（大气物理学与大气环境专业论文）利用wrf模式模拟复杂地形城市边界层的数值试验.pdf

= 州 掌h 究l 掌m * i 摘要 本文针对城市气溶胶辐射效应与大气边界层的相互作用问题，以复杂地 形的兰州市及周边地区冬季典型天气形势下的大气边界层为研究对象，在已 有工作的基础上，将w r f ( w a t h e rr e s e a r c ha n df o r e c a s t ) 模式与包含了大气 气溶胶辐射效应和气溶胶粒子扩散的大气边界层耦合模式嵌套起来。从w r f 模式中选择4 种物理过程参数化方案进行数值模拟，为嵌套系统提供不同的 逐时侧边界条件，进而在w r f 与边界层的嵌套耦合模式系统中进行风、温 场的对比模拟试验，通过与观测资料的比较和理论分析，找到一种物理意义 更合理、效果更佳的模拟方案来为大气扩散模拟提供更为接近实际的气象场， 并由大气扩散模式模拟出的浓度场计算了兰州地区气溶胶辐射效应对城市边 界层的影响程度。通过物理过程参数化方案的比选，改进和提高了大气边界 层耦合模式系统的模拟能力。 ( 1 ) 在w r f 模式中，4 种物理过程参数化方案对位温和风速的模拟在边界 层中上层差别不大，但在边界层中下层位温最大相差2 k ；风速在6 5 0 m 以下 最大相差1 3 m s 。 ( 2 ) w r f 与边界层模式的嵌套模式系统中，4 种方案对风温场的模拟结果 在相对高度6 0 0 m 以上差别不明显，而6 0 0 m 以下开始出现差异。特别是在3 0 0 m 以下这种差别非常明显。比较而言，方案l 物理意义更合理、模拟结果更接 近观测值，方案2 、3 稍差，方案4 的模拟效果最差。模拟结果的统计参数验 证也证明了方案1 的模拟效果最佳。 ( 3 ) 改进边界层模拟能力后，首次模拟出了夜间在2 0 0 r a 高度层，兰州市 区西部盆地上空t s p 浓度存在第二个极值，约为2 2m g m 3 ，这与兰州西固 区有多个高架污染源及夜间较强逆温有很好的对应。代表性测点上模拟的 t s p 浓度廓线表明，下午1 5 时浓度达到最高，垂直扩散范围最大，也与此时 混合层发展强盛相呼应。 ( 4 ) 通过数值试验，计算了气溶胶辐射效应作用3 小时后对气象场的影响 程度，得到了一些与已有研究不完全相同的结论：夜间，气溶胶的长波辐射 效应使地面附近的气温增高，3 h 内增温幅度为0 1 o 2 2 k ，使低空( 1 0 5 0 0 m ) 大气层冷却，3 h 内降温幅度为0 0 8 o 3 9 k ：风速在2 5 2 0 0 m 层内减小 0 0 4 9 0 0 9r r d s 2 0 0 m 以上风速基本无变化。白天，气溶胶的短波辐射效 = 掌日，：l 掌* 。i 应使边界层内明显增温，气温在3 h 内升高约0 4 6 1 3 9 1 ( ，增温最大值在混 合层顶5 0 0 m 高度附近。受增温影响，风场随之调整，风速在3 0 0 m 以上增大 最人增幅为0 2 m s 左右，在3 0 0 m 以下风速减小0 0 4 l o 1 3 7 m s 。 本文的工作改进了已有的大气边界层耦合模式系统，有助于深入了解城 市气溶胶辐射效应与边界层气象场的相互影响，希望进一步工作可对气溶胶 辐射强迫与气候响应的研究有所促进。 关键词：w r f 模式气溶胶辐射效应参数化方案大气边界层数值模拟 _ 兰，t i 掌h 究生掌m 论文 a b s t r a c t f o c u s e do nt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e na t m o s p h e r i cb o u n d a r yl a v e r ( a b l ) a n dr a d i a t i v e e f f e c to fu r b a na e r o s o l ，t h ep a p e ri n t e g r a t e st h ew r f ( w e a t h e rr e s e a r c ha n df o r e c a s t ) m o d e lw i t ht h ea b lm o d e ii nw h i c ht h er a d i a t i v ee f f e c ta n dt h ed i f l u s i o no fu r b a n a e r o s o lp a r t i c l e sa r ec o n s i d e r e d ，t h r o u 曲t h en e s t i n gs c h e m e ，a n ds t u d i e sw i n t e ra b lo f t h et y p i c a lw e a t h e rc o n d i t i o ni nl a n z h o ua r e aw i t hc o m p l e xt e r r a i nb a s e do np r e v i o u s r e s e a r c hr e s u l t s f i r s t l yt h ep a p e rp