北京城市边界层特征对持续性大雾的影响研究

针对城市下垫面动力、热力作用影响大气运动、改变城市大气边界层结构特征的事实，研究持续性大雾过程中城市边界层特征对雾的生消、结构特征和近地面雾层内部的物理特征的影响。本项目以北京为例，充分考虑城市下垫面，通过引入精细城市地理信息，城市建筑物高度/密度、人为热，用地属性等，发展、改进包含精细城市冠层模式的中尺度数值系统（WRF/Noah/UCM），优化城市边界层参数方案，选用能充分反映大雾过程的物理过程和参数化方案，同化本地加密数据，针对城市下垫面特征的影响开展数值试验研究。利用北京地区各种常规气象观测和边界层加密观测资料（风廓线仪、微波辐射计、铁塔和加密自动站等），分析研究北京持续性大雾过程大气边界层结构及其演变特征。结合天气形势条件分析、边界层特征分析，研究城市边界层特征对大雾生消过程和结构特征的影响，揭示城市地区大雾的分布特征、演变规律和影响因子，探索中尺度预报模式在大雾预报中的应用。

为了提高雾、霾预报预警精准性，迫切需要深入开展持续性大雾的边界层特征及形成机理研究。本项目利用加密观测数据开展持续性大雾的边界层特征研究，利用先进的数值模式开展城市下垫面对大雾生消的影响机制研究，探讨城市地区大雾形成、发展和维持的关键条件。1.通过对雾霾日气象条件的统计分析、改进包含精细城市冠层模式的中尺度模式系统（WRF/Noah/ SLUCM）开展城市下垫面对大雾生消影响的数值试验研究，得出：城市下垫面使得城区近地面气温高，温度露点差大，使水汽不易凝结，相对湿度比无城市时低且增大缓慢，雾不易形成。而在雾开始消散时，城市下垫面使东南部、东部、东北部郊区雾区的气温偏低，温度露点差偏小，雾不易消散；城市下垫面使雾形成约晚2小时，使雾区向西发展减慢，使雾消散约晚20-30分钟。垂直方向上，使雾浅薄。城市白天雾霾天气不易消散、出现低能见度的时次数比郊区多，特别是中午-下午时段；2.利用城市边界层加密观测资料、结合常规高空地面气象资料，综合分析2009年11月3-8日持续性雾霾过程的形成类型、演变规律和边界层结构特征，得出：整个过程是由多类型雾依次出现所造成；辐射雾，近地层湿层厚度（相对湿度≥90%）日变化明显。平流雾，湿层厚度约200-300m，日变化不明显。锋面雾，湿层厚度达到1.5km；逆温层厚度约500-600m，最厚达700-1000m。逆温层的稳定存在先后与晴夜地表辐射降温、500-1500m以上的下沉气流增温和暖湿平流作用，以及近地层的明显冷平流、其上层暖湿平流作用有关；低层大气呈明显的“上干下湿”结构。雾、霾的形成、发展和维持与逆温层厚度、逆温层持续时间有密切相关；垂直大气的小风速层（风速≤2m/s）增厚使大气水平流动性差，是雾、霾形成和维持的重要条件；利用激光雷达数据确定的大气边界层高度低且长时间稳定，高约400m高度。3.基于中尺度数值模式系统BJ-RUC v2.0开展2013年1月26-31日持续性雾（霾）过程的数值模拟，并通过水汽、动力和热力条件分析揭示大雾发展和维持的关键条件：模式系统对平流雾时段（30日傍晚-31日前半夜）的雾区有较好的模拟，但未能模拟出严重大气污染时段的雾区；证实了近地层持续性东南风使950百帕以下为冷湿性大气，其上层的暖湿西南气流，造成平流雾的形成和发展。同时导致逆温层的形成和加强，使大气层结稳定度增强，有利于雾的增强和维持。