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《南京信息工程大学》 2011年
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北京非均匀下垫面地表辐射与能量平衡的观测及模拟研究

王秀丽  
【摘要】:非均匀下垫面上的地气相互作用较平坦下垫面更为复杂,影响着天气过程的演变乃至全球气候变化。北京城区是典型的城市下垫面,郊区多为农林混合下垫面,城、郊的动力热力特征完全不同,它们之间相互作用对华北地区天气、气候、环境的形成与变化有重要的影响。本研究利用北京密云站2007年1、4、8、10月的涡度相关仪及自动气象站等观测资料,分析了不同天气条件下郊区下垫面的辐射通量、反照率及能量通量特征,研究结果如下: (1)1、4、8、10月观测数据能量平衡闭合度(OLS方法)分别为82%、97%、72%、83%,总体闭合度76%,数据质量较好。 (2)晴天向上长波辐射1、4、8、10月平均值为分别为279.6、381.5、430、358.7 W/m2,由于农林混合下垫面变化的影响,响应短波辐射时间分别为1月0.5hr,8月1.5hr,4月及10月介于0.5-1.5hr之间。 (3)随下垫面植被长势和土壤湿度变化,反照率有明显改变,各月晴天平均值分别为:1月0.183、4月0.143、8月0.133、10月0.139,由于非均匀下垫面通量贡献率随太阳辐射方向而变化,各月均存在日变化不对称现象。8月份反照率低于同期同纬度固城站观测值0.19。 (4)由于农林混合下垫面状态变化,1、4、10月能量主要分配于显热交换,8月主要用于潜热交换。阴天能量分配特征与晴天一致。 进一步应用WRF模式耦合单层冠层模型,同时采用MODIS下垫面数据更新了模式自带下垫面利用类型,选择晴天小风天气,以2007年1月11日18:00-13日00:00时作为冬季算例代表,8月29日18:00-31日00:00时作为夏季算例代表,模拟分析了北京市非均匀地表条件下的城郊气象要素、湍流活动、地气通量及辐射交换的不同特征。结果表明: (1)冬夏季算例模拟的辐射分量及能量通量与观测值的吻合度较好。冬季城市边界层高度最高可达到1000米左右,而郊区边界层最高值为700米;城市夜间逆温率不超过0.4K/100m,而郊区逆温率最大可达3.8K/100m。 (2)夏季边界层的发展较冬季充分。郊区混合层发展趋势较缓,11:00-14:00时均比同一时次城市的边界层高度低200m左右,15:00,城郊混合层高度均达1600m,18:00郊区迅速下降至900m,而城市仍保持不变。郊区逆温强度在2.7-4.2K/100m之间,而城区由于建筑物冠层的持热作用,逆温率仅在1.1-1.9K/100m之间。 (3)城市湍流动能远大于郊区下垫面,在日出后增长也较快。冬季算例白天城市湍流动能最大值达到0.59m2·s-2,而郊区仅为0.39m2·s-2;夏季湍流动能高于冬季,城市的最大值出现在12:00,达0.76m2·s-2,郊区最大值出现在14:00,达0.57m2·s-2。 (4)夏季算例,城市显热通量全天均为正值,高于其他下垫面;城市下垫面含水量少,全天的潜热交换均很弱;城市冠层可以储存较多热量,故城市土壤热通量全天绝对值都为最大,11:00达270W/m2,02:00为-80W/m2。 (5)冬季,由于城市的湍流交换系数大,温度混合均匀,显热通量并不是一个高值区;空气干燥,城市潜热通量最大值仅为1.5W/m2;城市收入的能量主要分配于土壤热通量,正午最大值达150W/m2;净辐射白天为高值区,夜间为低值区。
【学位授予单位】:南京信息工程大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:P412.14

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【参考文献】
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