大气数值模式中城市效应参数化方案研究进展

第２３卷　第４期２００８年４月地球科学进展ＡＤＶＡＮＣＥＳＩＮＥＡＲＴＨＳＣＩＥＮＣＥＶｏｌ．２３　Ｎｏ．４Ａｐｒ．，２００８文章编号：１００１８１６６（２００８）０４０３７１１１大气数值模式中城市效应参数化方案研究进展王咏薇，蒋维楣１，２，刘红年１（１．南京大学大气科学系，江苏　南京　２１００９３；２．中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室，北京　１０００２９）摘　要：介绍了对城市效应影响大气运动的物理过程，以及在不同尺度大气模式中如何合理考虑这些物理过程，对进一步发展完善城市效应参数化方案中亟待解决的问题及困难作了论述，并着重强调了不同城市冠层参数化方案的优缺点。结论认为，随着城市的扩张，城市效应对大气运动的影响是数值模拟研究中一个不可或缺的物理过程，城市冠层模式的引入可以有效地提高数值模拟效果。对于不同尺度的数值模拟研究工作，应该采取不同的城市效应影响方案。目前，由于冠层模式中涉及的物理过程十分复杂，冠层模式还有待进一步完善，此外冠层方案的验证工作，尤其是应用城市地表能量平衡观测资料进行的验证工作还应该进一步深入开展。关　键　词：城市效应；冠层参数化方案；地表能量平衡；大气数值模式中图分类号：Ｐ４１４　　　文献标志码：Ａ　　随着全球经济的迅速发展，越来越多的人口集中于城市居住，据联合国人口署统计，到２０３０年，发展中国家城市居住人口的比例将达到５６％。由于城市人口膨胀所引发的城市大气及局地气候环境的变化，乃至对更大尺度天气气候环境的影响，受到广泛的重视［１］。城市地区复杂多变的建筑物地表特征，显著影响了局地的天气状况及空气质量［２～３］。在城市复杂下垫面条件下，地形、扰动及不同能量之间的相互转化过程都变得很细致。很多研究以数值模拟作为手段进行城市效应影响局地及区域的天气气候研究［１～３］，在这些研究工作中，科学的处理城市效应是一个很关键的因素。不同尺度的数值模拟，对于城市建筑物冠层中大气运动的计算方案不同。当数值模式研究范围仅为一个单体建筑物或小区时，可采用显式分辨建筑物的计算方案，当研究更大尺度的大气运动时，必须采用次网格参数化方案考虑城市地表对大气运动的影响。本文旨在对建筑物不可分辨尺度模式中城市效应参数化方案的研究进展进行讨论。１　尺度，空间非均匀性与城市效应尺度概念是理解城市地表粗糙元与大气运动相互作用的基础。大量的观测研究结果表明，城市冠层（ＵｒｂａｎＣａｎｏｐｙ）内建筑物三维表面的能量平衡过程及由此诱发的对近地层大气的通量交换过程与平坦下垫面显著不同［４］，如果能详细的描述出城市区域尺度数值模拟中城市冠层对上部大气的能量、动量和物质交换的影响，大气数值模式的预报及诊断效果就能得到很好的改进。如图１所示，不同尺度数值模拟研究中，对于城市效应及人为活动影响大气运动的可分辨程度及处理方法不同，小区尺度（图１ｂ）和微尺度（图１ｃ）的数值模拟中，水平分辨率多为数米至十几米，建筑物是尺度可分辨的，采取建筑物显式分辨的处理方案。而在城市区域尺度　收稿日期：２００７１１２０；修回日期：２００８０４０１．基金项目：国家自然科学基金项目“城市冠层对物质湍流扩散影响的模拟研究”（编号：４０７７５０１４）；国家重点实验室开放课题项目“城市区域气象与空气质量模拟中边界层参数的引入研究”（编号：ＬＡＰＣＫＦ２００６０２）资助．　作者简介：王咏薇（１９７７），女，新疆喀什人，博士，主要从事大气边界层物理与大气环境，城市边界层数值模拟研究．Ｅｍａｉｌ：[e-mail]（图１ａ）的数值模拟中，建筑物是尺度不可分辨的，须采用次网格的参数化方案考虑建筑物对大气运动的影响，才能合理地模拟城市边界层及气象环境、大气环境等的变化。当前，大气数值模式中不同尺度城市效应影响的研究正在积极展开。随着城市规模的扩张，城市下垫面建筑物覆盖率显著增加，进行城市环境、城市边界层结构等的数值模拟研究工作必须合理地考虑城市建筑物三维结构对大气运动的影响。同时，从数公里网格分辨率（中尺度天气预报模式）至数十公里网格分辨率（气候变化模式），其数值模拟研究工作中也都有必要改进传统城市陆面参数化方案［２］。