长三角地区城市化对气象因子及大气环境的影响研究

发布时间：2020-10-23 13:19

　　 城市化过程对地表与大气之间的动量、热量和物质输送有重要的影响,气象场要素的变化反过来改变大气污染物的输送扩散。近年来,城市化对区域气象和环境的影响成为大气科学和环境科学的研究热点。长三角地区是我国城市化非常显著的地区之一,研究该地区城市化对气象因子和大气环境的影响具有重要的科学意义。本文利用资料分析和数值模拟相结合的手段,研究了长三角城市化对气象因子影响的长期变化特征以及城市下垫面改变、不同城市冠层方案、人为热对区域气象要素和大气污染物浓度的影响。首先,利用长三角地区29个气象站点1960～2011年观测资料,分析了长三角地区城市化对气象因子的影响。结果表明,长三角地区温度增加明显,大城市站点温度增温率更高(0.69℃/10a),气温增温率空间分布显示最小温度增温率要大于最大温度增温率。这种改变使得温度日较差随时间有减小的趋势。同样日照时数的减小也是温度日较差减小的原因之一。总体上城市化使得大城市地面风速减小了 0.17 m s-1/1Oa。长三角降雨量在大城市地区增加明显,约达到43.3 mm/10a,而1980s后城市地区降水约增加16-20%。其次,对城市下垫面数据进行了更新,利用WRF-Chem模拟下垫面改变对长三角气候与大气环境的影响。结果表明,城市土地利用类型的改变使得城市下垫面热力动力属性改变,影响了地表与大气之间的动量和热量交换。城市地表使得温度增加明显,且对七月(2.8℃)的影响大于一月(1.7 ℃)。温度日较差的减小显示下垫面改变对晚上温度影响更大,预示着晚上热岛加强。地表粗糙度增加使得地面风速在一月和七月分别减小了 23%和13%。水汽的减小使得一月(9Wm-2)和七月(72Wm2)潜热均减小,但感热则明显增加,一月和七月增加了 76Wm-2和33 Wm-2。七月降水量在城市地区约增加了 30～40%,而在日变化中,午后(13:OOLST～18:00LST)城市降水有明显的增加,预示着午后深对流得到加强。对流增强使得一月和七月地面PMi0浓度减小分别了 30%和40%,而O3浓度增加(6.2%～26.4%和15.3%～51.2%),垂直变化显示,下垫面对大气污染物的影响可以到达1～1.5 km。第三,利用WRF-Chem模式,评估了参数本地化后的不同冠层方案UCM、BEP、BEM方案以及不考虑冠层影响的SLAB方案对长三角气候与大气环境的影响。对各方案模拟性能进行评估,总体来看,SLAB和BEM方案对气象场和浓度场模拟结果较好。而数值试验结果表明,相比SLAB方案结果,多层冠层BEP和BEM方案对温度的影响具有明显季节变化,一月冠层储热作用更明显,而七月份则遮蔽效应更强。由于冠层增加了地面粗糙度和地面非均匀性,BEP和BEM极大地减小了地面风速。风速的减小和PBLH的减小使得UCM方案模拟的PM10浓度增加,且七月(31.4%)的影响要大于一月(22.3%)。BEP和BEM方案一月模拟的PM10浓度减小(18.6%,22.1μg m-3和16.7%,18.3μg m-3),在七月则表现为增加的趋势(32.7%,18.3μg m-3和30.8%,16.5μg m-3)。最后,估算了长三角人为热的空间分布,模拟研究了人为热对区域气候和大气环境的影响。结果显示人为热大值区主要集中在大城市如上海、南京和杭州等地,其人为热排放为120.4 Wm-2、37.7 Wm-2和83.5 W m-2。数值模式结果表明:2 m温度有明显增加,其增加分布与人为热具有很大一致性。同时使得PBLH在城市地区增加。人为热直接增加了地面感热通量,一月和七月增加了 82Wm-2和75 Wm-2。降水了则增加了 15～30%。对流的加强使得一次污染物PM10地面浓度减小,一月和七月在上海地区分别减小了 29.3 μg m-3(24.5%)和26.6 μg m-3(18.8%)。对PM10垂直分布影响分析发现,在0.5～1.5km高度内,其浓度增加了约4μg m-3。温度的增加以及NOx的减小使得O3浓度增加,一月份上海地区增加最大,约为2.5 ppb(18%),而七月则在杭州地区增加最大,为4ppb(15%)。通过本文的研究表明,从过去50年(1960-2011年)的长期变化特征来看,长三角地区城市的发展对气象因素具有显著影响,总体上使得气温增加显著,温度日较差和日照时数减少,风速和相对湿度则明显降低,同时城市地区降水有增加的趋势。城市化导致的下垫面的改变直接影响了地表动力和热力属性,城市地区温度增加显著,且对夏季(七月)的影响要大于冬季(一月),近地面风速降低,辐合加强,边界层高度增加,使得大气污染物PM10和NOx地面浓度减小,而O3浓度增加。不同城市冠层方案对气象场和浓度场的模拟性能有一定差异,与观测相比,SLAB和BEM模拟的气象场效果较好,UCM和BEP模拟的偏差较大。对浓度场模拟方面,BEM模拟的PM10与观测最为相近,而对O3的模拟则SLAB和BEM方案较好。城市化导致的人为热排放引起地表感热和近地面温度的增加,城市地区对流和垂直混合加强,PM10和NOx浓度减小,从而导致了O3浓度增加。总的来说,城市化带来的动力和热力效应对气象因子和大气环境的影响显著,在城市规划设计、环境气象预报和空气污染治理上应该考虑城市化的影响。
【学位单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2014
【中图分类】：P461;X51
【部分图文】：

