南京城市下垫面中尺度通量的大涡模拟和参数化研究

城市下垫面非均匀性激发的中尺度环流和中尺度通量对天气气候过程有重要影响。本课题拟采用申请人开发的能够体现城市动力和热力非均匀作用的大涡数值模式，模拟研究南京地区城市下垫面中尺度通量的时空特征和季节特征，并分析城市中尺度通量对下垫面非均匀性的敏感性。在此基础之上，利用相似理论分析方法（白金汉量纲分析方法），建立能够体现城市非均匀性特点的中尺度通量参数化方案。通过本项目的工作以期改进目前中尺度或区域气候数值模式在城市地区的模拟性能。本项目的研究成果有助于进一步理解城市对天气气候过程的影响机制，进而有助于提高城市区域环境气象服务水平和天气气候的预测预报准确性。

本项目以城市下垫面非均匀性激发的中尺度环流和中尺度通量对边界层结构的影响为研究对象，以高分辨率大涡数值模式为工具，研究了城市下垫面热力和动力非均匀对边界层结构的影响，分析城市下垫面中尺度通量的时空特征，及其下垫面非均匀性的敏感性。并尝试利用相似理论分析方法建立能够体现城市非均匀性特点的中尺度通量参数化方案。通过对国内外现有的大涡数值模式的比较，本项目选取WRF模式作为主要研究工具。利用WRF模式研究了高温天气过程下城市扩张对城市气象环境和边界层结构的影响。结果表明在长江三角洲地区，随着城市的快速扩展，城市热岛无论在强度和范围上都有明显的变化，同时城市热岛的出现加剧了湖陆风等局地环流，并在下风向可能诱发小尺度的对流涡旋。对WRF模式中的大涡模块进行了改进，使之能够考虑城市热岛的时空非均匀性，并对理想城市热岛影响下的城市边界层结构以及中尺度通量特征进行了模拟。模拟结果表明城市热岛自身的非均匀性对城市边界层结构有明显影响，特别是在无风条件下，城市热岛导致冷空气在城市边界层下部的辐合和在边界层上部的辐散，使得城市边缘大气边界层高度降低；同时城市热岛环流所引起的中尺度通量输送受城市热岛强度影响较大，受城市热岛空间分布形态影响小，并且背景风速和大气稳定度对中尺度通量有着明显的影响，这对合理地利用白金汉量纲法构建无量纲数，并建立城市热岛环流带来的中尺度通量参数化方案有着重要的意义。在以上研究的过程中，申请人注意到城市地区大气边界层高度可能存在明显的时空非均匀特征，并利用苏州城市地区的激光雷达观测和微波辐射计观测分析了城市边界层高度与温度场之间的关系，发现激光雷达在城市边界层高度确定算法上的不确定性，以及城市下垫面非均匀性对边界层高度的潜在影响。