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1.
应用城市冠层模式研究建筑物形态对城市边界层的影响 总被引：5，自引：1，他引：4
文中将城市冠层模式耦合到南京大学城市尺度边界层模式中,通过模拟对比发现,耦合模式对城市地区气温模拟结果更接近于观测值,尤其是对城市地区夜间气温模拟的改进.运用改进耦合模式通过多个敏感性试验的模拟,从城市面积扩张、建筑物高度增加、建筑物分布密度变化等角度研究城市建筑物三维几何形态变化对城市边界层及城市气象环境的影响,试验结果表明:(1)城市面积扩张使得城市下垫面的热通量增大,热力湍流活动增强,动量通量输送增强,城市湍能增大,湍流扩散系数变大,城市气温升高,且对不同时刻城市区域大气层结稳定度均有不同程度的影响.(2)建筑物高度增加增大了城市下垫面的粗糙度和零平面位移.同时也增大了城市街渠高宽比.城市建筑物越高,白天城市地区地表热通量越小,城市上空大气温度越低,平均风速减小,湍能减小;夜间由于高大建筑物释放储热比低矮建筑物要多,其热力湍流相对活跃,地表热通量增大,使得城市区域气温较高.(3)建筑物密度增大,会减小城市下垫面的粗糙度同时增强街渠对辐射的影响.建筑物密度增大在白天会减小地表热通量和动量通量,使城市气温降低,平均风速增大,城市湍流活动能力减弱;夜间城市释放较多储热使得气温较高. 相似文献
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文中将建筑物动力冠层方案引入到城市边界层精细模式中,该方案描叙了城市地Ⅸ建筑物对气流的拖曳作用以及建筑物形态对城市地区湍流活动动量输送的影响.采用建筑物拖曳法和建筑物动力冠层方案两种不同建筑物动力学处理方法对北京地区东南部进行模拟,通过城市地区水平风速的模拟结果与自动气象站实测资料对比发现模拟结果与实测相当吻合,建筑物动力冠层方案的引入能够更好地实施对城市地区的水平风速分布的数值模拟.分别采用建筑物拖曳法与建筑物动力冠层方案对一个实际小规模城市进行模拟试验,分析表明引入建筑物动力冠层方案可以模拟出小规模城市地区水平风速偏低的现象;还可以模拟出城市地区建筑物动力作用对湍流活动的影响;对湍流动能模拟结果表明比较符合实际分布情形.采用建筑物动力冠层方案对小规模城市地区建筑物高度变化对城市地区的流场及湍流活动的影响进行模拟分析,结果表明:城市地区建筑物高度增加,风速变小,但是高大建筑物底部风速略高于低矮建筑物底部;城市地区大气湍能增加,高大建筑物底部湍能较小,冠层高度内湍能随高度增加而增加;同时城市地Ⅸ的垂直扩散系数也随建筑物高度增加而增加;城市地区污染物排放高度处污染物浓度较低,下游乡村地区地面污染物浓度较低,但高空污染物浓度却较高. 相似文献
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边界层对流对示踪物抬升和传输影响的大涡模拟研究 总被引：3，自引：1，他引：2
利用"西北干旱区陆气相互作用野外观测实验"加密观测期间敦煌站的实测资料以及大涡模式, 通过一系列改变地表热通量和风切变的敏感性数值试验, 分析了地表热通量和风切变对边界层对流的强度、形式, 以及对对流边界层结构和发展的影响。模拟结果显示风切变一定, 增大地表热通量时, 由于近地层湍流运动增强, 向上输送的热量也较多, 使对流边界层变暖增厚, 而且边界层对流的强度明显增强, 对流泡发展的高度也较高。当地表热通量一定, 增大风切变时, 由于风切变使夹卷作用增强, 将逆温层中的暖空气向下卷入混合层中, 使对流边界层增暖增厚, 但是对流泡容易破碎, 对流的强度也较弱。另外通过在模式近地层释放绝对浓度为100的被动示踪物方法, 用最小二乘法定量地分析了地表热通量和风切变分别与示踪物抬升效率和传输高度的关系。分析结果表明, 风切变小于10.5×10-3 s-1时, 增大地表热通量加强了上层动量的下传, 使示踪物的抬升效率也线性增大;地表热通量小于462.5 W m-2时, 增大风切变减弱了边界层对流的强度, 从而使示踪物的抬升效率减弱。当风切变一定时, 示踪物的平均传输高度随地表热通量增加而增大, 而地表热通量一定, 只有风切变大于临界值时, 示踪物平均传输高度才随风切变的增加而增大, 而临界风速的大小由地表热通量决定。 相似文献
4.
