北京城市边界层低层湍流动力结构及其影响特征

【摘要】：人类的生存环境与大气边界层息息相关。进入20世纪以来,由于工业、交通的发展,尤其是城市化进程的加剧,城市边界层特征变得日趋复杂,影响因素诸多,使其物理化学过程难以认识。为了保护人类生存环境,建立城市环境良性循环的结构,进而调控城市大气污染状况,对城市边界层大气动力和大气化学特征及其相互作用机理的研究已成为直接影响社会、经济发展的重大课题。北京作为我国的首都,其城市化环境问题尤为突出和重要。本文利用“BECAPEX”大气环境科学试验北京气象塔15层梯度观测资料、三层超声风温仪观测资料以及系留气艇垂直探测资料,通过对北京城市边界层大气过程垂直动力特征的综合研究,揭示北京城市边界层不同层次湍流特征及北京地区与其它不同城市和不同类型下垫面地区湍流特征的差异,研究了不同城市灾害性天气过程沙尘天气和城市大雾天气过程的城市边界层垂直动力结构尤其是湍流垂直结构的特征及其与污染物浓度变化的关系,同时通过修正数值模式中城市下垫面动力学参数改善了模式对边界层结构的模拟效果,并进一步研究了城市下垫面特征的变化对边界层动力、热力及湍流的影响特征。初步揭示了北京城市边界层湍流动力结构模型。 主要结论概括如下: (1) 对北京城市边界层垂直方向不同层次湍流特征的综合研究结果表明:在不稳定层结条件下,北京城市边界层47m和120m高度上无因次湍流速度方差(σ_u/u*、,σ_v/u*、σ_w/u*)与空气动力学稳定度参数(z’/L)之间关系符合1/3次律,无因次温度方差(σ_T/T*)符合-1/3次律,并给出相应的拟合公式。而280m高度上资料离散度较大,缺乏拟合基础;47m和120m高度的湍流通量特征比较相近,280m明显低于其它两层,在白天,近地层包含了47m和120m,而280m则已在近地层之上;在稳定层结条件下,47m高度大气边界层可按稳定度参数.z’/L分成二分区,z’/L0.1为弱稳定区,此时相似规律可适用,z’/L0.1为强稳定区,在此区内无因次速度方差随稳定度增大有增大趋势,而无因次温度方差则保持不变,相似规律不适用。120m和280m高度则无上述规律。 (2) 北京城市边界层各高度无因次速度方差的大小都表现为,σ_u/u*最大,σ_v/u*次之,σ_w/u*最小。在垂直方向上,σ_u/u*随高度增加而增大,σ_v/u*、σ_w/u*随高度变化都表现为在47m和120m的值比较接近,280m处的值高于其它两层的值。城