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随着城市规模的扩大、城市人口数量的迅猛增长，城市气象环境日益恶化，城市热岛问题、城市空气污染问题成为人们关注的热点。如何科学、合理的解决这些问题成为城市边界层领域研究的主要内容。除此之外，城市边界层的研究还在气候变化，环境保护，城市规划，防灾减灾等方面有实际应用价值。本文通过南京城市边界层外场观测资料着重对城市下垫面辐射传输过程，能量平衡过程，以及M—O相似理论的适用性进行了分析，具体结论如下：
1．通过南京城区和其它城市冬、夏两季的辐射观测资料着重对城市水泥屋顶、城市整体下垫面的辐射特征进行了分析。水泥这一建筑材料在城市区域被广泛使用，因此，水泥屋顶的观测资料能较好的代表“人为地表”的辐射特征；城市整体下垫面的辐射观测资料则主要反映城市建筑物结构、形态、分布特征对辐射传输过程的影响。分析结果表明：随着城市化进程的加速，城市区域所获总辐射值与空气污染程度有明显对应关系。通常情况下，城区总辐射观测值比郊区小8％左右；而在城市空气质量较好的条件下，两地观测值则没有差异。水泥地表的反照率大于草地反照率，夏季平均值约为0.34，冬季平均值为0.31，且具有明显的日变化规律，呈“U”型分布。同水泥地表的反照率相比，城市整体下垫面的反照率则明显偏小，夏季平均值为0.17，冬季平均值为0.13，建筑物的形态、分布特征以及建筑物之间的多次反射、散射效应是产生这一差异的主要原因。
2．通过对城市下垫面湍流通量观测资料的分析可知，城市下垫面与大气之间的能量交换过程明显区别于自然下垫面。由于城市下垫面的不透水性，潜热通量的观测值通常较小，在夜间基本为零，白天变化幅度也较小，峰值一般不超过70W/m2；但在地表水分充足的条件下，观测值可达400W/m2。感热通量成为城市下垫面加热大气的主要方式，感热通量的峰值通常出现在14点左右，而且夏季感热通量的峰值明显大于冬季；夏、冬两季感热通量在夜间的差异更为明显，在夜间，夏季感热通量通常维持在20W/m2左右，表明水泥地表仍以感热方式向大气供给能量；而在冬季，当地表散热较快，气温高于地温时，热量则由大气传向地面传输，感热通量多为负值或零。储热项成为城市下垫面能量平衡方程中主要的源汇项，无论是冬季还是夏季，城市下垫面的储热项在地表能量收支过程中所占份额大于感热通量与潜热通量之和。此外，通过与其它城市观测资料的对比发现，在城市区域随着硬地面积所占比重的增大，储热项在能量收支过程中的作用越大；相反自然下垫面占比重越多，感热通量和潜热通量的能量分配份额就越高。
3．近年来随着研究工作的进一步深入，非均匀边界层的研究成为人们关注的热点。与此同时，M-O相似理论在非均匀下垫面的适用性也成为学术界争论的热点。现有的一些研究结果表明，在建筑物高度较为均一、建筑物排列较整齐的城市区域，M-O相似理论仍有一定的适用性。本文在此研究基础上，通过冬、夏两季u*的实测资料和θ*的分析资料与M-O相似理论为基础的参数化方案计算结果进行了比较，结果表明：城市下垫面的非均匀特征可以通过粗糙度高度与零平面位移这两个动力学参数表征。如果在u*的计算过程中考虑了不同风向上粗糙度高度与零平面位移，可以较好的改善计算结果。在夏季，u*计算结果与观测结果的相关系数为0.86，冬季为0.80。由于城市下垫面动量交换过程与热量交换过程的差异，在θ*计算中，通过κB-1一参数表征动力粗糙度与热力粗糙度的差异。虽然计算结果与观测结果在变化趋势上有较好的一致性，但午后和夜间的差异较大，表明在θ*的计算过程中需考虑κB-1的日变化特征。外场观测是了解和认识大气科学问题最直接、最有效的方法，本文通过南京城市边界层外场观测数据，对城市边界层的一些物理过程进行了分析。这些结果对城市边界层研究的发展提供了一些事实依据。城市边界层作为一个新的研究领域，理论基础还不完善，观测方法和观测仪器的使用也存在较多争议，这些问题都阻碍了这一学科的发展。本文的研究结果也是初步的，相关结论还需要通过更多的观测资料来验证。