城市化過程對地表與大氣之間的動量、熱量和物質(zhì)輸送有重要的影響,氣象場要素的變化反過來改變大氣污染物的輸送擴散。近年來,城市化對區(qū)域氣象和環(huán)境的影響成為大氣科學(xué)和環(huán)境科學(xué)的研究熱點。長三角地區(qū)是我國城市化非常顯著的地區(qū)之一,研究該地區(qū)城市化對氣象因子和大氣環(huán)境的影響具有重要的科學(xué)意義。本文利用資料分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的手段,研究了長三角城市化對氣象因子影響的長期變化特征以及城市下墊面改變、不同城市冠層方案、人為熱對區(qū)域氣象要素和大氣污染物濃度的影響。首先,利用長三角地區(qū)29個氣象站點1960～2011年觀測資料,分析了長三角地區(qū)城市化對氣象因子的影響。結(jié)果表明,長三角地區(qū)溫度增加明顯,大城市站點溫度增溫率更高(0.69℃/10a),氣溫增溫率空間分布顯示最小溫度增溫率要大于最大溫度增溫率。這種改變使得溫度日較差隨時間有減小的趨勢。同樣日照時數(shù)的減小也是溫度日較差減小的原因之一�？傮w上城市化使得大城市地面風(fēng)速減小了 0.17 m s-1/1Oa。長三角降雨量在大城市地區(qū)增加明顯,約達到43.3 mm/10a,而1980s后城市地區(qū)降水約增加16-20%。其次,對城市下墊面數(shù)據(jù)進行了更新,利用WRF-Chem模擬下墊面改變對長三角氣候與大氣環(huán)境的影響。結(jié)果表明,城市土地利用類型的改變使得城市下墊面熱力動力屬性改變,影響了地表與大氣之間的動量和熱量交換。城市地表使得溫度增加明顯,且對七月(2.8℃)的影響大于一月(1.7 ℃)。溫度日較差的減小顯示下墊面改變對晚上溫度影響更大,預(yù)示著晚上熱島加強。地表粗糙度增加使得地面風(fēng)速在一月和七月分別減小了 23%和13%。水汽的減小使得一月(9Wm-2)和七月(72Wm2)潛熱均減小,但感熱則明顯增加,一月和七月增加了 76Wm-2和33 Wm-2。七月降水量在城市地區(qū)約增加了 30～40%,而在日變化中,午后(13:OOLST～18:00LST)城市降水有明顯的增加,預(yù)示著午后深對流得到加強。對流增強使得一月和七月地面PMi0濃度減小分別了 30%和40%,而O3濃度增加(6.2%～26.4%和15.3%～51.2%),垂直變化顯示,下墊面對大氣污染物的影響可以到達1～1.5 km。第三,利用WRF-Chem模式,評估了參數(shù)本地化后的不同冠層方案UCM、BEP、BEM方案以及不考慮冠層影響的SLAB方案對長三角氣候與大氣環(huán)境的影響。對各方案模擬性能進行評估,總體來看,SLAB和BEM方案對氣象場和濃度場模擬結(jié)果較好。而數(shù)值試驗結(jié)果表明,相比SLAB方案結(jié)果,多層冠層BEP和BEM方案對溫度的影響具有明顯季節(jié)變化,一月冠層儲熱作用更明顯,而七月份則遮蔽效應(yīng)更強。由于冠層增加了地面粗糙度和地面非均勻性,BEP和BEM極大地減小了地面風(fēng)速。風(fēng)速的減小和PBLH的減小使得UCM方案模擬的PM10濃度增加,且七月(31.4%)的影響要大于一月(22.3%)。BEP和BEM方案一月模擬的PM10濃度減小(18.6%,22.1μg m-3和16.7%,18.3μg m-3),在七月則表現(xiàn)為增加的趨勢(32.7%,18.3μg m-3和30.8%,16.5μg m-3)。最后,估算了長三角人為熱的空間分布,模擬研究了人為熱對區(qū)域氣候和大氣環(huán)境的影響。結(jié)果顯示人為熱大值區(qū)主要集中在大城市如上海、南京和杭州等地,其人為熱排放為120.4 Wm-2、37.7 Wm-2和83.5 W m-2。數(shù)值模式結(jié)果表明:2 m溫度有明顯增加,其增加分布與人為熱具有很大一致性。同時使得PBLH在城市地區(qū)增加。人為熱直接增加了地面感熱通量,一月和七月增加了 82Wm-2和75 Wm-2。降水了則增加了 15～30%。對流的加強使得一次污染物PM10地面濃度減小,一月和七月在上海地區(qū)分別減小了 29.3 μg m-3(24.5%)和26.6 μg m-3(18.8%)。對PM10垂直分布影響分析發(fā)現(xiàn),在0.5～1.5km高度內(nèi),其濃度增加了約4μg m-3。溫度的增加以及NOx的減小使得O3濃度增加,一月份上海地區(qū)增加最大,約為2.5 ppb(18%),而七月則在杭州地區(qū)增加最大,為4ppb(15%)。通過本文的研究表明,從過去50年(1960-2011年)的長期變化特征來看,長三角地區(qū)城市的發(fā)展對氣象因素具有顯著影響,總體上使得氣溫增加顯著,溫度日較差和日照時數(shù)減少,風(fēng)速和相對濕度則明顯降低,同時城市地區(qū)降水有增加的趨勢。城市化導(dǎo)致的下墊面的改變直接影響了地表動力和熱力屬性,城市地區(qū)溫度增加顯著,且對夏季(七月)的影響要大于冬季(一月),近地面風(fēng)速降低,輻合加強,邊界層高度增加,使得大氣污染物PM10和NOx地面濃度減小,而O3濃度增加。不同城市冠層方案對氣象場和濃度場的模擬性能有一定差異,與觀測相比,SLAB和BEM模擬的氣象場效果較好,UCM和BEP模擬的偏差較大。對濃度場模擬方面,BEM模擬的PM10與觀測最為相近,而對O3的模擬則SLAB和BEM方案較好。城市化導(dǎo)致的人為熱排放引起地表感熱和近地面溫度的增加,城市地區(qū)對流和垂直混合加強,PM10和NOx濃度減小,從而導(dǎo)致了O3濃度增加�？偟膩碚f,城市化帶來的動力和熱力效應(yīng)對氣象因子和大氣環(huán)境的影響顯著,在城市規(guī)劃設(shè)計、環(huán)境氣象預(yù)報和空氣污染治理上應(yīng)該考慮城市化的影響。
【學(xué)位單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2014
【中圖分類】：P461;X51
【部分圖文】：

