空调系统对城市大气温度影响的模拟研究

人为热排放对城市边界层气候效应的影响起着举足轻重的作用。在人为热源的组成中,建筑物内部的能源消耗、热量产生以及室内外热量传输与交换,对于城市热环境的改变有着非常重要的作用。因此,为研究室内空调系统的产热和通过屋顶、墙面、地面进行室内外热量传输扩散,并对室外热环境产生的影响,运用WRF（Weather Research and Forecasting Model）模式,选取BEP+BEM城市冠层参数化方案,即基于多层城市冠层方案BEP（Building Effect Parameterization）增加室内空调系统影响的建筑物能量模式BEM（Building Energy Model）的方案,以南京2010年8月2—3日,夏季三伏天晴天小风天气作为背景天气进行模拟研究。结果表明,采用WRF模式考虑空调系统室内、外能量交换的BEP+BEM参数化方案,能够更好地模拟出夏季晴天城市近地层气温。当假设空调全天开启时,白天模拟值与观测值吻合较好。夜间温度模拟值高于观测值,在22时—次日00时（北京时）,存在1℃左右的偏差。白天空调系统开启对于城市近地层气温的影响不明显,而夜间使得城市气温普遍升高0.6℃,尤其是在居民区密集的地方,22—23时最大有2℃左右的升温。当调整室内空调目标温度从25℃调至27℃时,空调系统能量总释放量减少12.66%,13—16时温度下降最大,平均约为1℃,建筑物越是密集,温度下降幅度越大。      

南京复杂下垫面条件下的三维城市热环境模拟

运用WRF模式,选取考虑城市冠层结构(UCM算例)及不考虑城市冠层(NOUCM算例)两种城市下垫面参数化方案,对南京2010年夏季晴天小风典型天气条件下的城市热环境以及不同下垫面的边界层特征进行了模拟研究。结果表明:1)UCM方案模拟结果与实际情况较为吻合。其中2 m气温的模拟有较大的改进,模拟结果明显高于NOUCM方案,与观测更为吻合,同时更好地模拟出了冠层建筑物对于近地层风速的拖曳,10 m风速的模拟有非常明显地提高。2)UCM方案较好地模拟出了城市的三维热岛分布。由于建筑物地表对辐射的截留,白天14时(北京时间,下同)热岛较强,地面2 m高度处热岛范围较大,热岛面积大约为120 km2,强度为2℃。同时建筑物的存在使得城市湍流动能更大,向上的垂直扩散增加,距地面20 m时,依然能看出明显的热岛效应,热岛强度为1.5℃。距地面55 m处,UCM模拟所得的热岛范围缩小,热岛强度为1.1℃。UCM模拟所得的白天地表热量的扩散影响可达143 m,02:00 2 m处热岛最强为2℃,热岛影响也可达70 m以上。3)不同下垫面呈现出了不同的边界层特征,城市冠层结构对周边下垫面边界层结构存在程度不等的影响,14:00城市区域的湍流混合更强,城市边界层高度升高100 m左右,02:00,城市冠层结构的存在,导致近郊庄稼下垫面及紫金山植被下垫面的稳定逆温层结明显减弱。     

不同下垫面数据和城市冠层参数化方案对江苏气温影响的个例分析

利用中尺度数值模式WRF,分别选用新旧两种下垫面资料和不同城市冠层模型设计试验,以江苏一次秋末高温天气个例(2014年11月20—21日)为背景,研究城市化进程对气温的影响和可能机制。将模式结果与江苏国家气象观测站和地面加密区域自动站观测资料进行对比,并分析3组试验结果发现:(1)采用BEP城市方案对2 m气温、2 m相对湿度和10 m风速等物理量的日变化模拟最优。(2)相比USGS数据,MODIS较新地表覆盖变化数据能更真实反映研究区域当前地表类型分布情况,且能提高近地面风温湿要素空间分布的模拟。(3)分析不同试验模拟的地表能量平衡过程差异,发现相比UCM单层城市冠层方案,BEP多层城市冠层方案在白天能更好模拟出城市地区的温度升高以及相对应的地表感热通量和地面热通量的增加。     

