城市化過(guò)程對(duì)地表與大氣之間的動(dòng)量、熱量和物質(zhì)輸送有重要的影響,氣象場(chǎng)要素的變化反過(guò)來(lái)改變大氣污染物的輸送擴(kuò)散。近年來(lái),城市化對(duì)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(diǎn)。長(zhǎng)三角地區(qū)是我國(guó)城市化非常顯著的地區(qū)之一,研究該地區(qū)城市化對(duì)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(zhǎng)三角城市化對(duì)氣象因子影響的長(zhǎng)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(duì)區(qū)域氣象要素和大氣污染物濃度的影響。首先,利用長(zhǎng)三角地區(qū)29個(gè)氣象站點(diǎn)1960～2011年觀(guān)測(cè)資料,分析了長(zhǎng)三角地區(qū)城市化對(duì)氣象因子的影響。結(jié)果表明,長(zhǎng)三角地區(qū)溫度增加明顯,大城市站點(diǎn)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(shí)間有減小的趨勢(shì)。同樣日照時(shí)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(zhǎng)三角降雨量在大城市地區(qū)增加明顯,約達(dá)到43.3 mm/10a,而1980s后城市地區(qū)降水約增加16-20%。其次,對(duì)城市下墊面數(shù)據(jù)進(jìn)行了更新,利用WRF-Chem模擬下墊面改變對(duì)長(zhǎng)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(lèi)型的改變使得城市下墊面熱力動(dòng)力屬性改變,影響了地表與大氣之間的動(dòng)量和熱量交換。城市地表使得溫度增加明顯,且對(duì)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(duì)晚上溫度影響更大,預(yù)示著晚上熱島加強(qiáng)。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(duì)流得到加強(qiáng)。對(duì)流增強(qiáng)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(duì)大氣污染物的影響可以到達(dá)1～1.5 km。第三,利用WRF-Chem模式,評(píng)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(duì)長(zhǎng)三角氣候與大氣環(huán)境的影響。對(duì)各方案模擬性能進(jìn)行評(píng)估,總體來(lái)看,SLAB和BEM方案對(duì)氣象場(chǎng)和濃度場(chǎng)模擬結(jié)果較好。而數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果表明,相比SLAB方案結(jié)果,多層冠層BEP和BEM方案對(duì)溫度的影響具有明顯季節(jié)變化,一月冠層儲(chǔ)熱作用更明顯,而七月份則遮蔽效應(yīng)更強(qiáng)。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(shì)(32.7%,18.3μg m-3和30.8%,16.5μg m-3)。最后,估算了長(zhǎng)三角人為熱的空間分布,模擬研究了人為熱對(duì)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(shí)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(duì)流的加強(qiáng)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(duì)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(guò)本文的研究表明,從過(guò)去50年(1960-2011年)的長(zhǎng)期變化特征來(lái)看,長(zhǎng)三角地區(qū)城市的發(fā)展對(duì)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(shí)數(shù)減少,風(fēng)速和相對(duì)濕度則明顯降低,同時(shí)城市地區(qū)降水有增加的趨勢(shì)。城市化導(dǎo)致的下墊面的改變直接影響了地表動(dòng)力和熱力屬性,城市地區(qū)溫度增加顯著,且對(duì)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(qiáng),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(duì)氣象場(chǎng)和濃度場(chǎng)的模擬性能有一定差異,與觀(guān)測(cè)相比,SLAB和BEM模擬的氣象場(chǎng)效果較好,UCM和BEP模擬的偏差較大。對(duì)濃度場(chǎng)模擬方面,BEM模擬的PM10與觀(guān)測(cè)最為相近,而對(duì)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(duì)流和垂直混合加強(qiáng),PM10和NOx濃度減小,從而導(dǎo)致了O3濃度增加�？偟膩�(lái)說(shuō),城市化帶來(lái)的動(dòng)力和熱力效應(yīng)對(duì)氣象因子和大氣環(huán)境的影響顯著,在城市規(guī)劃設(shè)計(jì)、環(huán)境氣象預(yù)報(bào)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(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2014
