边界层方案与精细化下垫面对北京气象场模拟的改进研究

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本文利用WRF模式(Weather Research and Forecasting model)模拟研究短期、长期天气过程下,边界层参数化方案和精细化城市下垫面信息对北京市近地面气象要素和边界层结构的影响,并基于城市冠层参数对温度模拟结果进行改进。首先,选取2018年10月1日02:00至10月4日08:00的晴天过程,采用三层单向嵌套网格,模拟研究YSU(Yonsei University Scheme)、ACM2(Asymmetric Convective Model 2 Scheme)、MYJ(Mellor-Yamada-Janjic Scheme)、BL(BougeaultLacarrère PBL)边界层参数化方案对北京大气辐射通量、地表能量通量、近地面气象要素以及城市边界层结构的影响。之后,建立2006、2018年北京市高分辨率局地气候分区地图(Local Climate Zone,LCZ),LCZ地图将城市地表细分为10种类型,用以准确描述城市的形态特征和热环境。在边界层参数化方案的研究基础上,耦合单层城市冠层模式模拟研究2018年LCZ地图与MODIS土地利用数据在模拟温度结果上的差异,并改进城市冠层参数表中的城市覆盖率和发射率参数,优化温度模拟结果。最后,利用2006、2018年的LCZ地图作为模式的下垫面静态数据,模拟2018年冬、夏季两个月的时间段,分析城市化发展导致的下垫面变化对北京气象场的影响。得到如下结论:(1)YSU、ACM2、MYJ和BL参数化方案对短波、长波辐射通量的影响较小;YSU边界层参数化方案能够较好地模拟晴天过程下北京的近地面气象要素以及边界层结构;对于边界层结构,YSU方案模拟的温度廓线最接近实际观测,四种方案能够基本模拟出风速廓线的变化特征。(2)WRF模式耦合单层城市冠层模式比SLAB方案能够更好地反映城市局地气候;2018年的LCZ地图相比MODIS下垫面数据能够更好地模拟出城市的局地温度差异特征;城市地表类型与温度模拟结果密切相关,开放、密集低层建筑区(LCZ3、LCZ6)对应的温度区间较低,低层建筑相比中高层建筑区的夜间温度更低,稀疏建筑区(LCZ9)对应的温度区间最低。(3)改进城市冠层参数表中的城市覆盖率以及发射率参数,能够提升近地面温度的模拟效果,且对夜间温度的提升效果比白天更明显。(4)城市面积的增长导致城市近地面温度上升、湿度降低、风速降低等现象,建筑密度较大、高度较低的区域储热较大,开放中层建筑区(LCZ5)的储热量最高,稀疏建筑区(LCZ9)的储热能力较弱,能量交换比较迅速,升温快降温快。本文在边界层参数化方案和精细化下垫面信息对模拟气象场影响的研究基础上,针对模式中温度模拟误差的问题,提出改进城市参数提升模拟精度,并探索城市化发展带来的土地利用变化对局地气象条件的影响,为之后城市气象的研究提供了有力依据。
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