城市气象研究进展

中国数十年来在城市气象研究这一新兴学科领域开展了大量研究并获得了多方面的丰硕成果。文中从城市气象观测网与观测试验、城市气象多尺度模式、城市气象与大气环境相互影响、城市化对天气气候的影响等4个方面论述了城市气象的主要研究进展:中国各大城市已建立或正在完善具有多平台、多变量、多尺度、多重链接、多功能等特点的城市气象综合观测网;北京、南京、上海等地开展了大型城市气象观测科学试验,被世界气象组织列入研究示范项目;成功开展了风洞实验、缩尺度外场实验研究;建立了多尺度城市气象和空气质量预报数值模式,并应用于业务;在城市热岛效应、城市对降水影响、城市气象与城市规划、城市化对区域气候及空气质量的影响、城市气象与大气环境相互作用等研究领域取得长足进展。最后指出,未来需要重点从新观测技术及观测资料同化应用、城市系统模式研究、城市化对天气气候的影响机理、城市化对大气环境和人体健康的影响、城市水文气象气候与环境综合服务等方面开展科学研究与应用,为中国城市化、生态文明建设、防灾减灾和应对气候变化等国家需求提供科技支撑。      

我国城市气象服务的若干进展和未来发展

该文简要介绍了我国城市中尺度气象监测和特种观测、数值预报模式引进和产品释用研究及城市环境气象研究、预报等方面的研究进展，并提出了城市气象服务发展中应解决的城市气象服务定位、工程和产业、数据库、数值模式应用研究和电子信息技术应用等问题。     

城市化发展对气象要素的影响

为了探讨城市化对城市区域气象环境的影响程度，以辽宁中部城市群为试验区域，选取一个冬季的重污染过程，利用中尺度数值模式MM5进行了数值模拟研究。研究发现，MM5能够比较细致地反映出城市化对区域气象环境的影响。结果表明：城市化发展对于地表状况的影响使得近地面风速、比湿减小，温度升高，同时会导致逆温现象加剧，恶化局地气象条件。     

城市化进程对北京区域气象场的影响模拟

城市化所导致的下垫面的改变会直接影响局地气象。根据北京城市测绘院提供的北京市楼房建筑平均高度资料,利用中尺度数值模式(MM5V3)模拟了城市化进程引起的气象效应,并与奥林匹克公园站等6个地面观测资料进行了比较。结果表明:MM5V3可以很好地模拟下垫面类型改变导致的气象效应,城市升温效果获得了较好的体现,风速模拟值减小,风向的模拟得到较明显的改善,气压和风速的统计偏差也明显减小。分析结果还揭示了稳定天气条件下北京地区气象场的模拟及实时预报必须考虑精细化的地形及下垫面状况。     

基于用户需求的城市气象研究:进展与展望

城市化是人类社会现代化发展过程中的必然趋势。城市化带来的土地利用/土地覆盖的变化、人为热排放、城市气溶胶和人为温室气体排放增加,影响着天气、气候和环境;另一方面,天气、气候和环境亦影响城市的安全运行和居民的生产生活。简要回顾了城市气象观测和数值模拟研究两方面的主要进展,分析了城市气象复杂多样的用户需求(例如防灾减灾、宜居城市建设等),剖析了目前城市气象监测与预报能力的不足。在此基础上,以不断提高气象科技为经济社会发展和人民安全福祉的服务能力作为未来城市气象发展的主线,给出了城市气象未来发展方向的展望,主要包括城市气象观测、城市气象基础数据集、城市陆面与边界层过程、城市精细预报、气候与气候变化、城市空气质量与污染扩散、人体健康七个领域的基础研究和应用研究发展趋势。最后,分析了目前城市气象发展面临的新挑战,倡导建立城市气象观测与数值模拟以及城市气象研究与用户需求之间的良性互动。     

