边界层气象学课件：CH09-边界层观测实验数值模拟.ppt

1、第九章第九章 边界层观测实验及数边界层观测实验及数值模拟值模拟一、观测以珠江三角洲（一、观测以珠江三角洲（PRD）边界层观测为例）边界层观测为例二、数值模拟以城市边界层模拟为例二、数值模拟以城市边界层模拟为例三、边界层观测仪器三、边界层观测仪器一、观测一、观测q 以珠江三角洲（以珠江三角洲（PRD）边界层观测为例）边界层观测为例LegendRegionalUrbanq SupersiteTotal:16 sitesLegendRegionalUrbanq SupersiteTotal:16 sites区域大气复合污染的区域大气复合污染的立体观测及污染过程立体观测及污染过程 矩形：矩形：垂直：垂

2、直：断面：断面：1.16 个地面常规站个地面常规站2.2 个超级站个超级站:广州市区、新垦广州市区、新垦(空气质空气质量和边界层量和边界层)3.航测航测4.2004年年9月月2511月月5日日PRD2004PRD2004年年1010月月 加强观测加强观测大气边界层探测大气边界层探测q地面站地面站风、温、湿、辐射风、温、湿、辐射 q探空探空 风、温风、温清远清远番禺番禺新垦新垦 10-12 10-11 10-10 10-91010日起，日起，珠江三角洲地区受到持续副热带高压控制，产生下沉珠江三角洲地区受到持续副热带高压控制，产生下沉气流和静小风天气，造成空气污染物浓度的显著升高。气流和静小风天气

3、，造成空气污染物浓度的显著升高。台风台风马鞍马鞍9 9日日横过本州东南部，横过本州东南部，1010日日清晨减弱为一强烈热带风暴，清晨减弱为一强烈热带风暴，继而变成一温带气旋继而变成一温带气旋观测期间天气和地面气象条件观测期间天气和地面气象条件10,11 SURFACE WIND AND T10/0211/2011/1410/2012 SURFACE WIND AND T12/0212/20 20042004年年1010月月1-311-31日广州日广州APIAPI指数指数 日期日期 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 指数指数 92 58 36 54 60 6

4、4 77 83 83 104 115 100 108 115 105 日期日期 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 指数指数 100 100 85 89 91 73 69 91 92 87 75 82 94 100 104 1001010月珠三角空气污染指数月珠三角空气污染指数二站比较：边界层厚度二站比较：边界层厚度0912111009111012强风（暖或冷气流强）使珠江三角洲地区空气质量改善强风（暖或冷气流强）使珠江三角洲地区空气质量改善静小风（冷暖气流强度相当）和逆温层导致珠江静小风（冷暖气流强度相当）和逆温层导致珠江三角洲地区

5、空气质量变差三角洲地区空气质量变差大范围强下沉气流导致珠江三角洲地区空气质大范围强下沉气流导致珠江三角洲地区空气质量变差量变差影响珠江三角洲地区的局地环流示意图影响珠江三角洲地区的局地环流示意图几个问题几个问题珠三角边界层偏稳定珠三角边界层偏稳定,不利于扩散不利于扩散夜间，上下层风向相反夜间，上下层风向相反;海风入侵陆地的深度海风入侵陆地的深度城市群粗糙度，热岛对边界层特征的影响城市群粗糙度，热岛对边界层特征的影响大气污染和边界层的相互影响大气污染和边界层的相互影响边界层概念模型的验证边界层概念模型的验证lMM5使用四重嵌套网格，格距分别为27，9，3，1公里，然后将1公里格距的模拟结果插值到

6、城市边界层模式中作初始场，并每半小时输入一次MM5的结果作为侧边条件，网格距500米，模拟区域30KM30KM,垂直方向分成不等距的20层，地表类型分为裸土、植被、林地、水域和建筑物五类。引自佟华等l 选取2000年3月2829日为例做个例分析，这两天空气污染十分严重，污染指数在各个监测站都超过了100，3月28日天气形式为整个东南沿海受弱高压控制，阳光充沛、天气温暖且吹微风，污染程度不断加重。3月29日上午，华南地区改吹偏东强风，晚间风势转趋缓和，天色转为多云，污染逐渐消散。因天气形势稳定且风速很小，此次严重污染过程主要是由于当地的污染源在不利于污染物扩散的天气背景下形成的，而这几日的边界层

