城市地表能量平衡及热力粗糙度特征研究

It is still one of the key issues that the mass, energy and momentum exchange between urban land surface and atmosphere in boundary layer research. Based on eddy fluxes observations at 325 m tower of institute of Atmospheric Physics, Shunyi Meteorology Bureau, Miyun Meteorology Bureau, Shangdianzi Regional Background Station and Xiaotangshan Agricultural Experiment Station in Beijing city, fluxes values, temporal variation characteristics and energy budget among five sites will be compared and analyzed; differences in flux observation results between Beijing and foreign cities will be discussed and analyzed, moreover, the relationship between the parameters of land cover type and percentage, as well as building height and layout and ratios of sensible and latent heat fluxes to the net radiation will be studied. Observation values of kB-1 will be used to test simulation data of parameterization scheme, further to improve parameterization of kB-1. The research results will supply scientific foundation to improve the urban canopy model/land surface model physics process, city-specific Numerical weather prediction accuracy, as well as the comprehension of thermodynamic properties differences between urban and natural surfaces, urbanization process impacting on weather and climate.

城市地表与大气间的物质、能量和动量交换研究是当前大气边界层研究的热点之一。本项目拟利用已有的北京城市市区、城郊和远郊区多点、同步的通量观测资料，对比分析不同下垫面的辐射和能量平衡各分量的数值大小、变化规律及能量收支特征；探讨用地属性、土地覆盖类型及其所占比例以及建筑物的高度、布局等因素与能量分配之间的相关关系。在此基础上，以观测值检验kB-1 参数化方案的计算结果，并改进、完善kB-1的参数化方案。研究成果将为改善城市冠层/陆面模式物理过程、提高城市数值天气预报精度、深入探讨城市与自然下垫面热力性质的差异，以及城市化进程对天气、气候的影响提供科学依据。

城市气候的形成源于城市下垫面独特的动力学和热力学特性改变了地-气交换过程，因此对城市边界层湍流交换过程的认识非常重要。我国的城市无论是地面覆盖物种类及所占比例还是建筑风格、建筑物的高度和布局都与欧美城市有明显差异，需针对城市自身气候条件和下垫面特点开展通量观测研究分析。.本项目的主要研究内容包括：1）北京市区和城郊区辐射和能量平衡各分量数值大小、变化规律及分配特征的对比分析；2）北京城郊区能量平衡时间变化特征及影响因素的分析；3）Hockey-Stick Transition（HOST）理论在城市中的应用;.本项目取得的主要成果如下：1）证实了受输入水源的影响，在植被覆盖率（λ_v）低于或接近其它城市的情况下，夏季北京城市的Bowen值更小；2）建筑物覆盖率（λ_b）相似的情况下，较小的“街谷比”（H/W）导致北京市区的感热通量日间最大值偏低；3）因为频繁输入水源的干扰，北京城市无法建立雨后Bowen值随时间（小时、天）变化的经验公式；4) HOST假设能够应用于城市复杂地形，并且HOST假设描述的大气湍流运动更加接近于实际大气运动; 5）项目研究成果发表文章5篇，其中2篇是SCI；6）项目组1人获得研究员任职资格，培养工程师1名；项目负责人获得2018年度国家公派留学资格；.项目研究结果可直接促进城市冠层模式的改进；HOST假设的城市适用性研究补充完善了边界层湍流理论；城-郊下垫面能量分配特征的差异及人为活动对其的影响分析结果可供城市生态、城市热环境以及城市水文等多个研究领域借鉴参考。