城市尺度大气物理过程对上海超大城市混合层高度影响研究

The mixing height is a basic characteristics of the atmospheric boundary layer. The temporal and spatial structure of mixing layer over an urban area are closely related to the dynamic and thermal characteristics within boundary layer which are affected by the complex underlying urban surface (building, road, pavement, tree, etc.). Understanding the nature of these controls, is important for explaining the causes of high/complex air pollution episodes and for developing appropriate countermeasures. .The research in this proposal will address the impacts of urban scale atmospheric physical processes on mixing layer structures of a megacity as an example. There are three main elements: 1) Intensive urban meteorology observation and analysis of the spatial- temporal distribution of mixing height over Shanghai and nearby areas, 2) the effects of urban scale atmospheric thermo-dynamic process on mixing height and its evolution over different urban climate zones; and 3) Urban surface energy/water budget and mechanism of the spatial- temporal evolution of mixing layer. Through this research: 1) new techniques and approaches will be developed for determination the mixing height and the spatial distribution of urban mixing layer will be revealed use multiple instruments (Lidar, Ceilometer, Wind profilers, etc.) 2) an urban-scale model coupled with urban land surface model and convective boundary layer scheme, especially for Shanghai and nearby areas will be developed and be used to improve understanding of the impacts of urban boundary structure and its evolution on the development and decay mechanisms of high pollution episodes. These will provide important scientific support to help with complex air pollution countermeasures.

大气混合层高度是表征大气边界层特征的一个基本参数。城市区域地表覆盖类型、建筑物布局、城市绿化等因素改变了城市与大气作用过程，从而也改变城市边界层内动力、热力特征及大气边界层的时空结构。因而，探究城市尺度大气物理过程对上海超大城市混合层结构的影响机制对揭示城市复合污染成因和采取有效应对具有重要意义。本项目拟采用城市边界层观测诊断和数值模拟等方法开展三方面研究：（1）城市边界层强化观测和混合层时空结构特征分析；（2）典型城市气候区大气物理过程与混合层高度时空差异性分析；（3）大气边界层参数化方案与混合层高度时空演变机理研究。预期：发展混合层高度反演新技术和新方法，基于多种类型观测设备揭示大城市混合层高度的空间结构；发展适合于上海区域、耦合城市陆面过程和边界层高度参数化方案的模式系统，揭示超大城市复杂下垫面对边界层结构演变影响机制，为应对城市污染提供支撑。

大气混合层高度是表征大气边界层特征的一个基本参数。城市区域地表覆盖类型、建筑物布局、城市绿化等因素改变了城市与大气作用过程，从而也改变城市边界层内动力、热力特征及大气边界层的时空结构。因而，探究城市尺度大气物理过程对上海超大城市混合层结构的影响机制对揭示城市复合污染成因和采取有效应对具有重要意义。本项目采用城市边界层强化观测和数值模拟等方法开展研究：（1）超大城市边界层强化观测和大气混合层时空结构特征分析；（2）典型城市气候区下垫面大气物理过程对混合层高度演变的影响分析；（3）大气边界层参数化方案与混合层高度时空演变机理研究。通过研究得到：（1）系统梳理了反演大气混和层高度的算法，包括基于探空资料、基于风廓线仪反射率结构常数Cn2反演大气混合层高度。基于激光云高仪、激光雷达建立了更为适用于长期观测资料自动反演边界层高度的逐步曲线拟合法和数据窗口标准差法。分析了多源资料反演城市大气混合层高度的差异性和可用性，揭示了上海超大城市大气混合层高度的日变化、季节变化和空间结构。（2）开展了单层城市冠层模式本地优化和评估、人为热估算和土地利用类型的优化，建立了耦合单层城市冠层模式的WRF/UCM模式系统；改进对流边界层高度参数化方案，建立了耦合耦合城市能量平衡模式（SUEWS）和对流边界层高度参数化方案（CBL）的模式系统，经模拟效果检验，WRF/UCM和SUEWS/ CBL模式系统对城市大气混和层高度具有较好的模拟能力。（3）建立了上海及周边精细地表下垫面分类和典型城市气候区建筑物形态数据库，形成了基于上海市域空气动力学粗糙度的精细化风速降尺度技术。分析了城市下垫面特征变化与城市热岛演变，开发了基于地表能量平衡的温度降尺度技术、开展了上海城市人为热通量精细估算以及对地表能量平衡的影响分析、开展了影响大气混合层高度变化的因素分析，揭示超大城市复杂下垫面能量交换对城市边界层结构及其变化的影响。研究成果可为城市空气质量预报、污染防御提供支撑。