城市化对中山夏季高温影响数值模拟

统计工业、交通、生活能源的消耗计算出中山市的人为热排放量,在WRF模式中使用新旧两套下垫面资料以及在城市地区引入人为热的排放,对2010年7月2—5日中山市的连续高温天气进行模拟,以评估城市化对中山市极端高温天气的影响。结果表明,在使用了新的下垫面资料后,模式能很好地模拟出中山市气温的变化和分布趋势,城市地区的热岛现象显著。城市下垫面和人为热分别使平均气温上升0.9℃和0.2℃,下垫面的改变引起的温度上升要比人为热明显,最低气温的增幅比最高气温要大。城市下垫面和人为热均能使城市热岛强度得到增强,热岛强度的变化在夜间比日间明显,在日出前达到最大,城市下垫面引起的热岛强度变化最大为1.5℃,而人为热为0.6℃。城市下垫面和人为热的引入增加了地表感热通量,使城市地区气温上升,下垫面引起的感热通量变化明显比人为热引起的要大。日间感热通量的增加比夜间大,但气温的增加则是夜间比日间明显。     

城市化及人为热对西安市气象要素影响差异敏感性分析

利用西安市工业和生活能源消耗量、汽车保有量、主干道车流量等数据,对工业、交通和生活3种人为热排放量进行综合估算,利用耦合到WRF模式中的单层城市冠层模式(WRF/UCM),采用修订的西安人为热日逐时变化参数,对城市化及人为热的影响进行敏感性分析。结果表明:(1)采取修订后的人为热源参数,耦合城市冠层的模式系统更能详细刻画出降水分布的局地性差异,人为热源对城市温度分布及强度的模拟效果有一定的改进作用,对城市地面流场、降水分布及强度有一定的影响,模拟结果更接近实况;(2)城市冠层对长波辐射有一定的截获作用,在增加人为热源的影响下,城市地表吸收的长波辐射增多更为明显,加强了地表对边界层大气向上的感热输送;(3)人为热源对增加边界层高度的作用较为明显,平均在50~100 m;耦合城市冠层和人为热源后,在城市下风方向,垂直速度增大,局地垂直环流逐渐加强,对流系统水平尺度更小;在城市下垫面和人为热源共同影响下,大气的垂直结构发生了变化,从而造成城区不同部位降水强度的差异。     

多层城市冠层模型参数优化及对京津冀城市群的高温模拟

针对京津冀高温模拟,综合运用卫星和地面气象观测数据、参数敏感性试验等技术方法,确定了耦合了多层城市冠层模型的中尺度数值模式（WRF/BEP/BEM）的地表反照率、比辐射率和人为热等参数的本地化配置。数值对比试验表明,参照试验中优化地表反照率、比辐射率和人为热（通过本地优化BEM输入参数来实现）等参数后,模式对京津冀高温模拟的效果均有显著提高,65%及以上的城市站点,参照试验比敏感性试验模拟误差降低0.5℃以上。经参数优化的WRF/BEP/BEM,较好地模拟了2010年以来京津冀地区5次极端高温过程,模拟结果与观测的标准差分别为1.4°C、0.8°C、0.9°C、1.0°C和0.7°C,分别较ERA5与观测的标准差减小26.3%、61.9%、40.0%、41.2%和36.3%。参数本地优化的WRF/BEP/BEM,可进一步应用于京津冀极端高温的相关研究,特别是城市化对极端高温作用机理的研究。     

建筑物制冷系统人为热排放与气象环境的相互作用

针对建筑物制冷系统人为热排放对城市气候和能源消耗影响越来越大的现状,利用改进后的建筑物能量模式BEM(Building Energy Model)与单层城市冠层模式SLUCM(Single Layer Urban Canopy Model)的耦合,实现对城市建筑物人为热排放的动态模拟;以2014年5月29日为例(北京地区极端高温个例),开展北京地区建筑物制冷系统人为热排放与城市气象环境相互作用的定量分析。WRF(Weather Research and Forecasting)/Noah/SLUCM/BEM耦合模式模拟分析表明,模式在不加入人为热时,对夜间的热岛模拟偏弱,且基本无法模拟出白天的热岛效应;加入城市交通人为热排放后,对城市热岛强度和范围的模拟有一定改善;进一步加入建筑人为热排放对气温、热通量、边界层高度等的模拟效果均有不同程度的改进。加入BEM模拟的人为热后(case2),15:00(北京时,下同)主城区地表感热通量增加30~50 W·m~(-2),相应地2 m气温升高0.4~0.8℃,二者对应关系较好。case2中的人为潜热排放导致地表潜热通量增加80~140 W·m~(-2),水汽通量增加0.04~0.09 g·m~(-2)·s-1,中心城区2 m比湿增加0.5~0.9 g·kg~(-1),边界层高度升高100~150 m,且傍晚边界层高度开始下降的时间推迟了约1 h。加入建筑人为热后,气温等气象条件的变化会对建筑物制冷系统能耗及人为热排放产生影响。case2对比case1,建筑物制冷系统能耗增加了1.11%~3.33%,建筑物制冷系统排放的感热通量增大0.67%~1.67%、潜热通量增大0.625%~1.56%(达2.0 W·m~(-2)以上)。研究表明,在中尺度模式中动态模拟建筑物制冷系统的人为热排放,能够改进对近地层气象要素的模拟效果。     

