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第1第12城市环境生态城市环境生态问题研究问题研究目录目录P引言引言P城市陆面过程和大气边界层模拟城市陆面过程和大气边界层模拟P城市环境风洞模拟P引言引言ö城市化及区域环境问题ö城市区域气候和大气边界层研究方法城市化－国际趋势－城市地表热力、辐射特征－城市大气边界层动力、热力特征－城市大气环境污染－区域气候变化－城市大气边界层数值模式－城市气候灾害防御－环境优化规划。重点：ö城市下垫面大气边界层理论问题ö城市边界层气候和大气边界层研究方法P本章教学目的及其重点本章教学目的及其重点城市区域陆面过程和城市区域陆面过程和边界层问题研究边界层问题研究有何有何意义？意义？解决什么问题？解决什么问题？采取什么研究采取什么研究方法？方法？城市边界层结构特征城市边界层结构特征城市边界层及热岛环流特征城市边界层及热岛环流特征城市热岛城市热岛÷城市边界层影响城市降水分布和污染物的输送城市边界层发展特征城市边界层发展特征城市冠层热力动力效应特征城市冠层热力动力效应特征（（低、中、高纬度城市的差别低、中、高纬度城市的差别））城市街区结构流场动力学特征（平原、山区、沿海城市的差别）城市边界层特性的观测和模拟研究方法城市边界层特性的观测和模拟研究方法数据资料库数据资料库陆面过程与大气边界层陆面过程与大气边界层数值模式、风洞数值模式、风洞建立与分析建立与分析结构特性计算分析结构特性计算分析模拟结果分析模拟结果分析地面气象和地地面气象和地面通量等观测面通量等观测边界层大气边界层大气探测探测风洞模拟风洞模拟物理数值模拟物理数值模拟遥感地理信息遥感地理信息与卫星观测与卫星观测城市边界层结构、动力、热力学特性与大气过程相互关系城市边界层结构、动力、热力学特性与大气过程相互关系城市下垫面陆面过程和中尺度气象模式中的参数化城市下垫面陆面过程和中尺度气象模式中的参数化城市边界层特征对区域气候环境和污染物输送的影响城市边界层特征对区域气候环境和污染物输送的影响城市大气边界层数值模式的多尺度性城市区域尺度50km小区尺度500m城市尺度5km单体尺度50m城市影响参数化显式考虑建筑物城市区域尺度模式城市尺度模式小区尺度模式单体尺度模式城市多尺度气象与污染扩散数值模式系统城市区域尺度模式模式具有以下主要特点：三维非静力、湍流闭合水平网格距可变、垂直网格上疏下密细致的陆面物理过程处理引入城市人为热源的影响引入城市建筑物的影响近百公里水平范围、日变化时间尺度前处理模块客观分析模块大气数值预报模块后处理模块画图分析模块模拟性能效果分析模块地形资料人为热源资料植被土壤类型资料城市基础地理信息资料气象资料城市区域模式结构框图城市小区尺度模式模式具有以下主要特点：三维非静力、湍流闭合水平网格距可变、垂直网格采用拉伸网格处理建筑物、植被覆盖、水体的影响考虑区内建筑物朝向、建筑物对短波辐射遮蔽作用数公里水平范围、数小时时效城市小区尺度模式计算流程结构开始确定模拟研究区域地形、地表类型资料模式网格、参数设置读入研究区域环境初始场及参数陆面物理过程热力、动力学参数化大气边界层方程组、湍流闭合地面辐射、能量平衡计算积分模式方程组得到稳定的气象场输出诊断后的气象场处理污染物源资料污染模式读入诊断后的气象场及污染物源资料积分污染物浓度方程，得到稳定的污染物浓度分布输出污染物数据（源及浓度分布）绘图、三维动画显示及绘图输出结束地面风温资料模式预处理地面污染资料中尺度气象模式MM5插值与坐标转换城市大气边界层模式UBLM大气化学输送扩散模式ACTDM污染物浓度分布SO2,Nox,TSP/PM10等地形处理下垫面类型处理污染物监测检验污染指数比较城市空气污染指数人为热源处理污染源排放模型干湿沉积模型生物/植物排放模型发布预报城市污染物浓度预报处理过程边界层模式运用于城市空气污染预报城市尺度大气环流特征研究山谷城市大气大气边界层特征和大气污染形成机理研究城市环境优化研究ò城市光辐射问题研究（玻璃幕墙）ò城市热辐射问题研究（空调）ò城市建筑节能研究（通风、采光、采暖）ò生态城市建设研究（雨水储存、建筑绿化）ò室内环境优化研究（建筑材料、通风采光）城市灾害及雨水资源利用研究ò城市高温灾问题研究ò城市火灾问题研究ò城市风灾狭管效应研究ò城市雨水资源利用研究P城市陆面过程和大气边界层模拟城市陆面过程和大气边界层模拟ö模式设计ö模拟结果与讨论ö模式设计ugFxzhHzgxdtdu+∂∂-+∂∂-=pqvgFyzhHzgydtdv+∂∂-+∂∂-=pqqqFdtd=0=∂∂--∂∂--++yzzHvxzzHuzdwddydvdxduggggqpgHzHdzdg--=RFdtdR=三维大气动力热力学方程组其中式中为位温(K)；R为比湿()；为Exner函数且有。取1000hpa；Cp为定压比热,取1005J.为（x,y,z）坐标系中的垂直速度为湍流项分别代替u，v，R，分别为水平和垂直湍流扩散系数。1kg.kg-π286.00p)PP(C=π0P11kg.k--wyzvzHHzxzuzHHzzHHwwggggg∂∂--+∂∂--+-=qFFFFRvu，，,φθ)()()y22222zKzzHHxKFZgH∂∂∂∂-+∂∂∂∂=jjjj＋（zHKK和边界层湍流参数化湍流动能方程为:其中，是湍流动能；为湍流耗散率，B1为经验常数，本文取0.25；()2122221wvue′+′+′=LeB231lBezzHHgKzeKzzHHyexeKzvzuzHHKzewyevxeutegEgHgm12/322222222)()()(])()[()(-∂∂--∂∂∂∂-+∂∂+∂∂+∂∂+∂∂-+∂∂+∂∂-∂∂-=∂∂qqaq陆面过程地表温度及地表含水量处理地表温度)285(2--=∂∂sTsTGCtTtp)()(211geqgwgwwCEgPgdCtw---=∂∂tr)(122EtrEgPgdtww--=∂∂r地表土壤含水量土壤日平均含水量G=QK+QR+QA-H-E地表短波长波人为感热潜热热通量热量陆面过程潜热感热处理感热apaRTTCH)(21-=r))((assatavaqTqRhVegE-=r21uCRHa=潜热城市大气边界层参数化ö模式考虑了大气对太阳辐射的水汽吸收，臭氧吸收，气溶胶衰减和瑞利散射作用。