,考察了GRAPES中尺度模式与城市冠层模式耦合在珠三角地区的模拟效... 详细信息

在GRAPES中尺度模式中耦合了城市冠层模式(Urban Canopy Model,简写为UCM),并选择珠江三角洲(简称"珠三角")地区2011年7月10日夜间强降水过程和2012年8月19日的高温个例,考察了GRAPES中尺度模式与城市冠层模式耦合在珠三角地区的模拟效果,分别设置了两组试验,在GRAPES模式中耦合和未耦合城市冠层模式(UCM和noUCM)。结果发现,UCM对强降水中心和降水落区的模拟都较noUCM有明显的改善,从降水的四个评估指数(命中率、反命中率、威胁指数及偏差)也可以看出,UCM的结果较noUCM有了较明显的提高,尤其是命中率和威胁指数;对2 m高度的温度和地表热通量而言,两组试验的日间温度和热通量差异较大,中心城区UCM模拟的温度较noUCM高2~4℃,最大差值达5~6℃,热通量差异基本在150 W/m^2,而在夜间,两组试验模拟的温度和热通量差异减小,温度差值基本在0.5~1.0℃之内,热通量差异一般在10 W/m^2左右。两组试验对降水模拟差异的主要原因是UCM模拟出了降水前期地面强的辐合区及相应的温度高值区,对流层低层较大范围的垂直上升运动和辐合上升,对流层中层的暖湿中心及地面较大的CAPE值(达2 000~3 000 J/kg),而noUCM的模拟偏弱或是未能模拟出来。从另外高温个例观测与模式模拟的对比结果来看,UCM模拟的近地面气温、风速、感热通量、向下短波辐射通量和向上长波辐射通量与观测的误差减小,但感热通量与向下短波辐射通量与观测存在一定差距。

关键词： GRAPES模式城市冠层模式耦合数值模拟城市效应

基于城市冠层模式的成都市静稳天气气象场模拟研究

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环境科学学报 2021年第9期41卷 3717-3724页

作者：张颖张洋钱骏徐锟刘志红成都信息工程大学资源环境学院成都610225 成都市温江区气象局成都611130 四川省环境保护科学研究院成都610041 山东航空股份有限公司济南250000

目前城市气象场数值模拟结果与实际情况有一定误差.本文基于Landsat 8高分辨率遥感数据提取采用局地气候分区(LCZ)的城市下垫面,结合WRF模式自带下垫面分类建立了成都市精细分类下垫面,并利用WRF自带的城市冠层模式,设计了7种方案对成... 详细信息

目前城市气象场数值模拟结果与实际情况有一定误差.本文基于Landsat 8高分辨率遥感数据提取采用局地气候分区(LCZ)的城市下垫面,结合WRF模式自带下垫面分类建立了成都市精细分类下垫面,并利用WRF自带的城市冠层模式,设计了7种方案对成都市静稳天气的气象场进行了模拟分析,并结合实际监测数据对模拟结果进行了评估,对比分析了城市冠层模式和精细分类下垫面对成都市静稳天气带来的影响.研究发现:(1)精细化分类下垫面结合了USGS下垫面和局地气候分区数据的优势,较为准确的反映了成都的下垫面环境;(2)精细分类下垫面对建筑物的形态特征进行了描述,加大了地表粗糙度,能够模拟出建筑物对风的阻挡作用以及城市风场不连续、随机性强的特性;(3)城市冠层模式优化了静稳天气过程中城市风、温度和湿度的模拟结果,多层城市冠层模式的模拟结果优于单层城市冠层模式.因此,在成都市对污染物扩散不利的静稳天气使用多层城市冠层模式并结合精细分类下垫面将大大提高模拟精度,进而提高空气质量预报.