e r f o r m ss o m ec o r r e s p o n d i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n w i t hf o u rp a r a m e t e r i z a t i o ns c h e m e so fp h y s i c a lp r o c e s st o p r o v i d ed i f f e r e n t s i d e b o u n d a r yc o n d i t i o no f e a c hh o u rf o rt h en e s t i n gs y s t e m ，a n dc a r r i e so u ts i m u l a t i o n c o m p a r a t i v et r i a lo fw i n ds p e e da n dp o t e n t i a lt e m p e r a t u r ew i t ht h en e s t i n gs y s t e mo f w r fa n da b lm o d e l t h o nas i m u l a t i o ns c h e m ew i t hr e a s o n a b l ep h y s i c a lm e a n i n ga n d r e a s o n a b l es i m u l a t i o nr e s u l tc o m p a r i n gw i t hr e a lm e t e o r o l o g yf i e l d sw a sf o u n dt h r o u g h t h ea n a l y s i so ft h e o r ya n do b s e r v a t i o n f i n a l l yj tw a sc a l c u l a t e dt i i a tt i l ei n f l u e n c eo f a e r o s o ir a d i a t i v ee f f e c to nu r b 卸b o u n d a r yi a v e rs t r u c t u r eo fl a r l 2 l l o ui n v i t e df r o mt h e a e r o s o lc o n c e n t r a t i o nw h i c hs i m u l a t e db ya t m o s p h e r i cd i f f u s i o nm o d e l b yc o m p a r i n g t h ed i f f e r e n tp a r m a a e t e r i z a t i o ns c h e m e so fp h y s i c a lp r o c e s s ，t h es i m u l a t i v ea b i l 时o ft h e c o m p r e h e n s i v ea b lm o d e ls y s t e m mi m p r o v o d ( 1 ) b yw r fm o d e lw i t 1f o u rp h y s i e a lp a r a m e t e r i z e ds c h e m e s t h ed i f f e r e n c ei nt h e s i m u l a t i v ep o t e n t i a lt e m p e r a t u r ea n dw i n ds p e e di nu p p e ra b li sl i t t l e h o w e v e rt h e d i 旋r e n e eo fp o t e n t i a lt e m p e r a t u r ec a nr e a c h2 kw i t ht h em a x i m u mi nl o w e ra b l a n d t h eb i g g e s td i f f e r e n c eo fs i m u l a t i v ew i n ds r m di s1 3 m sb e l o wt h eh e i g h to f 6 5 0 ma tt h e s a m et i m e ( 2 ) t h r o u g ht h ec o m p r e h e n s i v ea b lm o d e ls y s t e mw h i c hi n t e g r a t e dw r fm o d e l w i t hf o t i ts c h e m e sa n da b lm o d e l t h ed i f f e r e n c eo f s i m u l a t i v ew i n ds p e e da n dp o t e n t i a l t e m p e r a t u r ei sn o to b v i o u sa b o v