边界层气象学课件：CH09-边界层观测实验数值模拟

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、边界层观测仪器第九章边界层观测实验及数值模拟一、观测－－以珠江三角洲（P一、观测

以珠江三角洲（PRD）边界层观测为例一、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：垂直：断面：16个地面常规站2个超级站:广州市区、新垦(空气质量和边界层)航测2004年9月25－11月5日PRD2004年10月加强观测区域大气复合污染的

立体观测及污染过程矩形：垂直：断面：1大气边界层探测地面站－风、温、湿、辐射

探空

－风、温清远番禺新垦大气边界层探测地面站清远番禺新垦10-1210-1110-1010-910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。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观测期间天气和地面气象条件10-1210-1110-1010-910日10,11SURFACEWINDANDT10/0211/2011/1410/2010,11SURFACEWINDANDT10/02112SURFACEWINDANDT12/0212/2012SURFACEWINDANDT12/0212/

2004年10月1-31日广州API指数

日期123456789101112131415

指数925836546064778383104115100108115105

日期16171819202122232425262728293031

指数1001008589917369

91

92

87

75

82

94

10010410010月珠三角空气污染指数2004年1二站比较：边界层厚度二站比较：边界层厚度边界层气象学课件：CH09_边界层观测实验数值模拟10日TIME-HWIND，Xinken0912111010日TIME-HWIND，Xinken091211100911101209-12POT.TEMPPROFILES0911101209-12POT.TEMPPROFILE边界层气象学课件：CH09_边界层观测实验数值模拟强风（暖或冷气流强）使珠江三角洲地区空气质量改善强风（暖或冷气流强）使珠江三角洲地区空气质量改善静小风（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大范围强下沉气流导致珠江三角洲地区空气质量变差大范围强下沉气流导致珠江三角洲地区空气质量变差影响珠江三角洲地区的局地环流示意图影响珠江三角洲地区的局地环流示意图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几个问题珠三角边界层偏稳定,不利于扩散二、城市边界层的物理和数值模拟二、城市边界层的物理和数值模拟边界层气象学课件：CH09_边界层观测实验数值模拟香港城市边界层个例模拟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。引自佟华等香港城市边界层个例模拟MM5使用四重嵌套网格，格距分别为27模式在香港地区复杂地形下的应用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。个例天气背景选取2000年3月28－29日为例做个例3－283－293－30a流浮山风速风向温度3－283－293－30a流浮山风速风向温度X/kmY/km28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X/kmY/km28日08时10米高水平风场、水平温度场模拟

经过九龙半岛的香港地区南北剖面的位温分布图

Y/km28日12时经过九龙半岛X=40km处南北剖面湍流动能(m2/s2)垂直分布图

经过九龙半岛的香港地区南北剖面的位温分布图Y/km28日街谷/小区尺度城市风环境的物理

(风洞和水槽)及数值模拟街谷/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℃。

←5mm/sec←拖动水槽中，街谷地面加热引起的速度场分布；其中H/D=0.8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地区放进风洞里北京CBD地区放进风洞里

风洞实验段CBD模型（南风）风洞实验段CBD模型（南风）边界层气象学课件：CH09_边界层观测实验数值模拟边界层气象学课件：CH09_边界层观测实验数值模拟边界层气象学课件：CH09_边界层观测实验数值模拟单个高楼（引自姜瑜君等）单个高楼（引自姜瑜君等）边界层气象学课件：CH09_边界层观测实验数值模拟

西北风5.4m/s

西北风5.4m/s边界层气象学课件：CH09_边界层观测实验数值模拟边界层气象学课件：CH09_边界层观测实验数值模拟边界层气象学课件：CH09_边界层观测实验数值模拟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一些问题非均匀性ABLObservationalPlatformsTowerAircraftBalloonKiteShipSatelliteCarEtc.ABLObservationalPlatformsTowRemoteSensingEmeis2010,Surface-BasedRemoteSensingoftheAtmosphericBoundaryLayerRemoteSensingEmeis2010,SurfBLwindprofilerBLwindprofiler边界层气象学课件：CH09_边界层观测实验数值模拟SODARSODAR边界层气象学课件：CH09_边界层观测实验数值模拟LLJLLJRASSRASS边界层气象学课件：CH09_边界层观测实验数值模拟LIDAR,MacauvisibilitysensorLaserbeamLIDAR,MacauvisibilitysensorL边界层气象学课件：CH09_边界层观测实验数值模拟DopplerwindLIDARDopplerwindLIDARScintillometerSimilaritylawsfortheatmosphericboundarylayermaybeusedtodeterminethenear-surfaceturbulentfluxesofsensible(H)aswellaslatentheat(LE)fromsurface-layerturbulencemeasurementswithscintillometers.ScintillometerSimilaritylawsECsystemThesearchforBigEddie,Utah，2005（McNaughtonetal.2006

）

CSAT3超声风速温度计LI-7500H2O/CO2

分析仪HMP-45平均温湿度计EddyCovariancesystemECsystemThesearchforBigEd(D.Lenshow,2008)(D.Lenshow,2008)MobileobservationMobileobservation59ECData

1)Despiking; 2)Lineardetrending;3)DoubleRotation;4)Spectralcorrection;5)WPLcorrection;6)TestofAmplitudeResolution,DiscontinuitiesandSteadinessofU;7)Fluxqualityassessment;DataPost-Processing(EddyPro)Instrument12Mar-11Nov,2014中山大学学士学位论文，12级应气李丰全EffectsofSurfaceHeterogeneityontheMeasurementofTurbulentHeatFluxes59ECDataDataPost-ProcessinVerticalwindspeed