关键词：城市冠层模式成都市城市下垫面局地气候分区

WRF耦合城市冠层模式对珠三角城市群天气模拟影响的评估

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热带气象学报 2013年第6期29卷 935-946页

作者：张艳霞蒙伟光戴光丰蒋德海中国气象局广州热带海洋气象研究所/中国气象局广东省区域数值天气预报重点实验室广东广州510080

基于是否耦合城市冠层模式的3个对比试验(无城市冠层模式:W-NUR;单层冠层模式:W-UCM;多层冠层模式:W-BEP),应用WRF模式模拟了珠江三角洲(简称珠三角)地区发生于2011年6月21日午后的一次强降水过程,发现W-UCM、W-BEP试验的模拟结果均优于... 详细信息

基于是否耦合城市冠层模式的3个对比试验(无城市冠层模式:W-NUR;单层冠层模式:W-UCM;多层冠层模式:W-BEP),应用WRF模式模拟了珠江三角洲(简称珠三角)地区发生于2011年6月21日午后的一次强降水过程,发现W-UCM、W-BEP试验的模拟结果均优于W-NUR试验,但降水落区与实际观测相比仍有差异。为此应用前期10 d(2011年6月11—20日)的模拟结果,通过对珠三角城市群6个站点基本气象要素模拟效果的评估,重点考察了W-NUR及W-UCM试验结果的差异,并对模拟降水存在差异形成的原因进行分析。评估结果表明:无论是W-NUR还是W-UCM,模拟的10 m高度风速普遍偏强,其中W-NUR模拟的平均风速比观测偏强1.61 m/s,W-UCM偏强1.58 m/s;W-NUR模拟的2 m高度温度及温度露点差均较观测偏低,温度平均偏差-1.28℃,温度露点差平均偏差-1.39℃,而W-UCM模拟的温度及温度露点差较观测偏高,温度平均偏差略高0.14℃,温度露点差平均偏高1.12℃。平均偏差及均方根误差分析反映出,温度模拟的误差最小,其次为温度露点差,风速误差最大,而且模拟温度和温度露点差与观测相关性更好,相关系数分别大于0.60和0.50,通过0.001显著性水平检验,而风速的相关性则相对较弱。总体来看,尽管耦合冠层模式后WRF对地面气象要素的预报有所改善,但模拟的10 m高度风速仍然偏强。就21日强降水过程的模拟来说,由于偏北风偏强造成切变线南压可能是模拟降水落区偏南的一个原因。

关键词：城市冠层模式地面气象要素数值模拟影响评估

应用城市冠层模式研究建筑物形态对城市边界层的影响

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气象学报 2008年第4期66卷 489-499页

作者：周荣卫蒋维楣何晓凤刘罡南京大学大气科学系

文中将城市冠层模式耦合到南京大学城市尺度边界层模式中,通过模拟对比发现,耦合模式对城市地区气温模拟结果更接近于观测值,尤其是对城市地区夜间气温模拟的改进。运用改进耦合模式通过多个敏感性试验的模拟,从城市面积扩张、建筑物高... 详细信息

文中将城市冠层模式耦合到南京大学城市尺度边界层模式中,通过模拟对比发现,耦合模式对城市地区气温模拟结果更接近于观测值,尤其是对城市地区夜间气温模拟的改进。运用改进耦合模式通过多个敏感性试验的模拟,从城市面积扩张、建筑物高度增加、建筑物分布密度变化等角度研究城市建筑物三维几何形态变化对城市边界层及城市气象环境的影响,试验结果表明:(1)城市面积扩张使得城市下垫面的热通量增大,热力湍流活动增强,动量通量输送增强,城市湍能增大,湍流扩散系数变大,城市气温升高,且对不同时刻城市区域大气层结稳定度均有不同程度的影响。(2)建筑物高度增加增大了城市下垫面的粗糙度和零平面位移,同时也增大了城市街渠高宽比。城市建筑物越高,白天城市地区地表热通量越小,城市上空大气温度越低,平均风速减小,湍能减小;夜间由于高大建筑物释放储热比低矮建筑物要多,其热力湍流相对活跃,地表热通量增大,使得城市区域气温较高。(3)建筑物密度增大,会减小城市下垫面的粗糙度同时增强街渠对辐射的影响。建筑物密度增大在白天会减小地表热通量和动量通量,使城市气温降低,平均风速增大,城市湍流活动能力减弱;夜间城市释放较多储热使得气温较高。

