文摘

地形的影响,城市化对当地大气发行量在京津冀地区(蓝芽)研究了天气的研究和预测(WRF)模型,以及这些当地的大气循环之间的相互作用。这是发现,在夏季的一天时间,可能存在多尺度热诱导当地大气发行量和互动在同一时间蓝芽;地形影响的加强海风发行量;日落之后,海风的内陆进展放慢了相反的山风;当陆风环流主导了渤海湾,山风循环可以几个陆风环流形成大型流通从山上的海岸线。城市的存在不能改变的一般状态陆微风(SLB)循环和山谷风(多功能车辆总线)循环但行动略有修改这些当地发行量。与此同时,城市热岛的发展(热岛)循环也强烈影响了附近的SLB循环和多频振荡器循环。

1。介绍

京津冀地区(蓝芽),位于华北平原,是中国经济最发达的地区之一,有216000平方公里的区域大小和人口超过1亿。面对渤海,蓝芽地区频繁的影响下陆微风(SLB)发行量在夏季;此外,蓝芽地区位于山区,这也是影响山谷风环流(多功能车辆总线)。此外,快速城市化进程(1,2蓝芽导致显著的城市热岛(热岛)现象(3之间的温度变化),其特点是城市及其郊区农村和热诱导热岛环流。

当地大气发行量发挥重要作用在当地空气质量和边界层结构(4- - - - - -8]。陈等人报道了北京mountain-chimney影响空气污染物的分布利用飞机测量(9]。王等人建议多频振荡器循环可以运输城市污染物山区(10]。罗等人的研究表明,城市化提高了污染物捕获,因此有助于整体空气质量差在珠江三角洲11]。和这些地方大气发行量可以夫妇和互动12]。罗等人建立了一个数量的数值实验,数值模型研究城市化的影响及其相关的热岛在本地,对地区级的核在珠江三角洲大气循环,它是发现,在珠江三角洲提高中尺度强热岛海风环流(13]。Freitas等人的研究发现,城市地区的存在增加了海风锋传播平均速度大约0.32年代⁻¹相比,没有城市的情况(14]。苗族的工作等。15和竞选等。16)表明,地形海风环流中发挥了重要作用。

最近,中国中央政府正在考虑计划升级之间的区域合作北京、天津和河北省渤海湾地区建立一个三方经济领域,成为中国第三的经济引擎,在珠三角、长三角地区。然而,快速城市化已经导致一些蓝芽地区的环境影响,如沉重的霾污染(17- - - - - -19]。更好地管理蓝芽地区迅速恶化的空气质量,实现可持续发展,更好的理解当地的大气蓝芽地区发行量是必要的,包括SLB循环之间复杂的互动,多频振荡器循环,热岛环流,很少研究。

在这项研究中,这些当地大气之间的相互作用对二叔丁基对甲酚地区发行量调查使用天气研究和预测(WRF)模型。第一,地形的影响,城市化进程对当地大气发行量在蓝芽地区研究利用理想化的初始和边界条件。然后是理想化的示意图当地大气发行量总结并与现实模拟发行量。

本文的其余部分组织如下。节2中尺度模式和数值实验设置。节3,并给出了数值结果,讨论了地形和城市化的影响。最后,给出了结论部分4。

2。模型描述和数值设置

使用的中尺度气象模式WRF模式3.5版。为了正确地对待复杂的地形和土地利用华北平原,两个双向嵌套域用于这项研究(图1(一))。内域是一个2公里高分辨率的域,覆盖北京、天津,和四大城市(保定、廊坊、沧州、唐山)河北省渤海湾(图1 (b))。表1列表使用的域配置和物理参数化方案的细节。有55个垂直层从表面到50 hPa水平用来解决当地的大气环流特征。WRF一次性的五级计划(WSM5) [20.)已用于云物理过程使用。辐射处理流程使用更新后的快速辐射传输模型(RRTMG) [21]。延世大学(YSU)行星边界层(PBL)方案22使用)。诺亚地表模型(LSM) [23单层城市树冠模型(UCM) (24,25)用于陆地表面过程。单层模型用于参数化城市的影响树冠表面几何能源和低水平风切变和城市树冠设定的参数是指王等人的研究。26]。

