基于WRF模式的济南地区大气边界层特征模拟研究

摘要

本论文利用中尺度数值模式WRF模型对济南地区大气边界层的特征进行了模拟研究。首先针对济南地区的下垫面条件选择合适的参数化方案,并利用观测数据分析验证了模式的模拟精度;然后利用WRF模式模拟研究济南地区2010年各个季节、不同高度的边界层特征,探索在济南地区特定的地形条件下流场、温度、混合层高度等要素的时空变化状况,研究结果表明:
　　1、风场特征
　　济南周边地区不同季节、不同区域各高度的流场表现出不同的特征。冬季平原地区为均匀的偏北风场,山区周边盛行山谷风,高空风场以西北气流为主;春季低空为偏南风控制,随高度增加向西偏,受西南风控制;夏季风场在低空为均匀的来自海洋偏东风场,高空盛行东北气流;秋季风场随高度增加风向向西偏转,由低空的北风偏转为西偏北气流。在500m以下高度,气流受济南南部山区影响,流场复杂,山体为中心向四周辐散,且易在济南市靠近山体地区形成辐合带,使污染物在城区聚集。济南地区风速随高度变化普遍加大,四季风廓线遵循随高度升高而递增的规律。高空受地形影响小,风速进一步加大,有利于污染物的扩散。
　　2、温度特征
　　济南地区冬、春、夏、秋季在100m高度平均温度分别为-1℃、12℃、29℃和16℃,温度随高度增加而降低。
　　济南全年都有逆温现象存在,早晨出现频率高于夜间。主要表现形式为接地逆温。2010年济南接地逆温出现频率为36.7％,脱地逆温出现频率为26.7%,早晨逆温出现频率冬季最高,夏季最低;夜间逆温出现频率最高的为秋季,春季最低。济南地区逆温层厚度呈现一定的季节特征。早晨接地逆温厚度冬季最厚,夏季最薄,年平均厚度为304.8m,脱地逆温厚度冬季最高为432.5m,夏季最薄为236.0m,年平均厚度为310.0m;夜间接地逆温厚度春季最高,冬季最薄,年平均厚度为286.6m,脱地逆温厚度冬季最高为446.3m,夏季最薄为216.6m,年平均厚度为289.4m。
　　济南地区接地逆温强度相对高于脱地逆温强度。早晨接地逆温年平均强度为0.92℃/100m,夜间年平均强度为1.34℃/100m,冬季逆温强度普遍高于夏季;早晨脱地逆温年平均强度为0.8℃/100m,夜间年平均强度为0.79℃/100m。
　　3、湿度特征
　　济南市的各季相对湿度普遍随着高度的增加而减小,在同一高度,夏季相对湿度最大,冬季相对湿度湿度最小。在900m以下高度,相对湿度年平均值08时大于20时湿度值,900m以上高度08时与20时基本趋于相等。08时和20时平均湿度随高度的变化率在3-1%/100m之间。
　　4、混合层高度
　　济南地区大气混合层高度变化呈现出明显的日变化特征,下午14时厚度达到最大值,日落后混合层高度降低;混合层高度季节平均值最大的是春季(778.3m),夏季略低于春季为734.6m,冬季最低为592.8m,秋季为次低,混合层平均高度季节差异比较大。全市冬季气温低,其温度层结稳定,导致混合层高度较小,不利于污染物稀释扩散。
　　5、局地环流特征
　　热岛环流:通过对典型日的模拟,2010年1月20日02时发生明显的热岛现象,市中心与郊区温差可达4℃,市中心有明显的辐合气流出现,热岛环流存在的高度达到500m左右。
　　山谷风:2010年1月22日02时和14时,济南南部山区发生明显的山风与谷风现象,山、谷风的厚度同样在500m以内。
　　济南地区存在气流辐合和气流辐散。辐合气流由济南四周流向济南市区,在中心形成辐合,其影响范围较大。辐散气流是由市区流向郊区,形成辐散中心。两种局地气流存在的垂直范围约为500m左右,500m以上高度气流较均匀。
　　6、通过对典型污染过程的模拟,分析显示稳定的大气环流形势为雾霾和严重空气污染提供了有利的大气环境场,存在多个逆温层,混合层高度较低且低层大气风速较小而相对湿度较大,这些都加剧了污染物的汇聚,不利于污染扩散。

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中文摘要

英文摘要

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2国内外研究进展

1.3研究目标、内容和技术路线

2模式介绍及资料来源

2.1中尺度气象模式WRF

2.2资料来源

3济南地区大气边界层模拟分析

3.1 济南地区的基本概况

3.2 wrf模拟实验设计与验证

3.3济南地区大气边界层特征分析

4济南地区局地环流模拟研究

4.1城市热岛环流型的模拟与分析

4.2山谷风环流型的模拟与分析

4.3辐合环流型的模拟与分析

4.4辐散环流型的模拟与分析

5济南地区一次污染过程气象条件分析研究

5.1 高空形势分析

5.2 边界层垂直特征分析

6结果与展望

6.1结论

6.2讨论与展望

参考文献

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