城市冠层上下大气湍流特征分析 总被引：2，自引：0，他引：2
利用兰州市榆中县城市冠层架设的3台涡动相关仪(EC)观测大气湍流资料,分析了城市冠层上下不同下垫面湍流通量和不同风向范围内湍流动能变化特征,之后对城市冠层上下3台EC观测湍流动能最小、最大分布方向上分别对应的最小最大湍流动能的风速谱进行了研究,进一步检验了局地相似理论在城市冠层上下的适用性。结果表明:(1)城市冠层之上水泥、砖石等构成下垫面和城市冠层之内草坪下垫面观测感热通量、摩擦速度较为接近,观测潜热通量、CO2通量在白天差异明显。(2)城市冠层之上的湍流动能总体上大于冠层之内,冠层之上气流来向的上风向较为开阔时湍流动能较大,而冠层之内气流来向的上风向为街道口时湍流动能较大。(3)城市冠层之上的湍涡尺度大于冠层之内,城市冠层小尺度湍涡风速谱在惯性副区基本符合-2/3次方关系,且准各向同性,大尺度湍涡风速谱在惯性副区不符合-2/3次方关系,且各向异性。(4)不稳定层结下,城市冠层上下无量纲速度方差与稳定度基本满足1/3次方局地相似关系,稳定层结下不满足;城市冠层上下无量纲温度、湿度、CO2浓度方差在所有层结下均不满足-1/3次方局地相似关系。(5)近中性层结下,城市冠层上下u、v、w方向无量纲速度方差分别为3.52,3.03,1.49和2.62,2.22,1.50。 相似文献
5.
城市建筑物对边界层结构影响的数值试验研究 总被引：5，自引：5，他引：5
在区域边界层模式的数值模拟中引入建筑物的影响,与实际观测的对比表明,模拟结果能较好地体现建筑物对城市风场的影响,提高了模拟性能。本研究根据城市形态特征,设计不同建筑物高度和密度的敏感性试验,结果表明:建筑物一般会使城市地区风速减小,风速最大可减小1.6 m/s,易引起低层气流的辐合。湍流动能中的机械产生作用增加,湍流交换加强,大气层结的不稳定性增大,混合层高度增加。地表和大气之间动量交换被削弱;日间热量交换减弱,夜间热量交换增强。这些变化表明,建筑物对城市气流及边界层结构的影响十分明显,尤其在风速较大的时候。 相似文献
6.
大涡模式水平分辨率对边界层夹卷过程及示踪物垂直传输的影响 总被引：1，自引：0，他引：1
利用敦煌干旱区野外加密观测资料,结合大涡模式模拟研究模式水平分辨率对边界层对流、夹卷过程及示踪物垂直传输的影响。结果表明:模式水平分辨率越高,模拟的边界层对流泡个数越多,尺度越小,且对流强度越强;提高模式水平分辨率,夹卷层位温方差增大,水平速度方差减小,垂直速度方差增大,且上升冷气流对夹卷层热通量的贡献最大。模式水平分辨率越高,垂直速度、位温及示踪物绝对质量浓度概率密度函数分布变化范围相对越广,且模拟的细微变化特征越清晰。另外,提高模式水平分辨率,模拟的示踪物空间分布特征更加细致,示踪物传输高度也较高。综合考虑到分辨率越高在模拟过程中产生的噪音越大且计算时间越久等问题,认为采用200 m水平分辨率时,模式既能较好地模拟出边界层对流的平均结构,又能模拟出边界层湍流的较细微分布特征,是较为理想的选择。 相似文献
7.