由于地表已经改变了很多在华北平原造成的城市化进程在过去的二十年里,最新的全球土地利用数据集称为GlobCover 200927应用在这个研究。GlobCover 2009等于300米空间分辨率土地覆盖数据集获得的梅里(中分辨率成像光谱仪)传感器在环境卫星任务在1月1日,2009年12月31日,2009年。

调查当地的典型特征,对地区级的核大气发行量和分离他们从其他复杂性的真实氛围,理想化的气象初始和边界条件首先摄取到WRF模拟。自从SLB循环和多频振荡器循环在夏天是很常见的现象,夏季(即的时期。6月、7月和8月)被选中在这项研究。理想化的数值模拟的初始和边界条件建立6小时摘要最终分析(新兵)数据从0600年UTC 8月24日,2013年,0000 UTC 8月25日,2013年。理想化的初始和边界条件是由平均海平面压力和位势高度在每个域上水平,提供一个固定的天气条件。风组件上方和下方指定的750 hPa级别0 m s⁻¹分别和每个层次的平均值。相对湿度(RH)乘以0.25倍,以避免云的影响,并给出0.25的值由几个敏感性实验。42-hourly理想化的模拟是由两个阶段(18 + 24小时)。第一个18个小时从0600 UTC 8月24到0000 UTC 8月25日运行向上,这是第一阶段的模拟。然后在UTC时间0000年8月25日从仿真作为第一阶段第二阶段24小时模拟的初始条件,重新计算从0000 UTC (0800 LST) 0000年8月24日UTC (0800 LST) 8月25日通过使用相同的理想化的边界条件。间隔模型的输出是一个小时。

数值实验由使用GlobCover 2009,理想化的初始和边界条件,认为控制运行(以下简称CNTL)。另外两个理想化实验来确定地形和城市化的影响是相同的控制运行,除了地形的变化(实验)和城市土地利用(农村实验)(表2)。

调查的影响上的天气迫使当地大气发行量,另一个数值实验(真正的)使用相同的数值进行配置,除了现实的使用NCEP新兵初始和边界条件。真正的实验是集成从1200年8月23日UTC, 2013年,0000 UTC 8月25日,2013年,第一个12小时模拟运行向上(表2)。在仿真期间,蓝芽地区主要是高压天气系统;这个弱天气条件下,当地大气发行量。

3所示。结果和讨论

在本部分中,WRF模拟结果(实际实验)首先评估通过使用从地面测量站(图1(一)和表3)。然后地形的影响,提出了城市化进程和讨论。

3.1。WRF仿真的评估

2公里分辨率WRF模拟真实实验的评估与测量(2 m温度、10米风速和风向)五北京附近的地面站点(图1(一)和表3)。这是发现,在晚上,模拟温度在海淀、朝阳、丰台站略高于晚上测量(数字2 (b),2 (d),2 (e))。尽管这种差异,表面温度的昼夜循环模拟。

如图3在仿真期间,表面风速模拟时期相对较低,低于4 m s值⁻¹模拟次数最多的时期。比较测量,它是指出,10米风速在海淀、丰台站(数字3 (b)和3 (e)WRF模式)是高估了。尽管这种差异的风速模拟,大多数风速的波动特征和变化趋势在五个地点在仿真期间可以由WRF模式复制。

对北京地区典型的多功能车辆总线模式可以从时间序列观察风向(图4)。清晨,北京地区是由北部寒冷的山风。中午,由于山区到了温暖的阳光,在北京地区的主导风变成温暖的南方谷风。晚上,山区被夜间辐射冷却,南方谷风逐渐消失,取代了北部斜坡坡度山风。周日多功能车辆总线的发展循环是WRF模式在模拟期间的模拟。

从这个初步验证,结果表明,WRF模式在这项研究中的应用是能够复制蓝芽地区大气条件。

3.2。地形对海风环流的影响

探讨不同地形的制作和修改SLB循环,10 m水平风场的演变图5。与风场的垂直的横截面图中的实线1 (b)如数据所示6和7。

在CNTL实验中,风开始吹在岸约0900 LST(图5(一个)),指示的海风,陆风仍然是占主导地位的平坦的沿海地区实验(图5 (b))。与此同时,山位于河北省的北部和西部是温暖的阳光,温暖,他们相邻的空气向上成为热诱导山谷的微风。然而,在早期的时候(1100年以前LST)谷风环流是不足以影响到遥远的海风环流。

