城市化不仅改变了下垫面性质,导致大气边界层结构和地表能量平衡等动力过程的改变,同时还通过城市冠层作用吸收和截陷太阳辐射以及产生人为热,导致城市热岛效应等热力性质的改变,可能会对更大范围的区域气候产生重要影响。为了分析城市化对长三角城市群边界层结构的影响及其产生的气候效应,本文利用WRF/UCM耦合模式长达7年(2001-2007年)的区域气候模拟结果进行研究分析,模式对长三角地区冬季和夏季分别进行了云可分辨尺度(3km)的三组平行模拟试验:(1)AH试验,土地利用类型为2001年MOD1S观测资料,在感热通量中加入冬季和夏季一致的理想人为热;(2)UB试验,土地利用类型仍为2001年MODIS观测资料,没有加入人为热;(3)NU试验,将长三角地区城市土地利用类型改为农田土地利用,其他设置同UB试验。这三组试验分别代表人为热和城市冠层共同作用的影响、城市冠层作用的影响以及无城市化影响的情况。为了评估区域模拟模式结果是否能够合理反映观测特征,本文首先将模式结果与MICAPS站点温度降水资料以及高时空分辨率的卫星综合降水资料CMORPH进行了对比验证。结果表明模式模拟结果较为合理地再现了长三角地区地表气温的主要分布特征,并且能够较好地反映气温在冬夏两季的日变化规律。模式模拟的降水空间分布与CMORPH卫星资料及站点观测的降水空间分布型十分接近,合理地给出了夏季中国东部的三大降水集中区域。另外,模式也模拟出了长三角地区降水量的日变化特征,例如,长江流域在下午1700LST出现降水量的极大值,呈现单峰型的日变化特征。然而,模式对江淮流域的降水日变化估计有偏差。在此评估基础上,通过对三组平行数值试验的对比分析以及进行大涡模拟试验,系统分析了城市化对长三角城市群边界层结构的影响及其气候效应,得到主要结论如下:1、人为热对大范围区域增暖有贡献,且有季节和昼夜差异人为热的排放不仅能够在单个城市加剧热岛强度,还可以引发整个长三角地区显著的区域增暖。在给定同等强度的具有日变化特征的人为热情况下,这种现象在冬季比夏季更为显著。并且,人为热可以降低(略微增加)冬季(夏季)的气温日较差。与之相对的是,由土地利用的改变带来的城市冠层效应产生的增暖在夏季远远强于冬季,并且它在冬季和夏季都会降低气温日较差。在城市地区人为热量占感热通量的比例决定了人为热所产生的区域增暖和气温日较差的季节变化特征。感热通量中人为热所占的比例在冬季以及冬季夜晚较大,而在夏季以及夏季夜晚较小。在没有背景风的情况下,人为热产生的增暖集中在城市中心,并均匀地向四周扩散。而在有盛行背景风的情况下,增暖的量级变小,并且增暖中心偏移到下风方向的城市边缘,形成一条沿着风向的带状增暖。这种人为热效应引起的增暖依赖于城市规模,因为城市规模是与单个城市的总人为热量成正比的。2、夏季背景风的影响使得城市群地表的非均匀性减弱,导致下午晚些时候边界层上层均匀增暖以及垂直方向上的有组织中尺度环流夏季晴朗、无云情况下的城市热岛在背景风为微风时明显强于盛行风为东南风的情况。东南风情况下的城市热岛强度较低,热岛环流和地表摩擦的共同作用使得城市在除了背景风来向之外的三个方向产生向城市中心的辐合。而微风情况下的热岛强度可达到3℃以上。城市化使得地表100m以内的近地层温度明显增加,从而使夜间的混合层厚度增加。垂直方向上城市化的影响在1700LST时可以延伸至边界层中部,这种影响在有背景风的情况下明显强于微风的情况。城市对水平风速产生的影响在东南风和微风的情况下有明显不一样的日变化特征。微风情况下城市对地表风速的减速作用不明显,而在东南风的情况下,风速廓线呈现出先增大到最大值,后逐渐减小的急流特征,城市的存在使地表风速减弱了 1m要s-1左右,并且使得急流强度减小,位置变高。急流轴和逆温层的高度有很好的对应关系。在东南风的情况下,摩擦速度始终保持在高值,它的升高表明在风速较强的情况下,边界层内的湍流混合是增强的。对苏锡常城市群的垂直剖面研究表明,城市群边界层在下午1700LST时地表的非均匀特征在边界层顶附近变为均匀一致的增暖特征,并且在垂直方向上形成了穿越三个城市的中尺度环流。3、城市群内相邻城市间距足够小时,在背景风影响下地表非均匀加热在边界层顶附近呈现均匀特征运用WRF-LES模拟分析白天的对流边界层特征,研究其在不同的非均匀下垫面强迫下的响应,并且研究城市热岛激发的中尺度环流特征。结果表明地表非均匀特征和背景风场特征会显著改变低层大气边界层结构。对于单个城市个例,受背景风影响,风速越大城市混合层高度越低,下风向郊区的混合层厚度普遍高于上风向郊区;其中在风廓线呈急流结构的个例中,整个区域内混合层高度均上升,包括下风向的郊区。对于有3个城市的个例,如果两个城市之间的距离小于两个城市水平尺度之和时,城市-郊区相间隔的非均匀下垫面产生的地表非均匀增暖在背景风速达到3ms1时,在边界层顶附近呈现均匀层结特征;郊区上空边界层高度与相邻的城市边界层高度相近,并且能够在边界层中上层形成跨越城市的中尺度环流,而单个城市热岛的上升作用减弱,边界层整体高度下降。整个区域内的中尺度感热通量在边界层内为正值,边界层以上为负值,其极大值随风速增大而减小,随城市数量增加而增大。而中尺度动量通量并不随风速增加有线性的变化,它更多的受到地表非均匀性的影响。在有多个城市的情况下,动量通量在边界层内有负的极大值,表示动量由向下传输的动量通量主导,而在风速增加到1ms-1以上时,变为由向上的动量通量主导。对于单个城市的情况,动量通量极大值随风速增加而减少,而对于多个城市的情况,随风速的增加而增加。在上游多个城市形成城市群热岛时,背景风向的下游城市受其作为整体的影响,边界层高度升高。