e6 0 0 ml e v e l b u tt h ed i f f e r e n c ei si n c r e a s i n gb e l o w6 0 0 m l e v e l ，e s p e c i a l l yb e l o w3 0 0 ml e v e l c o m p a r a t i v e l y , t h ef i r s ts c h e m ei sm o s tr e a s o n a b l ei n t h es i m u l a t i o nt r i a lw i t ht h ef o u rp h y s i cp r o c e s s e s a n di t ss i m u l a t i o nr e s u l ti sc l o s e s tt o t h eo b s e r v a t i o n t h es e c o n da n d 幽i r ds c h e m e sa l en o ta sg o o da st h ef i r s to n e a n dt h e f o u r t hs c h e m ei sw o r s t s t a t i s t i c a lp a r a m e t e rt e s to fs i m u l a t i o nr e s u l ta l s op r o v e st h a tt h e f i r s ts c h e m e ；st h em o s tp e r f e c to n e ( 3 ) w i t hi m p r o v i n gs i m u l a t i v ea b i l i t yo fa b lm o d e l t h es i m u l a t i o nr e s u l to ft h e a t m o s p h e r i cd i f l u s i o nm o d e li sa l s od e v e l o p e d ，t h ed i s t r i b u t i o no ft s ps i m u l a t i o n c o n c e n t r a t i o nf i r s tt i m es h o w st h a tt s pc o n c e n t r a t i o nh a sa s u b m a x i m u m ( a b o u t2 2 m g m ) a tn i g h ta t2 0 0 ml e v e lo v e rt h ew e s tb a s i no fl a n z h o u ，w h i c hi sg r e a t l y c o r r e s p o n d i n gt os o m eh i g hp o l l u t a n ts o u r c e si nx i g ua r e ao fl a n z h o ua sw e l la ss t r o n g t e m p e r a t u r ei n v e r s i o na tn i g h t t s ps i m u l a t i v ec o n c e n t r a t i o np r o f i l ei nt y p i c a ls i t es h o w s a tl5 ：0 0t h ec o n c e n t r a t i o na n dv e r t i c a ld i f l u s i o nt a n g er e a c ht h ea c m e a n dt h e ya l ea l s o c o r r e s p o n d i n gt ot h ew e l ld e v e l o p e dm i x t u r el a v e r , “) t h ee x t e n ti n f i u e n c e db ya e r o s o lr a d i a t i v ef o r c i n go nm e t e o r o l o g i c a lf i e l df o r t h r e eh o u r sw a sc a l c u l a t e dt h r o u g hn u m e r i c a le x p e r i m e n t ，a n ds o m ec o n c l u s i o n sa r en o t v e r yc o n s i s t e n tw i t hp r e v i o u sr e s e a r c h e s ：d u r i n gt h en i g h t ，t h el o n gw a v er a d i a t i v e f o r c i n go fa e r o s o lm a k e st e m p e r a t u r ei n c r e a s i n gn e a rt h ee a r t hs u r f a c e ( i n c