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.     

Numerical studies on urban heat island associated with urbanization in yangtze delta region

The impact of modifications of the surface characteristics on local climate is simulated with a numerical mesoscale model in the Yangtze delta region, east of China. The simulated reference case with the current surface properties shows that there is urban heat island in Shanghai city which is located in the center of this region. The mod-ifications of surface characteristics due to the urbanization around Shanghai will lead to the change of local air circu-lation and redistribution of surface temperature. Simulation for this case shows that the urbanization around Shanghai has little effect on Shanghai, but will extend the area of heat island. Another case is assumed that the area of grassland is kept as 50% while the urban areas are extended. Compared with the case of pure urbanization, the max-imum reduction of surface air temperature is 2.0oC in the daytime and 2.3oC at night.     

Numerical calculations of temperature profiles over an urban heat island

Nonlinear two-dimensional calculations have been carried out to estimate the temperature and velocity changes induced in air flowing over an urban heat island. Of particular interest is the destruction of a nocturnal inversion and the crossover to cooler temperatures aloft. Initial calculations for constant eddy diffusivity and constant rural velocity show good agreement with a linearized solution. Qualitatively similar results are obtained when appropriate vertical profiles are introduced for the eddy diffusivity and rural velocity. In these cases heating produces sufficient lifting of the air in the stable atmosphere that noticeable temperature crossover occurs. Additional calculations for the case in which the eddy diffusivity increases over the heat island yield greatly reduced vertical velocities; however, even greater temperature crossover can occur from the interaction of the diffusivity changes and the nocturnal inversion.     

城市热岛效应对污染物扩散规律影响的数值模拟

用一个二维非定常扩散方程模拟了夜间城市边界层中三种不同有效高度(20m,72m和110m)连续线源所产生的污染物浓度分布特征。数值试验结果表明:不管是否出现热岛环流,城市热岛效应使高架源产生的地面浓度增大,而使近地面源所产生的地面浓度减小。这是因为城市下垫面的热力和动力作用改变了一般的边界层低层的温度结构和湍流结构所致。     

城市热岛成因及其对污染物扩散影响的数值模拟

采用大涡模拟方法,通过数值求解可压缩流体的动力学方程和欧拉型的浓度扩散方程,建立了不同的地表模型,将城市地表差异等因素作为地面热通量的边界条件引入,得到了简单区域上的温度场和流场的三维结构,证实了城乡地表差异是引起热岛现象的根本原因之一,成功再现了城市热岛现象,并研究了城市热岛效应的存在对污染物扩散的影响。     

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.     

Numerical modeling of the nocturnal PBL over the urban heat island in Changzhou city

A two-dimensional primitive equation model has been used to describe the changes of the fields of horizontal wind, temperature and vertical eddy exchange coefficient and the development and evolution of urban heat island circulation for the thermal and dynamical effects of urbanlization, while the air flows over a city in the nighttime. Because the turbulence and average fluid are in a condition of unbalance to each other, the turbulent energy varies with time. So the equations are closed by introducing the equation of the variable rate of turbulent energy in the model. We are able to obtain the distribution and change of the turbulent energy over the urban area in this way. Finally we examine the effect of urbanization by using the differences of the actual ground pollutant concentration and the vertical distribution of concentration emitted by an elevated pollutant source.In order to verify this model, the profiles of horizontal velocity and temperature that are predicted by this model are compared with observed data for Changzhou city.     

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。     

城市热岛效应研究进展

随着城市规模的高速发展和城市人口的急剧膨胀,因城市下垫面结构的急剧变化和城市人为热排放的迅速增加所引起的城市热岛效应已逐渐成为严重影响城市人居环境和居民健康的重要因素。城市热岛效应研究已成为城市气候和区域气候研究中的热点问题。为更好地研究城市热岛效应,及时追踪国内外最新进展,综述了城市热岛的概念和形成机制,重点介绍了地面气象资料观测法、遥感监测法和边界层数值模式模拟法等3种城市热岛效应研究方法,总结了城市热岛效应国内外最新研究进展。最后基于现有城市热岛效应研究不够完善和深入,研究过于简单化和表面化,尺度局限于宏观大尺度以及各种方法自身的局限性等不足,指出在未来的城市热岛效应研究中,应突破现有的大中尺度,注意结合高分辨率卫星遥感影像进行多尺度多平台监测以及综合考虑气溶胶粒子对辐射强迫的影响等。     

