【摘要】：本文利用數(shù)值模擬研究城市化對(duì)邊界層結(jié)構(gòu)、水汽輸送以及云和降水的影響。首先,本文利用大渦模擬研究有風(fēng)切影響時(shí)對(duì)流邊界層頂?shù)膴A卷過(guò)程。基于動(dòng)能收支,提出夾卷通量比的參數(shù)化方案,并作了適當(dāng)簡(jiǎn)化。該方案表明在逆溫層內(nèi)風(fēng)切變產(chǎn)生的湍流動(dòng)能有43%用于夾卷過(guò)程,混合層及近地層內(nèi)風(fēng)切變對(duì)夾卷過(guò)程影響很小。根據(jù)這個(gè)方案,提出了一個(gè)新的對(duì)流速度尺度,并將之用于逆溫層厚度的參數(shù)化�；诖鬁u模擬結(jié)果的尺度分析,相對(duì)層結(jié)參數(shù)可以寫(xiě)成夾卷通量比的函數(shù)。該結(jié)論引出了一個(gè)簡(jiǎn)單的夾卷率參數(shù)方案�；诤侠淼募僭O(shè)和簡(jiǎn)化,混合層模型被解析求解。結(jié)果表明,逆溫層內(nèi)的風(fēng)切作用包括動(dòng)力作用項(xiàng)、平均風(fēng)切與環(huán)境層結(jié)相互作用項(xiàng)及包括科氏力影響在內(nèi)的其他項(xiàng)。利用這一結(jié)論,對(duì)流速度尺度的表達(dá)式得以簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化后的對(duì)流速度尺度、夾卷通量比及夾卷率組成了一個(gè)對(duì)流邊界層高度的預(yù)報(bào)模型。與混合層模型相比,該預(yù)報(bào)模型不需要求解一組方程,因而更加方便易用。其次,本文利用大渦模擬研究了城市化對(duì)邊界層結(jié)構(gòu)、水汽輸送及淺積云的影響。與以往研究不同,城市及模式邊界之間設(shè)置了廣闊的緩沖區(qū)使城市免受周期邊界條件的影響。非均勻擾動(dòng)及浮力擾動(dòng)可以利用時(shí)間平均及高斯濾波進(jìn)行分離。結(jié)果表明,城市可以影響下游10-100km的范圍。在該范圍內(nèi)邊界層增厚,邊界層頂位溫減小、濕度增大。非均勻的地表溫度激發(fā)了非均勻環(huán)流。環(huán)流形狀與城市尺度有關(guān)。環(huán)流的上升支將混合層中更冷(位溫,相對(duì)自由大氣)更濕的空氣向上輸送,造成邊界層頂位溫降低、濕度增大；在邊界層頂,環(huán)流水平支擴(kuò)大了影響范圍�；跓崃W(xué)定律、動(dòng)量方程及湍流閉合方案,本文提出了一個(gè)非均勻環(huán)流速度的估算方案。該方案中,環(huán)流水平速度與環(huán)流的水平尺度、地表摩擦速度成反比,與城市及郊區(qū)的溫差、邊界層高度成正比。上游城市可以大幅度地增加下游城市后方非均勻溫度擾動(dòng)和邊界層高度,從而顯著地加強(qiáng)非均勻環(huán)流及其對(duì)混合層中水汽和位溫的輸送,使得邊界層頂位溫的減小及濕度的增加更加顯著。淺積云的結(jié)果表明,城市地區(qū)上空液態(tài)水路徑及云層厚度大幅度增加,引起云反照率的增加和非均勻的潛熱分布。非均勻的潛熱分布在云層和邊界層中上部激發(fā)另一個(gè)次級(jí)環(huán)流。該環(huán)流的下沉支將更干更熱的自由大氣向下輸送,抑制了云的生成,造成云量的減少。最后,利用WRF模式(the Weather Research and Forecasting Model),本文分析了我國(guó)長(zhǎng)江三角洲地區(qū)城市化對(duì)邊界層結(jié)構(gòu)、水汽輸送及云和降水的影響。晴天和統(tǒng)計(jì)結(jié)果都表明城市可以影響下風(fēng)向百公里的范圍。與大渦模擬結(jié)果相似,該區(qū)域內(nèi)邊界層增厚,邊界層之上位溫減小、濕度增大。在夜間,受城市影響的區(qū)域增大,城市熱島加強(qiáng),風(fēng)速減小更加明顯。但城市造成的近地比濕的減小在白天更加顯著。城市熱島激發(fā)出熱島環(huán)流,在近地層,空氣向城市輻合,加強(qiáng)水陸差異形成的輻合。午后的環(huán)流具有明顯的垂直結(jié)構(gòu),但其水平尺度較小;夜間環(huán)流的垂直尺度被抑制但具有較大的水平尺度；環(huán)流在18時(shí)前后達(dá)到最強(qiáng),這直接導(dǎo)致了城市地區(qū)可降水量在18時(shí)有明顯的增加。早上六點(diǎn)前后平均云水混合比及成云頻率降低,在午后平均云水混合比及成云頻率略有增加；平均雨水混合比及降雨頻率在早上略有降低在午后略有增加。云天個(gè)例結(jié)果表明,城市減小了風(fēng)速,改變了輻合帶的位置,同時(shí)城市加強(qiáng)了低層的輻合及邊界層中部垂直上升運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致云的生成。
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【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：P461
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本文編號(hào)：2453413