边界层气象学课件：09边界层观测实验数值模拟
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MM5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 30KM×30KM, 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
Y/km
经过九龙半岛的香港地区南北剖面的位温 28日12时经过九龙半岛X=40km处南北
分布图
剖面湍流动能(m2/s2)垂直分布图
街谷/小区尺度城市风环 境的物理
(风洞和水槽)及数值模拟
北京大学拖曳式水槽
拖动水槽中，街谷地面加热引起的速度场分布；其中 H/D=0.83，ΔT=5.8℃。
← 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CBD地区放进风洞里
风洞实验段CBD模型（南风）
单个高楼（引自姜瑜君等）
西北风 5.4 m/s
一些问题
非均匀性 城市的观测网(包括人类活动) 模式显示描述城市下垫面 卫星遥感\模式结果与实际观测的对比 全球城市对气候的影响
Boundary Layer
44
BL wind profiler
45
46
SODAR
47
48
LLJ
49
RASS
50
51
LIDAR, Macau
visibility sensor
Laser beam
52
53
Doppler wind LIDAR
54
Scintillometer
Similarity laws for the atmospheric boundary layer may be used to determine the near-surface turbulent fluxes of sensible (H) as well as latent heat (LE) from surface-layer turbulence measurements with scintillometers.
56
(D. Lenshow, 2008)
57
Mobile observation
58
Thanks
59
模式在香港地区复杂地形下的应用
个例天气背景
选取2000年3月28－29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。
55
CSAT3 超声 风速温度计
LI-7500 H2O/CO2 分析仪
Eddy Covariance system
EC system
HMP-45 平均温湿
度计
H CP w'T ' E w'q'
FC w'CO2'
The search for Big Eddie, Utah，2005 （McNaughton et
量和边界层) Total: 16 sites 3. 航测 4. 2004年9月25－11月5日
Legend
• Regional
Δ Urban Supersite
大气边界层探测
地面站
－风、温、湿、辐射
探空
清远 －风、温
番禺
新垦
观测期间天气和地面气象条件
10-9
10-10
10日起， 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。
二站比较：边界层厚度
10
10日 TIME-H WIND，Xinken
09
10
11
12
09-12 POT.TEMP PROFILES
09
10
11
12
偏 南 暖 湿 气 流
南海
下沉气流
偏
北
逆温层
干
冷
气
流
珠江三角洲城市群 图 6.15 珠江三角洲大气边界层概念模型
南岭山脉
空气质量优良
偏南暖湿气流
hour 35
30
25
20
15 10
5
0
1 4 7 10 13 16 19 22 1 4 7 10 13 16 19 22 1 4 7 10 13 16 19 22
3－28
hour
3－29
3－30
a流浮山
风速 风向 温度
Y/ k m
X/km
28日08时10米高水平风场、水平温度场模拟图及地面观测 站观测值水平分布
第九章 边界层观测实验及数 值模拟
一、观测－－以珠江三角洲（PRD）边界层观测为例 二、数值模拟－－以城市边界层模拟为例 三、边界层观测仪器
一、观测
以珠江三角洲（PRD）边界层观测为例
区域大气复合污染的 立体观测及污染过程
矩形：
PRD2004年10月 加强观测
断面：
垂直：
1. 16 个地面常规站 2. 2 个超级站: 广州市区、新垦(空气质
ABL Observational Platforms
• Tower • Aircraft • Balloon • Kite • Ship • Satellite • Car • Etc.
43
Remote Sensing
Emeis 2010, Surface-Based Remote Sensing of the Atmospheric
南海
珠江三角洲城市群
南岭山脉
静小风（冷暖气流强度相当）和逆温层导致珠江
三角洲地区空气质量变差
15
空气质量差
下沉气流
逆温层
南海
珠江三角洲城市群
南岭山脉
大范围强下沉气流导致珠江三角洲地区空气质 量变差
16
海风环流
晴天日间
热岛环流
谷风环流
南海 陆风环流
珠江三角洲城市群脉 山风环流
°C
WD
WS(m/s)
7
6
5
4
3
2
1
0
1 4 7 10 13 16 19 22 1 4 7 10 13 16 19 22 1 4 7 10 13 16 19 22
hour 400
350
300
250
200
150
100
50
0
1 4 7 10 13 16 19 22 1 4 7 10 13 16 19 22 1 4 7 10 13 16 19 22
南海
珠江三角洲城市群
南岭山脉
影响珠江三角洲地区的局地环流示意图 17
几个问题
➢珠三角边界层偏稳定,不利于扩散 ➢夜间，上下层风向相反; ➢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 ➢大气污染和边界层的相互影响 ➢边界层概念模型的验证
二、城市边界层的物理和数值 模拟
香港城市边界层个例模拟
偏南风控制
南海
空气质量优良
珠江三角洲城市群
偏北风控制
南岭山脉
偏北干冷气流
南海
珠江三角洲城市群
南岭山脉
强风（暖或冷气流强）使珠江三角洲地区空气质量改善
14
空气质量差
偏南暖湿气流
弱逆温控制
弱冷空气楔入暖空气下部
南海
空气质量恶劣
偏南暖湿气流
珠江三角洲城市群
南岭山脉
强逆温控制
冷暖气流强度相当
逆温层
偏北干冷气流
10-11
10-12
台风马鞍9日横过本州东南部，10日清晨减弱为一强烈热带风暴， 继而变成一温带气旋
10,11 SURFACE WIND AND T
10/02
10/20
11/14
11/20
12 SURFACE WIND AND T
12/02
12/20
10月珠三角空气污染指数
2004年10月1- 31日广州API指数 日期 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 指数 92 58 36 54 60 64 77 83 83 104 115 100 108 115 105 日期 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 指数 100 100 85 89 91 73 69 91 92 87 75 82 94 100 104 100
Y/km
经过九龙半岛的香港地区南北剖面的位温 28日12时经过九龙半岛X=40km处南北
分布图
剖面湍流动能(m2/s2)垂直分布图
街谷/小区尺度城市风环 境的物理
(风洞和水槽)及数值模拟
北京大学拖曳式水槽
拖动水槽中，街谷地面加热引起的速度场分布；其中 H/D=0.83，ΔT=5.8℃。
← 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CBD地区放进风洞里
风洞实验段CBD模型（南风）
单个高楼（引自姜瑜君等）
西北风 5.4 m/s
一些问题
非均匀性 城市的观测网(包括人类活动) 模式显示描述城市下垫面 卫星遥感\模式结果与实际观测的对比 全球城市对气候的影响
Boundary Layer
44
BL wind profiler
45
46
SODAR
47
48
LLJ
49
RASS
50
51
LIDAR, Macau
visibility sensor
Laser beam
52
53
Doppler wind LIDAR
54
Scintillometer
Similarity laws for the atmospheric boundary layer may be used to determine the near-surface turbulent fluxes of sensible (H) as well as latent heat (LE) from surface-layer turbulence measurements with scintillometers.
