简析风与城市工业企业合理布局的关系

风场特征决定着污染物的输送方向，风向、风速不同，污染物的输送方向和稀释程度也不同。布局城市工业企业要充分考虑区域的输送特征，首先是城市的风场特征，包括局地环流的影响。本文依据太原市、临汾市风的特征，分析了太原市污染的主要原因，以及临汾金尧焦化项目安全边界的确定，并简要分析了局地环流及热岛以城市布局的影响。     

北京城市气象观测试验进展

2004年以来,北京地区开展了一系列城市气象观测试验,试验涉及城市边界层观测、城市暴雨适应性观测、复杂地形和城市局地环流观测、城市通量和能量平衡观测以及城市热环境观测。研究内容包括城市边界层结构、城市强降水可预报性、山谷风环流、海陆风环流、城市热岛环流、城市地表能量平衡、人为热估计和城市热岛时空分布特征等。通过观测试验,揭示了北京地区城乡边界层结构特征和差异、强降水条件下的边界层结构、城乡地表能量平衡特征以及京津冀地区复杂的局地性环流特征。在大城市强降水的可预报性上,利用适应性观测方法进行了尝试,取得了一些初步的成果。利用固定点加密观测结合流动观测的方法,获取了城市CBD的精细热岛分布。这些观测试验及其研究成果,对于研究复杂地形条件下的大城市和城市群的气象问题,具有很好的参考价值。     

城市热岛效应的研究进展与展望

随着世界各国城市化的进展,城市热岛效应已经成为一个跨学科领域的问题,受到包括大气环境、区域气候、水文和生态等多学科科学家的关注。在过去半个多世纪中,城市热岛问题的研究获得了相当丰富的研究成果,通过对这些成果的综合分析,归纳出城市热岛研究中采用的3类主要方法——观测(外场试验和遥感技术)、数值模拟以及实验室仿真法。系统地回顾了城市热岛效应的研究历史,重点对与城市热岛关系最密切的城市边界层、热岛环流与复杂地形的相互作用以及能量平衡研究所取得的成果进行了总结和评述。最后对城市热岛问题未来8个可能的研究方向进行了探讨,其中,包括沿海和复杂地形附近的城市热岛问题、城市群间热岛环流的相互作用、城市化与空气污染问题、城市热岛效应对平均降水的影响、城市化对雾和闪电的影响、城市天气预报的精细化、城市气候变化预测以及城市热岛效应减缓方案的制定,并对其发展前景进行了粗略的展望。     

苏州城市热岛对污染扩散的影响

由于城市环境对污染扩散的影响主要包括热力作用和动力作用,以苏州市为例,利用南京大学空气质量预报系统(NJU-CAQPS),设置存在热岛影响和消除热岛影响两组敏感性试验,将城市的热力和动力作用进行区分,研究了城市热岛对苏州污染扩散的影响。结果表明:城市热岛增加了大气不稳定性,产生了向市区辐合的热岛环流,加大了市区上空的垂直速度,增加了城市大气的扩散能力。城市热岛总体上使地面污染物浓度下降,城区PM_(10)和PM2.5减少约5×10-9kg·m-3,城区气溶胶各成分浓度及空气质量指数AQI都有不同程度的减少,而地面能见度则相应增加,城市热岛使市区能见度增加约0.5 km。在180 m高度以上,城市热岛使PM_(10)和PM2.5浓度上升,气溶胶各成分都有不同程度的增加。在400 m高度左右,城市热岛环流可使PM_(10)和PM2.5增加,最大可达11×10-9kg·m-3和9×10-9kg·m-3左右,同时使水平能见度下降。城市建筑的动力效应可大幅度降低市区风速,使大气扩散能力减弱,热岛作用(热力作用)和建筑的动力作用相反,但热岛对污染扩散的有利作用小于建筑动力学效应的不利作用。     

中国地区山谷风研究进展

随着城市化的发展,越来越多的城市建立在山区附近或山谷之中。受地理环境和气象条件等因素影响,各地山谷风特征各不相同。山谷风对局地风场、气候特征有着重要作用,与逆温和污染物浓度变化也具有良好相关。本文从山谷风研究的主要手段—观测、理论和数值模拟出发,重点回顾了国内山谷风研究成果,并讨论了与其他中尺度环流(海陆风、湖陆风、城市热岛、植被风、冰川风环流)的相互作用,以及包括山谷风在内的山地环流对大气污染的影响。最后对国内研究进展进行总结,并提出了一些还需深入研究和探讨的问题。     