r e a s e s 0 1 - 0 2 2 ki nt h r e eh o u r s ) ，a n di ta l s om a k e st h el o w e rl a y e r ( 1 0 - 5 0 0 m ) c h i l l i n g = 州 掣目究生掌位 文 ( d e c r e a s e s0 0 8 - 4 ) 3 9 ki nt h r e eh o u r ) 7 f h ew i n ds p e e dd e c r e a s e s0 0 4 9 o 0 9 m si nt h e l a y e r sb e t w e e n2 5t o2 0 0m a n di sn e a r l yac o n s t a n ta b o v e2 0 0 ml e v e l ( 咎d u r i n gt h e d a y t i m e t h et e r n p e r a t u r ei n c r e a s e ss i g n i f i c a n t l yi na b ld u et ot h es h o f tw a g er a d i m i v e f o r c i n go f a e r n s o l ( i n c r e a s e s0 4 6 - 1 3 9 ki nt h r e eh o u r s ) w i t ht h em a x i m u ma tt h et o po f m i x t u r el a y e r ( a b o u t5 0 0m e t e r sh i 曲) i n f l u e n c e db yt h et e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g ，t h ew i n d f i e l di sa d j u s t e dc o r r e s p o n d i n g l y , a n dt h ew i n ds p e e di n c r e a s ea b o v e3 0 0 ml e v e l ( w i t ht h e m a x i m u ma b o u t0 2 m s ) a n dd e c r e a s e s0 0 4 1 - 0 1 3 7 m sb e l o w3 0 0 mi e v e l n j ss t u d yh a si m p r o v e dt h ee x i s t i n gc o m p r e h e n s i v ea b lc o u p l i n gm o d e ls y s t e m i t w i l lh e l pt ou n d e r s t a n dd e e p l yt h ei n t e r a c f i o nb l k + w e e ru r b a na e r o s o lr a d i a t i v ee f f e c ta n d m e t e o r o l o g i c a lf i e l di na b l a n di ti sh o p e f u lt oa c c e l e r a t et h er e s e a r c h e so fa e l l o s o l r a d i a t i v ef o r c i n ga n dc l i m a t er e s p o n s e k e y w o r d s ：w r fm o d e l ，a e r o s o lr a d i a t i v ee f f e c t , p a r a m e t e r i z a t i o ns c h e m e ， a t m o s p h e d cb o u n d a r yl a y e r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n v 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行 研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、 数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成 果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：i 塑! 垫墨日期：担! 上：抄 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰 州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学 校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本 人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：i 塑! 