31 / 2021-08-11 12:09:36

城市冠层参数表征对城市气象模拟的影响

城市冠层参数；,近地表风速,城市气象模拟

城市气象数值模拟是研究城市陆面及边界层过程的常用工具。过往研究表明，全球广泛应用的天气研究与预报模式（WRF）倾向于高估城市区域的近地表风速。为了提高模拟精度，近年来大量研究建立了高精度的城市冠层参数（UCP）数据库，并将其与中尺度气象数值模拟结合。然而城市冠层参数表征对城市气象模拟的影响研究仍有不足。在这项研究中，我们选取北京市开展高分辨率城市气象模拟，评估了最新版本的单层（UCM）和多层（BEP）城市冠层模式的性能与城市冠层参数 (UCP) 之间的关系。结果表明，UCP 对城市气温的模拟精度影响有限。在风速模拟方面，UCP可显著降低BEP模式的误差，尤其是在冬天的大风天。UCM 的风速模拟精度会在加入UCP后反而下降。我们发现两种城市冠层模式均与UCP存在系统性偏差：城市风速的模拟精度与不透水表面比例和建筑表面比率显著正相关。这表明现有模式在低密度城市区域的模拟性能较差，需要改进的空气动力学参数化方案以更好地利用 UCP。基于这一结论，我们结合大涡模拟 (LES) 和 WRF 模式初步探索了如何提高UCM中的空气动力学参数化方案。结果表明，UCM模式结合三维UCP数据时将低估建筑迎风面指数，导致城市地表粗糙度的低估和近地表风速的进一步高估。用基于 LES 的空气动力学参数代替 UCM 中的拖曳参数化方案对近地表风速模拟有显著影响。由于陆面阻力在水气輻合过程中起重要作用，城市地表粗糙度表征的影响在降雨期间变得尤为明显。我们的研究揭示了当前城市气象模拟的部分局限性，并为未来的模式开发提供了指导：在建立精密UCP 数据库外，改进城市陆面的动量交换参数化方案对提高模拟精度至关重要。