数值模拟在城市气象中的应用

1、数值模拟在城市气象中的应用用方程建立数学模型对大气过程进行模拟，将大气中的物理化学过程转变为计算机中的 运算，相当于用计算来做实验，然后通过图像或者动画将这一过程表现出来，这一过程即数 值模拟。偏微分在气象学的计算中经常出现，因此对偏微分方程进行数值求解就成了解决气 象上问题的关键。在城市气象中，数值模拟也得到了广泛的应用。尤其是对城市热岛进行模拟的模型种类 相对较多。利用Myrup提出的能量平衡模式（假设模拟场有一平坦的地面，且空气质量是均匀分布 的，则在地一气交界层内能量平衡方程为：HRHT+HQ+HS-HA-HM式中：HR一净长波辐射；HT一显热通量；HQ潜热通量；HS土壤热通量；HA一

2、热平流 通量；HM人为热排放。方程中右边的各项当地面失去能量时为正，得到能量时为负）并 对其做了适当的修正，加人了平流传输项，并将人为热排放按网格输人，最后模拟出四季夜 间温度场分布。其研究结果表明利用这个方法模拟的温度场与实测温度场的吻合是较好的用 它来预报夜间城市热岛是可行的1。采用复杂地形下三维城市边界层模式对城市热岛及热岛对污染物扩散的影响进行模拟。 模式包括能刻画城市地表特征的城市边界层能量平衡方程、作为能量平衡模式动力学框架的 城市边界层动力学模式以及为动力学模式提供初始场合边界条件的中尺度模式MM5。模式 既考虑中尺度背景场对城市边界层的影响，又详细刻画城市下垫面的复杂性与多样性

3、对边界 层的重要作用。将MM5模式1 km格距的风场、位温、气压、地表温度结果进行插值作为 复杂地形边界层模式初始场，并每小时输入一次MM5的结果作为侧边条件。其模拟值与实 测值的日变化规律基本一致R。采用RAMS模式对边界层热岛进行数值模拟。它是一个非流体静力、可压缩的三维区 域数值模式。RAMS可以模拟中尺度的对流系统，地形强迫中尺度系统模拟及进行实时中 尺度数值天气鱼白；还可以与扩散模式结合起来，模拟城市污染物的扩散；或者研究建筑周 围小尺度绕流现象。模拟结果图与实际观测结果对照表明，RAMS模式能较好的模拟出复 杂地形下城市边界层的气象环境。采用大涡模拟方法，通过数值求解可压缩流体的动

4、力学方程和欧拉型的浓度扩散方程，建立了不同的地表模型，将城市地表差异等因素作为地面热通量的边界条件引入，得到了简 单区域上的温度场和流场的三维结构，再现了城市热岛效应。计算中采用笛卡尔直角坐标系，该坐标系以东西方向为x轴，南北方向为y轴，垂直地面方向为z轴。大涡模拟过滤后的动量方程为：，V，w为东西、南北和竖直方向的速度分式中,p *=p ,u*=p*u， v*=p*v，w*= p *w； u量;Du,Dv,Dw为湍流扩散项;a Div*为人工阻尼项。此外，对城市大气边界层的特性进行数值模拟的应用也较多4。建立一个研究城乡非均匀下垫面物理过程与大气边界层相互作用的模式。模拟了城市及 郊区、乡村

5、下垫面的地面热量通量、地表温度、混合层高度及大气边界层结构等特征。对城 乡之间的差别进行了对比。式中,n为Exner函数且有n =C P/P00.286上式中c为定压比热，取1 005Jk-i*kg-、R(kg*kg-i) 为比湿,Fu，FR,%为湍流项。结果表明，本模式能合理地模拟不同地表热量平衡、地表气温、混 合层高度、湍流交换系数、湍流动能、位温廓线等，以及它们的日变化。利用中尺度数值模式MM5模拟和分析了辽宁中部城市群各个季节的边界层气象场特 征。MM5的优势在于考虑了城市过程,这一点主要体现于在Noah陆面过程中增加了城市的 影响以及计算地面温度时考虑了发射率。总体来说，模拟得到的高度等值线的数值和分布与 实况非常相近。数值模拟在预报中和气象灾害模拟中都有广泛的应用，它能方便、快捷的运用计算机解 决复杂的过程，并得出近似结果。参考文献：边海 铁学熙天津间城热岛的数值模拟地理学报，1988，6(2): 150-158韩素芹孟冬梅佟华等天津城市热岛及其对污染物扩散影响的数值模拟生态环境学 报，2009,18(2): 403-407仲跻芹北京城市边界层热岛的数值模拟新世纪气象科技创新与大气科学发展214-218张凯杨许春晓崔桂香等城市热岛成因及其对污染物扩散影响的数值模拟气象与环 境学报，2007, 6(3): 10-14刘树华李洁文