(a)Unrotated(b)RotatedNW,SW: +(River,Pool,Tree)SE: -(BuildingCavity)Verticalwindspeed

OccurrenceofMeanErrorbar:Standarddeviation61FrictionvelocityThreshold:0.2m/s OccurrenceMean61Friction补充：城市通风及热环境观测。引自中山大学大气科学学院硕士论文，王群《基于外场实验的街谷湍流和热环境研究》补充：城市通风及热环境观测。边界层气象学课件：CH09_边界层观测实验数值模拟边界层气象学课件：CH09_边界层观测实验数值模拟边界层气象学课件：CH09_边界层观测实验数值模拟边界层气象学课件：CH09_边界层观测实验数值模拟ThanksThanks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、边界层观测仪器第九章边界层观测实验及数值模拟一、观测－－以珠江三角洲（P一、观测

以珠江三角洲（PRD）边界层观测为例一、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：垂直：断面：16个地面常规站2个超级站:广州市区、新垦(空气质量和边界层)航测2004年9月25－11月5日PRD2004年10月加强观测区域大气复合污染的

立体观测及污染过程矩形：垂直：断面：1大气边界层探测地面站－风、温、湿、辐射

探空

－风、温清远番禺新垦大气边界层探测地面站清远番禺新垦10-1210-1110-1010-910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。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观测期间天气和地面气象条件10-1210-1110-1010-910日10,11SURFACEWINDANDT10/0211/2011/1410/2010,11SURFACEWINDANDT10/02112SURFACEWINDANDT12/0212/2012SURFACEWINDANDT12/0212/

2004年10月1-31日广州API指数

日期123456789101112131415

指数925836546064778383104115100108115105

日期16171819202122232425262728293031

指数1001008589917369

91

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75

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10010410010月珠三角空气污染指数2004年1二站比较：边界层厚度二站比较：边界层厚度边界层气象学课件：CH09_边界层观测实验数值模拟10日TIME-HWIND，Xinken0912111010日TIME-HWIND，Xinken091211100911101209-12POT.TEMPPROFILES0911101209-12POT.TEMPPROFILE边界层气象学课件：CH09_边界层观测实验数值模拟强风（暖或冷气流强）使珠江三角洲地区空气质量改善强风（暖或冷气流强）使珠江三角洲地区空气质量改善静小风（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大范围强下沉气流导致珠江三角洲地区空气质量变差大范围强下沉气流导致珠江三角洲地区空气质量变差影响珠江三角洲地区的局地环流示意图影响珠江三角洲地区的局地环流示意图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几个问题珠三角边界层偏稳定,不利于扩散二、城市边界层的物理和数值模拟二、城市边界层的物理和数值模拟边界层气象学课件：CH09_边界层观测实验数值模拟香港城市边界层个例模拟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。引自佟华等香港城市边界层个例模拟MM5使用四重嵌套网格，格距分别为27模式在香港地区复杂地形下的应用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。个例天气背景选取2000年3月28－29日为例做个例3－283－293－30a流浮山风速风向温度3－283－293－30a流浮山风速风向温度X/kmY/km28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X/kmY/km28日08时10米高水平风场、水平温度场模拟

经过九龙半岛的香港地区南北剖面的位温分布图

Y/km28日12时经过九龙半岛X=40km处南北剖面湍流动能(m2/s2)垂直分布图

经过九龙半岛的香港地区南北剖面的位温分布图Y/km28日街谷/小区尺度城市风环境的物理

(风洞和水槽)及数值模拟街谷/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℃。

←5mm/sec←拖动水槽中，街谷地面加热引起的速度场分布；其中H/D=0.8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地区放进风洞里北京CBD地区放进风洞里

风洞实验段CBD模型（南风）风洞实验段CBD模型（南风）边界层气象学课件：CH09_边界层观测实验数值模拟边界层气象学课件：CH09_边界层观测实验数值模拟边界层气象学课件：CH09_边界层观测实验数值模拟单个高楼（引自姜瑜君等）单个高楼（引自姜瑜君等）边界层气象学课件：CH09_边界层观测实验数值模拟

西北风5.4m/s

西北风5.4m/s边界层气象学课件：CH09_边界层观测实验数值模拟边界层气象学课件：CH09_边界层观测实验数值模拟边界层气象学课件：CH09_边界层观测实验数值模拟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一些问题非均匀性ABLObservationalPlatformsTowerAircraftBalloonKiteShipSatelliteCarEtc.ABLObservationalPlatformsTowRemoteSensingEmeis2010,Surface-BasedRemoteSensingoftheAtmosphericBoundaryLayerRemoteSensingEmeis2010,SurfBLwindprofilerBLwindprofiler边界层气象学课件：CH09_边界层观测实验数值模拟SODARSODAR边界层气象学课件：CH09_边界层观测实验数值模拟LLJLLJRASSRASS边界层气象学课件：CH09_边界层观测实验数值模拟LIDAR,MacauvisibilitysensorLaserbeamLIDAR,MacauvisibilitysensorL边界层气象学课件：CH09_边界层观测实验数值模拟DopplerwindLIDARDopplerwindLIDARScintillometerSimilaritylawsfortheatmosphericboundarylayermaybeusedtodeterminethenear-surfaceturbulentfluxesofsensible(H)aswellaslatentheat(LE)fromsurface-layerturbulencemeasurementswithscintillometers.ScintillometerSimilaritylawsECsystemThesearchforBigEddie,Utah，2005（McNaughtonetal.2006

）

CSAT3超声风速温度计LI-7500H2O/CO2

分析仪HMP-45平均温湿度计EddyCovariancesystemECsystemThesearchforBigEd(D.Lenshow,