下垫面障碍物对观测环境影响的数值模拟研究

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观测环境对气象要素的准确观测有着重要的影响,而水体、建筑物等特殊下垫面是影响气象要素准确观测的重要因素,研究其对气象要素的影响对气象要素的准确观测意义重大。首先应用WRF中尺度模式,通过对四季晴天小风、阴天大风背景天气下有无水体算例模拟结果的比较,分析了浙江青山湖水体(6.5kmm2)对周边气象环境的影响。模拟结果表明:(1)模拟区域内12个气象观测站点2m气温模拟和实测结果对比的RMSD均值为2℃,相关系数均值为0.85,表明WRF模式能够较准确反映2m气温的变化。(2)水体对周边环境的影响随季节和天气的变化显著不同。秋、冬季节天气条件通常较稳定,水体对下风方有明显的增温作用;春季水体对下风方有降温作用;夏季水温低于气温,局地热力环流复杂,水体对下风方气温影响不明显。(3)水体面积越大,对周边气温影响距离越大。水体对下风方的影响主要通过平流输送作用,但当风速大于6.2m/s时,水陆热力性质差异迅速被平流项输送携带走,水体对下风方气温影响不明显。而湍流扩散项则将水体与陆面热力性质的差异向上传递,湍流强度大于0.5m2/s2时,水体对下风方气温的影响不明显。(4)春夏湿润季节水体对周边湿度影响较小,而秋冬干燥季节水体存在对周边有明显增湿作用,最大达7g/kg。水体存在通常使得近地层风速增加,然而春季水体降温效应导致近地层风速减小。水体上方湍流动能较小,春夏季白天水体上方大气湍流交换较弱,边界层高度有所降低。冬季夜间水体对大气有明显的增温作用,大气湍流动能较大,边界层高.度增加可达到400米。(5)青山湖对下风方气温、湿度、风速的观测可能影响距离分别为5km、2.7km、6.5km。再应用南京大学城市小区模式,模拟了理想条件下,单体建筑物对周边气象环境的影响,主要得到以下结论:(1)中性层结条件下,建筑物高6m时,对周边气温无明显影响,当建筑物达到12m时,建筑物对周边气温有影响,最大影响距离可达260m。当初始风速小于6m/s时,建筑物对周边气温的影响随风速增加而减小,当风速大于6m/s时,建筑物对周边气温的影响随风速增加而增大。建筑物对周边气温的影响还与建筑物高度有关,建筑物越高,遮蔽效应产生的降温作用越强,因而周边气温升温幅度较小,对气温的影响距离越小。(2)对流层结下,建筑物高度达到12m时,建筑物对周边气温产生明显影响,最大影响距离为110m,明显小于中性层结下建筑物对气温的影响距离,主要是由于近地层不稳定,热量较多垂直向上输送。建筑物高度为12m及18m时对周边气温的影响距离差异较小,主要还是因为建筑物越高,遮蔽作用越强,对周边气温的影响甚至略小。(3)稳定层结下,高6m的建筑物对周边气温有降温作用,风速为10m/s时,影响距离可达100m。建筑物高度达到12m时,对周边主要为降温作用。建筑物遮蔽作用对气温影响较大,对气温的影响较复杂,对气温影响距离随建筑物高度及风速的变化规律不明显。
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