上海地区盛夏高温分布和热岛效应的初步研究

根据1997～1998年的7～8月高温加密观测资料和卫星遥感资料,应用自然正交函数分解技术(EOF),对上海地区盛夏高温分布的气候平均场和第一特征场进行了分析.上海地区盛夏平均高温场分布具有显著的城市热岛效应特征.作者详细讨论了市区建成面积、土地利用类别、人口密度和人为热等都市化因素对热岛效应范围和强度的影响,并做出定量的估计,提出了缓解城市热岛效应的若干对策.第一特征场分析表明,风向是影响上海地区热岛效应范围和强度变化的最主要的气象因子.     

广州人为热初步估算及敏感性分析

考虑了工业、交通和生活三种人为热排放源,利用广州市工业和生活能源消耗量、汽车保有量、主干道车流量等数据,估算出广州人为热日变化排放通量,全天平均排放通量411 W〖DK〗·m-2,最大排放通量出现在11时,为723 W ·m-2,其中工业排放占总排放量686%。利用耦合到WRF中的单层城市冠层模式(WRF/UCM),对人为热作用进行敏感性试验,包括无人为热、无日变化人为热、有日变化人为热、人为热排放通量翻倍四种方案。结果显示,方案之间冠层感热通量的差异与人为热设置的差异大致相等。试验方案之间冠层内气温差异较小,单倍人为热与双倍人为热的最大差值约只有02℃。另外,人为热使湍流得到发展,双倍人为热比单倍人为热湍流动能增加约01~04 m2 ·s-2。且人为热对白天城市边界层湍涡有增强作用,添加单倍人为热后使气流垂直速度最大增加可达01 m ·s-1,使垂直混合加强。有日变化的人为热对热岛强度的贡献在中午时最大,单倍人为热的平均贡献率159%,双倍人为热为228%;而无日变化的人为热在凌晨时贡献最大,平均贡献率149%。     

土地利用资料的更新对四川盆地高温天气数值模拟的影响

土地利用情况影响区域天气和气候,采用与实况更为接近的下垫面资料能够为数值预报提供有力支撑。使用中尺度数值模式WRF对2019年8月四川盆地高温过程进行数值模拟试验,对比基于2019年更新的MODIS土地利用数据与WRF自带土地利用资料的差异,分析下垫面资料的更新对数值模拟效果的影响。结果表明：两组土地利用资料存在明显差异,更新后的MODIS资料刻画更为精细,模拟区域的土地利用类型更加丰富。2 m气温对土地利用资料十分敏感,更新土地利用资料后两次个例平均的2 m气温2℃以内的模拟准确率提高6.2%,日最高气温模拟准确率提高31.3%;而日最低气温模拟准确率下降2.1%。土地利用资料变化明显的四川盆地内部较更新前增温明显,局部增温超过4℃,最高气温模拟偏低的状况明显改善。选取四川盆地内部地表类型由农田转为城市和建筑的合川站作为典型站点进行分析,发现土地利用类型更新后发射率减小,植被气孔阻抗增大,粗糙度增大,陆面参数的变化导致地表对边界层大气向上的感热输送增加,地表蒸发及大气水分供应减少,气温升高,边界层高度升高。模拟初期土地利用资料的更新造成模拟差异的局地性较强,随着模拟时间增加,逐渐影响...     