关键词：城市冠层模式城市边界层建筑物形态数值模拟

不同城市冠层模式对城市地表能量平衡模拟能力的检验

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南京大学学报（自然科学版） 2018年第3期54卷 637-654页

作者：李聪元杨帆张宁南京大学大气科学学院南京210023

城市地表能量平衡过程是城市大气边界层数值模式的关键过程之一,但对目前不同参数化的适用性和模拟性能评估工作较少.利用2013年南京市中心市区的湍流热通量的观测数据与单层冠层模式(Single Layer Urban Canopy Model,SLUCM)、局地气... 详细信息

城市地表能量平衡过程是城市大气边界层数值模式的关键过程之一,但对目前不同参数化的适用性和模拟性能评估工作较少.利用2013年南京市中心市区的湍流热通量的观测数据与单层冠层模式(Single Layer Urban Canopy Model,SLUCM)、局地气象参数化方案(Local-scale Urban Meteorological Parameterization Scheme,LUMPS)、城市能量和水平衡方案(Surface Urban Energy and Water Balance Scheme,SUEWS)以及公用陆面模式城市参数化方案(the Community Land Model Urban,CLMU)这四个模式的模拟结果进行对比分析.分析表明:(1)在能量平衡各项中,各模式对于净辐射的模拟颇好,其均方根误差普遍低于感热项的50%,潜热和储热项模拟较差.(2)各模式对净辐射均有低估,其中SLUCM模式模拟最佳,全年平均偏差约7.7%,其均方根误差10~20Wm-2左右;对于感热通量,SUEWS模式模拟较好,日间偏差低于7%;对于潜热通量,则是CLMU模式更佳,特别是夏秋冬三季,平均偏差约12.5%;对于储热项,SLUCM模拟较优,偏差低于10%,各季均方根误差也普遍低于其他模式的50%.(3)各模式普遍表现为:秋冬两季模拟优于春夏两季,夜间模拟比日间更佳.比较结果为数值模拟中城市冠层模式的选取与改进提供了参考依据.

关键词：城市冠层模式地表能量平衡数值模拟模式检验

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一种单层城市冠层模式的建立及数值试验研究

大气科学 2009年第5期33卷 981-993页

作者：何晓凤蒋维楣周荣卫南京大学大气科学系南京210093 国家气候中心北京100081

本文在引进先进的城市地表能量平衡方案(Town Energy Balance,简称TEB)的基础上建立了一个单层城市冠层模式,并对南京市典型居民区1km2范围内的局地尺度地表能量平衡各分量进行离线模拟,将模拟结果与同期观测值作了比对,发现:TEB方案对... 详细信息

本文在引进先进的城市地表能量平衡方案(Town Energy Balance,简称TEB)的基础上建立了一个单层城市冠层模式,并对南京市典型居民区1km2范围内的局地尺度地表能量平衡各分量进行离线模拟,将模拟结果与同期观测值作了比对,发现:TEB方案对城市地表能量平衡各分量的模拟效果良好,而该方案的模拟性能受建筑物表面材料反照率取值的影响较大。在离线研究的基础上,本文又将TEB方案成功耦合到南京大学区域边界层模式(NJU-RBLM)中,作为该模式的地表能量平衡参数化方案之一,分别选取该边界层模式中原有的地表能量平衡参数化方案SVAT(Soil-Vegetation-Atmosphere-Transfermodel)和新引入的TEB方案对冬夏两季不同个例进行模拟,以常规近地面气温观测资料和Landsat卫星观测的地表反照率资料对模拟结果进行比较,结果表明:TEB方案对原大气边界层模式的模拟效果有明显改善,对近地面热力场的改善效果尤为明显,可以很好地模拟出城市冠层中的"陷阱效应"。

