城市化影响水汽输送及云和降水的数值模拟研究

发布时间：2019-04-03 17:54

【摘要】：本文利用数值模拟研究城市化对边界层结构、水汽输送以及云和降水的影响。首先,本文利用大涡模拟研究有风切影响时对流边界层顶的夹卷过程。基于动能收支,提出夹卷通量比的参数化方案,并作了适当简化。该方案表明在逆温层内风切变产生的湍流动能有43%用于夹卷过程,混合层及近地层内风切变对夹卷过程影响很小。根据这个方案,提出了一个新的对流速度尺度,并将之用于逆温层厚度的参数化。基于大涡模拟结果的尺度分析,相对层结参数可以写成夹卷通量比的函数。该结论引出了一个简单的夹卷率参数方案。基于合理的假设和简化,混合层模型被解析求解。结果表明,逆温层内的风切作用包括动力作用项、平均风切与环境层结相互作用项及包括科氏力影响在内的其他项。利用这一结论,对流速度尺度的表达式得以简化。简化后的对流速度尺度、夹卷通量比及夹卷率组成了一个对流边界层高度的预报模型。与混合层模型相比,该预报模型不需要求解一组方程,因而更加方便易用。其次,本文利用大涡模拟研究了城市化对边界层结构、水汽输送及浅积云的影响。与以往研究不同,城市及模式边界之间设置了广阔的缓冲区使城市免受周期边界条件的影响。非均匀扰动及浮力扰动可以利用时间平均及高斯滤波进行分离。结果表明,城市可以影响下游10-100km的范围。在该范围内边界层增厚,边界层顶位温减小、湿度增大。非均匀的地表温度激发了非均匀环流。环流形状与城市尺度有关。环流的上升支将混合层中更冷(位温,相对自由大气)更湿的空气向上输送,造成边界层顶位温降低、湿度增大；在边界层顶,环流水平支扩大了影响范围。基于热力学定律、动量方程及湍流闭合方案,本文提出了一个非均匀环流速度的估算方案。该方案中,环流水平速度与环流的水平尺度、地表摩擦速度成反比,与城市及郊区的温差、边界层高度成正比。上游城市可以大幅度地增加下游城市后方非均匀温度扰动和边界层高度,从而显著地加强非均匀环流及其对混合层中水汽和位温的输送,使得边界层顶位温的减小及湿度的增加更加显著。浅积云的结果表明,城市地区上空液态水路径及云层厚度大幅度增加,引起云反照率的增加和非均匀的潜热分布。非均匀的潜热分布在云层和边界层中上部激发另一个次级环流。该环流的下沉支将更干更热的自由大气向下输送,抑制了云的生成,造成云量的减少。最后,利用WRF模式(the Weather Research and Forecasting Model),本文分析了我国长江三角洲地区城市化对边界层结构、水汽输送及云和降水的影响。晴天和统计结果都表明城市可以影响下风向百公里的范围。与大涡模拟结果相似,该区域内边界层增厚,边界层之上位温减小、湿度增大。在夜间,受城市影响的区域增大,城市热岛加强,风速减小更加明显。但城市造成的近地比湿的减小在白天更加显著。城市热岛激发出热岛环流,在近地层,空气向城市辐合,加强水陆差异形成的辐合。午后的环流具有明显的垂直结构,但其水平尺度较小;夜间环流的垂直尺度被抑制但具有较大的水平尺度；环流在18时前后达到最强,这直接导致了城市地区可降水量在18时有明显的增加。早上六点前后平均云水混合比及成云频率降低,在午后平均云水混合比及成云频率略有增加；平均雨水混合比及降雨频率在早上略有降低在午后略有增加。云天个例结果表明,城市减小了风速,改变了辐合带的位置,同时城市加强了低层的辐合及边界层中部垂直上升运动,导致云的生成。
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【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P461
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本文编号：2453413