多层城市冠层模型参数优化及对京津冀城市群的高温模拟

针对京津冀高温模拟,综合运用卫星和地面气象观测数据、参数敏感性试验等技术方法,确定了耦合了多层城市冠层模型的中尺度数值模式（WRF/BEP/BEM）的地表反照率、比辐射率和人为热等参数的本地化配置。数值对比试验表明,参照试验中优化地表反照率、比辐射率和人为热（通过本地优化BEM输入参数来实现）等参数后,模式对京津冀高温模拟的效果均有显著提高,65%及以上的城市站点,参照试验比敏感性试验模拟误差降低0.5℃以上。经参数优化的WRF/BEP/BEM,较好地模拟了2010年以来京津冀地区5次极端高温过程,模拟结果与观测的标准差分别为1.4°C、0.8°C、0.9°C、1.0°C和0.7°C,分别较ERA5与观测的标准差减小26.3%、61.9%、40.0%、41.2%和36.3%。参数本地优化的WRF/BEP/BEM,可进一步应用于京津冀极端高温的相关研究,特别是城市化对极端高温作用机理的研究。     

巢湖对周边城市热环境影响的模拟研究

应用WRF模式,耦合考虑室内外大气能量交换的多层城市冠层模式BEP+BEM（building effects parameterization and building energy model）,对2016年7月24—26日巢湖地区的一次夏季高温过程进行模拟。结果表明：巢湖表面的日间气温较周围陆地低4～5 ℃,巢湖的存在使合肥、巢湖两地日间平均近地面气温分别下降了018 ℃和028 ℃;巢湖对城市热岛的垂直发展有日变化特征,日间随着湖陆温差的增大与减弱,城市热岛得以发展与削弱,夜间有无巢湖的影响趋于减弱;巢湖的存在使合肥边界层高度最多下降约200 m,巢湖市下降约310 m。     

南京地区太阳能屋顶缓解夏季高温的模拟研究

太阳能屋顶的安装预计能在一定程度上缓解城市化带来的能源危机及对城市热环境的破坏。利用耦合了城市单层冠层方案（UCM）的WRF模式,以南京2010年7月27日至8月5日夏季晴天微风天气为背景,模拟了不同发电效率的太阳能屋顶的安装对城市高温的缓解效应。结果表明:（1）太阳能屋顶可以通过削弱到达城市表面的太阳辐射使城市2 m高气温降低,随着发电效率的提高,降温效果更明显,且白天降温效果明显优于夜间;白天2 m高气温最大降低0.4-1.3℃,夜间降低0.2-0.5℃。（2）太阳能屋顶可使边界层内气温降低,白天在边界层400 m以下降温显著,夜间在边界层高度200 m以下降温显著;白天边界层内最大降温出现在中午前后,降温0.1-0.8℃,夜间边界层内最大降温0.5℃。（3）发电效率为40%时,模拟期间的发电量为18.1×109 kW·h。      

复杂地形条件下城市热岛及局地环流特征的数值模拟

应用基于多层城市冠层方案BEP(Building Environment Parameterization)增加室内空调系统影响的建筑物能量模式BEM(Building Energy Model)方案的WRF模式,模拟研究重庆热岛的特征、成因以及局地环流对热岛形成的影响。文中共有两个算例,一为重庆真实下垫面算例,称之为URBAN算例,二为将城市下垫面替换为耕地下垫面的对比算例,称之为NOURBAN算例。结果表明:1)WRF方案模拟结果与观测2 m气温的对比吻合较好,误差主要出现在正午温度峰值和凌晨温度谷值处,由城市下垫面特性及城市内建筑分布误差引起。2)BEP+BEM方案较好地模拟出了重庆地区的热岛分布的空间和时间特征。重庆市温度的分布受地形和城市下垫面的双重影响,越靠近城区,温度的分布受城市化影响就越大,在海拔低处,温度就越高。3)城区立体三维表面对辐射的陷阱作用导致城市表面总体反射率小,向上短波辐射小于郊区约20 W/m~2。城市表面以感热排放为主,而郊区则表现为潜热的作用占主导。夜间城市地表储热以及空调废热向大气释放,是城市热岛形成的重要原因。4)模拟区域背景风场主要为东南风,局地环流呈现出越靠近山区风速越大、城市区域风速较小的特性,体现了城市密集的建筑群对低层大气流场的空气动力学效应,以及复杂山谷地形的山谷风环流特性。在市区的西侧和东南侧均有高大山脉阻挡,山脉对城市出流的阻碍作用、气流越山与绕流运动对城市热岛的形成有一定影响。     