ö将模拟区域划分为网格距为500米的网格，按不同的土地利用类型在500米的网格中的比例和每个种类的特征参数（粗糙度Z0、地表热系数CT、反射率α、地表放射率ε等）计算出整个网格的参数值。MM5模式与北京大学边界层模式连接ö由于MM5模式是应用(x,y,σ)坐标系,而北京大学城市边界层模式采用了地形追随的垂直坐标变换，所以首先要将MM5模式的输出结果插值到城市边界层模式的格点上作初始场和边界条件输入，使两模式得以连接。北京区域陆面和大气边界层特征ö北京城区范围地势平坦，但其周围地形极为复杂，西面和北面均为山地，且距北京城区只有30－40km，因此北京地区的气象环境特征受其周围地形的影响很大，经常出现山谷风。同时由于北京城市规模的发展，城市中的地面结构发生变化，使热岛效应强度和范围不断增加。这种山谷风常与热岛环流相叠加。这种周边地形与城市的热动力综合效应及其相互作用使得北京城市边界层结构异常复杂，并与城区和周边污染排放源布局配合对北京城区大气污染形成与分布产生重要影响。ö陆面过程大气边界层模拟结果城市乡村地表热通量4.008.0012.0016.0020.0024.00-200.00-100.000.00100.00200.00300.00400.00500.00600.00700.00800.00900.00HEATFLUXQK短波QR长波QQ净辐射H感热E潜热乡村热通量4.008.0012.0016.0020.0024.00-300.00-200.00-100.000.00100.00200.00300.00400.00500.00600.00700.00800.00900.00HEATFLUXQK短波QR长波QQ净辐射H感热E潜热城市热通量乡村城市城市乡村水汽通量日变化（地表通量与植被通量）4.008.0012.0016.0020.0024.00-2.00E-50.00E+02.00E-54.00E-56.00E-58.00E-51.00E-41.20E-4水汽通量地表通量植被总通量乡村水汽通量日变化（地表与植被比较）4.008.0012.0016.0020.0024.00-4.00E-5-2.00E-50.00E+02.00E-54.00E-56.00E-58.00E-51.00E-4水汽通量地表通量植被总通量城市水汽通量日变化（地表与植被总通量比较）乡村城市城市乡村潜热通量日变化0204060801001200.00200.00400.00600.00800.00潜热比较6点9点12点15点18点乡村城市乡村km城市乡村感热通量日变化020406080100-200.000.00200.00400.00600.00感热比较6点9点12点15点18点不同下垫面感热通量日变化比较乡村城市乡村km城市乡村地表温度日变化020406080100280.00285.00290.00295.00300.00305.00310.00315.00地温日变化6点9点12点15点18点不同下垫面地表温度日变化乡村城市乡村城市中心温度时空分布图远郊乡村温度时空分布图14：00时城乡温度空间分布位温廓线模拟结果城市中心远郊乡村318.4°C311.5°C城市郊区湍流动能时空分布特征ö北京市区域风场、温度场的观测和模拟结果203040503540455055606570758085x(Km)y(Km)july0200average300.4300.3300.1299.8299.5299.4昌平海淀石景山丰台大兴气象局观象台朝阳天安门296296.5297297.5298298.5299299.5300203040503540455055606570758085x(Km)y(Km)july0800average300.8300.7300.5300.4300.3300.2昌平海淀石景山丰台大兴气象局观象台朝阳天安门297.5298298.5299299.5300300.5203040503540455055606570758085x(Km)y(Km)july1400average306.4306.4306.5306.3306.2306.1昌平海淀石景山丰台大兴气象局观象台朝阳天安门304304.5305305.5306306.5203040503540455055606570758085x(Km)y(Km)july2000average304.0303.8303.2302.8302.5昌平海淀石景山丰台大兴气象局观象台朝阳天安门300300.5301301.5302302.5303303.53042000年7月(夏季)观测平均温度场203040503540455055606570758085x(Km)y(Km)jan0200average269.3269.1268.7268.5268.3268.5268.1昌平海淀石景山丰台大兴气象局观象台朝阳天安门264265266267268269203040503540455055606570758085x(Km)y(Km)jan0800average268.1267.8267.6267.4267.2266.7267.2267.0昌平海淀石景山丰台大兴气象局观象台朝阳天安门262263264265266267268203040503540455055606570758085x(Km)y(Km)jan1400average274.4274.3274.2274.0273.9昌平海淀石景山丰台大兴气象局观象台朝阳天安门270.5271271.5272272.5273273.5274274.5ab203040503540455055606570758085x(Km)y(Km)jan2000average