南京地区下垫面变化对城市热岛效应影响的数值模拟

利用新一代中尺度研究和预报模式(Weather Research and Forecasting Model,简称WRF)分别耦合多冠层、单冠层和平板模式三种情况进行南京地区2007年8月1日的天气过程模拟,分析不同城市冠层方案对南京气象场的模拟效果。在此基础上,结合模拟效果最好的城市冠层方案,研究南京城市下垫面的变化对其热岛的影响。结果表明:多冠层方案对近地面气温、10 m风场的模拟效果最好;城区的扩张使南京地区近地面气温升高,主要表现为城市区域夜间升温显著,并且导致热岛强度明显增强;城市扩张后,城区白天风速大范围地减小,同时热岛环流更加显著,且具有明显的城市热岛的"下游效应"。     

哈尔滨市热岛效应研究

1引言城市化进程的不断加快,对城市气候有着深远的影响,由其引起的城市热岛现象已经引起了广泛的关注。城市热岛效应是指当城市发展到一定规模,由于城市下垫面性质的改变、大气污染以及人工废热的排放等使城市温度明显高于郊区,形成的类似高温孤岛现象。     

西宁城市热岛效应分析

西宁作为青藏高原最大的城市,近年来随着城市化的发展,城市热岛效应及其所带来的影响日益明显。本文利用西宁市城市和郊区气象观测站逐小时气温观测资料,分析了西宁市平均气温、最高气温和最低气温日内、候平均热岛强度变化特征,结果显示:(1)相对于郊区,西宁城区平均气温日内变化幅度较小,16—17时(北京时,下同)表现为弱的冷岛效应,冷岛强度为0.034℃,日出前的06—07时热岛强度表现最强,热岛强度最高可达3.01℃;(2)春季和夏季一天中均为热岛效应,且热岛效应日内变化幅度较小,分别为2.76℃和2.12℃。秋季和冬季在日出前的07—08时热岛强度最强,分别为2.89℃和4.14℃,秋季16—17时和冬季15—17时表现为冷岛效应,最大冷岛强度分别为0.34℃和0.53℃;(3)西宁城区1月第3候热岛强度最强为3.40℃,7月第2候热岛强度最弱为1.07℃。其中白天在1月第3候热岛强度最强为0.88℃,9月第1候最弱为0.13℃,热岛强度年内变幅较小仅为0.75℃,而夜晚在1月第3候最强为5.93℃,7月第2候最弱为1.62℃,热岛强度年内变化幅度达4.30℃;(4)西宁城区候平均最高气温在春季和夏季表现为热岛效应,热岛强度平均为0.58℃,而在秋冬季表现为冷岛效应,冷岛强度分别为1.84℃。候平均最低气温全年均表现为热岛效应,其中夏季相对较弱为3.22℃,冬季表现最强达到5.11℃。     

Temporal characteristics of the Beijing urban heat island

Summary This paper describes the inter-annual trend, and the seasonal and hourly variation of the near surface urban heat island (UHI) in Beijing. The surface air temperature data (mean, maximum, and minimum) from one urban (downtown Beijing) and one rural (70 km from downtown Beijing) station were used for the period 1977 and 2000. It is found that the temperatures in both urban and rural stations show an increasing tendency. Specifically, minimum temperature shows the greatest tendency at the urban station whereas maximum temperature shows the greatest increase at the rural station. The UHI intensity obtained by calculating the difference in temperatures between the two stations identifies that the intensity is greatest and has the greatest increasing trend for minimum temperature, while the UHI intensity of maximum temperature shows a slow decrease over time. UHI intensity for minimum temperature has a strong positive correlation with the increase in the urban population and the expansion of the yearly construction area. Seasonal analyses showed the UHI intensity is strongest in winter. This seasonal UHI variation tends to be negatively correlated with the seasonal variation of relative humidity and vapor pressure. Hourly variation reveals that the strongest UHI intensity is observed in the late nighttime or evening, while the weakest is observed during the day.     

南京地区太阳能屋顶缓解夏季高温的模拟研究

太阳能屋顶的安装预计能在一定程度上缓解城市化带来的能源危机及对城市热环境的破坏。利用耦合了城市单层冠层方案（UCM）的WRF模式,以南京2010年7月27日至8月5日夏季晴天微风天气为背景,模拟了不同发电效率的太阳能屋顶的安装对城市高温的缓解效应。结果表明:（1）太阳能屋顶可以通过削弱到达城市表面的太阳辐射使城市2 m高气温降低,随着发电效率的提高,降温效果更明显,且白天降温效果明显优于夜间;白天2 m高气温最大降低0.4-1.3℃,夜间降低0.2-0.5℃。（2）太阳能屋顶可使边界层内气温降低,白天在边界层400 m以下降温显著,夜间在边界层高度200 m以下降温显著;白天边界层内最大降温出现在中午前后,降温0.1-0.8℃,夜间边界层内最大降温0.5℃。（3）发电效率为40%时,模拟期间的发电量为18.1×109 kW·h。      