复杂地形条件下城市热岛及局地环流特征的数值模拟

应用基于多层城市冠层方案BEP(Building Environment Parameterization)增加室内空调系统影响的建筑物能量模式BEM(Building Energy Model)方案的WRF模式,模拟研究重庆热岛的特征、成因以及局地环流对热岛形成的影响。文中共有两个算例,一为重庆真实下垫面算例,称之为URBAN算例,二为将城市下垫面替换为耕地下垫面的对比算例,称之为NOURBAN算例。结果表明:1)WRF方案模拟结果与观测2 m气温的对比吻合较好,误差主要出现在正午温度峰值和凌晨温度谷值处,由城市下垫面特性及城市内建筑分布误差引起。2)BEP+BEM方案较好地模拟出了重庆地区的热岛分布的空间和时间特征。重庆市温度的分布受地形和城市下垫面的双重影响,越靠近城区,温度的分布受城市化影响就越大,在海拔低处,温度就越高。3)城区立体三维表面对辐射的陷阱作用导致城市表面总体反射率小,向上短波辐射小于郊区约20 W/m~2。城市表面以感热排放为主,而郊区则表现为潜热的作用占主导。夜间城市地表储热以及空调废热向大气释放,是城市热岛形成的重要原因。4)模拟区域背景风场主要为东南风,局地环流呈现出越靠近山区风速越大、城市区域风速较小的特性,体现了城市密集的建筑群对低层大气流场的空气动力学效应,以及复杂山谷地形的山谷风环流特性。在市区的西侧和东南侧均有高大山脉阻挡,山脉对城市出流的阻碍作用、气流越山与绕流运动对城市热岛的形成有一定影响。     

重庆城市热岛环流结构和湍流特征的数值模拟

利用中尺度模式WRF（V3.9）对2016年8月17～18日重庆一次城市热岛环流个例进行了数值模拟，探讨了山地城市热岛环流的三维结构和演变特征，分析了热岛环流期间湍流动能和各项湍流通量的特征。结果表明:15:00（北京时，下同）乡村风开始出现，随着热岛强度增强乡村风增大，18:00热岛环流结构最显著，次日02:00热岛环流结构被破坏，仅低层存在微弱的乡村风。其中，重庆市城市热岛环流最强时，水平尺度约城市尺度的1.5～2倍，垂直厚度约1.3 km，水平风速约2～4 m s?1，最大上升速度约0.5 m s?1。受地形、河流以及背景风的影响，环流呈现非对称的结构，且强度较弱。湍流特征分析结果表明，城市区域的湍流动能明显大于其它区域。此外，城市热岛环流通过湍流运动将郊区的水汽输向城市；高层湍流动量补充边界层中因热岛环流发展而造成的动量耗散。     

北京地区热岛非均匀分布特征的卫星遥感-地面观测

针对北京城市热岛的空间变化特征及其发展趋势,重点探讨了北京城市热岛总体演变趋势及其多尺度非均匀分布特征与城市建筑群面积、中高层建筑群空间布局的相关关系。采用晴空过程北京城郊地面自动气象站AWS(Automatic weather station)气温观测真值对卫星遥感云顶黑体温度TBB(Temperature of black body on the top of cloud)高分辨率场实施变分订正,解决城市热岛研究中高分辨率卫星遥感的客观性订正问题。研究结果揭示了北京城市建筑群面积及中高层建筑群布局对城市热岛群总体演变趋势、多尺度热岛群非均匀分布特征的显著影响效应。结果表明,北京晴空过程城区及近郊区多尺度热岛效应可由强、弱程度不同的热岛群"合成",北京地区热岛分布呈多尺度非均匀特征,即城区东西两侧为强热岛区,城西北园林区与古城中轴线区域为相对弱热岛区;在北京城市高速发展背景下,城郊街区热岛群的非均匀分布特征与城市建筑群布局之间存在着相关关系;城市建筑群面积及中高层建筑密集程度的差异可产生区域性强弱不同的热岛效应,这间接反映出北京城郊中高层建筑群暖气或空调排放热源的局地影响效应。上述研究结果可为城市发展有关建筑群布局与园林绿地规划设计提供科学依据。     

