北京城市边界层低层湍流动力结构及其影响特征

论文题目: 北京城市边界层低层湍流动力结构及其影响特征

论文类型: 博士论文

论文专业: 气象学

作者: 姚文清

导师: 徐祥德,周明煜

关键词: 城市边界层,动力结构,污染物浓度,沙尘天气,大雾天气,中尺度模式,下垫面参数

文献来源: 中国气象科学研究院

发表年度: 2005

论文摘要: 人类的生存环境与大气边界层息息相关。进入20世纪以来,由于工业、交通的发展,尤其是城市化进程的加剧,城市边界层特征变得日趋复杂,影响因素诸多,使其物理化学过程难以认识。为了保护人类生存环境,建立城市环境良性循环的结构,进而调控城市大气污染状况,对城市边界层大气动力和大气化学特征及其相互作用机理的研究已成为直接影响社会、经济发展的重大课题。北京作为我国的首都,其城市化环境问题尤为突出和重要。本文利用“BECAPEX”大气环境科学试验北京气象塔15层梯度观测资料、三层超声风温仪观测资料以及系留气艇垂直探测资料,通过对北京城市边界层大气过程垂直动力特征的综合研究,揭示北京城市边界层不同层次湍流特征及北京地区与其它不同城市和不同类型下垫面地区湍流特征的差异,研究了不同城市灾害性天气过程沙尘天气和城市大雾天气过程的城市边界层垂直动力结构尤其是湍流垂直结构的特征及其与污染物浓度变化的关系,同时通过修正数值模式中城市下垫面动力学参数改善了模式对边界层结构的模拟效果,并进一步研究了城市下垫面特征的变化对边界层动力、热力及湍流的影响特征。初步揭示了北京城市边界层湍流动力结构模型。 主要结论概括如下: (1) 对北京城市边界层垂直方向不同层次湍流特征的综合研究结果表明:在不稳定层结条件下,北京城市边界层47m和120m高度上无因次湍流速度方差(σ_u/u*、,σ_v/u*、σ_w/u*)与空气动力学稳定度参数(z’/L)之间关系符合1/3次律,无因次温度方差(σ_T/T*)符合-1/3次律,并给出相应的拟合公式。而280m高度上资料离散度较大,缺乏拟合基础;47m和120m高度的湍流通量特征比较相近,280m明显低于其它两层,在白天,近地层包含了47m和120m,而280m则已在近地层之上;在稳定层结条件下,47m高度大气边界层可按稳定度参数.z’/L分成二分区,z’/L<0.1为弱稳定区,此时相似规律可适用,z’/L>0.1为强稳定区,在此区内无因次速度方差随稳定度增大有增大趋势,而无因次温度方差则保持不变,相似规律不适用。120m和280m高度则无上述规律。 (2) 北京城市边界层各高度无因次速度方差的大小都表现为,σ_u/u*最大,σ_v/u*次之,σ_w/u*最小。在垂直方向上,σ_u/u*随高度增加而增大,σ_v/u*、σ_w/u*随高度变化都表现为在47m和120m的值比较接近,280m处的值高于其它两层的值。城

论文目录:

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 边界层定义及平均特征

1.2 国内外大气边界层研究现状与进展

1.2.1 国外大气边界层研究进展

1.2.2 国内大气边界层研究进展

1.3 国内外城市大气边界层研究进展

1.3.1 城市大气边界层观测和理论研究工作进展

1.3.2 城市大气边界层数值模拟工作研究进展

1.4 目前城市边界层研究中存在的问题

1.5 城市边界层研究的意义

1.6 论文研究的主要内容及论文安排

本章参考文献

第二章 城市大气边界层湍流动力特征

2.1 引言

2.2 观测仪器和资料采集

2.3 资料处理及计算方法

2.4 速度湍流方差特征

2.4.1 不稳定层结

2.4.2 稳定层结

2.4.3 不同下垫面湍流系数比较

2.5 无因次扰动动能特征

2.6 温度湍流方差

2.6.1 不稳定层结

2.6.2 稳定层结

2.7 拖曳系数

2.8 湍流通量和湍能

2.9 大气颗粒物浓度与湍流关系

2.10 本章小结

本章参考文献

第三章 沙尘天气过程城市边界层湍流动力结构

3.1 引言

3.2 观测仪器和资料采集

3.3 资料处理及计算方法

3.4 沙尘天气形势概述

3.5 边界层大气风、温、湿的平均特征

3.6 湍流特征量

3.6.1 湍流动能

3.6.2 湍流动量输送

3.6.3 湍流动量通量和湍流感热通量

3.7 空气污染物浓度

3.7.1 总悬浮颗粒物(TSP)

3.7.2 摩擦速度

3.7.3 气体污染物

3.8 本章小结

本章参考文献

第四章 城市雾过程边界层结构特征

4.1 引言

4.2 观测仪器和资料采集

4.3 资料处理及计算方法

4.4 雾过程概述及大尺度环境场特征

4.4.1 大雾天气过程概述

4.4.2 大雾过程天气形势分析

4.5 地面场特征

4.6 大雾过程城市边界层结构特征

4.7 大雾过程城市边界层的层结特性

4.7.1 温度层结

4.7.2 相对湿度和比湿层结

4.7.3 风场

4.8 湍流混合在雾发展中的作用

4.8.1 总体Richardson数与动力、热力层结关系

4.8.2 湍流动能

4.8.3 湍流动量通量和感热通量

4.8.4 湍流强度

4.9 大雾天气与空气污染的关系

4.10 本章小结

本章参考文献

第五章 城市边界层动力学参数及其影响效应的数值模拟

5.1 引言

5.2 MM5模式及UCP方案近地层参数化方案的介绍

5.3 MM5模式边界层方案中近地层处理方案介绍

5.4 城市冠层参数化方案介绍

5.4.1 UCP方案的格点结构

5.4.2 UCP方案的大气控制方程及参数化处理方案

5.4.3 城市冠层参数化方案中参数的确定

5.5 北京城市下垫面空气动力学参数的估算

5.5.1 空气动力学参数的估算方法及其特点

5.5.2 Martano确定空气动力学参数方法简介

5.5.3 资料采集及处理

5.5.4 计算结果分析及讨论

5.6 北京城市边界层结构特征的模拟试验

5.6.1 试验方案设计

5.6.1.1 模拟个例的选取

5.6.1.2 模拟范围的确定及初始条件

5.6.1.3 模拟试验的设计

5.6.1.4 北京地区地形及建筑物高度分布

5.6.1.5 北京地区自动气象站的观测资料

5.6.1.6 城市下垫面空气动力学参数的变化

5.6.2 模拟结果对比分析及其与观测结果的比较

5.6.2.1 温度场的比较

5.6.2.2 风场的比较

5.6.2.3 湍流动能的比较

5.7 本章小结

本章参考文献

本章附图

第六章 结论和讨论

6.1 全文工作总结

6.2 有待进一步研究的问题

个人简历

攻读博士学位期间发表和完成的文章题录

致谢

发布时间: 2005-07-27

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