7、结构为在弱的天气背景下当地的热力和动力条件影响的结果，对此次污染天气过程的边界层条件做模拟分析。01234567147101316192214710131619221471013161922hourWS(m/s)050100150200250300350400147101316192214710131619221471013161922hourWD05101520253035147101316192214710131619221471013161922hourC328329330a流浮山风速风速风向风向温度温度X/kmY/km28日08时10米高水平风场、水平温度场模拟图及地面观测站观测值水平

8、分布 经过九龙半岛的香港地区南北剖面的位温分布图 Y/km28日12时经过九龙半岛X=40km处南北剖面湍流动能(m2/s2)垂直分布图 北京大学拖曳式水槽北京大学拖曳式水槽 5 mm/sec北京大学风洞，风洞中形成大气边界层的尖塔和粗糙元北京北京CBD地区放进风洞里地区放进风洞里西北风 5.4 m/sl非均匀性非均匀性l城市的观测网城市的观测网(包括人类活动包括人类活动)l模式显示描述城市下垫面模式显示描述城市下垫面l卫星遥感卫星遥感模式结果与实际观测的对比模式结果与实际观测的对比l全球城市对气候的影响全球城市对气候的影响 Tower Aircraft Balloon Kite Ship S

9、atellite Car Etc.Emeis 2010,Surface-Based Remote Sensing of the AtmosphericBoundary LayerLLJvisibility sensorLaser beamSimilarity laws for the atmospheric boundary layer may be used to determinethe near-surface turbulent fluxes of sensible(H)as well as latent heat(LE)fromsurface-layer turbulence mea

10、surements with scintillometers.The search for Big Eddie,Utah，2005（McNaughton et al.2006）Eddy Covariance system2COwFqwETwCHCP(D.Lenshow,2008)59EC Data 1)Despiking;2)Linear detrending;3)Double Rotation;4)Spectral correction;5)WPL correction;6)Test of Amplitude Resolution,Discontinuities and Steadiness

11、 of U;7)Flux quality assessment;Data Post-Processing(EddyPro)Instrument12 Mar-11 Nov,2014sPHTwCQqwQE中山大学学士学位论文，12级应气李丰全Effects of Surface Heterogeneity on the Measurement of Turbulent Heat FluxesVertical wind speedDistance E-W /(m)Distance S-N /(m)NAN(a)wunrot1200800400040080012008004000400800w/(m/s

12、)-0.0500.050.10.150.20.25 (a)Unrotated Distance E-W /(m)Distance S-N /(m)(b)wrot1200800400040080012008004000400800w/(m/s)-1.5-1-0.500.511.5x 10-14 (b)Rotated-1410(c)EEBSB1SWB2L1NW,SW:(River,Pool,Tree)SE:(Building Cavity)0100200300400Occurrence(a)0.10.20.30.40.50.6-20246810Fc/(mg m-2 s-1)u*(b)Occurre

13、nceof Fc*uMeanError bar:Standard deviation61Friction velocity00.511.5(a)Allm(b)Stablem6012018024030036000.20.40.6u*/(m s-1)WD/(o)(c)All60120180240300360WD/(o)(d)StableDistance E-W /(m)Distance S-N /(m)NAN1200800400040080012008004000400800u*/(m/s)0.050.10.150.20.250.30.35 Threshold :0.2m/s补充：城市通风及热环境观测。补充：城市通风及热环境观测。引自中山大学大气科学学院硕士论文，王群引自中山大学大气科学学院硕士论文，王群基基于外场实验的街谷湍流和热环境研究于外场实验的街谷湍流和热环境研究