北京城区近地面气象要素精细化时空分布特征

【摘要】本文利用2008-2012年北京城区高密度自动站逐时观测数据，分析了城区近地面气温、比湿、风向、风速及夏季降水的时空精细分布特征，初步探究了城市对局地气象要素的影响机制。并采用数值模拟方法，针对一个夏季晴天个例，通过有无城市下垫面的敏感性试验，初步分析了城市下垫面对近地面及边界层气象要素的影响。近地面观测资料分析研究结果表明：（1）北京一年四季，白天夜间均存在城市热岛现象，季节平均的热岛强度冬季最强，夏季最弱；夜间强度大于白天；白天热岛最强为夏季，夜间热岛最强为冬季。水平分布上，北京热岛呈现多中心分布特征，城市内部温度分布不均匀，受到下垫面类型的显著影响。（2）夏季白天城区比湿低于郊区，表现为干岛分布特征。城区比湿由于透水下垫面和不透水下垫面分布不均匀而呈现多个分布中心。城市下垫面不透水率高、植被少使得夏季白天比湿低于郊区。在夏季后半夜，城市比湿高于郊区，这是由于夜间温度降低郊区近地面大气水汽出现凝结，而城区温度高于郊区没有出现凝结现象造成的。冬季多数时间内城区比湿高于郊区。北京冬季植被稀少，降水量很小，人类活动释放的水汽成为影响城郊比湿差异的重要因素。由于城市的影响，城区和郊区比湿日变化显著不同。夏季夜间郊区比湿不断减小；城区由于热岛效应夜间降温幅度小，比湿继续增大继而保持稳定。冬季郊区比湿随着气温变化出现波动；城区08-19时近地面比湿缓慢增加，20时比湿降低。（3）对10米风向的研究结果表明10米风向受到季节盛行风、地形和城市作用共同影响。夏季山风时段最短，谷风时间最长，而冬季相反，春季和秋季为过渡季节。夏季谷风时段，受城市建筑物的影响，偏南风发生绕流；山风时段，在山谷风环流、季节盛行风以及城市热岛的共同作用下，气流向城市中心辐合。冬季山风时段，风由西部山区吹向城区，东部有绕流现象；谷风时段在城区形成一条西北-东南走向的辐合线。春、秋为过渡季节，均有绕流现象。（4）受到城市下垫面大粗糙度的影响，城区内风速较小。北京二环和三环之间的高密度城市区存在一条风速小值带。城郊风速差异春季最大，并且白天大于夜间。不同环路内风速与郊区风速差异不同，三环内与郊区风速差异最大，六环最小。（5）北京夏季降水分布受到地形和降水的共同影响。在弱热岛条件下，受城市阻挡作用的影响，降水系统发生分叉，使降水主要分布在城市的上风向及城市两侧区域，降水的空间距平百分比（SpatialNormalizedRainfall,以下简称NR）高于15%；城市中心以及下风向区域降水相对较少（NR<-35%）。然而在强热岛条件下，降水集中在城市区域，NR最大值在75%以上，分布与高温中心有很好的对应关系。利用WRF模式对2010年8月6日这一晴天个例的数值模拟及敏感性试验分析可知：（1）下垫面影响着近地面的辐射通量平衡和能量平衡。城市下垫面反照率较小，吸收了更多的短波辐射；储热能力增强。（2）由于下垫面能量平衡的改变以及人为热的影响，城市温度较高，日较差小。热岛效应十分显著，并且热岛在夜间强于白天。白天，城市热岛高度可达1.5km,而1.5-2km之间温度略低于非城市下垫面。夜间由于边界层较为稳定，热岛高度为300米。（3）由于城市粗糙度较高，城市区域的风速减小。（4）北京地区近地面流场受到地形和城市作用的共同影响，城市的影响在夜间更显著。城市热岛效应使得近地面空气向城区辐合，影响高度可达200m。本研究表明：北京城市对近地面温度、湿度、风场以及夏季降水有显著影响，需在精细天气预报中考虑城市化的局地气候效应。此外，该研究对城市大气环境治理、规划建设等有一定的指导意义。
【作者】窦晶晶；
【导师】王迎春；
【作者基本信息】中国气象科学研究院，气象学，2014，硕士
【关键词】北京；近地面；气温；比湿；风向风速；夏季降水；城市效应；WRF；

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