旦垫师签名：j 益与纽，_ 日期：趟。上：少 _ 兰j i 掌* 究掌t * 第一章绪论 1 1 大气气溶胶研究的意义 气溶胶的严格含意是指悬浮在气体中的固体或液体微粒与气体载体共同组 成的多相体系。相应的，大气气溶胶是指大气与悬浮在其中的固体和液体微粒共 同组成的多相体系。大气气溶胶粒子的直径多在1 0 一一1 0 2 p m 之间。很多过程可 以产生气溶胶，根据来源可分为自然气溶胶和人为气溶胶。自然源主要是海洋、 土壤和生物圈以及火山等；人为源主要来自化石燃料的燃烧、工农业生产活动等 ，2 】。工业革命以来，人类活动不仅直接向大气排放大量颗粒物，而且也向大气 排放大量的s o 。和n o 。s 0 ：和n o 在大气中通过非均相化学反应逐渐转化成硫酸 盐和硝酸盐粒子，形成二次气溶胶。污染气体形成的大气气溶胶自工业革命以来 有大幅度增加。来自自然源的气溶胶如沙尘，也由于人类活动利用土地变化而发 生着改变。 尽管气溶胶只是地球大气成分中含量很少的组分，但由于其在许多大气过程 中的重要作用而日益受到重视。随着环境污染问题的发展，人们已认识到大气气 溶胶自身的污染特性与其物理化学性质以及在大气中的非均相化学反应有着密 切的关系。气溶胶还与其他环境问题如臭氧层的破坏、酸雨的形成、烟雾事件的 发生等密切相关p 刘。此外，气溶胶对人体和其他生物的生理健康也有其特有的 影响u 。j 。9 0 年代以来，由于气溶胶的气候效应问题，气溶胶再次成为国际学术 界的研究热点之一，大气气溶胶是当今大气化学研究中前沿的领域。国际大气化 学研究计划( i g a c ) 科学指导委员会于1 9 9 4 年将国际全球大气化学研究计划和国 际气溶胶计划( t c a p ) 合并重组，大气气溶胶研究被列为3 大研究方向之一。尤其 是对气溶胶辐射强迫的研究已经成为气候变化研究的前沿问题嘲。 1 2 国内外气溶胶辐射效应研究现状 大气气溶胶不但能通过散射和吸收太阳辐射及热辐射来影响整个地气系统 的辐射收支，宜接影响全球环境和气候的变化，同时它还可以作为云的凝结核影 响云的形成及其微物理结构，通过改变云的辐射特性来问接影响全球环境和气候 的变化。 目前，大气气溶胶的研究内容，发展到包括物理和化学的性状、来源、形成、 时空分布、对气候变化和环境质量的影响以及对大气化学过程的影响等多方面、 j 0 ，1 1 ，o e * l # t * x 多层次的综合研究，也涉及到大气科学的各个领域，具有很强的综合性。 自从城市化开始后，大气颗粒物就成为城市空气污染的重要因素。因此，气 溶胶特性研究一直是大气环境研究的重要的课题。近几十年来，人类活动特别是 工业排放污染物的急剧增长，已经在很大程度上改变了局地和全球范围的大气组 成。日益严重的气溶胶污染不仅直接危害环境，而且通过其辐射效应影响局地和 全球气候。大气气溶胶主要通过以下途径影响辐射平衡：( 1 ) 气溶胶的直接辐射 效应：气溶胶的散射作用将减少入射到地一气系统的直接辐射，起冷却作用： 气溶胶吸收太阳短波辐射，对其所在气层有加热作用；气溶胶不仅影响太阳 短波辐射，也影响红外辐射的传输：( 2 ) 气溶胶的间接辐射效应：气溶胶的存 在可以作为云凝结核，从而改变云的微物理结构和光学特性，气溶胶浓度的增加 可导致云滴浓度的增加，增强低层水云的反照率，起冷却作用：大量气溶胶粒 子的存在还可以使云滴尺度减小，云的生命期延长，云的数量增加，进而间接影 响地一气系统的能量收支。有很多学者进行了相关研究，分析了气溶胶的辐射特 性，以及气候强迫和响应1 9 - 9 1 ，同时初步定量地探讨了气溶胶增加可能产生的气 候变化 2 0 - 2 1 1 等问题。 就局地尺度而言，城市气溶胶污染物不但对太阳辐射有很强的削弱作用，同 时增加了大气长波辐射( o k e ，1 9 8 7 ) ，对局地能量平衡起到重要作用 2 2 1 。中国北方 城市大气颗粒物污染十分严重，尤其是冬季燃煤取暖产生的颗粒物浓度高，相应 地其辐射效应也十分明显。根据观测，兰州城市气溶胶有强烈的辐射效应 2 3 1 。 兰州城市烟雾层高度在5 0 0 8 0 0 m 之间，平均6 0 0 m ，城市烟雾层光学厚度 ( x 踟5 5 p r o ) 为0 6 l ，占整层大气气溶胶光学厚度的7 0 ：正午到达地面的太阳 直接辐射比郊区的小5 8 9 ，太阳总辐射比郊区的小2 8 5 。由此可见，如此强 烈的气溶胶辐射效应在大气边界层模式中应该加以描述和体现，从而改进现有模 式中对于气溶胶辐射效应处理的不足，提高大气边界层和大气扩散数值模拟能力 和水平。因此需要开展进一步的工作，采用符合实际的气溶胶辐射效应参数化方 案，提供更合理的气象背景场对边界层和大气扩散进行模拟，以便了解气溶胶辐 射效应下的边界层风、温结构特征，和污染物分布特点。 数值模拟研究使气溶胶气候效应的量化研究成为可能【2 4 2 ”。9 0 年代初以来， 有关人为气溶胶辐射强迫及其气候效应的定量化研究取得了很大的进展。也有一 些工作已经探讨了气溶胶辐射效应对边界层的影响。