城市冠层模式中水分平衡过程参数化方案研究

The improvement of urban canopy parameterization is the key factor to improve the simulation of urban surface-atmosphere fluxes, enhance the urban boundary layer modeling, and the bottom boundary conditions for mesoscale models. The most of the urban canopy models can not well reproduce the water balance process under urban land surface, which may decrease the model performance for simulating moisture and heat fluxes. This project intends to introduce the urban specific water exchange processes into the Nanjing University Multi-layer Urban Canopy Model, considering the water cycles on urban pervious surfaces and impervious surfaces, respectively. Especially, the parameterization of the lantent heat flux, and evaporation on each urban facet, and the exchange with atmosphere, will be considered. The new urban canopy parameterization, coupled with both energy balance and water balance processes, will be verified by obeservations, and used to analyze the impact of water cycle process on urban latent heat flux and the exchanges on each urban facet, specially the imprevious surfaces. The new urban canopy scheme will provide scientific knowledge, and seems to be an effective tool for further understanding the urban surface-atmpsphere exchange, and to improve the urban climate forcasting.

城市冠层参数化方案的发展是改进城市地气通量模拟、提升城市边界层及中尺度模式底边界条件数值模拟效果的关键。目前城市冠层模式几乎都对城市下垫面水分平衡过程的处理不够完善，影响了模式对水、热通量的模拟效果。本项目拟在南京大学多层城市冠层模式中引入城市地表与大气之间特有的水分交换过程：分别考虑城市透水面和不透水面的水循环过程，并通过计算街渠单元各组分之间，以及各组分表面与上层大气之间的蒸散/蒸发通量、潜热通量，建立耦合城市地表能量平衡与水分平衡过程的城市冠层模式，并利用观测资料予以检验，揭示城市水循环过程对城市街渠单元各组分，特别是不透水面潜热通量和水汽传输过程的影响机理，为深入认识城市冠层对城市地气相互作用及其对城市天气气候预测的影响,提供科学依据和有效工具。

城市冠层参数化方案的发展是改进城市地气通量模拟的关键,目前城市冠层模式中对于城市水分平衡过程研究不够完善。本研究首先利用“自下而上”的方法，制作了南京市夏季空调制冷和汽车尾气排放的人为潜热排放清单，考虑了其时间变化和空间分布，发现人为潜热通量与建筑物密度紧密相关。在此基础上，采用改进水分平衡过程的WRF模式定量分析了人为潜热排放、绿地浇水、不透水面的蒸发、以及屋顶绿化等人为水汽过程对气象要素和能量平衡的影响。模拟结果表明考虑人为水汽的各方案能够显著改善模式对潜热通量的模拟效果，绿地浇水和屋顶绿化方案的改进效果最明显。其次，本研究在区域边界层模式RBLM当中建立了城市植被冠层模式，改进了城市冠层中水分平衡过程的参数化方案，模拟结果表明改进后的模式可以改善城市地表潜热通量和相对湿度的模拟效果。敏感性试验表明，城市地区植被覆盖率的提高可以增加大气湿度和潜热通量，降低感热通量和热岛强度。再次，屋顶绿化进一步精细的敏感性试验表明，屋顶绿化可以改善小区内的微气候，缓解敏感区域的热岛效应，屋顶绿化对小区的冷却强度取决于小区屋顶绿化的程度以及建筑物之间的距离。屋顶绿化也可使得敏感小区水平风速增加。随着屋顶绿化面积的越大，平均水平风速的增幅越大。然后，利用考虑屋顶绿化方案的空气质量模式模拟发现，增加屋顶绿化过程能够改善模式对气象要素的模拟效果，污染物浓度和能见度模拟结果与观测更加吻合。此外，本研究通过将改进水分平衡过程的WRF模式和城市热岛强度预报相结合，建立了城市天气气候应急预警系统，可以对城市热岛和高温热浪进行预报，能够改善相关业务部门对典型公共场所及重大社会活动场所的服务能力。