图１　不同尺度城市边界层示意［５］Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｖｉｅｗｏｆｕｒｂａｎｂｏｕｎｄａｒｙｌａｙｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｃａｌｅ［５］２　城市效应对大气运动的影响城市地表附近的大气环流受到地表热力和动力的强烈影响，引起气流的明显变化和调整。被调整空气的厚度可增长到地面以上数十到数百米厚度的边界层。由于城市建筑物对空气的黏滞性和摩擦作用，城市边界层内有其独特的风切变特征。强的风切变特征再加上地表显著的储热特征，使城市边界层内的湍能得以充分发展成各种尺度的湍流涡旋。这种湍流交换或湍流混合构成了通过边界层向上或向下的质量、能量和热量的交换机制，从而使一定范围的城市地表对自由大气具有明显的强迫作用［４］。Ｏｋｅ［５］首次提出城市冠层（Ｕｒｂａｎｃａｎｏｐｙｌａｙｅｒ）的概念，把城市冠层与城市边界层明确划分开。Ｏｋｅ将城市冠层定义为从地面到建筑物屋顶的这一层，它与建筑物高度、密度、几何形状、建筑材料、街道宽度和走向、绿化面积等关系密切；城市边界层则是从建筑物屋顶到积云中部高度这一层，它受城市大气质量和参差不齐屋顶的热力和动力影响，湍流混合显著，与城市冠层存在物质、能量交换，并受周围环境的影响。城市建筑物冠层影响大气运主要过程如图２所示，从图中可以看出，冠层内建筑物及人为活动对于大气的影响主要包括：（１）建筑物对冠层内气流的拖曳影响。（２）建筑物对湍能生消的影响。（３）建筑物对太阳短波辐射的阴影遮蔽作用。（４）建筑物对长短波辐射的截限作用。图２　城市冠层对大气运动的影响Ｆｉｇ．２　Ｕｒｂａｎｃａｎｏｐｙｅｆｆｅｃｔｏｎａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｍｏｖｅｍｅｎｔ２７３　　　　　　　　　　　　　　　　　地球科学进展　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第２３卷（５）人为热排放作用。（６）由于建筑物材料不同导致的热属性参数的不同。正如Ｒｏｔｈ［６］的研究中提到，城市复杂非均匀下垫面影响边界层结构主要是通过以下两个方面，其一为由于建筑物的存在对气流产生拖曳影响，并使更多平均动能向湍能发展；其二为建筑物对太阳短波辐射的阴影遮蔽影响，对地气长波辐射的截限影响，及由于建筑物地表使地气潜热交换减小。在这些因素的综合作用下，改变了冠层内向大气的热通量输送。３　城市效应参数化方案３．１　建筑物对气流及湍能扩散的影响大气数值模式中考虑建筑物冠层对气流及湍能扩散作用影响的研究，早期的工作中，一般将城市作为均匀下垫面处理，通过提高空气动力粗糙度，以反映建筑物的作用。在利用城市地理信息系统（ＧＩＳ）、航摄、卫星观测等手段获得城市建筑物形态以及信息之后，Ｍａｃｄｏｎａｌｄ等［７］提出了根据建筑物形态学参数（建筑物高度、建筑物分布比例、建筑物迎风面积比等）来计算城市地区的动力学粗糙度及零平面位移高度。此种方法运用在模式中仅能体现建筑物冠层对气流场的总体作用，却忽略了单个独立粗糙元对气流场的影响，即仅能计算出粗糙子层以上的气流场特征，而目前最引人关注的城市污染问题却是粗糙子层内的气流场特征造成的。粗糙度方法建立在近地层对数风廓线的基础之上，但是外场及风洞观测实验指出在城市地表对数风廓线关系是不存在的［８～１０］。因此，这种方法并不能很好的计算城市下垫面的流场及湍能扰动影响。对于城市气象以及城市大气环境的数值研究来说，传统的基于ＭｏｎｉｎＯｂｕｋｈｏｖ相似理论的方法无法合理的描述建筑物冠层内甚至是粗糙子层的大气运动。因此，城市边界层数值研究需要更为全面的能体现粗糙子层甚至是城市冠层中大气运动的动力冠层方案。以平均风的形式表示冠层内动量控制方程，即ｕ是时间以及空间上的变量，ｕ＝Ｕ＋珘ｕ＋ｕ′。其中，Ｕ＝＜珔ｕ＞为时间及空间上的平均值，珘ｕ＝珔ｕ－Ｕ为局地粗糙元时间平均速度上的空间变化，ｕ′＝珔ｕ－Ｕ－珘ｕ为扰动速度。