2026年5月29日下午，由南京大学大气科学学院主办的“风云英华”学术讲座第120期在大气楼D103报告厅顺利举行。北京大学物理学院大气与海洋科学系李锜副教授应邀作题为《城市大气边界层的动量-标量跨尺度输运机制与应用》的学术报告。报告由南京大学大气科学学院周博闻教授主持，学院师生踊跃参加，现场学术氛围热烈。
李锜教授现任北京大学物理学院大气与海洋科学系长聘副教授、博士生导师，长期从事大气边界层物理、湍流输运、高分辨率大涡模拟和城市气候等方面的研究。此次报告中，李锜教授围绕城市化如何改变土地形态与功能、城市几何如何影响边界层动力学过程，以及机器学习方法如何改进城市气候建模等问题，系统介绍了团队在相关领域的最新研究进展。
报告伊始，李锜教授指出，城市化不仅改变了土地利用和土地覆盖，也深刻改变了陆地表面的形态与功能。一方面，城市建筑、道路、街谷结构和地表材料共同重塑了地表几何形态；另一方面，交通、工业、人为热排放以及温室气体和大气污染物排放等城市功能活动，也改变了城市与大气之间的能量和物质交换过程。因此，城市并非简单的粗糙下垫面，而是具有复杂几何结构和功能过程的特殊边界条件，对大气边界层中的动量、热量、水汽和污染物输送产生重要影响。
围绕城市几何与大气边界层动力学这一核心问题，李锜教授首先介绍了城市冠层流动和粗糙度参数化中的关键挑战。当前中尺度模式通常依赖建筑高度、建筑密度等城市几何参数来估算动量粗糙度长度和阻力效应。然而，真实城市冠层内存在复杂的气流分离、尾流相互作用、局地辐合和湍流混合过程，单纯依赖经验参数化方法难以准确描述城市下垫面对边界层输送过程的影响。报告指出，城市密度增加虽然通常会增强动量粗糙度和阻力，但并不必然提高标量输送效率。
李锜教授进一步讨论了城市冠层几何结构与不同动力学长度尺度之间的联系。报告将用于表征阻力效应的调节长度和用于描述湍流混合的混合长度加以区分，指出二者对风速廓线、动量粗糙度长度和标量输送效率具有不同影响。这一认识有助于从机理层面解释城市形态如何调控冠层内外的流动结构，也为改进城市边界层参数化方案提供了新的理论依据。
随后，李锜教授重点介绍了机器学习替代模型在城市冠层流动模拟中的应用。传统单柱城市冠层模型在阻力系数预测方面存在明显结构性偏差，部分情况下误差可达50%左右。针对这一问题，研究团队利用高分辨率大涡模拟数据训练机器学习模型，用于预测城市冠层中的三维速度场和阻力系数。结果表明，与传统经验方法相比，机器学习替代模型能够显著提高预测精度，将阻力系数误差降低至约18%。相关研究说明，基于高分辨率模拟数据训练的数据驱动模型，可以作为连接大涡模拟与中尺度模式的重要桥梁。
报告还讨论了机器学习模型在城市形态扰动情景下的泛化能力。测试结果表明，该类模型能够在一定程度上捕捉高层建筑对局地流场的动力影响；在较大城市形态扰动条件下，例如移动最高建筑的位置，模型仍能保持较好的预测稳定性。报告也指出，机器学习替代模型仍需要进一步提高物理可解释性和跨情景泛化能力。未来相关工作将尝试把这类替代模型嵌入中尺度天气气候模式和地球系统模式中，以改进城市冠层动力过程的表达，并服务于城市热环境评估、污染扩散模拟和气候韧性分析。
在报告的另一部分，李锜教授介绍了城市形态对云形成过程的影响。高分辨率模拟结果表明，不同城市形态能够通过改变近地层辐合、城市—乡村环流、垂直速度和湍流动能分布，进而影响边界层发展和云的形成位置。高层紧凑型城市更容易增强城市与乡村之间的环流，并促进城乡交界处云的形成；而低层蔓延型城市则可能在城市核心区产生更强的垂直湍流，从而增加局地云量。研究团队进一步利用20年卫星观测资料，对美国40个城市的云量变化进行了分析，结果支持建筑密度、建筑高度与云量增强之间存在相关关系。该研究从模拟和观测两个角度揭示了城市形态影响云形成的可能机制，表明城市化对大气过程的影响不仅局限于近地面风场、温度和污染物扩散，也可能进一步影响云和降水相关过程。
报告最后，李锜教授介绍了团队在大气微塑料输运和非球形颗粒旋转动力学方面的研究进展。与理想球形颗粒不同，真实大气微塑料通常具有复杂形态，其在大气中的输送、沉降和扩散过程受到颗粒形状、姿态变化、旋转动力学和背景湍流结构的共同影响。深入理解非球形颗粒在大气中的运动规律，有助于认识微塑料等污染物的长距离输送及其潜在气候和环境影响。该部分内容也展示了边界层湍流研究从城市尺度向区域乃至全球尺度环境问题拓展的应用前景。
本次报告从城市化这一现实问题出发，贯通了城市几何形态、边界层湍流、机器学习替代建模、云形成机制以及大气颗粒物输运等多个研究方向，系统展示了城市气候研究中多尺度、多过程耦合的鲜明特征。相关研究不仅深化了对城市下垫面影响大气动力过程的认识，也为改进中尺度模式和地球系统模式中的城市参数化方案提供了重要参考。
在互动交流环节，现场师生围绕城市冠层粗糙度参数化、动量与标量输送效率之间的权衡机制、机器学习模型的物理可解释性、城市形态对云和降水过程的影响，以及大气微塑料输运模型的观测验证等问题与李锜教授进行了深入交流。李锜教授结合具体研究案例和模拟结果，对相关问题进行了细致解答，并分享了其团队在高分辨率模拟、数据驱动建模和跨尺度参数化研究中的思考。现场学术氛围浓厚，师生们纷纷表示深受启发。
本次学术讲座聚焦城市化影响大气过程与城市气候建模这一前沿方向，系统展示了复杂城市下垫面边界层研究的最新进展，深化了学院师生对城市几何形态、湍流输送、机器学习参数化和城市气候效应的理解，也进一步拓宽了大家对城市气象、地球系统模式发展和多学科交叉研究潜力的认识。讲座在热烈的掌声中圆满结束。