关键词：地表能量平衡城市边界层城市冠层模式数值模拟

适用于建筑群高度非均一性的城市冠层模式研究与应用

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适用于建筑群高度非均一性的城市冠层模式研究与应用

作者：刘露哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

目前,对城市建筑群影响大气边界层动力特性的研究大多围绕建筑群水平绕流问题展开,针对建筑在竖直方向上对来流风形成阻碍和拖曳作用的研究非常欠缺。同时,目前已开发的城市冠层模式绝大多数为一维均一化冠层模式,无法将建筑群高度非均... 详细信息

目前,对城市建筑群影响大气边界层动力特性的研究大多围绕建筑群水平绕流问题展开,针对建筑在竖直方向上对来流风形成阻碍和拖曳作用的研究非常欠缺。同时,目前已开发的城市冠层模式绝大多数为一维均一化冠层模式,无法将建筑群高度非均一性对通风特性的影响反映到计算结果中,这导致了对竖向通风廊道的研究非常缺乏。因此,本研究立足于建筑环境专业,结合城市气候、规划设计等专业的相关研究,针对高度非均一建筑群深入研究其竖向差异性对城市冠层通风特性的影响,构建适用于高度非均一建筑群城市冠层模式的参数化方案,应用该冠层模式进行大量数值实验以得出建筑群高度布局的合理设计。为促进城市冠层上部空气和冠层内空气在竖向上的有效交换,形成有效的竖向通风廊道,优化城市通风、缓解热岛效应、改善空气质量提供指导。针对适用于高度非均一准二维大气动力城市冠层模式的构建与应用,本文重点研究了以下几个方面的内容:1.基于建筑群空间形态,建立描述建筑群高度非均一性影响大气动力学特性的拖曳力系数的参数化方法,形成一组能够系统的表达建筑不均匀性的参数。其中,采用迎风面积指数(λ)、平面面积指数(λ)表达建筑群水平方向上的不均匀性,采用高度离散度(s)表达建筑群竖直方向上的不均匀性。利用CFD模拟研究上述参数对拖曳力系数的影响,模拟结果表明标准化整体拖曳力系数随建筑群高度离散度的增加呈线性递增趋势。同时开展风洞实验验证了参数化方案的有效性并给出适用范围。将该部分与课题组已有的基于一维城市冠层模式构建的城市区域微气候与热平衡动态预测模型(UDC)融合,使其具有反映建筑群高度非均一性影响通风特性的能力。2.基于建筑群空间形态,选择基本形态指标:街谷宽度(W)、建筑平均高度(h)、建筑群高度离散度(s)进行单因素控制变量实验。应用CFD模拟分别探索了每个形态指标对通风廊道区与街谷区通风特性的影响。建立了基于建筑基底区(传统一维冠层模式的研究区域)的空间平均风速求解通风廊道区与街谷区水平风速(u)和竖向风速(w)的计算方法。并对结果进行整体考查,获得三种形态指标整合的风速准二维分区计算模型。将该部分的计算模块与UDC融合,使其扩展为准二维冠层模式。3.基于现有一维城市冠层模式存在的不足,通过理论推导提出五点改进。同时,结合1、2中的研究成果构建了适用于建筑群高度非均一准二维大气动力城市冠层模式(UDC-nu)。实验验证该模型基本可靠,计算结果准确度较高。UDC-nu可用于高度非均一建筑群风、热环境的动态模拟计算,为后续4中的研究提供前提。4.应用3中建立的UDC-nu模型,通过单因素实验及多因素正交试验,研究了不同气象条件下建筑高度、建筑密度、建筑高度离散度等因素改变对城市住区风、热环境以及人体舒适性的影响。通过极差分析与方差分析,分别给出了以提高住区自然通风能力为目的和以提高住区行人舒适度为目的时的最优方案,有针对性地给出了改善城市住区室外风、热环境的策略。