b e r g s t r o n 等( 1 9 7 3 ) 、 z d u n k o w s k i 等( 1 9 7 6 ) 采用简单的一维模式分析了污染物对边界层温度和风的影 响；y o s h i d a 等( 1 9 9 1 ) 、a w e l c h 等( 1 9 7 8 ) 、v i s k a n t a 等( 1 9 8 0 ) 用二维模式模拟了 h # * ，0 l 掌m 。地。，c 气溶胶对城市辐射传输的作用，认为少量的吸收物质对辐射传输能产生明显的影 响，并改变了边界层结构：c a u t e n e t 等( 1 9 9 2 ) 用二维模式研究了气溶胶对沙漠下 垫面边界层热力结构的作用；陈长和等吲( 1 9 9 3 ) 以兰州冬季观测和计算的气溶 胶辐射效应为基础，用一个简化模式模拟了烟雾层对白天边界层发展的影响：李 乐泉等m 1 ( 1 9 9 2 ) 在一定的气溶胶假设下，利用能量二阶闭合模式。研究了夜间 气溶胶对边界层和扩散的作用，得到在此特定条件下，夜间气溶胶对风、温分布 的影响，以及这种影响通过边界层的反馈使气溶胶浓度分布有所改变，但由于方 案中辐射效应计算和给定的气溶胶源强过于简化，因此限制了模式对实际问题的 描述能力。这些研究表明，在太阳辐射作用下，气溶胶对边界层中温度、风速、 混合层高度等气象参数的影响比较强烈：在气溶胶浓度很高时，通过长波辐射作 用对夜间边界层和扩散也有影响。但这些研究只是从一个侧面阐明气溶胶对特定 边界层的影响，未能解释气溶胶辐射效应对城市边界层的综合影响，特别是气溶 胶和边界层相互作用问题。 另一方面，从大气辐射、大气化学角度研究气溶胶的辐射特征以及化学特性， 也使得我们对于气溶胶有了更深入的认识1 2 7 3 0 1 。但是这些研究常常忽略气象场对 气溶胶分布的作用，静态或孤立地讨论气溶胶的影响。城市大气气溶胶扩散和分 布受边界层气象条件制约，而气溶胶的辐射效应反过来影响着边界层的结构和发 展，进而通过气象场的调整又影响到空气污染物的分布状况，最终又回到城市气 溶胶的辐射效应影响上。这就构成了城市大气气溶胶的辐射效应与城市边界层气 象要素场之间复杂的相互作用、相互反馈的过程。 对上述反馈过程，虽然有不少学者已开始注意，但是尚缺乏深入的研究。在 目前的中尺度模式中，通常对大气辐射过程处理得比较粗略，特别是对气溶胶的 辐射效应，往往或者不考虑，或者只做简化处理。目前有代表性的中尺度模拟系 统如m m 5 、r a m s 、u k m o 中尺度模式等。m m 5 v 3 3 1 1 采用c c m 2 的辐射参数 化方案，其存在问题是由于对气溶胶辐射效应的考虑不足，导致严重低估了大气 对短波的吸收量。在第3 b 舨r a m s i 强i 的辐射参数化方案中，考虑了0 2 、0 3 、 c 0 2 、水汽以及云和水汽凝结物的短波、长波辐射效应，没有考虑气溶胶的影响。 在u k m 0 1 3 3 1 中尺度模式的辐射参数化方案中，短波辐射考虑了晴空大气散射、 水汽吸收、气溶胶散射和云的影响，但气溶胶影响的处理十分租略；长波辐射中 较为仔细的考虑了水汽、c 0 2 、0 3 和云雾中微水滴的吸收，没有考虑气溶胶影响。 气溶胶辐射参数化方案存在的这些问题，很大程度 二影响了中尺度模式对城市和 工业区的模拟能力和水平。 兰州 掌习| ，：生j 啦论文 我国北方城市大气颗粒物污染非常严重，气溶胶辐射效应明显，在进行城 市边界层模拟时采用简单的辐射参数化方案显然无法合理地反映实际情况。在已 有的气溶胶辐射效应研究的基础上，张镭【3 4 i 全面考虑气溶胶辐射效应和边界层 的相互作用，首次提 乜并建立了包含人气气溶胶辐射效应和气溶胶粒子扩散的完 整的边界层数值模式耦合系统，通过较为精确的大气辐射传输方程计算气溶胶辐 射效应的影响，然后输入到边界层模式和大气扩散模式进行研究，较好的模拟了 在气溶胶辐射效应作用下边界层结构的演变特征，揭示了t s p 浓度的垂直分布 和演变特征，并且通过数值试验，分离出了气溶胶辐射效应对边界层结构的影响， 进而揭示边界层的改变引起的t s p 浓度的变化。郑飞【3 5 1 在张镭工作的基础上采 用了将中尺度w r f 模式与边界层数值模式结合起来研究在气溶胶辐射效应作用 下边界层结构的演变特征，一定程度上提高了边界层数值模式的模拟水平。这些 研究不仅对城市小尺度、中尺度模拟具有理论意义和实用价值，而且对区域乃至 全球尺度模拟中的有关问题都具有重要启示。但是张镭和郑飞的研究中，仍有一 些问题需进一步改进，如w r f 模式中的分层方法以及物理过程参数化方案的选 择、边界层耦合模式侧边界和上边界与外界的交换怎样考虑得更合理等。 1 3 本文的主要内容 张镭教授发展的边界层耦合模式采用固定边界条件，虽然具有一定的模拟能 力，但没能考虑到模式系统与外界的物质和能量的交换；而郑飞用w r f 模式给该 耦合模式系统加迸侧边界条件后虽有所改进，但只是应用了w r f 模式众多物理过 程参数化方案中的一种，是否有更合理的侧边界条件提供给边界层模式从而改 进边界层模式的模拟能力昵? 本文正是基于这样的问题，做了一些探索。 