黄土高原地区两种再分析资料的模拟效果分析

为了研究两种再分析资料(NCEP和ERA Interim)对中尺度模式WRF模拟结果的影响,利用地面观测资料和探空资料,通过NCEP/WRF和ERA/WRF两组模拟试验,探讨了这两种再分析资料在黄土高原地区对WRF模式模拟结果的影响。结果表明,两组试验都能准确地模拟出2 m气温、相对湿度和地表温度的日变化,且ERA/WRF的模拟效果较好;由于黄土高原地形复杂,两组试验对10 m风速的模拟都不好;两组试验对地表辐射和地表通量的模拟结果相当,都能大致模拟出辐射各分量和地表通量的日变化,模拟偏差主要出现在正午时段;两组试验对大气边界层结构的模拟结果相似,对位温和比湿的模拟效果较好,与观测值的相关系数都在0.8以上,对风速的模拟效果稍差,与观测值的相关系数分别为0.64和0.60,NCEP/WRF对大气边界层结构的模拟结果比ERA/WRF好。     

WRF模式对济南地区夏季近地面气象场模拟效果评估

不同地区中尺度气象模式WRF的模拟性能存在明显差异,本文利用数值模拟和统计方法,评估了WRF模式在济南地区的模拟性能,并对比研究地形和土地利用对WRF模式模拟性能的影响,为WRF模式在济南地区的业务化运行提供参考。结果表明:WRF模式能较准确的模拟济南地区近地面气象场及其时间变化特征;统计分析发现,WRF模式对济南地区近地面气温、比湿、风速及风向的模拟准确率分别为72.5%、59.6%、29.4%和36.2%。WRF模式模拟的济南地区夏季比湿偏低、风速偏高,模拟的风速存在系统性偏差。下垫面对WRF模式的模拟结果有显著影响,10 m风速的均方根误差(RMSE)与地形、坡度、模式格点和观测站点的地形偏差显著相关,与坡度的相关系数最大;2 m气温的RMSE仅与地形偏差显著相关,在复杂地形区比较站点观测气温与模式格点气温时,需考虑地形偏差的影响。     

上海市土地利用资料优化方案对WRF模式模拟高温过程的影响

在WRF模拟中,默认的土地利用数据与实际土地利用情况差异较大,因此会影响模式的模拟效果。为此,许多学者提出了更新城市土地利用数据的方案。最简单的方法是仅就城市建成区面积进行修正。但因城市地表具有非均匀性,进而又提出了将建成区进一步精细化分类。然而,在研究土地利用资料对WRF模式影响的文献中,绝大多数研究仅是就某种资料更新前后的模拟效果进行比较,并未将城市面积改变、城市非均匀性这两个因子进行区分。本文综合考虑了面积修正与精细化分类这两个因子,根据面积修正方案和两种精细化方案生成了3种土地利用的优化数据,并结合默认土地数据共设置了4个算例对上海市2018年8月和2019年8月两次高温天气过程进行了模拟,通过对结果进行比较分析发现:1）对WRF土地利用数据进行优化后,改善了温度、相对湿度和风速的模拟效果。2）城市建成区面积是影响温度最关键的因子,面积修正使温度的平均均方根误差（RMSE）降低了0.86°C,在此基础上的精细化分类使平均RMSE最多降低了0.04°C。3）城市的精细化分类是影响风速和相对湿度的主要因子,面积修正使风速的平均RMSE仅降低0.04 m/s,而精细化分类可使其RMSE再进一步降低最多0.19 m/s;面积修正使相对湿度的平均RMSE仅降低0.23%,而精细化分类可使其RMSE再进一步降低最多2.25%。4）总体说来,精细化分类方案在一定程度上考虑了城市的非均匀性,因此对于温度、相对湿度和风速模拟结果的改善程度更大,且分类越细致,效果越好。     

热传导方程时间变量的双参数化

本文采用时间变量τ的双参数表示式:τ=Tω t,导出了双时间参数热传导方程。用于处理土温日变化时,得出了有进动的土温日波动的双时间参数解析式,从而引入了日平均温度随深度的非线性变化项,改进了迄今通用的但并不合理的线性分布的表示式。     

人为热源对城市热岛效应影响的数值模拟试验

利用耦合了单层城市冠层模型UCM的中尺度模式WRF,研究了人为热源对上海区域城市气候的影响。冬季地表温度的模拟结果表明,使用新陆面资料的试验效果要好于使用旧的陆面资料,加入人为热源的试验效果要优于没有加入人为热源的试验,这些反映了热岛效应是不断增加的城市面积和人为热源共同决定的。不同试验模拟的2 m高度上气温的模拟情况时,使用新陆面资料并且加入合理人为热源的试验模拟值明显大于其他试验的模拟值。     