开展城市下垫面变化对气象因子和大气环境影响研究。利用２００４??年ＭＯＤＩＳ数据反演长Ｈ角城市下垫面分布，并应用到中尺度数值模式??ＷＲＦ－Ｃｈｅｍ中。稱合冠层模式研究了城市下垫面变化对长Ｈ角不同季节的气候??和大气环境影响。??第Ｈ，开展不同冠层模式对气象因子和大气环境影响研究。通过文献调研??收集整理了南京地区冠层参数（如地面反照率、热容量和热导率等），对长王角??不同季节的气候和大气环境进行模巧比较，研究长Ｈ角城市冠层内的特征和对大??气污染物扩散和输送的影响。评估了不同冠层方案的特点和应用。??第四，开展人为热时空分布对气象因子和大气环境影响研究。通过文献调??研和数据收集整理，得到了长Ｈ角地区人为热的空间分布，将之禪合到数值模式??ＷＲＦ－Ｃｈｅｍ中，研巧其对城市的热力属性的影响，及对大气污染物扩散和输送??的影响。估算了人为热排放对气候变化和大气污染的贡献。??

２．１?ＷＲＦ－Ｃｈｅｍ模式主要参数化方案??ＷＲＦ模式采用高度模块化和分层设计，分为驱动层、中间层和模式层，用??户只需与模式层打交道；在模式层中，动力框架和物理过程都是可开关式的，为??用户采用各种不同的选择、比较模式性能和进行集合预报提供了极大的便利。??ＷＲＦ模式重点考虑从云尺度到天气尺度等重要天气的预报，水平分辨率重点考??虑＾１０公里。因此，模式包含高分辨率非静力应用的优先级设计、大量的物理??选择、与模式本身相协调的先进的资料通话系统。ＷＲＦ模式在计算模拟中，另??一个重要部分即为模式的物理参数化部分。在模拟实际天气时，有几项最重要的??物理过程必须被考虑进来，例如：福射、边界层、地面过程、积云对流、端流和??云微物理等过程。表２－１给出了?ＷＲＦ模式中可供选择的主要物理、化学参数化??选项。此外，在源排放方面，除了人为排放源清单，ＷＲＦ－Ｃｈｅｍ模式同样可Ｗ??

［Ｍａｒｔｉｌｌｉ?ｅｔａｌ．，２００２］Ｌ：Ｊｌ及稱合简单建筑物能量平衡模型的ＢＥＰ方案（ＢＥＰ＋ＢＥＭ）??［Ｓａｌａｍａｎｃａ?ａｎｄ?Ｍａｒｔｉ化２０１０］。单层冠层方案和多晨冠层方案的简单不意图可参??加图２－２。这些城市冠层方案一般都帮合到Ｎｏａｈ陆面模式之中［Ｃｈｅｎ?ａｎｄ?Ｄｕｄｈｉａ，??２００１］，这种锅合使得模式可Ｗ计算城市冠层向大气输送的感热通量、潜热通量??和动量通量等。稱合了城市冠层模式的Ｎｏａｈ?ＬＳＭ在计算各个格点的大气变量??（如地面温度、感热、动量通量等）的时候，会分两部分计算输出，包括Ｎｏ化ＬＳＭ??计算得出的非城市下垫面的变量通量和城市冠层模式计算得出的城市下垫面的??变量通量，最后根据格点中的下垫面设定的城市比率加权平均求得该格点的变量??通量值。其具体计算方法如下公式所示：??Ｖ?＝?ｆｌｓｍ?Ｘ?Ｖｉｓｍ?＋?Ｆｕｒｂ?Ｘ?Ｖ＂ｒｂ?（２．０３?）??Ｐｌｓｍ?＋?Ｆｕｒｂ?＝?１?（２．０４）??其中，Ｖ为格点输出的某变量（如感热通量、潜热通量、地表温度、向上??长波福射、反照率和福射系数等），Ｆｋｍ为格点计算的Ｎｏ址ＬＳＭ输出的下垫面??比率，ｆｗｂ为格点计算的城市冠层输出的下垫面比率，为ＮｏａｈＬＳＭ计算得??到的非城市下垫面输出变量，为城市冠层模式计算得到的城市下垫面变量。??３３??
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本文编号：2853093