长三角城市群非均匀性对区域热岛效应影响的数值模拟

使用中尺度数值模式WRF3.9/Noah/UCM,对长三角地区无明显天气过程的2013年8月11至17日一周进行数值模拟,采用2013年500 m分辨率的MODIS数据更新土地覆盖资料,依据城镇比例将城市下垫面进一步分类为高中低3种类型,以此研究长三角城市群非均匀性对区域热岛效应的影响。结果表明:长三角城市群近地面气象要素场对城市下垫面的非均匀性比较敏感,平均热岛强度、干岛强度和风速衰减相较于不考虑城市非均匀性分别减小了16.41%、20.04%和6.25%;受背景风场影响,白天城市群的热岛强度弱于夜晚,均有向下游扩展现象,且内陆城市的热岛强度和干岛强度较沿岸区域更强;相比于均匀城市下垫面试验,考虑非均匀城市影响后,整体热岛强度和干岛强度减弱;白天垂直热岛环流结构明显,整体可以伸展至2 km高度,在东南风背景下,热岛上游高密度城市的热岛环流会抑制下游热岛环流发展,考虑城市非均匀性后,上游效应更显著;热岛强度受非均匀性影响在傍晚和夜间最高减弱可达0.2℃,且进入较强热岛的时间会推迟,维持时间也将缩短。因此,忽略城市下垫面的非均匀性,可能会高估区域热岛效应。     

黄土高原山地城市延安的热岛效应

利用延安城市站与延长农村站1969—2008年气温资料,分析了热岛效应对延安气温的影响。结果表明:延安城市发展对年平均气温的影响可分为三个阶段,1992年以前,延安站温度未受影响,1993—2002年,城市影响较轻,年平均气温的热岛效应增温贡献率为38.1%,2003年以后,热岛效应明显,增温在1℃以上,与大城市的热岛增温接近。热岛效应增温对四季温度的影响基本一致,热岛效应增温与自然增温贡献率相等。城市热岛效应对最低气温的影响开始时间早,影响程度高,对年平均最高气温基本无影响。受热岛效应影响,不但提高了城市的温度同时也改变城市的增温率,使得城市气温增温率加大。     

西安城市热岛效应变化特征分析

根据气象站资料累积时间、连续性、站点位置、城郊站间距离等情况,对西安市及其周边气象站进行筛选;利用选出的城郊气象参证站1961—2016年逐时气温、风速、降水等常规地面气象观测资料,采用城、郊气温对比法分析西安城区热岛强度的变化;利用2014—2016年气象站资料,分析不同气象条件对城市热岛强度的影响。结果表明:(1)西安城市热岛强度从20世纪70年代以来呈逐年增大趋势,特别是90年代后大幅升高,2010年后高位窄幅波动;(2)热岛强度存在明显的季节变化,春季最大,冬季次之,夏季最小;(3)年内6—10月热岛强度较小,12月至次年5月相对较大,其中4月最大,7月和10月最小;(4)热岛强度以18时前后为最小,随后快速增大,至次日07时达到最大,10时后迅速减小,表现为夜间和早间较强,午间至傍晚小的分布特征;(5)降水和风速对热岛强度均有明显的减弱影响,降雨量越大热岛强度越弱,风速越大热岛强度越弱。     

Geostrophic wave circulations

Advances in Atmospheric Sciences -     

石家庄气象站记录的城市热岛效应及其趋势变化

利用石家庄市区站和4个郊区站1962—2009年的气温资料,采用城乡气温对比和线性趋势分析方法,探讨了石家庄站地面城市热岛(UHI)强度特征及其随时间变化情况,以及城市化因素对城市站地面气温长期变化趋势影响.结果表明:石家庄站地面UHI效应明显,且UHI效应在最低气温上表现更突出;UHI强度冬季1月最大,夏季7月最小;UHI强度具有明显的日变化,最高值出现在早晨7—8时,最低值出现在午后14—16时;近48 a,石家庄站附近UHI强度呈显著增加趋势,且最低气温UHI强度比最高气温的增加趋势更明显;从UHI强度增加对地面气温观测记录的影响来看,石家庄站附近1962—2009年期间年平均UHI增温率达到0.19 ℃/(10 a),UHI增温贡献率为67.9％,即该站近48 a记录的年平均地面气温上升趋势,有2/3以上可归因于城市化因素影响.