以复杂地形的兰州市及周边地区冬季典型天气形势下的大气边界层为研究 对象，在已有工作的基础上，将中尺度w r f 模式与包含了大气气溶胶辐射效应和 气溶胶粒子扩散的大气边界层耦合模式嵌套起来，在w r f 模式中采用新的分层方 法，选择多种物理过程参数化方案，进行了数值模拟和理论分析。 ( 1 ) 使用现有的相对完整的兰州市区1 9 8 9 年1 2 月外场观测资料，对大气边界 层模式系统进行了验证。模拟结果表明，模拟的地面流场能够反映实际流场特征， 8 0 0 m 以下边界层内温度、风与实测的温度、风廓线的变化趋势较为一致，表明 模式具有较好的稳定性：通过统计参数的计算分析从另外的角度也验证了模式的 合理性。 ( 2 ) 使用1 9 8 9 年n n r p 2 资料，利用w r f 中尺度模式对河符城市兰州冬季大 ，t l 掌h ，c ，淳m 论i 气边界层的风场和温度场进行了数值模拟研究，模拟结果与观测事实基本一致， 表明w r i 一 中尺度模式可用于研究山谷城市的大气边界层情况，w r f 中尺度模式可 以为大气扩散数值模式提供大气边界层参数，亦可以为大气边界层模式提供较好 的侧边界气象场。 ( 3 ) 在w r f 模式中采用新的分层方法，选择多种物理过程参数化方案来研究其 对大气边界层模拟结构特征的影响，再通过w r f 与边界层的嵌套耦合模式系统模 拟出兰州市大气边界层的风、温场与实测资料进行对比分析，找到一种最佳模拟 方案。并通过统计参数的计算分析来验证模式方案的合理性。 ( 4 ) 采用( 3 ) 中相对更合理的物理过程参数化方案模拟出的气象场，提供给大气 扩散模式进行数值模拟，着重考察了大气边界层污染物浓度场结构特征和变化情 况。 ( 5 ) 利用“) 中模拟出来的边界层污染物浓度场的特征分布来计算和分析气溶 胶辐射强迫对边界层结构的影响，考察了气溶胶辐射效应的影响程度。 本文工作得到国家自然科学基金项目( 4 0 2 7 5 0 3 9 ) “大气气溶胶辐射强迫及其 与气象场相互作用”和国家高校优秀青年教师教学科研奖励计划资助。 = 州 掌h 兜l 掌t * i 参考文献 1 f 明星人气化学( 第二版) 刚北京：气象出版社1 9 9 9 2 刘强，王明星张仁健人气气溶胶研究进展 j 】气候与环境研究，1 9 9 9 ，4 ( 4 ) ：4 0 6 4 1 4 3 汀交壤人气气溶胶研究新动向 j ，环境化学，1 9 9 9 ，1 8 ( 1 ) ：l o 1 4 4 刘强，王明星，李晶，等人气气溶胶研究现状和发展趋势 j 中国粉体技术，1 9 9 9 ，5 ( 3 ) ： 1 7 2 3 5 车风翔生物气溶胶与人体健康 j 第六届全国气溶胶学术会议论文集1 9 9 7 ：1 2 2 1 6 任阵海浅谈我国的生存环境问题 j 气候与环境研究，1 9 9 9 ，4 ( 1 ) ：l 4 7 任丽新，浒荣高，吕位秀等城市大气气溶胶的物理化学待性及其对人体健康的影响 j 环境研究，1 9 9 9 ，4 ( 1 ) ：6 7 7 3 8 v r a m a n a t h a n ，e j c r u t z e n ，e ta 1 a e r o s o l sc l i m a t ea n dt h eh y d r o l o g i c a l c y c l e j s c i e n c e ，2 0 0 1 ，2 9 4 ：2 1 1 9 2 1 2 4 9 p a n e lo na e r o s o lr a d i a t i v ef o r c i n ga n dc l i m a t ec h a n g eb o a r do na t m o s p h e r i cs c i e n c ea n d c l i m a t ec o m m i s s i o no ng e o s c i e n c e s ，e n v i r o n m e n ta n dr e s o u r c e sn a t i o n a lr e s e a r c hc o u n c i l a e r o s o lr a d i a t i v ef o r c i n ga n dc l i m a t ec h a n g e n a t i o n a la a c a d e m yp r e s s ，w a s h i n g t o nd c 1 9 9 6 1 0 h a n s c n ，m s a t o ，r r u e x l y r a d j 砒i v e f o r c i n g a n d c l i m a t er e s p o n s e f f j = g e o p h y s r e s ， 1 9 9 7 ，1 0 2 6 ) 6 8 3 1 11 c o b s o n ，m a r kz g l o b a ld i r e c tr a d i a t i v ef o r c i n gd u et om u l t i c o m p o n e n ta n t h r o p o g e n i ca n d n a t u r a l a e r o s o l s 川g e o p h y s 船j ，2 0 0 1 ，1 0 6 ( d 2 ) ：1 5 5 i 1 2 王明星，杨昕人类活动对气候影响的研究1 温室气体和气溶胶 j 气候与环境研究， 2 0 0 2 ，7 ( 2 ) ：2 4 7 2 5 4 1 3 i 乇明星气溶胶与气候 j 气候与环境研究，2 0 0 0 ，5 ( 1 ) ：l 5 1 4 付培健，王世红，陈长和探讨气候变化的新热点：大气气溶胶的气候效应【j 地球科 学进展1 9 9 8 。