基于WRF模式的兰州秋冬季大气污染预报模型研究

随着城市化进程的加快,城市大气环境问题成为人们关注的热点问题之一。诸多研究表明,特殊气象条件是造成城市大气污染事件的主要因子之一。本文利用WRF模式模拟得到的高时空分辨率气象场,结合污染物浓度监测数据,分析了风速、稳定能量、Froude数、边界层高度、位温递减率、输送指数和梯度理查森数与兰州大气污染物浓度的关系,并根据WRF的模拟要素建立了污染物浓度与气象影响因子的回归方程。研究发现,兰州城区边界层高度和位温递减率与大气污染物浓度的相关系数高,NO2与气象影响因子的相关性较PM10好。建立的回归方程对NO2的模拟效果好于对PM10的模拟效果,其对城区污染物浓度的模拟效果好于郊区。通过与不同地区空气质量数值模式模拟效果对比,结果表明：回归方程对污染物的模拟效果与数值模式模拟效果相当,甚至好于部分地区空气质量数值模式的模拟效果。因此,该研究方法为我国城市空气质量预报和大气污染研究提供了科学依据。     

城市气象研究国际前沿动态综述

通过梳理2018年8月在美国纽约举行的第十届城市气候国际会议主要研究成果,分类汇总了城市气象研究的最新国际进展与发展趋势,包括城市气候过程、城市环境下气候变化适应与应对、气候条件下城市规划和管理、最新城市气象探测技术、城市环境数值模拟、大城市气候、城市遥感、城市地区极端天气等方面。在此基础上,根据我国城市化发展特性,探讨了我国城市气象研究的未来发展方向。     

城市化气候效应研究的新进展

随着人类社会经济的不断发展,世界各地特别是中国城市化进程十分迅速。城市化的气候效应已成为一个具有重大现实与科学意义的问题,不少科技工作者已经利用观测资料和数值模式对城市化的气候效应进行了一系列的研究。首先从观测资料的角度介绍城市化气候效应的具体表现,然后根据城市化进程影响区域气候的三类主要途径,即城市土地利用变化、人为热释放和人为气溶胶排放,对国内外城市化气候效应的研究,特别是数值模拟研究,进行了综合回顾与分析。结合作者近几年所做的工作,系统总结了城市化气候效应研究的新进展以及所面临的问题,并提出了城市化气候效应的应对策略和未来研究展望。目前的城市化气候效应模拟研究结果还具有较大的不确定性,随着模式物理过程的改进完善和高性能计算能力的迅速提升,进行高分辨率和长时间的城市化区域气候效应集合模拟研究将成为解决这一领域关键科学问题的有效途径。     

北京城市大气环境污染机理与调控原理

该文主要介绍了科技部国家重点基础研究发展规划项目“首都北京及周边地区大气、水、土环境污染机理及调控原理”大气分项目的研究成果。项目分别于2001年和2003年重点开展了BECAPEX科学试验 (Beijing City Air Pollution Experiment)。BECAPEX试验同步进行城市边界层气象与大气化学观测, 通过卫星遥感、地面观测, 即城市空间和地面以及点与面结合的技术途径, 以揭示北京城市污染“空气穹隆”大气化学结构特征及其变化规律, 为城市环境大气动力-化学模式提供基本科学参数, 给出城市边界层大气物理化学过程综合模型, 为提高城市环境大气物理-化学过程耦合模式的准确性和可靠性提供科学依据。该项目揭示了北京城区和城近郊区城市边界层结构与湍流特征, 城市大气污染垂直结构特征; 发现了城市大气污染空间结构多尺度特征, 其中包括大气污染源影响和城市热岛多尺度特征; 揭示了城市大气重污染过程周边源影响域, 以及北京及周边地区气溶胶影响域和区域气候响应; 提出了北京市典型污染源排放清单; 发展了城市气象模式系统, 包括冠层模式、街谷环流和热力结构以及城市高大建筑群周围风环境数值模拟; 发展了空气质量模式技术, 包括二次气溶胶模拟试验、北京地区SO₂污染的长期模拟及不同类型排放源影响的计算与评估、影响北京地区的沙尘暴输送模拟、区域化学输送模式中NO_x和O₃源示踪法, 城市尺度的大气污染CAPPS模式及统计模型的应用、大气污染及紫外辐射数值预报模式和CMAQ-MOS空气质量预报方法; 改进了美国公共多尺度空气质量预报模式, 建立了CMAQ-MOS区域空气质量动力-统计模型预报模式, 以及发展的源同化技术, 突破了当前空气质量模式技术“瓶颈”, 使模式预报准确率明显提高。     

