1. 城市冠层模式.doc

多层城市冠层模式的建立及数值试验研究 王咏薇( 蒋维楣(( 南京大学大气科学系，南京，210093 摘要：为了在城市气象数值模拟中更好的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，本文发展建立了基于建筑物三维分布的多层城市冠层模式，其动力方程考虑了建筑物冠层拖曳力的作用及雷诺应力的影响，通过建筑物宽度、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大气运动。同时，该模式分屋顶、四面侧壁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。模式的离线检验结果表明模式能够体现模式计算的城市小区观测和实例风洞试验比较的风速、温度垂直廓线，并能够较地体现小区内气温变化冠层模式与区域边界层模式耦合结果表明：1）模拟的近地面（2m处）气温及地表温度的结果明显优于传统的水泥平板方案（SLAB），尤其是在夜间，SLAB方案与实测气温最大偏差4K左右，冠层耦合方案为1K左右；2）冠层耦合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（10m处）计算结果与观测值相差约在1m/s左右， SLAB方案偏差3m/s左右。 关键词：多层城市冠层模式，城市地表辐射收支，拖曳力，建筑物形态学特征 随着城市面积的扩张、人为活动对气候变化的影响加剧，人类社会必须采取紧急行动，应对气候变化带来的影响。数值模拟是一种有效的手段可对城市发展影响气象环境、大气环境乃至气候变化进行再现和预测。然而当前大多数数值模式并没有合理的考虑城市建筑物复杂地表对地气交换的影响，而是仍然基于Monin－Obukhov相似理论，把城市看作一个平坦的水泥面，城市下垫面的动力特征采用有效粗糙度和零平面位移参数化，热力特性采用土壤修正方案。这种不能反映城市非均一性复杂下垫面的影响，对物质能量交换输送的模拟都存在一定的偏差。为了解决这些问题，城市冠层模式成为一种有效的工具填补了中尺度模拟与建筑物显式分辨尺度之间的沟壑，相关研究工作近几年来有较多进展[1]。 整体的单层冠层模式[1、2]能够细致地描述城市冠层内部的辐射及能量平衡过程，但是仍然基于单层对称街渠的结构假设，不能考虑建筑物垂直分布的非均匀性，并且动力和热力过程也未能较好地统一。在Martilli等[3]的工作中，考虑了冠层内的过程建立了多层。李晓丽等[4]则对辐射计算以建筑物形态作了修正，建立了另一种多层城市冠层参数化方案，他们的方案采用随高度变化的建筑物面积比例参数，较好地反映了建筑物在垂直方向上的不均匀分布，但是他们的方案或者仍然基于二维街渠的假设[3]，或者并未考虑冠层内部的各种过程[4]存在一定不足。Kondo[5]基于三维建筑物分布建立多层城市冠层模式，该方案的优点在于，冠层内部物理过程考虑全面，但由于是基于对工业能耗的研究，方案细致繁琐，需较多建筑物形态参数支持，有相当大的技术难度。 基于以上研究背景，本文研究建立多层城市冠层模式（Multi－layer Urban Canopy Model of Nanjing University，简写为NJUUCM-M）[6].首先进行离线模拟检验；并进一步将其引入区域边界层模式（Regional Boundary Layer Model简写为RBLM）.进行在线耦合检验，结果表明，作为一种新的城市陆面参数化方案，NJU-UCM-M的引入明显地改善了RBLM在城市下垫面的模拟效果。 1. 城市冠层模式 1.1 基本假设及形态参数 NJU-UCM-M的建立基于建筑物三维分布，如图1所示，假设网格内所有建筑物是底面边长的正方形，建筑物之间距离为，通过确定太阳高度及以街道轴线为基准定义的太阳方位角，该方案可考虑街渠的不同方位。 （a）建筑物假设 （b）方位示意 图1建筑物三维结构及方位示意 假设建筑物底面均匀规则分布，冠层的建筑物分布特征可以用两个几何参数表示，冠层建筑物分布密度指数及迎风面积指数，其中，，。只要具备较为细致全面的建筑物形态资料时，和可以表示为随高度变化的参数及。 1.2动力方程组 动力方程组包括建筑物冠层内垂直方向上一维的动量、温度和湿度方程。动量方程中的扩散项及动力拖曳项，采用与Kondo等[7]相同的考虑，如下所示： （1） （2） 其中，分别为南北、东西方向的风速分量，为多孔介质的体积，，为拖曳系数，其量值根据建筑物形态（）的变化而变化，定义为，为柯氏参数，为地转风分量。 位温方程和湿度方程分别为： （3） （4） 方程中，及分别为位温，比湿，人为感热通量及人为潜热通量。为定压比热