热岛效应强迫下的中尺度环流的动力特征及极限风速的一种解析表达

本文采用考虑热岛造成的局地热力扭动的Boussinesq二维垂直剖面的动力方程组,利用高截断谱方法,得到一类稳定的中尺度非线性平衡态和极限风速的解析表达,证明了局地中尺度环流是热岛造成的局地热力扰动和平流非线性共同作用的结果;并进一步讨论了热岛强迫下的这类局地环流的某些动力特征。     

上海城市热岛的精细结构气候特征分析

对上海地区59个自动站2006—2013年逐时气温资料进行了本地化的质量控制,得到一套高分辨率气温数据集。将其与常规观测资料进行对比,发现两者反映的上海年平均及季节平均气温基本一致,说明经质量控制的加密资料是可信的。但其空间差异更为明显,表明高分辨气温数据在城市热环境精细空间分布研究中更具代表性和有效性。基于该数据集研究了上海的城市热岛空间分布。结果表明,加密观测数据可反映出城市热岛的精细结构气候特征:热岛分布由中心城区向四周及西南部扩展,尤其是出现了"多中心"结构特征,即除中心城区的热岛主中心外,在闵行北部和松江南部均出现了与快速城市化进程相联系的区域性副热岛中心;受大气环流季节转换和局地海陆风的影响,热岛位置在秋冬季偏东南方向,春夏季偏西北方向。上述精细化特征在常规资料中并不明显或无法体现。由此可见,经质量控制的加密气温数据在城市热岛的精细结构研究中更具优势。     

晋江市海陆风对城市热岛的影响

利用2017年晋江市及其周边共27个自动气象站逐小时气象资料,分析了2017年晋江城市热岛强度的日变化及有无海陆风对城市热岛强度的影响,同时研究了不同季节海陆风风速对城市热岛强度的影响,最后通过典型个例海陆风日验证了晋江城市热岛的日变化特征。结果表明:晋江市全年平均热岛强度的日变化趋势呈“V”字型分布;海风能使城市降温,减弱城市热岛强度,而陆风能使夜间热岛显著增强,故与非海陆风日相比,海陆风日热岛强度的日变化幅度增大;热岛强度与海陆风风速呈负相关,海陆风风速越大对城市热岛有一定的缓解作用。     

Modeling of urban heat island and its impacts on thermal circulations in the Beijing–Tianjin–Hebei region,China

Through regulating the land–atmosphere energy balance, urbanization plays an important role in modifying local circulations and cross-border transport of air pollutants. The Beijing–Tianjin–Hebei (BTH) metropolitan area in northern China is frequently influenced by complex atmospheric thermal circulations due to its special topography and geographic position. In this study, the Weather Research and Forecasting (WRF) model combined with remote sensing is used to explore the urbanization impacts on local circulations in the BTH region. The urban heat island (UHI) effect generated around Beijing and Tianjin shows complex interactions with local thermal circulations. Due to the combined effects of UHI and topography, the UHI circulation around Beijing and valley breeze at the southern slopes of Yan Mountain are coupled together to reinforce each other. At the coastal cities, the increased land/sea temperature gradient considerably accelerates the sea breeze along Bohai Bay and moves the sea breeze front further inland to reach as far as Beijing. This study may lay a foundation for the better understanding of air pollutant dispersion on complex terrain.

     

苏州-无锡-常州城市带热岛效应个例研究

应用WRF（weather research and forecasting）及其耦合的多层城市冠层模式BEP（building energy parameterization）,对2013年8月13日长江三角洲地区一次高温天气过程进行了模拟.此次过程盛行东南风,风向与苏州-无锡-常州城市带走向一致.模拟结果表明：苏州-无锡-常州城市带热岛效应明显,热岛强度向下游城市逐渐增加;在东南风作用下,三座城市的热岛连成一片,形成了一个更强大的热岛环流.夜晚,边界层逐渐趋于稳定,热岛环流减弱,有利于热岛温度向下游地区输送.热岛效应导致城市边界层高度明显上升.白天太湖产生强盛的湖风对其周边城市影响显著,来自太湖的冷气团导致无锡和常州边界层内热岛强度明显下降,抑制城市热岛向上发展,削弱了无锡与常州两城市热岛间的联系.白天太湖使得无锡和常州边界层高度明显下降.     