冠层方程需要计算平均风矢Ｕｉ（ｘ，ｙ，ｚ），城市冠层水平方向的尺度远大于垂直方向尺度，即冠层为很薄的一个浅层，Ｒａｐｕｓｈ等［１１］及Ｆｉｎｎｉｇａｎ［１２］求解这个浅层大气的空间及时间变化的动量方程，得到冠层内的动量方程为：ＤＵＤｔ＋１ρＰｘ＝－ｚ＜ｕ′ｗ′＞－ｚ＜珘ｕ珘ｗ＞－Ｄ（１）　　如图３所示，在建筑物冠层内，大气运动受到扰动雷诺应力＜ｕ′ｗ′＞、扩散应力＜珘ｕ珘ｗ＞以及拖曳力Ｄ等３项应力的作用，而在粗糙子层，受到雷诺应力＜ｕ′ｗ′＞、扩散应力＜珘ｕ珘ｗ＞的作用，在惯性子层以上，则无建筑物冠层的直接影响。当前数值模式中考虑这３种应力的做法如下述：（１）对雷诺应力的考虑。对于雷诺应力，可以运用混合长的方法对冠层内的混合长进行考虑，即＜ｕ′ｗ′＞＝ｌ２（ｄｕ／ｄｚ）２，在冠层模式中考虑冠层内的混合长ｌ。（２）对扩散应力的考虑。Ｂｏｈｍ等［１３］和Ｃｈｅｎｇ图３　不同高度动量方程中应力的考虑Ｆｉｇ．３　Ｔｈｅｓｔｒｅｓｓｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｅｉｇｈｔｉｎｂｏｕｎｄａｒｙｌａｙｅｒ３７３第４期　　　　　　　　　　　王咏薇等：大气数值模式中城市效应参数化方案研究进展　　　　　　　等［１４］的风洞试验研究表明，在冠层底部频散应力相对较大，但是底部所有应力均很小。因此，在冠层内拖曳项起重要作用，扩散应力项相对较小，通常忽略不计。（３）拖曳力的考虑。拖曳力表征建筑物对平均风的拖曳影响，目前大多数的做法是将建筑物看成是一个多孔的气流可以通过的介质。Ｕｎｏ等［１５］和Ｍａｒｕｙａｍａ［１６］将植被冠层中常用的“拖曳强迫”方法引入城市建筑物对大气动力作用的研究中，以考虑建筑物占据空间的影响，主要做法为将网格内建筑物的迎风面积和网格内空气体积之比定义为城市冠层密度指数Ａ（ｚ）。定义η为格点上地面建筑平面面积覆盖比率，其物理含义可以理解为城市的建筑密度。具体的参数化方案是：同时在ｕ、ｖ方向的动量方程、湍能方程以及耗散率方程中引入城市建筑物拖曳和扰动影响项：Ｆｂｕ＝－１２ηＣｄＡ（ｚ）ｕ（ｕ２＋ｖ２）１／２（２）Ｆｂｖ＝－１２ηＣｄＡ（ｚ）ｖ（ｕ２＋ｖ２）１／２（３）ＦＥｂ＝１２ηＣｄＡ（ｚ）ｖ（｜ｕ｜３＋｜ｖ｜３）１／２（４）Ｆεｂ＝３４εＥηＣｄＡ（ｚ）ｖ（｜ｕ｜３＋｜ｖ｜３）１／２（５）其中公式（２）、（３）分别为速度分量ｕ和ｖ的拖曳力项，公式（４）、（５）分别为湍能和湍能耗散率的影响项。Ａ（ｚ）为网格内建筑物的迎风面积和网格内空气体积之比即城市建筑表面积指数，η是每个网格内建筑面积比例，根据Ｒａｕｐａｃｈ［１７］的风洞实验研究结果，可将拖曳系数Ｃｄ取为０．４。随后，很多研究工作采用Ｕｎｏ等［１５］的方案。陈燕等［１８］运用该种参数化方法研究城市建筑物对边界层结构影响的数值模拟，认为城市建筑物使得城市地区风速减小，易引起低层气流的辐合，湍能交换加强，大气层结不稳定性加强，混合层高度加大。近年，Ｃｏｃｅａｌ等［１９］采用Ｆｉｎｎｉｇａｎ等［２０］计算植被冠层内气流场的方法来计算城市冠层内的平均风速，这种方法避免了传统模式中近地面采用的对数风廓线法，同时可以模拟城市建筑物冠层内的平均风速。Ｃｏｃｅａｌ等［２１，２２］运用该种方法研究了城市地区的平均风速，非均一城市冠层风速的变化以及类城市障碍物的平均气流场和湍流特征。周荣卫［２３］在南京大学的城市尺度边界层模式中引入Ｃｏｃｅａｌ等［１９］的方案，并运用于建筑物形态对城市气象环境及污染物扩散能力的影响研究。３．２　城市地表辐射能量平衡过程大气数值模式中，传统的城市下垫面辐射能量平衡过程的计算方案采用与郊区下垫面类似的“ｓｌａｂｓｕｒｆａｃｅｓｃｈｅｍｅ”的方案（平板方案）。如图４所示，这种方案仍然基于ＭｏｎｉｎＯｂｕｋｈｏｖ相似理论，把城市看作一个平坦的水泥面，城市下垫面的动力特征采用有效粗糙度和零平面位移参数化，热力特性将城市地表看作一种热容较小，热传导较快的“平坦水泥板”，近地层交换参数由ＭｏｎｉｎＯｂｕｋｈｏｖ相似理论计算。这种传统