如图6(一)中午(1200 LST),山依然是温暖的太阳,谷风环流变得更强,开始扮演一个角色在海风环流的发展。向上1200 LST,温暖的山谷风的高度可以达到3 - 4公里的山区,然后变成高空antivalley风,从山区到海边吹来的。在上层,空气包裹流向大海,空气包裹成为冷却和密度;因此,当空气包裹到达海岸线,其中一些将会登上表面水平和参与那里的海风环流(图6(一))。因此,温暖向上的谷风,西北高空风,冷向下流动,海风构成逆时针环流从西南方向图6(一)从渤海湾,山脉。

CNTL案例比较,发病的海风平约1200 LST(图7(一)),一个大约3小时滞后;的那一刻,在地形的存在,海风前面已经深入内陆(图13公里6(一))。

下午,海风进一步强化和继续深入内陆;1900 LST,内陆的距离平的情况下延长了大约30公里(数字5 (d)和7 (b)),这是最大的内陆渗透距离平的情况下,虽然距离内陆CNTL案件约60公里在1900 LST(图5 (c)),这是只要平的情况下的两倍。图5显示的内陆渗透过程海风强烈依赖于地形。

在地形的存在,海风和热诱导向上谷风可以白天耦合,导致一个更强大的海风环流,类似的研究结果提出了Lu和特科(28和苗等。15]。

后1900 LST,海风平的情况下将会消失,取而代之的是陆风(图7 (c)),而海风仍然主导着海岸线,进一步延伸到内陆CNTL直到2200年LST和达到最大内陆距离(约110公里)2200 LST(图6 (b))。

CNTL实验,晚上山上被夜间辐射冷却,导致附近的空气冷却和向下流动到平原(图5 (c));与此同时,热诱导海风逐渐消退。早期的晚上(约2200 LST),发病前的陆风,向下的山风能面对内陆海风前在北京的东南部郊区(约110公里的海岸线),形成辐合区(图6 (b));海风的内陆进展放慢了相反的山风。

2200 LST之后,海风太弱,无法从海岸线一直吹到北京的郊区和分解的天津、廊坊2300 LST(图8(一个)),约63公里的海岸线,变成2 substreams,也就是说,海边substream和内陆substream。内陆substream可以继续进步内陆山脉脚下的惯性迫使(数字8(一个)和8 (c))。午夜,内陆substream可以达到北京和逐渐消失的市中心通过抵消向下山风(图8 (c))。与此同时,海滨substream收回了天津地区。

午夜后,海风将会消失,取而代之的是大约0200 LST的陆风。0400 LST,山风的陆风夫妇可以形成顺时针环流(从西南),从山上到渤海湾(图6 (c));因此,陆风环流加强。

为了更好地评估数值实验的区别,一些参数的垂直截面沿着实线从A到B图1 (b)定义如下。(1)在这里,我们定义U水平风的垂直的横截面,和U风吹时正值从A点到B点。(2)海风的内陆渗透距离被定义为最西北的位置的意思U价值最低的100米海岸线和高度都是积极的意思是正的。指出,在晚上,当海风分为海边和内陆substreams,海风的穿透距离被定义为海边substream的穿透距离。(3)海风开始时间被定义为时间的意思U价值最低的100米海岸线变得积极,在海风结束时间时的意思U价值变得消极。

海风的渗透过程总结在图9和表4。是发现海风环流加强在地形的存在,最大的内陆渗透距离较长的(110公里)的海风和更长的持续时间。

一般来说,比较平坦的实验中,地形中发挥着重要作用的加强SLB循环。同样值得注意的是,北京位于离海岸太远了直接SLB环流的影响,因此,在夏季北京地区主要是由多功能车辆总线循环(12,29日];只有海风的软内陆子可以达到北京市区的午夜,当它将消失。

3.3。城市化对当地大气环流的影响

城市是人为热源和污染。和城市通常是由一个大比例的沥青和混凝土,其地表干燥和防水,热容高;城市地区的转换和存储入射辐射,显热比周围的自然区域。因此,表层的空气在城市比农村地区,通常是温暖和横向温度变化引起的热岛环流在城市和农村地区之间。此外,城市内的建筑可以增加表面阻力和尾流,和建筑来减少表层风速(30.,31日]。