地表利用城市化在一次极端高温过程数值模拟中的影响

地表种类的城市化对城市区域的热力结构和局地环流都会产生巨大的影响。利用地面、高空观测资料和MODIS地表覆盖资料,使用耦合城市冠层模式(UCM)的区域中尺度数值模式(WRF),对2013年8月8日福州地区的一次极端高温天气过程进行数值模拟,研究地表利用变化对福州城市热岛效应及其对福州城市区域局地环流的影响。结果表明:地表利用的城市化使得午后城市热岛现象更加明显而夜间热岛效应呈现出减小的趋势;地表利用城市化后,中心城区的近地面风速减小,但城区与山区以及城区与海洋之间的局地热力环流明显加强,促进了山谷风和海陆风环流的发展;同时地表加热效应增强,促进了垂直运动的发展。      

全球变暖与城市效应共同作用下的极端天气气候事件变化的最新认知

近年来,城市气候变化问题引起高度关注.综合IPCC第一工作组第六次评估报告(IPCC AR6)关于气候变暖背景下城市对极端天气气候事件影响的评估,本文得到以下科学认识:城市化加剧了局部气候变暖,全球许多城市都面临更多更强的高温热浪事件;城市化使得诸多城市区域及其下风向极端降水增加,地表径流加强;沿海城市受到日益加剧的与...     

Advances in Urban Meteorological Research in China

Over the past decades, a large number of studies have been carried out in the field of urban meteorology in China. This paper summarizes the main progress in urban meteorology research from four aspects: urban meteorological observation network and field campaign, multi-scale model of urban meteorology, interaction between urban meteorology and atmospheric environment, and the impacts of urbanization on weather and climate. Major advances are as follows. China’s major cities have established or are improving comprehensive urban meteorological observation networks characterized by multi-platform, multi-variable, multi-scale, multi-link, and multi-function. Beijing, Nanjing, Shanghai, and other cities carried out urban meteorological field campaigns, which were included in the WMO research demonstration project. Wind tunnel experiments and scale-model outdoor experiments were successfully conducted. Multi-scale urban meteorological and air quality prediction numerical model systems have been developed and put into operational use. The urban heat island effect; urban impacts on precipitation, regional climate, and air quality; urban planning; and interaction between urban meteorology and atmospheric environment are extensively investigated. Finally, efforts to improve observational technology, data assimilation, and urban system modeling, to explore the impacts of urbanization on environment and human health, and to provide integrated urban hydro-meteorological climate and environmental services are planned ahead.     

Urbanization Impact on Regional Climate and Extreme Weather: Current Understanding,Uncertainties, and Future Research Directions

Urban environments lie at the confluence of social,cultural,and economic activities and have unique biophysical characteristics due to continued infrastructure development that generally replaces natural landscapes with built-up structures.The vast majority of studies on urban perturbation of local weather and climate have been centered on the urban heat island(UHI)effect,referring to the higher temperature in cities compared to their natural surroundings.Besides the UHI effect and heat waves,urbanization also impacts atmospheric moisture,wind,boundary layer structure,cloud formation,dispersion of air pollutants,precipitation,and storms.In this review article,we first introduce the datasets and methods used in studying urban areas and their impacts through both observation and modeling and then summarize the scientific insights on the impact of urbanization on various aspects of regional climate and extreme weather based on more than 500 studies.We also highlight the major research gaps and challenges in our understanding of the impacts of urbanization and provide our perspective and recommendations for future research priorities and directions.     