北京地区一次强沙尘暴过程的大气边界层结构和湍流通量输送特征 总被引：15，自引：6，他引：9
利用中国科学院大气物理研究所北京325 m气象塔的风速和温度平均场观测资料和湍流资料,以及北京市气象台地面常规气象资料和逐日08:00和20:00(北京时间)的探空资料,分析了2002年3月18～22日沙尘暴过境前后北京城市边界层结构特征和湍流输送特征,结果表明:1)在沙尘暴爆发前,边界层中水平风速一直较小;气温较高,大气层结稳定,在边界层上部有强大的逆温层.随着冷锋过境,沙尘暴爆发,边界层中水平风速和平均湍流速度急剧增强;温度也突然变化,先迅速增强后又持续下降,逆温层迅速被破坏.2)沙尘暴初期,280 m上为系统性上升气流,而47和120 m则为系统性的下沉气流.随着沙尘暴爆发,湍流动能、向下传输的动量以及向上传输的感热也迅速增大,并且120 m高度的湍能、动量通量以及感热通量明显高于47和280 m,这与北京的局地环流有关.3)本次沙尘暴过程中,120和47 m层的摩擦速度都明显超过了北京的临界摩擦速度,表明局地起沙也是本次沙尘暴过程中北京沙尘的一个重要沙源. 相似文献
8.
涡旋相关法测定湍流通量偏低的研究 总被引：12，自引：3，他引：12
针对野外实验所发现的不同观测法测定地表能通量不平衡问题,进行了均匀加热大气边界层的大涡模拟实验.用模拟的湍流风、温度和湿度涨落的时间序列证实,对流边界层低频涡普遍存在,并经常以一簇一簇热泡的形式出现.风速较小时,有限时长的取样不足以捕捉低频涡的贡献,可造成涡旋相关法测量的统计量异常偏低.仿照涡旋相关法的步骤进行数据处理发现,经去除平均或趋势计算的温度和湿度通量偏低程度在边界层下部随观测高度的增高而显著,其中尤以湿度通量为甚.其结果在一定程度上可以解释低风速条件下地表能通量测量的不闭合问题,但是尚不能完全解释诸如青藏高原实验出现的严重不闭合.文中对此作了探讨性的讨论. 相似文献
9.
风切变对边界层对流影响的大涡模拟研究 总被引：5，自引：0，他引：5
利用"西北干旱区陆-气相互作用野外观测实验"加密观测期间在敦煌站的观测资料以及大涡模式,模拟了对流边界层的发展,以及示踪物从混合层向残留层传输的时空变化。模拟的对流边界层的结构及演变特征与实测结果基本一致。进一步通过有风切变和无风切变的敏感性数值试验,研究了风切变对垂直速度、位温和示踪物浓度的水平分布以及示踪物传输高度的影响。研究结果表明,在有风切变的试验中(甚至风切变仅存在于近地层中),对流边界层的增长加强,而且示踪物被传输的高度也较高。与浮力驱动的对流边界层相比,由浮力和风切变共同驱动的边界层中上升气流较弱而下沉气流较强,但前者的上升气流与下沉气流的分布在垂直方向上更为倾斜。由于夹卷作用的增强,浮力和风切变共同驱动的对流边界层较浮力驱动的对流边界层暖。在夹卷层,浮力和风切变共同驱动的边界层对流的上升气流和下沉气流都比浮力驱动的边界层对流中的强,而且垂直速度的概率密度函数分布也较对称,其位温和示踪物浓度的概率密度函数分布也比浮力驱动的边界层中的平直。对湍流动能收支的分析也表明风切变对湍流动能有重要影响,尤其对夹卷层中的湍流动能切变产生项影响较大。示踪物浓度的概率密度函数垂直分布显示,浮力驱动的边界层中示踪物浓度随高度变化较小,而浮力和风切变共同驱动的边界层中示踪物浓度随高度递减,但是示踪物传输的高度比较高。 相似文献
10.