上海城市热岛的变化特征分析

利用最近安装于上海城市和近郊的Davis自动气象观测每半小时一次详细的记录，对上海市热岛的变化特征进行初步分析。结果表明：上海市城市热岛全年出现概率为87．8％，月平均热岛强度值大于0．8℃；热岛强度日变化明显，存在24小时的主要周期和12小时的次周期，一般是夜间热岛强于白天；其季节变化亦较显著 ，平均热岛强度秋冬季节较强，夏季较弱；热岛中心存在位置漂移现象。     

中国地表热源的气候学特征

利用研制的地表热量平衡各分量的气候计算方法，结合全国６个热平衡站资料，计算并讨论了地表热源在全国的分布特征，分析了地面对大气加热的特点以及地表热源的参数化问题。指出季风气候背景、纬度、地形和地表湿润状况是决定地表热源特征的重要因素。就全年来说，在我国湿润、半湿润地区，潜热是地面加热大气的主要形式，西北干燥区则以感热加热为主。     

城市热岛时空特征及其影响因素

城市热岛强度呈周期性和非周期性交叉性时间变化,水平分布呈现单中心式、多中心、条状、辐射状、格网状等多种格局形式,同时具有明显的立体空间分布特征。城市热岛的形成原因及影响因素诸多,主要归纳为人为热量释放、下垫面性质和结构、植被减少、大气污染、城市格局、天气状况等。     

CLIMATOLOGICAL CALCULATION OF SURFACE LATENT HEAT OVER CHINA

In the context of measurements from all the thermal balance stations over China,two methodsof calculating surface latent heat for its climatic features are proposed through experiments with arange of schemes,one being the empirical type based on the relationship between ground latent heatand vapor pressure,and the other upon the Bowen ratio parameterization.Either of them has itsunique merits so that they can be considered in specific case to have higher accuracy.On this basis.investigation is done of the feature of geographic distribution and annual variability of the heatacross the country.     

WRF/UCM在广州高温天气及城市热岛模拟研究中的应用

应用WRF及其耦合的城市冠层模式(UCM,Urban Canopy Model),对2004年6月底—7月初受副热带高压和台风外围气流影响下发生在广州地区的一次高温天气过程进行了数值模拟。考察了WRF/UCM对"城市热岛"及城市高温天气模拟的应用效果。三个不同设计的模拟试验表明,E-UCM试验(新土地利用资料,耦合UCM模式)比E-BPA试验(新土地利用资料,BPA方法)和E-NOU试验(旧土地利用资料,耦合UCM模式)更好地模拟出了城区2 m高度温度的演变,平均绝对误差最小。尤其在夜间,E-UCM试验成功地再现了夜间热岛的形成及分布。城区及郊区地表能量平衡差异的分析表明,日间城区高温与低反射率引起的短波辐射吸收增加有关,由于城区缺少水汽蒸发蒸腾冷却过程,大部分能量收入被分配为感热加热大气。夜间,地表能量收入来自土壤热通量的向上输送,收入能量除部分用于长波辐射之外,由于城区潜热通量小,其余部分仍主要以感热形式加热大气。夜间热岛的形成与感热加热的持续有关,有利于夜间高温的维持。     

热带西太平洋暖池表层热含量分析

利用１９６１￣１９９７年中的资料,对热带西太平洋暖池的热含量进行了分析,并搪塞了暖池热含量变化与南方涛动的关系,结果表明：暖池热含量具有明显的季节和年际变化,暖池全域,西部（１６０°Ｅ以西部分）和东部（１８０°Ｅ以东部分）热呈的年际变化存在较明显的差异,暖池全域和暖池东部热呈与南方涛动存在着负相关,暖池西部热含量与南方涛是为正相关。     

SPATIO-TEMPORAL VARIATION OF SENSIBLE HEAT FLUX OVER SOUTHERN CHINA

The spatio-temporal variation of surface sensible heat flux (SHF) in southern China (SC) is studied based on the data evaluated from conventional observational meteorological data. There exist prominent increasing trends in all seasonal surface sensible heat fluxes in the western SC and decreasing trends in the central-eastern part of southern China. The variations of surface sensible heat flux in all seasons are dominant on interannual time-scales. The land-air temperature difference and the near-surface wind speed are two key factors for the interannual variations of SHF, but the former is more important. The first two major anomalous patterns of SHF are presented as the region-wide in-phase anomalies and the east-west dipole anomalies, respectively, based on the EOF analysis results.