1 3 ( 4 ) ：3 8 7 3 9 3 1 5 钱云符淙斌，王淑瑜沙尘气溶胶与气候变化 j 地球科学进展1 9 9 9 ，1 4 ( 4 ) ：3 9 1 3 9 4 1 6 施0 ，编泽全球气候变化的成因探析 j 灾害学，1 9 9 6 ，1 1 ( i ) ：7 3 7 7 1 7 沈志宝，魏丽我国西北大气沙尘气溶胶的辐射效应 j 大气科学，2 0 0 0 ，2 4 ( 4 ) ：5 4 1 5 4 8 1 8 罗云峰，李维亮2 0 世纪8 0 年代中国地区大气气溶胶光学厚度的平均状况分析 j 气 象学报，2 0 0 1 ，5 9 ( 1 ) ：7 7 8 7 1 9 强立盛，“玉硫酸盐和划尘气溶胶辐射特性及辐射强迫的模拟估算 j 人气科学，学 2 0 0 l ，2 5 ( 2 ) ：2 3 l 2 4 2 2 0 s u r a b im e n o n ，j a m e sh a n s e n ，l a s s an a z a r e n k o 。e t a 1 c l i m a t ee f f e c t so f b l a c kc a r b o n 6 月 掌日l 掌m * x a e r o s o l si nc h i n a a n di n d i a j 】s c i e n c e ，2 0 0 2 ，2 9 7 ：2 2 5 0 2 2 5 3 2 1 辛国君州零维能量平衡模型分析人气气溶胶的气候效麻 j j b 京大学学报( 自然科学 舨) ，1 9 9 9 3 5 ( 3 ) ：3 7 5 3 8 2 2 2 k e t r b o u n d a r yl a y e rc l i m a t e j s e c o n de d i t i o n m e t h u e nc o l o n d o n ，1 9 8 7 2 3 陈长和，王海啸，黄建国，等城市气溶胶辐射效应及对混合层发展的影响 j 科学通报， 1 9 9 3 ，3 8 ( 1 5 ) ：1 3 9 9 1 4 0 2 2 4 手喜红，石广玉东亚地区人为气溶胶校含量变化的模拟研究 j 】气候与环境研究，2 0 0 0 ， 5 ( 1 ) ：5 8 6 6 2 5 张立盛，石广玉全球人为硫酸盐和烟尘气溶胶资料及其光学厚度的分布特征 j 气候 与环境研究，2 0 0 0 ，5 ( 1 ) ：6 7 7 4 2 6 李乐泉，周明煜，李兴生夜间城市大气边界层和气溶胶的相互作用 j 应用气象学报， 1 9 9 2 ，3 ( 1 ) ：3 2 4 1 2 7 王明星大气化学叫 北京：气象出版社，1 9 9 1 2 8 尹宏大气辐射学基础 m 北京：气象出版社，1 9 9 3 ，9 2 9 6 2 9 刘长盛，刘文保大气辐射学 m 南京：南京大学出版社，1 9 9 0 3 0 章澄昌，周文贤大气气溶胶教程北京：气象出版社1 9 9 5 3 1 g r e l l g a j d u d h i a ，d r s t a u f f e r ad e s c r i p t i o no f t h ef i f t h - g e n e r a t i o np e n ns t a t e n c a r m e s o s c a l em o d e l ( m m s ) ，n c a rt e c h n i c a ln o t e ， 1 9 9 4 ，n c a r mi - 3 9 8 + s t r 3 2 w a l k o r l ，c j t r e m b a e k ，r e a h e r t e n s t e i n r 4 m 雷- - t h er e g i o n a l a t m o s p h e r i cm o d e l i n g s y s t e mv e r s i o n3 b ：u s e r i g u i d e ，1 9 9 5 ，a s t e r ，l n c p o b o x 4 6 6 ，f o r t c o l l i n s ，c o 8 0 5 2 2 3 3 g o l d i n g ，b w t h em e t e o r o l o g i c a lo f f i c em e s o s c a l em o d e l j m e t e o r m a g 1 9 9 0 1 1 9 ， 8 1 3 4 张镭城市大气气溶胶与边界层相互作用研究兰州大学博士学位论文，2 0 0 1 3 5 郑飞城市大气边界层对气溶胶辐射效应的响应兰州大学硕士学位论文，2 0 0 4 l 州 掌日l 掌m * 第二章