关键词：数值模拟风洞实验城市冠层模式准二维建筑群高度非均一

基于城市冠层模式的兰州市沙尘污染数值模拟研究

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基于城市冠层模式的兰州市沙尘污染数值模拟研究

作者：杨屹兰州大学

学位级别：硕士

城市空气污染与人类生活息息相关,随着城市化进程推进、城市人口激增和对健康生活不断的新需求,城市空气污染问题受到越来越多的关注。针对大型城市和城市群的研究已经对城市空气污染过程有一定的理解,但复杂地形作用下的城市空气污染... 详细信息

城市空气污染与人类生活息息相关,随着城市化进程推进、城市人口激增和对健康生活不断的新需求,城市空气污染问题受到越来越多的关注。针对大型城市和城市群的研究已经对城市空气污染过程有一定的理解,但复杂地形作用下的城市空气污染研究仍然是当前的重要问题之一。兰州是中国西北地区重要的工业城市,主城区为黄河穿过的河谷,是典型的山地城市,在特殊山地地形作用下及不断的城市化进程中,兰州空气污染具有新的变化。气象要素影响城市环境容量和空气扩散能力,尤其山地地区气象要素在地形作用下变化剧烈,决定了一定排放源条件下的空气污染物传输和分布。本文开展兰州空气污染数值模拟前,首先对模式模拟气象要素的能力进行检验,采用耦合不同城市冠层的WRF模式模拟了兰州地区两个天气过程,对比观测站点分析不同城市冠层模式模拟结果;其次将模拟效果较好的单层城市冠层模式耦合在WRF-Chem模式中,对兰州地区空气污染过程进行了数值模拟,分析城市冠层模式对空气污染及其气象要素的影响;最后利用耦合单层城市冠层模式的WRF-Chem模式,依据兰州地区的发展趋势对兰州新区建设和城区建筑物高度变化开展了敏感性试验,分析城市化进程对兰州空气污染的影响。得到以下主要结论:（1）不同城市冠层模式对兰州地区冬季降温和夏季高温两个天气过程的气象要素均有一定的模拟能力,但城乡表现不同,乡村站点的各要素模拟能力基本一致,城区站点模拟结果则存在差异。WRF、耦合单层城市冠层模式、耦合未考虑室内外能量交换的多层城市冠层模式和耦合考虑室内外能量交换过程的多层城市冠层模式的四种模式对城区2m气温的模拟均存在日间高温和夜间低温模拟能力的不足的问题,耦合城市冠层模式后对2m气温的模拟结果有明显影响,耦合单层城市冠层模式模拟效果在两个天气过程中均为最好,其模拟结果的平均偏差、均方根误差和相关系数表现均较好,两种耦合多层城市冠层模式对气象要素模拟还存在一定不足。四种模式在10m风向的模拟上均有较好的表现,两种耦合多层城市冠层模式模拟的风速结果更接近观测结果,耦合单层城市冠层模式次之。四种模式对城市热岛的日变化均表现出一定的模拟能力,冬季降温过程中,耦合单层城市冠层模式对城市热岛效应的模拟能力较好;夏季高温过程中,WRF模式、耦合单层城市冠层模式和耦合考虑室内外能量交换的多层城市冠层模式对兰州市城市热岛效应的模拟均较好。另外,冬季降温过程中,两种耦合多层城市冠层模式模拟的夜间边界层高度偏高,从城市区域边界层平均高度上看,耦合城市冠层模式模拟的城市区域边界层平均高度较WRF模式的结果不同程度偏高,且高值中心向城市南部集中,耦合单层冠层模式偏差较小;夏季高温过程中,耦合单层城市冠层模式模拟的城市边界层高度日间偏低,夜间则偏高,但偏差不大。耦合考虑室内外交换的多层城市冠层模式模拟的城市区域边界层平均高度较WRF模式偏高,其余模式则偏低。综上,单层城市冠层模式的模拟结果偏差较小。耦合单层城市冠层的WRF模式具有较好的模拟能力。（2）基于城市冠层模式模拟兰州空气污染,采用气象要素综合模拟能力较好的单层城市冠层模式。为了对比分析,本文利用WRF-Chem模式与耦合单层城市冠层模式的WRF-Chem模式模拟了兰州地区沙尘污染过程,结果表明沙尘污染发生前,近地面风速增大,对流运动明显,湿度降低,边界层高度偏高;随着污染物浓度增高,对应近地面风速减小,对流减弱,层结稳定性加强,边界层高度降低。耦合单层城市冠层的WRF-Chem模式模拟的近地面污染物浓度偏高,持续时间偏长,污染持续阶段污染物浓度更接近观测结果,模拟的兰州城区上空逆温层结构强度会偏强且持续时间更久,逆温层以下风速总体偏低。空气污染初期,耦合单层城市冠层模式后模拟的空气污染物分布范围更广,城市上风方向出现污染物堆积,使局地空气污染加剧;空气污染中期,城市区域空气污染物浓度升高,耦合城市冠层模式后,城市区域局地环流明显,但地面附近的污染物浓度分布受局地环流的影响较小;空气污染后期,耦合城市冠层模式后,城区中心空气污染物扩散较弱,造成较长时间的空气污染。（3）为了分析城市化发展对空气污染的影响,本文开展了兰州新区城市化和城区建筑物高度扰动的敏感性实验。兰州新区大范围城市化后,新区2m气温有明显升高,每日升温时间提前,降温时间推迟;新区风速有明显减小,周边会出现―绕流‖现象;兰州新区城市化后,兰州地区出现较大的偏北风时,兰州城区的风向由偏北风转向偏东风,即兰州新区建设一定程度上影响兰州地区风场。另外,兰州新区建设会造成当地边界层高度不同程度增大。兰州新区建设后,空气污染初期会减小当地的污染物浓度,但周边空气污染物浓度增加,其覆盖范围包含了兰州城区,导致兰州城区污染加重,到空气污染中期,新区建设带来的影响效果减弱,再到空气污染后期,新区建设会造成污染物滞留新区,延长当地空气污染时间。

