城市效应对登陆热带气旋降水影响的模拟分析

发布时间：2020-08-09 04:38

【摘要】：半个世纪多以来,随着城市化的不断发展,城市面积的不断扩大以及城市区域建筑物高度、宽度等的变化对大气的影响逐渐引起关注和重视。中国经历了快速的城市化进程,尤以长三角和珠三角地区为显著代表。土地利用类型的变化会影响近地层的大气变化,进而影响城市降水过程。但是以往的研究多是从气候的角度考虑城市效应对降水的影响,在天气尺度上,也是以考虑局地的强对流的发展为主。而热带气旋作为一个强大的天气系统,其所伴随的强风在遇到城市下垫面时,对热带气旋降水造成的影响目前在研究中仍不多见。因此运用城市冠层模式和更新下垫面土地利用资料来研究城市化对登陆热带气旋降水的影响,是一个很有意义的工作。为了研究城市效应对热带气旋降水的影响,本文运用中尺度数值模式WRF耦合城市冠层模式(UCM,Urban Canopy Model),对选取登陆在广东省城市群的热带气旋个例进行了数值模拟。同时,利用最新土地利用资料以及是否耦合城市冠层模式进行了敏感性试验,针对影响热带气旋降水的直接相关物理量进行研究,从热力和动力方面探究影响热带气旋降水因子的时空分布和发展演变特征,分析在热带气旋登陆后城市的出现给热带气旋系统降水带来的可能影响。分析表明:高分辨率数值模拟较好地再现了热带气旋登陆前后的路径、强度和累积降水。利用城市化过程中下垫面的更新和城市冠层模式的耦合对路径的模拟结果发现城市效应对路径的影响较小,在登陆之前路径基本一致,登陆之后路径差异仍不明显。显示出对珠三角地区土地类型的改变不是决定热带气旋移动路径的关键因素。进一步对热带气旋登陆过程的强度变化分析,发现模式不能很好地模拟出热带气旋登陆后的强度减弱变化。不同方案模拟的热带气旋强度在登陆之前没有明显的改变,但是登陆之后存在一定的差异,结果表明城市冠层的考虑与下垫面土地利用类型的更新,导致模拟的热带气旋强度有所减弱。将WRF模式中耦合城市冠层模块,针对对流运动、水汽条件、对流有效位能(CAPE)等与热带气旋降水直接相关的核心物理过程进行研究,结合动力作用和热力作用分析城市冠层在影响热带气旋降水中所起的作用。其结果表明城市冠层的存在会使得对流运动减弱,减少水汽输送,使得城市区域累积降水量略有减少。城市化导致的土地利用类型的变化与城市化之前的下垫面对比表明,城市下垫面粗糙度的增加,一方面,城市不透水下垫面的存在和扩大造成了热带气旋登陆后地面风的减速,强度减弱且城区地表潜热通量会相应地减小。另一个更为重要的方面是城市化导致的土地利用类型的变化会加强城区上空垂直对流运动以及对应城区上空对流有效位能(CAPE)增加,尤其在珠江口附近一带,累积降水增加量最大可以达20mm以上,相当于总降水比例的20%。总体而言,对登陆热带气旋降水而言,在城市冠层和城市下垫面共同作用下,降水增加明显受到抑制。这就意味着在高分辨率模拟中城市冠层和城市下垫面的作用相反,单纯城市化下垫面条件会造成登陆热带气旋降水增加,而耦合了城市冠层模块后的登陆热带气旋降水减少。在数值模拟中城市冠层影响并不显著,但是城市化下垫面对登陆热带气旋暴雨的增幅作用明显,这在登陆热带气旋的降雨预报中应该得到重视。
【学位授予单位】：中国气象科学研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P461
【图文】：

过程图,城市冠层,城市边界层,定量描述

如图1.1a（Oke and Hosker, 1998）是不同尺度上城市冠层以及城市边界层的示意图，图 1.1b表示乡村和城市地表能量平衡的定量描述，城市化以来，城区地表的覆盖材料，尤其是不透水材料例如水泥人行道、砖石、金属板等的使用导致陆面物理学属性例如热传导率、热容量、比热、反射率以及吸放热性质等）和动力学属性例如粗糙度等发生改变，会在反射太阳辐射、人为热、向外长波辐射等地表能量平衡中体现出来。城市冠层对大气运动的影响如图 1.2 所示，有几下六个方面过程（王咏薇等，2008；蒋维楣等，2009）：图 1.1 （a）不同尺度上城市冠层以及城市边界层示意图（b）地表能量平衡的定量描述过程（Okeand Hosker, 1998）

城市冠层,大气运动

图 1.2 城市冠层对大气运动的影响（王咏薇等，2008）当前，关于城市冠层影响的研究正在积极展开。随着城市规模的扩张，建筑物覆盖率显著增加，城市高楼林立，进行城市环境、城市边界层结构等必须合理地考虑城市建筑物三维结构对大气运动的影响。Wang（1993）和 Ro等通过一系列城市大气湍流运动的观测试验，验证了城市下垫面对风场的影流特性，发现城市复杂下垫面影响边界层结构主要通过以下两个方面，一是会显著影响太阳短波辐射和地面长波辐射过程；二是建筑物会对气流产生明曳作用。在上述两个作用的共同影响下，从而对冠层内部向大气传导的热通量同时得到结论：城市湍流状态的相关特征包括拖曳系数、湍流长度以及宽度不同于平坦下垫面上与湍流有关的参数，在任何尺度下，城市下垫面都是非燕燕等，2006）。国内外相关研究学者的发现为完善和改进城市冠层模式提供基础。随着城市的扩张，城市效应对大气运动的影响是数值模拟研究中一个不理过程，城市冠层的出现使得地形、扰动及不同能量之间的相互转化过程都变

模式,孙科,确定模式,大气辐射传输

程序是由标准的 Fortran 程序编写，分为 ARW 与 N们主要使用 ARW 内核。该模式垂直方向采用地dinate），耦合了与大气辐射传输、云微物理、边界层案（李英华，2006），并在持续进化和完善修改。此天气尺度等天气系统进行预报和模拟，是因为其包RF 模式也可以很好模拟真实天气过程例如热带气旋，也可以较好的模拟出其中的云雨分布和演变特预报模式，适用于解决中尺度天气系统研究。://www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/）包括三个部分：块 ARW、模式的同化模块和模式数据的后处理工为真实数据模拟准备输入场，geogrid 确定模式区域模式的网格点上，ungrib 和 geogrid 属并列关系，象数据，并归纳成一个 intermediate 文件格式，me区域内（孙科，2011）。核心组成部分 ARW 的功能

【参考文献】