56
(D. Lenshow, 2008)
57
Mobile observation
58
Thanks
59
模式在香港地区复杂地形下的应用
个例天气背景
选取2000年3月28－29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。
55
CSAT3 超声 风速温度计
LI-7500 H2O/CO2 分析仪
Eddy Covariance system
EC system
HMP-45 平均温湿
度计
H CP w'T ' E w'q'
FC w'CO2'
The search for Big Eddie, Utah，2005 （McNaughton et
量和边界层) Total: 16 sites 3. 航测 4. 2004年9月25－11月5日
Legend
• Regional
Δ Urban Supersite
大气边界层探测
地面站
－风、温、湿、辐射
探空
清远 －风、温
番禺
新垦
观测期间天气和地面气象条件
10-9
10-10
10日起， 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。
二站比较：边界层厚度
10
10日 TIME-H WIND，Xinken
09
10
11
12
09-12 POT.TEMP PROFILES
09
10
11
12
偏 南 暖 湿 气 流
南海
下沉气流
偏
北
逆温层
干
冷
气
流
珠江三角洲城市群 图 6.15 珠江三角洲大气边界层概念模型
南岭山脉
空气质量优良
偏南暖湿气流
hour 35
30
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15 10
5
0
1 4 7 10 13 16 19 22 1 4 7 10 13 16 19 22 1 4 7 10 13 16 19 22
3－28
hour
3－29
3－30
a流浮山
风速 风向 温度
Y/ k m
X/km
28日08时10米高水平风场、水平温度场模拟图及地面观测 站观测值水平分布
第九章 边界层观测实验及数 值模拟
一、观测－－以珠江三角洲（PRD）边界层观测为例 二、数值模拟－－以城市边界层模拟为例 三、边界层观测仪器
一、观测
以珠江三角洲（PRD）边界层观测为例
区域大气复合污染的 立体观测及污染过程
矩形：
PRD2004年10月 加强观测
断面：
垂直：
1. 16 个地面常规站 2. 2 个超级站: 广州市区、新垦(空气质
ABL Observational Platforms
• Tower • Aircraft • Balloon • Kite • Ship • Satellite • Car • Etc.
43
Remote Sensing
Emeis 2010, Surface-Based Remote Sensing of the Atmospheric
南海
珠江三角洲城市群
南岭山脉
静小风（冷暖气流强度相当）和逆温层导致珠江
三角洲地区空气质量变差
15
空气质量差
下沉气流
逆温层
南海
珠江三角洲城市群
南岭山脉
大范围强下沉气流导致珠江三角洲地区空气质 量变差
16
海风环流
晴天日间
热岛环流
谷风环流
南海 陆风环流
珠江三角洲城市群脉 山风环流
°C
WD
WS(m/s)
7
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南海
珠江三角洲城市群
南岭山脉
影响珠江三角洲地区的局地环流示意图 17
几个问题
➢珠三角边界层偏稳定,不利于扩散 ➢夜间，上下层风向相反; ➢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 ➢大气污染和边界层的相互影响 ➢边界层概念模型的验证
二、城市边界层的物理和数值 模拟
香港城市边界层个例模拟
偏南风控制
南海
空气质量优良
珠江三角洲城市群
偏北风控制
南岭山脉
偏北干冷气流
南海
珠江三角洲城市群
南岭山脉
强风（暖或冷气流强）使珠江三角洲地区空气质量改善
14
空气质量差
偏南暖湿气流
弱逆温控制
弱冷空气楔入暖空气下部
南海
空气质量恶劣
偏南暖湿气流
珠江三角洲城市群
南岭山脉
强逆温控制
冷暖气流强度相当
逆温层
偏北干冷气流
10-11
10-12
台风马鞍9日横过本州东南部，10日清晨减弱为一强烈热带风暴， 继而变成一温带气旋
10,11 SURFACE WIND AND T
10/02
10/20
11/14
11/20
12 SURFACE WIND AND T
12/02
12/20
10月珠三角空气污染指数
2004年10月1- 31日广州API指数 日期 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 指数 92 58 36 54 60 64 77 83 83 104 115 100 108 115 105 日期 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 指数 100 100 85 89 91 73 69 91 92 87 75 82 94 100 104 100