土地扩张对城市边界层风热环境影响的模拟研究——以沈阳市为例

利用WRF模式中的UCM+AH城市冠层方案,以2005年8月两个晴天为天气背景,对比研究了1993年与2005年不同下垫面情况下,沈阳市城市扩张对近地层风热环境及边界层的影响。结果表明:UCM+AH方案能够较合理准确地模拟出城市范围的2 m气温与10 m风速的日变化特征,且对2 m气温的模拟效果要优于10 m风速;模拟2 m气温的日较差偏大,模拟10 m风速系统性偏高0.5—1.0 m·s-1;城市土地扩张后,城区普遍增温,且夜间增温幅度较大,扩建城区夜间最大增温能达到7℃,老城区在夜间增温幅度最大可达3℃,上风向增温幅度较大;城区日间增温不明显,在0—1℃;城市土地扩张后,老城区风速普遍减小,但减小值1 m·s-1;扩建城区风速减小近1 m·s-1,城区内可能出现的高温辐合中心对周围近地层风速有加速作用;城市扩张对边界层最显著的影响体现在午后,城区的扩张增大了湍流动能的影响范围,湍流动能在数值上增加0.2—0.3 m2·s-2;扩建城区上空的边界层高度在14时抬升100—200 m,且下风向边界层内部的局地环流与垂直上升运动增强。     

人为热源对城市热岛效应影响的数值模拟试验

利用耦合了单层城市冠层模型UCM的中尺度模式WRF,研究了人为热源对上海区域城市气候的影响。冬季地表温度的模拟结果表明,使用新陆面资料的试验效果要好于使用旧的陆面资料,加入人为热源的试验效果要优于没有加入人为热源的试验,这些反映了热岛效应是不断增加的城市面积和人为热源共同决定的。不同试验模拟的2 m高度上气温的模拟情况时,使用新陆面资料并且加入合理人为热源的试验模拟值明显大于其他试验的模拟值。     

多层城市冠层模式的建立及数值试验研究

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.     

Comparing the theoretical versions of the Beaufort scale, the T-Scale and the Fujita scale

2005 is the bicentenary of the Beaufort Scale and its wind-speed codes: the marine version in 1805 and the land version later. In the 1920s when anemometers had come into general use, the Beaufort Scale was quantified by a formula based on experiment. In the early 1970s two tornado wind-speed scales were proposed: (1) an International T-Scale based on the Beaufort Scale; and (2) Fujita's damage scale developed for North America. The International Beaufort Scale and the T-Scale share a common root in having an integral theoretical relationship with an established scientific basis, whereas Fujita's Scale introduces criteria that make its intensities non-integral with Beaufort. Forces on the T-Scale, where T stands for Tornado force, span the range 0 to 10 which is highly useful world wide. The shorter range of Fujita's Scale (0 to 5) is acceptable for American use but less convenient elsewhere. To illustrate the simplicity of the decimal T-Scale, mean hurricane wind speed of Beaufort 12 is T2 on the T-Scale but F1.121 on the F-Scale; while a tornado wind speed of T9 (= B26) becomes F4.761. However, the three wind scales can be uni-fied by either making F-Scale numbers exactly half the magnitude of T-Scale numbers [i.e. F′half = T / 2 = (B / 4) − 4] or by doubling the numbers of this revised version to give integral equivalence with the T-Scale. The result is a decimal formula F′double = T = (B / 2) − 4 named the TF-Scale where TF stands for Tornado Force. This harmonious 10-digit scale has all the criteria needed for world-wide practical effectiveness.     

准两年振荡对大气中微量气体分布的影响

NCAR的包含化学、辐射、动力相互作用的两维模式（SOCRATES）移植回国后进行了初步的模拟试验,用以研究某些对环境问题重要的微量气体的化学、辐射、动力传输过程。在不考虑极地平流层云和气溶胶表面非均相化学等情况下,模式积分多年,计算结果稳定,模拟的风场、温度场显示出正常的季节变化,模拟的微量气体分布与卫星实测资料对照,结果也比较一致。为了探讨热带平流层风场的准两年周期振荡（QBO）对平流层微量气体分布的影响,我们做了QBO强迫的数值试验,即在模式中加入QBO强迫,并与不考虑QBO强迫的模拟结果对比。结果表明,QBO与其相关的次级环流所引起动力输送的变化,使平流层微量气体分布发生变化。     

Analysis of the Characteristics of the Low-level Jets in the Middle Reaches of the Yangtze River during the Mei-yu Season

Here, we analyze the characteristics and the formation mechanisms of low-level jets(LLJs) in the middle reaches of the Yangtze River during the 2010 mei-yu season using Wuhan station radiosonde data and the fifth generation of the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts(ERA5) reanalysis dataset. Our results show that the vertical structure of LLJs is characterized by a predominance of boundary layer jets(BLJs) concentrated at heights of 900–1200 m.The BLJs occur most frequently at 230...     