開展城市下墊面變化對氣象因子和大氣環(huán)境影響研究。利用２００４??年ＭＯＤＩＳ數(shù)據(jù)反演長Ｈ角城市下墊面分布，并應(yīng)用到中尺度數(shù)值模式??ＷＲＦ－Ｃｈｅｍ中。稱合冠層模式研究了城市下墊面變化對長Ｈ角不同季節(jié)的氣候??和大氣環(huán)境影響。??第Ｈ，開展不同冠層模式對氣象因子和大氣環(huán)境影響研究。通過文獻調(diào)研??收集整理了南京地區(qū)冠層參數(shù)（如地面反照率、熱容量和熱導(dǎo)率等），對長王角??不同季節(jié)的氣候和大氣環(huán)境進行模巧比較，研究長Ｈ角城市冠層內(nèi)的特征和對大??氣污染物擴散和輸送的影響。評估了不同冠層方案的特點和應(yīng)用。??第四，開展人為熱時空分布對氣象因子和大氣環(huán)境影響研究。通過文獻調(diào)??研和數(shù)據(jù)收集整理，得到了長Ｈ角地區(qū)人為熱的空間分布，將之禪合到數(shù)值模式??ＷＲＦ－Ｃｈｅｍ中，研巧其對城市的熱力屬性的影響，及對大氣污染物擴散和輸送??的影響。估算了人為熱排放對氣候變化和大氣污染的貢獻。??

２．１?ＷＲＦ－Ｃｈｅｍ模式主要參數(shù)化方案??ＷＲＦ模式采用高度模塊化和分層設(shè)計，分為驅(qū)動層、中間層和模式層，用??戶只需與模式層打交道；在模式層中，動力框架和物理過程都是可開關(guān)式的，為??用戶采用各種不同的選擇、比較模式性能和進行集合預(yù)報提供了極大的便利。??ＷＲＦ模式重點考慮從云尺度到天氣尺度等重要天氣的預(yù)報，水平分辨率重點考??慮＾１０公里。因此，模式包含高分辨率非靜力應(yīng)用的優(yōu)先級設(shè)計、大量的物理??選擇、與模式本身相協(xié)調(diào)的先進的資料通話系統(tǒng)。ＷＲＦ模式在計算模擬中，另??一個重要部分即為模式的物理參數(shù)化部分。在模擬實際天氣時，有幾項最重要的??物理過程必須被考慮進來，例如：福射、邊界層、地面過程、積云對流、端流和??云微物理等過程。表２－１給出了?ＷＲＦ模式中可供選擇的主要物理、化學(xué)參數(shù)化??選項。此外，在源排放方面，除了人為排放源清單，ＷＲＦ－Ｃｈｅｍ模式同樣可Ｗ??

［Ｍａｒｔｉｌｌｉ?ｅｔａｌ．，２００２］Ｌ：Ｊｌ及稱合簡單建筑物能量平衡模型的ＢＥＰ方案（ＢＥＰ＋ＢＥＭ）??［Ｓａｌａｍａｎｃａ?ａｎｄ?Ｍａｒｔｉ化２０１０］。單層冠層方案和多晨冠層方案的簡單不意圖可參??加圖２－２。這些城市冠層方案一般都幫合到Ｎｏａｈ陸面模式之中［Ｃｈｅｎ?ａｎｄ?Ｄｕｄｈｉａ，??２００１］，這種鍋合使得模式可Ｗ計算城市冠層向大氣輸送的感熱通量、潛熱通量??和動量通量等。稱合了城市冠層模式的Ｎｏａｈ?ＬＳＭ在計算各個格點的大氣變量??（如地面溫度、感熱、動量通量等）的時候，會分兩部分計算輸出，包括Ｎｏ化ＬＳＭ??計算得出的非城市下墊面的變量通量和城市冠層模式計算得出的城市下墊面的??變量通量，最后根據(jù)格點中的下墊面設(shè)定的城市比率加權(quán)平均求得該格點的變量??通量值。其具體計算方法如下公式所示：??Ｖ?＝?ｆｌｓｍ?Ｘ?Ｖｉｓｍ?＋?Ｆｕｒｂ?Ｘ?Ｖ＂ｒｂ?（２．０３?）??Ｐｌｓｍ?＋?Ｆｕｒｂ?＝?１?（２．０４）??其中，Ｖ為格點輸出的某變量（如感熱通量、潛熱通量、地表溫度、向上??長波福射、反照率和福射系數(shù)等），Ｆｋｍ為格點計算的Ｎｏ址ＬＳＭ輸出的下墊面??比率，ｆｗｂ為格點計算的城市冠層輸出的下墊面比率，為ＮｏａｈＬＳＭ計算得??到的非城市下墊面輸出變量，為城市冠層模式計算得到的城市下墊面變量。??３３??
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本文編號：2853093