人为热对城市边界层结构影响研究

为研究不同人为热源引入方案对城市边界层结构模拟性能的影响，以杭州地区为例，在区域边界层模式（RBLM）中引入一种新人为热源处理方案，即对城市中的人为热排放分层考虑，将低层的人为热源加入地表能量平衡方程，将高层人为热源分布与建筑物高度和密度联系起来，加入热量方程中，同时考虑了人为热源强度的日变化。数值试验结果表明，这是一种比较合理的处理方案。人为热源引入方案对城市边界层结构的影响表现在:气温、湍流动能增加，并通过湍流交换输送到较高层大气；大气不稳定度增加，混合层高度最高抬升了400 m；城市地区上升速度增加，热岛环流加强；白天人为热源一般为太阳辐射的10%～20%，对地气交换的影响较小。夜间没有了太阳辐射能量，对地气交换的影响比日间更明显；冬季低层湍流活动加强，湍能约增加40%，大气层结稳定度降低。     

Modeling the impact of urbanization on the local and regional climate in Yangtze River Delta, China

The Yangtze River Delta Economic Belt is one of the most active and developed areas in China and has experienced quick urbanization with fast economic development. The weather research and forecasting model (WRF), with a single-layer urban canopy parameterization scheme, is used to simulate the influence of urbanization on climate at local and regional scales in this area. The months January and July, over a 5-year period (2003–2007), were selected to represent the winter and summer climate. Two simulation scenarios were designed to investigate the impacts of urbanization: (1) no urban areas and (2) urban land cover determined by MODIS satellite observations in 2005. Simulated near-surface temperature, wind speed and specific humidity agree well with the corresponding measurements. By comparing the simulations of the two scenarios, differences in near-surface temperature, wind speed and precipitation were quantified. The conversion of rural land (mostly irrigation cropland) to urban land cover results in significant changes to near-surface temperature, humidity, wind speed and precipitation. The mean near-surface temperature in urbanized areas increases on average by 0.45?±?0.43°C in winter and 1.9?±?0.55°C in summer; the diurnal temperature range in urbanized areas decreases on average by 0.13?±?0.73°C in winter and 0.55?±?0.84°C in summer. Precipitation increases about 15% over urban or leeward areas in summer and changes slightly in winter. The urbanization impact in summer is stronger and covers a larger area than that in winter due to the regional east-Asian monsoon climate characterized by warm, wet summers and cool, dry winters.     

RegCM-Dust模式对东亚一次沙尘暴天气过程模拟的效果检验

为检验区域气候模式与沙尘模式耦合模式RegCM Dust的性能,以2006年东亚地区一次沙尘暴过程为例,将模拟结果与观测资料进行对比,以检验模式对沙尘天气过程的模拟能力。结果表明：模式对沙尘暴过程的地面风场特征模拟效果较好,总体上重现了大风区的分布;地面沙尘浓度和沙尘光学厚度模拟结果与观测分布总体吻合。模式虽然是区域气候模式与沙尘模式耦合模式,但由于其内核是建立在中尺度数值模式MM4基础上,因此对天气过程尤其是沙尘天气过程具备较好的把握能力,对于沙尘天气过程预测具有良好的应用前景。     

城市气候效应研究进展

城市是人类社会发展的必然产物.随着城市的快速发展,城市气候效应凸显,并对社会经济可持续发展和人体健康等造成影响.基于国内外已有的研究成果,综述了城市气候效应,包括城市热岛效应、雨岛效应、混浊岛效应、于岛效应和雷暴岛效应的研究历史、现状及其与城市化、天气气候变化的相互关系,并对未来城市气候效应的研究方向及技术方法进行了展望.     

城市化对北京室内外气温影响的研究

以北京市为研究对象,利用由于城市扩大而受到影响的北京近郊朝阳气象站室内外气温和受城市发展影响较小的远郊密云站气温资料,以及城市建成区面积和城市人口资料,通过比较分析,得出以下结果:北京市近郊区由于城市面积扩大和人口增加,导致了室内外气温均升高,其中室内气温升高幅度大于室外气温,冬半年大干夏半年;不论是冬半年还是夏半年,城市增温效应与城市人口均有较好地相关关系,城市人口的增加对平均室内气温的影响较大.以上结果有助于深入探讨城市化对城市气候的影响机制,并可为城市建筑的规划、设计提供参考.