关键词：城市空气污染城市冠层模式数值模拟城市化敏感性试验

RMAPS-ST耦合城市冠层模式后对华北地面气象要素的短期预报评估

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干旱气象 2020年第5期38卷 859-868页

作者：齐亚杰陈敏仲跻芹范水勇刘瑞婷郭淳薇北京城市气象研究院北京100089

将优化冠层参数的城市冠层模式耦合到快速更新循环系统RMAPS-ST中,探究城市冠层效应对地面气象要素预报的影响。设计耦合城市冠层模式(UCM)和未耦合城市冠层模式(NOUCM)两组对比试验,对华北区域2017年1月中旬和7月中旬的地面气象要素(2 ... 详细信息

将优化冠层参数的城市冠层模式耦合到快速更新循环系统RMAPS-ST中,探究城市冠层效应对地面气象要素预报的影响。设计耦合城市冠层模式(UCM)和未耦合城市冠层模式(NOUCM)两组对比试验,对华北区域2017年1月中旬和7月中旬的地面气象要素(2 m气温、10 m风速和2 m比湿)进行短期预报评估。结果表明:与NOUCM试验相比,UCM试验能够显著提高RMAPS-ST系统对地面气象要素的预报性能,使华北区域城市地面气象要素的预报更接近于观测。考虑冠层效应能够有效减小华北城市站点的2 m气温预报偏差,1月中旬和7月中旬24 h气温预报准确率分别提高42%和15%。冠层效应的引入增加了城市摩擦系数,改善了10 m风速预报偏差明显偏大现象,预报准确率均提高40%以上。对于2 m比湿,两组试验1月中旬的预报偏差均较小,冠层的引入对预报结果无显著影响;两组试验对7月中旬的比湿预报全天偏干,冠层效应能显著改善城区比湿偏干的情况,预报准确率提高17%。

关键词：城市冠层模式数值模拟预报性能比较地面气象要素