阴山山脉对内蒙古中部地区气象要素影响初探

文章选用阴山山脉山北乌拉特后旗、白云、达茂旗、苏尼特左旗、化德,山南杭后旗、包头、呼和浩特、察右前旗、兴和1971—2000年气温、降水量、天气现象等资料进行对比分析,得到阴山山脉对内蒙古自治区中部地区气象要素影响初步结论。     

加强业务管理提高测报质量

我局从1999～2003年,测报工作连续4年未出现错情,在此期间共有1个250个班,9个百班无错通过上级业务部门验收.在仪器保管、使用、维护上符合要求,对外报送的各种表、簿都能做好出门合格.     

西伯利亚高压强度与北大西洋海温异常的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料和NOAA海温等资料,采用EOF、相关分析等方法,研究了西伯利亚高压(Siberian High,SH)强度和北大西洋海表温度(SST)的变化特征,揭示了二者的联系及其时空变化。结果表明:1)冬季SH在1960s中后期开始偏弱,2003年后略增强。2)各季北大西洋SST指数(全区平均SST的标准化距平)均在1960s中期后偏低,1990s末后偏高。北大西洋海温三极子位相由正转负的时间在春冬季(1970s初)晚于夏秋季(1960s初),而后均在1990s中期后进入正位相。3)各季偏高(低)的北大西洋SST指数和海温三极子正(负)位相均有利于冬季SH偏强(弱),但前者与SH的关系更显著,且冬季最强。北大西洋北部和西南部是影响SH强度的关键区,但SH对北部SST异常的响应范围在冬季最大,而对西南部的响应范围在夏季最大。4)当冬季大西洋SST指数异常偏高时,下游激发出的罗斯贝波列使乌拉尔山高压脊加强,使SH上空负相对涡度平流增大,高层辐合和低层辐散增强,整个对流层下沉气流深厚,促使SH增强,反之亦然。     

青藏高原抬升加热气候效应研究的新进展

对近4年来关于青藏高原加热影响气候的研究进行回顾.首先介绍利用位涡方程和热力适应理论,揭示;夏季高原上空低层气旋式及高层反气旋式环流结构稳定维持的动力学机理.结果表明高原加热作用造成的低层正涡源是低层气旋式环流得以稳定维持的重要原因.而边界层摩擦产生的负位涡是平衡正位涡的主要因素.高原加热还在高原上空形成负位涡,它影响着盛夏的大气环流,是青藏高原上空强大而稳定的反气旋环流得以维持的重要因素.在春夏过渡季节青藏高原非绝热加热对大气环流季节变化以及亚洲季风爆发的影响力方面,进一步确认了感热加热在过渡季节早期(5月中旬以前)环:流演变中的重要作用.青藏高原非绝热加热的时间演变引起了海陆热力差异对比的变化,使副热带高压带首先在孟加拉湾东部断裂,亚洲季风因而在孟加拉湾爆发.结果还表明,用纬向风垂直差异的时空分布能更准确地表示季节变化的区域差异.在青藏高原非绝热加热与北半球环流系统年际变化的联系方面,发现夏季青藏高原的加热强(弱)的年份,高原感热加热气泵(SHAP)高(低)效工作,使高原加热对周边地区低层暖湿空气的抽吸效应和对高层大气向周边地区的排放作用加强(减弱),高原及邻近地区的上升运动,下层辐合和上层辐散均增强(减弱),从而影响着高原和周边地区的环流以及亚洲季风区大尺度环流系统.而且高原的加热强迫还能够激发产生一支沿亚欧大陆东部海岸向东北方向传播的Rossby波列,其频散效应可影响到更远的东太平洋以至北美地区的大气环流.研究还表明,盛夏的南亚高压存在"青藏高压型"和"伊朗高压型"的双模态,它们与高原加热状态有关,且显著地与亚洲季风区的气候分布密切联系.     

