最近30年北京城市化对近地层过程的影响研究

To support the development of climate and mesoscale weather numerical models,the scientists from Institute of Atmospheric Physics in Chinese Academy of Science and Nanjing University of Information science and technology cooperate together in this project, to examine the impact of Beijing urbanization on near surface layer processes by using the data collected from three tower stations: 325 m height tower at Jande Bridge （urbanic area）, 100 m height tower at Xianghe River(suburb), and 40 m height tower at Gucheng (countryside). The main tasks are (1) to mend the turbulent fluxes for the perod from 1979 through 2004 by using the turbulent data collected from 2005 to today for 325 m tower; (2) to invetigate the influence of urbanization on near surface layer processes by using the power spectrum anlysis method for separating the data signal; and (3)to invetigate the influence of urbanization on near surface layer processes for difference city scales and different unbanziation degrees by using the data cllected at a 100 m tower in Baltimore city in United States against the data collcetd at our 325 m tower.

为了支撑气候模式和中尺度天气数值模式的研发，本项目中，中国科学院大气物理研究所研究人员与南京信息工程大学的同行合作，利用中国科学院大气物理所所属的建德桥325米铁塔(代表城区)和香河100米铁塔（代表郊区）观测系统采集的资料，结合中国气象局固城40米铁塔（代表农村）观测系统采集的数据，研究城市化进程对北京地表特征和近地层过程的影响。主要工作包括：（1）利用湍流通量参数化方案和最近6年的综合观测资料，进行观测资料时间序列的修补完善和延伸，尤其是湍流通量时间序列的延伸；（2）利用功率谱分析方法，将观测资料中不同频率、不同尺度的信号分离开来，甄别城市化进程对325米铁塔观测源区地表特征、近地层辐射收支、能量平衡等近地层过程的影响；（3） 将北京325米铁塔观测资料与美国Baltimore市区100米铁塔观测资料进行对比研究，分析不同城市规模和不同城市化进程对近地层过程的影响。

过去30年的城市化进程包括建筑物的高度不断增加和城市面积日增，定量地理解城市化对城市近地层过程尤其是地表空气动力粗糙度和热力粗糙度的变化对于数值模式的参数设置具有特别现实的意义。本项目首先采用世界最先进的质量控制技术对北京大塔30年采集的三层大气湍流资料进行质量控制；其次采用湍流通量参数化方法再现325米铁塔观测源区1979-2004年期间的通量时间序列。最后，用功率谱分析方法从观测资料（气温，湿度等）分离出（a）低频信号：气候信号，1-2周振荡，季节内振荡（1-2周甚至40-60天），（b）高频信号：1-3天的天气尺度和数小时的中尺度系统。振幅短期天气信号（移动的天气波系统），（c）季节变化和日变化信号，以及（d）人类活动的信号。结果表明，最近30年，随着城市化的推进，近地层水平风速逐步减小。其科学意义在于这一结果有助于解释重污染天气日益频繁出现的动力原因。