探讨城市化对当地大气环流的影响,农村实验通过改变执行所有的城市电网(图1 (b)农田网格。模拟风场的CNTL和农村实验中演示了2000 LST图10。2000 LST,向下的山区被寒冷的山风,而内陆海风仍继续进展。发现农村实验的模拟风场是类似CNTL实验,和这两个实验的海风方面几乎是相同的,除了轻微的滞后在一些地方在海风(图前面10 (c))。

的垂直截面CNTL和农村实验1400 LST如图11。发现农村的一般当地大气循环实验和CNTL实验非常相似,除了向上运动施加在城市电网(数字11 (c)和12 (c))。这些向上的运动表明城市地区(即热岛发行量。、北京、廊坊、天津)。

在内陆渗透的角度海风(图的过程9(一个)),在1400年之前LST之间没有显著差异CNTL和农村实验。之前,因为1400 LST,海风面前仍有效半径的天津热岛环流。

1400 LST,当海风锋发展内陆的东南部郊区天津约23公里的海岸线,一个强大的逆时针热岛环流从西南(图11 (c))对海风环流;热岛环流将范围从郊区到市中心的天津和与海风环流一致。因此,海风环流由热岛环流加强。因此,1400年以后LST海风内陆前移动更快的天津和到达天津市区1500 LST,从海岸线(图41公里9(一个))。

然而,当海风方面举措进一步通过天津的人口密集的地区,内陆的海风前面慢的高表面阻力;因此,1500年以后LST,内陆运动的海风CNTL实验变得慢于前的农村实验(图9(一个))。通过1800 LST, CNTL实验的海风前面已经落后于农村的约5公里,滞后1900 LST。

值得注意的是,2000年后LST,内陆的距离之差CNTL和农村实验变得越来越小,和CNTL实验的海风前赶上农村的2200 LST(图9(一个))。这种现象可以解释为城市(北京)的影响在山上风循环。2000 LST之后,当山风主导着平原地区,我们讨论的部分3.2,海风的内陆的进步是由相反的山风减慢;北京的存在增加了表面阻力和削弱了山风循环和间接帮助海风内陆延伸通过施加一个相反的风在地表附近(图12 (c))。

同时,海风的内陆过程是由天津也略有放缓,因为高表面阻力,对相反的风的海风在地表附近(图12 (c))。这种阻力效应下,海风是分为2 substreams早在约2300 LST CNTL实验(数字8(一个)和9(一个))。相比之下,海风能一直延伸到前山的脚在2300 LST(图8 (b))缺乏的城市,约127公里的海岸线,然后变成2 substreams大约午夜时分(图8 (d))。

此外,由于北京坐落在山上,热岛环流的发展有强烈地形强迫的影响。下午,北京西北的一部分,更靠近山,由向上谷风,热岛的抑制,而热岛环流能够充分发展北京的另一边。指出,返回到高处antivalley风可以流在北京的城市地区和东南部郊区,然后参与到下,增强热岛环流在北京的东南部分(图(13日))。晚上,热岛环流在北京是隐藏在山风的发行量下降(图越强13 (b))。

一般来说,城市的存在不能改变的一般状态SLB循环和多频振荡器循环但行为略有修改这些当地发行量。和热岛环流的发展强烈影响附近的多功能车辆总线循环,SLB循环。

3.4。示意图的发行量的理想化的模拟

在本节中,理想化的示意图发行量CNTL实验总结第一,然后是模拟真实实验比较的示意图发行量找出弱天气系统的影响。原理图的地方理想化的发行量在三个时刻呈现在图14。

因为地形的复杂性和异质性的蓝芽土地利用分布的地区,在白天可能存在多尺度局部大气环流(图(14日))。作为讨论的部分3.2下午,谷风环流可以几个海风环流形成逆时针环流从西南(数字(14日)和(11日)),从海岸线到山上,和垂直和水平维度是3.5公里,150公里,分别。在1400 LST,值得注意的是,在空中antivalley风力也存在2公里的高度,不能到达海岸线,但在北京郊区的消退(约120公里海岸线),然后返回到山区。因此,热岛环流在北京东南部的部分是加强。类似的现象也见于廊坊。在天津、廊坊之间,还有一个land-land循环位于东南部的廊坊距海岸线(约70公里);循环开发作物/林地马赛克土地使用类别,是谁的反照率低于周围网格”。