苏州—无锡—常州城市带热岛效应个例研究

应用WRF(weather research and forecasting)及其耦合的多层城市冠层模式BEP(building energy parameterization),对2013年8月13日长江三角洲地区一次高温天气过程进行了模拟。此次过程盛行东南风,风向与苏州—无锡—常州城市带走向一致。模拟结果表明:苏州—无锡—常州城市带热岛效应明显,热岛强度向下游城市逐渐增加;在东南风作用下,三座城市的热岛连成一片,形成了一个更强大的热岛环流。夜晚,边界层逐渐趋于稳定,热岛环流减弱,有利于热岛温度向下游地区输送。热岛效应导致城市边界层高度明显上升。白天太湖产生强盛的湖风对其周边城市影响显著,来自太湖的冷气团导致无锡和常州边界层内热岛强度明显下降,抑制城市热岛向上发展,削弱了无锡与常州两城市热岛间的联系。白天太湖使得无锡和常州边界层高度明显下降。     

城市热岛和海风环流相互作用的数值模拟研究进展

在沿海城市地区,城市热岛环流和海风环流往往同时存在;它们在空气污染物的传输和扩散中均起至关重要的作用,对强对流天气亦有重要的触发作用.随着城市化的发展,空气污染等环境问题变得越来越严峻,突然性强对流天气所造成的灾害也越来越严重.因此,沿海城市地区城市热岛和海风环流相互作用的研究受到日益广泛的关注.本文回顾了近30 a来国内外关于城市热岛和海风环流相互作用数值模拟的研究历史,分析了目前的研究现状及存在的一些问题,概述了城市化、城市热岛对海风环流的影响,海风对城市热岛、城市热岛环流的影响,以及城市热岛环流和海风环流的耦合效应.最后,本文提出了一些有待于研究或需深入研究的问题;这些问题的研究将有助于进一步揭示沿海城市地区空气污染动力学机制、强对流天气触发机制.     

Interactions of an urban heat island and sea-breeze circulations during winter over the metropolitan area of São Paulo,Brazil

The Town Energy Budget (TEB) model, a detailed urban parameterisation using a generalised canyon geometry, coupled with the Regional Atmospheric Modelling System (RAMS) is used to simulate the wintertime local circulation in the megacity environment of the metropolitan area of Sao Paulo (MASP) in Brazil. Model simulations are performed using actual topography and land-use fields. Comparison with a simple urban parameterisation based on the LEAF-2 scheme is also shown. Validation is based on comparison between model simulations and observations. Sensitivity tests with TEB reveal an important interaction between the sea breeze and the MASP heat island circulation. Even though topography is known to play an important role in the MASP region’s weather, in these tests the simulations were performed without topography in order to unambiguously identify the interaction between the two local circulations. The urban heat island (UHI) forms a strong convergence zone in the centre of the city and thereby accelerates the sea-breeze front toward the centre of the city. The presence of the urban region increases the sea-breeze front propagation mean speed by about 0.32 m s⁻¹ when compared with the situation of no city. After its arrival in the urban region, the sea-breeze front stalls over the centre of the city for about 2 h. Subsequently, the sea breeze progresses beyond the city when the heat island dissipates. Thereafter, the sea breeze propagates beyond the urban area at a decelerated rate compared to a simulation without an UHI.     

辽宁绥中地区海陆风的多普勒测风激光雷达观测与特征提取

2019年3月,利用相干多普勒测风激光雷达首次在辽东湾西部绥中地区进行了风廓线测量试验。根据研究区域海岸线走向采用风向的十六分位法定义局地海风和陆风,分析和提取海陆风特征验证了多普勒测风激光雷达在春季季风间断期间观测海陆风的可行性,并计算和分析了大气边界层湍流能量的变化以及回流水平变化等特性。结果表明：1）绥中地区春季存在明显的海陆风环流特征,测风激光雷达观测海陆风出现的时间与地面自动气象站观测的数据较为一致,符合海陆风日的定义。2）海陆风日发生时,水平局地回流指数（RF）较小,1.2 km以下的RF值小于0.5,使得污染物循环累积,较易形成雾霾天气;但是海风时大气边界层的高度可达1 km以上,有利于低层大气污染物向高层扩散,减轻低层大气污染。研究结果为该地边界层参数化方案的设计和污染的防治提供了参考依据。     

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。