实验速度场测量技术及对流边界层特征研究 总被引：3，自引：0，他引：3
在对流槽中对对流边界层(CBL)温度场实验研究的基础上,进一步尝试通过实验技术测量速度场并分析研究CBL中的速度场特征。在应用PIV测量技术时选用铝粉作示踪粒子。实验证明了在混合层中速度分布明显具有对流边界层热泡特性;混合层顶部的速度分布很好地反应出夹卷层的结构特征;湍流速度特征量的垂直分布合理,与野外实测结果和类似的对流槽实验结果接近;误差分析表明示踪粒子的跟随性良好,粒子速度的测量结果能真实地反应流体的运动特征,从而得证了分析结果的可靠性。 相似文献
11.
Large eddy simulation and study of the urban boundary layer 总被引：7，自引：1，他引：6
12.
An urban boundary layer model (UBLM) is improved by
incorporating the effect of buildings with a sectional drag coefficient and
a height-distributed canopy drag length scale. The improved UBLM is applied
to simulate the wind fields over three typical urban blocks over the Beijing
area with different height-to-width ratios. For comparisons, the wind fields
over the same blocks are simulated by an urban sub-domain scale model
resolving the buildings explicitly. The wind fields simulated from the two
different methods are in good agreement. Then, two-dimensional building
morphological characteristics and urban canopy parameters for Beijing are
derived from detailed building height data. Finally, experiements are
conducted to investigate the effect of buildings on the wind field in
Beijing using the improved UBLM. 相似文献
13.
对流边界层的大涡模拟研究 总被引：5，自引：0，他引：5
本文建立了一个均匀平坦地面上对流边界层的大涡模式,模式考虑了水汽,采用了考虑浮力和固壁影响订正的一阶闭合。并用所建模式进行了由热扰动发展的对流边界层的模拟及其对地表热状况变化响应的初步探讨性模拟工作。通过模拟认为,模式较好地反映了对流边界层的主要结构。 相似文献
14.
多层城市冠层模式的建立及数值试验研究 总被引：4，自引：1，他引：3
为在城市气象数值模拟中更好地体现由城市发展引起的下垫面土地利用改变及人为活动对大气过程的影响,建立了基于建筑物三维分布的多层城市冠层模式,冠层内动力方程组考虑了建筑物冠层拖曳力的作用及雷诺应力的影响,通过引入建筑物宽度、间距以及垂直分布密度指数等建筑物形态特征参数,以更好地体现城市复杂地表对大气温度、湿度及动量方程的影响.同时,该模式分屋顶、4个侧壤及地面分别考虑辐射及能量平衡求解表面温度,计算各表面与大气的通量交换,并考虑辐射阴影效应、冠层内部各个面之间的可视因子、以及与冠层内建筑物密度指数、可视因子等相关的多重反射辐射导致的辐射截陷作用.模式的离线检验结果表明:(1)冠层模式计算风廓线与风洞实验测量数据吻合良好;(2)离线冠层模式能够模拟实际小区的风速、温度垂直廓线,并能够较好地体现小区内气温日变化.冠层模式与区域边界层模式耦合检验结果表明:(1)耦合模拟的近地面(2 m处)气温及地表温度的结果明显优于传统的水泥平板方案,尤其是在夜间,水泥平板方案与实测气温最大偏差4 K左右,耦合模拟方案为1-2 K;(2)耦合模拟方案考虑了建筑物对冠层之上的拖曳力影响以及建筑物形态结构对雷诺应力的影响,风速(10 m处)计算结果与观测值相差约在1 m/s,水泥平板方案偏差3 m/s左右. 相似文献
15.
A multilayer one-dimensional canopy model was developed to analyze the relationship between urban warming and the increase
in energy consumption in a big city. The canopy model, which consists of one-dimensional diffusion equations with a drag force,
has three major parameters: building width, distance between buildings, and vertical floor density distribution, which is
the distribution of a ratio of the number of the buildings that are taller than some level to all the buildings in the area
under consideration. In addition, a simplified radiative process in the canopy is introduced. Both the drag force of the buildings
and the radiative process depend on the floor density distribution. The thermal characteristics of an urban canopy including
the effects of anthropogenic heat are very complicated. Therefore, the focus of this research is mainly on the basic performance
of an urban canopy without anthropogenic heat. First, the basic thermal characteristics of the urban canopy alone were investigated.