与此同时,天津地区由强逆时针海风环流从西南,伴随着一个软弱的顺时针环流,这是一个二次循环由海风环流和land-land循环。在理想化的实验(CNTL),这些多尺度建立了发行量约为1400 LST和能够维持日落时刻(约1900 LST)。

晚上白天发行量,发行量比较简单。在日落之后,向上谷风将会消失,取而代之的是向下的山风,而内陆海风方面继续进步。在北京的东南,辐合区是由山风循环之间的相互作用和海风环流(图14 (b))。山风环流的存在可以减缓内陆海风的进展。

午夜之后,随着海风取代了土地的微风中,大量的顺时针环流(从西南)由陆风环流和山风发行量(图14 (c)),从山上的海岸线。

示意图的发行量从理想化的模拟,这只是由当地的热影响,没有外部的影响。检查这些示意图的代表性的发行量,真正的实验是由用现实的初始和边界条件。在仿真期间,蓝芽地区是由高压天气系统。模拟风场的垂直截面在现实实验演示图15。

比较的示意图循环1400 LST,发现白天多尺度环流理想化CNTL实验(数字显示(14日)和(11日)(图)也存在在现实实验(15日)),希望山上向上运动和城市地区较弱和西方高空风力更强。向上运动的减弱可能是由于云的掩蔽效应,避免在理想化的实验。

在晚上,当山风一吹,发行量在现实实验几乎是一样的CNTL(数字14 (b)和6 (b)),除了加强高空antimountain风(图15 (b))。午夜后,大耦合的顺时针环流(从西南)也可以发现在现实实验(图15 (c))。

开始时间、结束时间和海风的最大内陆距离真正的实验给出表4和图9 (b)。发现在弱天气条件下,海风也可以穿透内陆110多公里,和渗透过程是几乎一样的理想化的实验中,除了真正的海风实验提前一个小时就消失了。

简而言之,在弱天气条件下,理想化的地方热诱导发行量略有修改;多尺度结构和耦合发行量可以存在在现实情况。然而,在一些情况下,周围的天气迫使可以修改甚至消除这些当地的大气循环。

4所示。结论

在这项研究中,地形的影响,城市化对当地热诱导发行量在《地区被WRF调查。当地大气发行量的夏季是首先调查采用理想化的初始和边界条件,以避免外部影响,然后现实发行量弱天气条件下进行了研究。

发现,在夏天,当向上谷风吹,地形中发挥作用的加强海风发行量;日落之后,当向下山风主导山区,海风的内陆的进步是由相反的山风减慢;午夜之后,当海风循环被陆风环流,山风循环可以几个陆风形成大型流通从山上的海岸线。因为地形的复杂性和异质性的蓝芽土地利用分布的地区,在白天多尺度局部大气发行量可能同时存在,相互作用(图(14日))。

城市的存在不能改变的一般状态SLB循环和多频振荡器循环但行为略有修改这些当地发行量。城市在全球变暖中发挥作用表面附近的空气和增加表面阻力;当地发行量的修改是气候变暖的结果和阻力的影响。在下午早些时候,海风的内陆过程中加强由热引起的热岛环流存在天津;然而,当海风锋穿透通过组合天津地区,内陆过程阻力减速的效果。日落之后,当出现向下的山风,北京的存在可以间接加强内陆过程通过弱化相反的山风。

同时,热岛环流的发展也强烈影响流通多功能车辆总线和SLB循环。在白天,热岛环流在北京地区地形的影响下是不对称的。

比较现实的模拟与理想化的模拟,它是发现,在弱天气条件下,理想化的地方热诱导发行量略有修改。然而,在一些情况下,周围的天气迫使可以修改甚至消除这些当地的大气循环。

由于当地大气发行量是由热迫使当地发行量随不同季节的特点;因此,需要做进一步的研究来理解不同季节的发行量。

最后,它应该指出,这项研究只是一个初步的数值工作了解当地大气之间复杂的相互作用,对蓝芽地区发行量。因此更多的研究领域工程和数值实验是需要完全理解这些发行量及其对污染事件的影响。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

这项工作得到了国家自然科学基金(批准号41175004)。