【中圖分類(lèi)】：P461;X51
【部分圖文】：

開(kāi)展城市下墊面變化對(duì)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(zhǎng)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(chēng)合冠層模式研究了城市下墊面變化對(duì)長(zhǎng)Ｈ角不同季節(jié)的氣候??和大氣環(huán)境影響。??第Ｈ，開(kāi)展不同冠層模式對(duì)氣象因子和大氣環(huán)境影響研究。通過(guò)文獻(xiàn)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(duì)長(zhǎng)王角??不同季節(jié)的氣候和大氣環(huán)境進(jìn)行模巧比較，研究長(zhǎng)Ｈ角城市冠層內(nèi)的特征和對(duì)大??氣污染物擴(kuò)散和輸送的影響。評(píng)估了不同冠層方案的特點(diǎn)和應(yīng)用。??第四，開(kāi)展人為熱時(shí)空分布對(duì)氣象因子和大氣環(huán)境影響研究。通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)??研和數(shù)據(jù)收集整理，得到了長(zhǎng)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(duì)城市的熱力屬性的影響，及對(duì)大氣污染物擴(kuò)散和輸送??的影響。估算了人為熱排放對(duì)氣候變化和大氣污染的貢獻(xiàn)。??

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(jì)，分為驅(qū)動(dòng)層、中間層和模式層，用??戶(hù)只需與模式層打交道；在模式層中，動(dòng)力框架和物理過(guò)程都是可開(kāi)關(guān)式的，為??用戶(hù)采用各種不同的選擇、比較模式性能和進(jìn)行集合預(yù)報(bào)提供了極大的便利。??ＷＲＦ模式重點(diǎn)考慮從云尺度到天氣尺度等重要天氣的預(yù)報(bào)，水平分辨率重點(diǎn)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(jí)設(shè)計(jì)、大量的物理??選擇、與模式本身相協(xié)調(diào)的先進(jìn)的資料通話(huà)系統(tǒng)。ＷＲＦ模式在計(jì)算模擬中，另??一個(gè)重要部分即為模式的物理參數(shù)化部分。在模擬實(shí)際天氣時(shí)，有幾項(xiàng)最重要的??物理過(guò)程必須被考慮進(jìn)來(lái)，例如：福射、邊界層、地面過(guò)程、積云對(duì)流、端流和??云微物理等過(guò)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(xiàng)。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(chēng)合簡(jiǎn)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(jiǎn)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(jì)算城市冠層向大氣輸送的感熱通量、潛熱通量??和動(dòng)量通量等。稱(chēng)合了城市冠層模式的Ｎｏａｈ?ＬＳＭ在計(jì)算各個(gè)格點(diǎn)的大氣變量??（如地面溫度、感熱、動(dòng)量通量等）的時(shí)候，會(huì)分兩部分計(jì)算輸出，包括Ｎｏ化ＬＳＭ??計(jì)算得出的非城市下墊面的變量通量和城市冠層模式計(jì)算得出的城市下墊面的??變量通量，最后根據(jù)格點(diǎn)中的下墊面設(shè)定的城市比率加權(quán)平均求得該格點(diǎn)的變量??通量值。其具體計(jì)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(diǎn)輸出的某變量（如感熱通量、潛熱通量、地表溫度、向上??長(zhǎng)波福射、反照率和福射系數(shù)等），Ｆｋｍ為格點(diǎn)計(jì)算的Ｎｏ址ＬＳＭ輸出的下墊面??比率，ｆｗｂ為格點(diǎn)計(jì)算的城市冠層輸出的下墊面比率，為ＮｏａｈＬＳＭ計(jì)算得??到的非城市下墊面輸出變量，為城市冠層模式計(jì)算得到的城市下墊面變量。??３３??
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本文編號(hào)：2853093