非均匀下垫面地-气间通量交换的准确估计,是“减少气候模式模拟和预测不确定性”的关键科学问题之一。鉴于地表粗糙度在地-气界面通量交换研究中的重要作用,以及地表粗糙度和非均匀地表形态特征之间的内在联系,本论文以城市非均匀下垫面地表粗糙度为切入点,基于中国科学院大气物理研究所325 m铁塔(B325塔)观测资料,在对数据进行严格质量控制的基础上,揭示了城市非均匀下垫面地表粗糙度的变化特征及其与上风方下垫面建筑形态特征的关系,并发展了一种新的地表粗糙度参数化方案,进而实现了该方案与中尺度模式WRF的耦合,探讨了地表粗糙度参数化方案对改善城市气象环境模拟性能的作用及机制。论文的主要创新性成果总结如下:　　 (1)城市边界层湍流数据的质量控制与评价。应用野点剔除、坐标旋转等质量控制方案,对B325塔的原始湍流观测资料进行处理；利用经过质量控制后的湍流数据计算出湍流通量,并对计算获得的通量数据质量进行评价。结果表明了对原始湍流观测资料进行质量控制,尤其是去除数据序列趋势项的必要性,且证实了30 min的采样周期基本包含所有对通量有贡献的湍流谱;一年的动量通量数据中有93.4％为质量好的数据,而一年的感热通量数据中仅有48.4％为质量好的数据,有4.78％的感热通量数据质量极差。　　 (2)城市非均匀下垫面地表粗糙度分析。基于2002年B325塔上两套(廓线、湍流)经过质量控制与严格筛选后的观测数据,计算分析了对应于不同方位的地表粗糙度的变化特征,并剖析了地表粗糙度与上风方下垫面建筑形态特征的关系。结果表明:由两套数据所估算的地表粗糙度均呈现较明显的风向依赖性,其中由廓线数据所估算的地表粗糙度幅值范围为0.95-2.85 m(8不等分风向扇面),由湍流数据所估算的地表粗糙度变化范围为0.15-6.16 m(16等分风向扇面)；地表粗糙度z0与建筑高度h存在显著的正相关关系,归一化地表粗糙度z0/h随建筑密度λ的增加而增大,但当λ大于临界值0.25时,z0/h呈现微弱的减小趋势。　　 (3)城市下垫面地表粗糙度参数化方案的研制。计算得到了一套反映B325塔周围建筑形态特征的参数数据集；在Shao and Yang(2008)地表粗糙度参数化方案(SY08方案)的基础上,通过引入建筑高度变率等形态因子的影响,发展了一个可更合理体现城市非均匀下垫面影响的地表粗糙度参数化方案(SY08 N方案),并利用计算获得的B325塔地表粗糙度和建筑形态特征参数(‘观测值’),对方案进行了比较验证。结果表明:当正面积指数λ小于0.2时,SY08方案和SY08 N方案都抓住了观测的z0/h随λ的增长趋势；当λ大于0.2时,SY08方案的估算值明显小于观测值,SY08 N方案与观测的总体偏差较SY08方案明显缩小约50％,SY08 N方案与观测的均方根误差、累积相对误差和相关系数分别为0.046、0.42和0.30,较SY08方案与观测的相应值分别减小、减小和增加了0.020(30.3％)、0.15(26.3％)和0.15。　　 (4)WRF模式中SY08_N方案的引入及应用。将SY08_N方案耦合到包含了单层城市冠层模型UCM的中尺度模式WRF中,分别采用SY08_N方案和原地表粗糙度参数化方案对北京地区冬季城市边界层进行数值模拟(记作EXP试验和CTL试验)。结果表明:由EXP试验所计算的冠层表面粗糙度、冠层零平面位移和屋顶表面粗糙度均大于CTL试验。地表粗糙度增大后,建筑物群对气流的拖曳、阻尼和摩擦作用得到有效增强,从而摩擦速度增加、日间流经城市上空的气流减速和日落后低层湍流动能增强,使得EXP试验结果与观测更为接近。EXP试验和CTL试验都较合理地模拟出了边界层热力特征,不仅模拟的温度日变化趋势与观测相当一致,还再现了城市夜间的悬浮逆温层结构,其中EXP试验一定程度地减小了CTL试验与观测间的偏差。CTL试验所模拟的风速日变化与观测存在位相差(滞后1-3 h),量值比观测明显偏大。虽然EXP试验在风速日变化的位相上无改进,但量值与观测明显更接近。需指出的是,EXP试验清晰地模拟出了夜间城市覆盖层(200 m高度附近)的弱急流,但该特征在CTL试验中未体现出来。