Potential Vorticity Diagnostic Analysis on the Impact of the Easterlies Vortex on the Short-term Movement of the Subtropical Anticyclone over the Western Pacific in the Mei-yu Period

By employing NCEP-NCAR 1°×1° reanalysis datasets, the mechanism of the easterlies vortex(EV) affecting the short-term movement of the subtropical anticyclone over the western Pacific(WPSA) in the mei-yu period is examined using potential vorticity(PV) theory. The results show that when the EV and the westerlies vortex(WV) travel west/east to the same longitude of 120°E, the WPSA suddenly retreats. The EV and WV manifest as the downward transport of PV in the upper troposphere, and the variation of the corresponding high-value regions of PV significantly reflects the intensity changes of the EV and WV. The meridional propagation of PV causes the intensity change of the EV. The vertical movement on both sides of the EV is related to the position of the EV relative to the WPSA and the South Asian high(SAH). When the high PV in the easterlies and westerlies arrive at the same longitude in the meridional direction, the special circulation pattern will lower the position of PV isolines at the ridge line of the WPSA. Thus, the cyclonic circulation at the lower level will be strengthened, causing the abnormally eastward retreat of the WPSA. Analysis of the PV equation at the isentropic surface indicates that when the positive PV variation west of the EV intensifies, it connects with the positive PV variation east of the WV, forming a positive PV band and making the WPSA retreat abnormally. The horizontal advection of the PV has the greatest effect. The contribution of the vertical advection of PV and the vertical differential of heating is also positive, but the values are relatively small. The contribution of the residual was negative and it becomes smaller before and after the WPSA retreats.     

气候变化对中国农业旱灾损失率的影响及其南北区域差异性

在全球变暖背景下,干旱灾害对中国农业生产的影响日益严重,然而由于旱灾损失的复杂性及其显著的区域差异,至今对中国农业旱灾损失规律及其影响机制的认识十分有限。文中利用1961年以来中国农业干旱灾害的灾情资料和常规气象资料,系统分析了近50年来中国农业干旱灾害不同受灾强度分布比率和综合损失率等指标的变化趋势及其在北方和南方的区域差异,研究了20世纪90年代的气温突变对农业旱灾损失率的影响特征,探讨了农业旱灾综合损失率对气温和降水等气候要素变化的依赖关系及其在气候空间的分布特征。结果发现,在气候变化背景下,近50年来中国农业旱灾综合损失率平均每10 a约增加0.5%,风险明显增大。而且,北方综合损失率每10 a约增加0.6%,高出南方1倍,风险增大的速度明显比南方快;北方农业旱灾几乎在很宽松的气温条件下就可以发生,而南方更多发生在气温较高的年份。并且,在气温突变后,变化趋势明显加剧,全中国综合损失率约增加了0.9%,风险明显增高;而且北方综合损失率的增值高达1.8%,是南方的4倍还多,气候突变对北方农业旱灾风险的影响明显比南方更凸出。综合损失率在北方对降水变化的响应要更敏感,而在南方对气温变化的响应更敏感。同时,关键影响期降水对综合损失率的影响比全年降水影响更显著;北方的关键影响期作用比南方更凸出。这些新的科学认识对中国农业旱灾防御具有重要意义。     

梅雨发生前对流层顶及平流层异常信号的分析

利用NCEP和欧洲中心的ERA-Interim再分析资料结合中国国家气候中心的20a梅雨观测资料,分析了梅雨发生前江淮地区对流层顶和位涡的异常以及北半球环状模指数的变化。研究表明,江淮地区在梅雨开始前3—5天会出现对流层顶的下降,且高度的经向变化比纬向变化更为明显。对流层顶的降低与北方冷空气的南下入侵、东亚季风的爆发以及急流轴北跳引起的频繁的对流层顶折卷过程有关。对流层顶的下降伴随着来自平流层的高位涡冷空气的入侵。而梅雨发生前江淮地区上空对应正位涡异常,这一异常的建立和维持与贝加尔湖、西西伯利亚、鄂霍次克海附近的正位涡异常有关;而梅雨发生前江淮地区平流层温度达到极大值,梅雨爆发后开始下降,纬向风则处于西风到东风的转换期。梅雨期的总降水量与对流层上部平流层下部的北半球环状模指数存在一致的正相关关系,而在梅雨发生前15—30天,这种相关性尤为显著。这一结果说明,在对流层顶附近的北半球环状模指数对梅雨期降水量的预测有较好的指示意义。