成都城市热岛环流结构的数值模拟研究

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城市热岛环流是由于城市热岛激发的、存在于边界层的局地环流。这一环流常影响城市处大气污染物的扩散及城市降水,是城市气象学的重点研究对象。因此本文利用中尺度数值模式WRF V3.9对2016年7月16日成都一次城市热岛环流个例进行了高分辨率的数值模拟,详细讨论了城市热岛环流结构的水平、垂直结构及其演变特征。同时从地表能量平衡及大气稳定度方面讨论了城市热岛环流产生和演变的可能原因。此外本文设计了减小气溶胶光学厚度的敏感性试验,试图定量分析大气污染对城市热岛环流结构的影响,并分析了大气污染影响城市热岛环流强度的可能原因。得到的结论主要为以下几点:(1)该次个例中成都城市热岛环流主要出现在17:0021:00。19:00,城市热岛环流结构最清晰。此时近地面风场由郊区向城市辐合,辐合中心约在(104oE,36.8oN),地面以上2.0 km处风场由城市向乡村辐散,辐散中心与辐合中心位置大致对应。环流的水平尺度约0.40.5个纬距,约城市尺度的22.5倍,环流厚度约2.0 km。低层乡村风风速约45 m·s-1,高层回流速度约34 m·s-1,城市风锋的最强上升速度超过1.0 m·s-1。(2)城市热岛环流主要由城市热岛强度、城市大气稳定度和背景风强度共同决定,其中17:0019:00主要受城市热岛的影响,19:0021:00主要受稳定度影响。(3)当气溶胶光学厚度减小后,城市热岛环流尺度和强度等特征在不同时刻均有不同程度的变化,在19:00热岛环流尺度和强度变化最明显。主要表现为低层乡村风风速平均减小约1.0 m·s-1,导致辐合中心由(104.0°E,30.68°N)变为(103.98°E,30.68°N)。西支、南支、北支环流的水平尺度有所减小,分别减小约6 km、11 km、3 km,其高空回流高度有所降低,分别降低0.1 km、0.2 km、0.3 km,西侧和南侧城市风锋的最大上升速度减小约0.10.2 m·s-1。(4)造成城市热岛环流变化的可能原因是,气溶胶光学厚度减小后,地表吸收的净辐射增多,导致城市和乡村的感热、潜热和土壤热通量分别有不同程度的增加,城、乡感热通量和土壤热通量差异增大;此外城市感热通量增加后,降低了城市边界层大气稳定度。由于大气稳定度减弱对城市热岛的抑制作用超过了城乡地表能量通量差异增加对城市热岛的增强作用,19:00城市热岛比CNTL试验降低了0.3℃。此时处在热岛环流的发展阶段,热岛环流的强度由城市热岛强度决定,因此热岛环流的强度减弱,尺度略有减小。
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