The canopy model was then connected with a three-dimensional mesoscale meteorological model, and on-line calculations were
performed for 10 and 11 August, 2002 in Tokyo, Japan. The temperature near the ground surface at the bottom of the canopy
was considerably improved by the calculation with the canopy model. However, a small difference remained between the calculation
and the observation for minimum temperature. Deceleration of the wind was well reproduced for the velocity at the top of the
building by the calculation with the canopy model, in which the floor density distribution was considered. 相似文献
16.
Characteristics of vertical turbulent velocities in the urban convective boundary layer 总被引：3，自引：0，他引：3
James M. Godowitch 《Boundary-Layer Meteorology》1986,35(4):387-407
Turbulence measurements of the vertical velocity component were obtained by an instrumented aircraft under fair weather conditions in the St. Louis, Missouri, metropolitan area. Time series of vertical velocity fluctuations from horizontal flight segments made in the lower part of and near the middle of the convective boundary layer (CBL) over the urban area and surrounding region were subjected to various statistical and objective analyses. Higher order vertical velocity moments, and positive and negative velocity statistics, were computed. The horizontal dimensions of updrafts and downdrafts, and related properties of these turbulent eddies were derived by conditional sampling analysis. Emphasis is on a comparison of the results from urban and selected rural measurements from the lower part of the CBL.The vertical velocity probability density distribution for each segment was positively skewed and the mode was negative. The means and standard deviations of positive and negative velocity fluctuations were greater over the urban area. The urban vertical velocity variance was 50% greater than rural values, and power spectra revealed greater production of vertical turbulent energy in the urban area over a wide frequency range.The mean and maximum widths of downdrafts were generally larger than the corresponding values for updrafts. Differences between urban and rural eddy sizes were not statistically significant. The widths of the largest updraft and downdraft are comparable to the boundary-layer depth, Z
i, and the mean value of the ratio of spectral peak wavelength to Z
iwas about 1.3 and 1.1 for urban and rural areas, respectively. Convective similarity scaling parameters appeared to order both the urban and rural measurements.On assignment from the National Oceanic and Atmospheric Administration, U.S. Dept. of Commerce. 相似文献
17.
Bangjun CAO Shuwen ZHANG Deqin LI Yanlin LI Linfan ZHOU Jiemin WANG 《Journal of Meteorological Research》2018,(3)
Although large-scale topography and land use have been properly considered in weather and climate models, the effect of mesoscale and microscale heterogeneous land use on convective boundary layer(CBL) has not been fully understood yet. In this study, the influence of semi-idealized strip-like patches of oases and deserts, which resemble irrigated land use in Northwest China, on the CBL characteristics, is investigated based on the Weather Research and Forecasting(WRF)-large eddy simulation(LES) driven by observed land surface data. The influences of soil water content in oases on aloft CBL flow structure, stability, turbulent kinetic energy(TKE), and vertical fluxes are carefully examined through a group of sensitivity experiments. The results show that secondary circulation(SC)/turbulent organized structures(TOS) is the strongest/weakest when soil water content in oases is close to saturation(e.g.,when the oases are irrigated). With the decrease of soil water content in oases(i.e., after irrigation), SC(TOS) becomes weak(strong) in the lower and middle CBL, the flux induced by SC and TOS becomes small(large), which has a dramatic impact on point measurement of eddy covariance(EC) fluxes. The flux induced by SC and TOS has little influence on EC sensible heat flux, but great influence on EC latent heat flux. Under this circumstance, the area averaged heat flux cannot be represented by point measurement of flux by the EC method, especially just after irrigation in oases. Comparison of imbalance ratio(i.e., contribution of SC and TOS to the total flux) reveals that increased soil moisture in oases leads to a larger imbalance ratio as well as enhanced surface heterogeneity. Moreover,we found that the soil layer configuration at different depths has a negligible impact on the CBL flux properties. 相似文献