一种单层城市冠层模式的建立及数值试验研究

本文在引进先进的城市地表能量平衡方案 (Town Energy Balance, 简称TEB) 的基础上建立了一个单层城市冠层模式, 并对南京市典型居民区1 km2范围内的局地尺度地表能量平衡各分量进行离线模拟, 将模拟结果与同期观测值作了比对, 发现: TEB方案对城市地表能量平衡各分量的模拟效果良好, 而该方案的模拟性能受建筑物表面材料反照率取值的影响较大。在离线研究的基础上, 本文又将TEB方案成功耦合到南京大学区域边界层模式 (NJU－RBLM) 中, 作为该模式的地表能量平衡参数化方案之一, 分别选取该边界层模式中原有的地表能量平衡参数化方案SVAT (Soil－Vegetation－Atmosphere－Transfer model) 和新引入的TEB方案对冬夏两季不同个例进行模拟, 以常规近地面气温观测资料和Landsat卫星观测的地表反照率资料对模拟结果进行比较, 结果表明: TEB方案对原大气边界层模式的模拟效果有明显改善, 对近地面热力场的改善效果尤为明显, 可以很好地模拟出城市冠层中的“陷阱效应”。     

应用城市冠层模式研究建筑物形态对城市边界层的影响

文中将城市冠层模式耦合到南京大学城市尺度边界层模式中,通过模拟对比发现,耦合模式对城市地区气温模拟结果更接近于观测值,尤其是对城市地区夜间气温模拟的改进.运用改进耦合模式通过多个敏感性试验的模拟,从城市面积扩张、建筑物高度增加、建筑物分布密度变化等角度研究城市建筑物三维几何形态变化对城市边界层及城市气象环境的影响,试验结果表明:(1)城市面积扩张使得城市下垫面的热通量增大,热力湍流活动增强,动量通量输送增强,城市湍能增大,湍流扩散系数变大,城市气温升高,且对不同时刻城市区域大气层结稳定度均有不同程度的影响.(2)建筑物高度增加增大了城市下垫面的粗糙度和零平面位移.同时也增大了城市街渠高宽比.城市建筑物越高,白天城市地区地表热通量越小,城市上空大气温度越低,平均风速减小,湍能减小;夜间由于高大建筑物释放储热比低矮建筑物要多,其热力湍流相对活跃,地表热通量增大,使得城市区域气温较高.(3)建筑物密度增大,会减小城市下垫面的粗糙度同时增强街渠对辐射的影响.建筑物密度增大在白天会减小地表热通量和动量通量,使城市气温降低,平均风速增大,城市湍流活动能力减弱;夜间城市释放较多储热使得气温较高.     

WRF/NCAR模拟的夏季长三角城市群区域 多城市热岛和地表能量平衡

利用一个包含城市冠层效应的区域模式（WRF/NCAR）,对长三角特大城市群的夏季气候效应进行了5 a（2003—2007年）高分辨数值模拟,通过长三角地区有无城市的对比试验分析,重点分析了城市群所造成的多城市热岛和地表能量平衡及其日变化特征。结果表明：城市化会导致显著的地表升温,但昼夜不同的升温幅度造成城市地表温度日较差的降低,以及部分郊区日较差增加;城市化也减小城市近地面风速,但沿海城市升温造成的热力差异,增大白天的海风并降低夜间的陆风。同时大范围城市群的热岛能够显著降低低层气压,导致部分海面风速持续的增加;城市下垫面具有很小的潜热通量,但感热通量和热存储量较大,白天的热岛逐渐增加,并在日落前达到最大,夜间热岛基本维持,但在日出前后迅速减弱;较大的入射短波辐射、较小的向下长波辐射和较低的10 m风速能够减弱白天的热岛,而增强夜间的热岛,并且使热岛峰值从17时延后至20时出现;反之亦然。     

WRF/NCAR模拟的夏季长三角城市群区域多城市热岛和地表能量平衡

利用一个包含城市冠层效应的区域模式(WRF/NCAR),对长三角特大城市群的夏季气候效应进行了5 a(2003—2007年)高分辨数值模拟,通过长三角地区有无城市的对比试验分析,重点分析了城市群所造成的多城市热岛和地表能量平衡及其日变化特征。结果表明:城市化会导致显著的地表升温,但昼夜不同的升温幅度造成城市地表温度日较差的降低,以及部分郊区日较差增加;城市化也减小城市近地面风速,但沿海城市升温造成的热力差异,增大白天的海风并降低夜间的陆风。同时大范围城市群的热岛能够显著降低低层气压,导致部分海面风速持续的增加;城市下垫面具有很小的潜热通量,但感热通量和热存储量较大,白天的热岛逐渐增加,并在日落前达到最大,夜间热岛基本维持,但在日出前后迅速减弱;较大的入射短波辐射、较小的向下长波辐射和较低的10 m风速能够减弱白天的热岛,而增强夜间的热岛,并且使热岛峰值从17时延后至20时出现;反之亦然。     

植被冠层截留对地表水分和能量平衡影响的数值模拟

利用NCAR_CLM4.0模式,通过有无植被冠层截留的试验对比分析,讨论了植被冠层截留对全球陆面水分和能量平衡产生的潜在影响.结果表明:就全球水分平衡而言,不考虑植被冠层截留时,全球平均土壤总含水量、表面径流和次表面径流增加,蒸散发减少.空间分布特征表明,低纬地区各水分平衡分量全年维持较高的差值分布,并随季节变化沿赤道南北振荡;北半球中高纬高值区有春季扩张、夏季极盛、秋冬季撤退的趋势.冠层截留消失后冠层蒸发的消失是蒸散发减弱的主要原因.对于能量平衡而言,不考虑冠层截留时,全球感热通量增加,冠层感热的增加明显大于地面感热的减少;潜热减少.此外,不同植被类型对不考虑冠层截留后产生的响应存在明显差异.     

藏北高原地表能量和边界层结构的数值模拟

利用耦合了NCAR LSM陆面过程的中尺度模式MM5V3.7和2002年8月CAMP/Tibet加强期的观测资料,对藏北高原地区地气交换过程进行了48 h模拟研究。模式较好地模拟了该地区的山谷风环流;并将模拟的地表通量在中尺度区域上与NCEP/NCAR全球大气再分析格点资料(NNRP)获得的结果进行了比较,同时也与单站的实测值进行了比较,结果显示:模拟的地表通量与NNRP得到的结果比较吻合,同时可以得到雨季时藏北、藏东地区潜热通量大于感热通量,而高原西部感热通量大于潜热通量,这与观测试验分析结果一致;与单站试验结果比较,模拟的感热通量与实测值一致,潜热通量的模拟值和实测值有一定差别。模拟的边界层位温廓线与实测值比较,模式模拟的对流混合层和夜间残留层都与实测结果吻合,但模拟的混合层高度较实测值高。由此来看,中尺度模式MM5V3.7能够较好地模拟藏北高原的地表能量和边界层结构特征,但还需要进一步完善陆面过程和物理过程参数化方案。     

不同下垫面数据和城市冠层参数化方案对江苏气温影响的个例分析

利用中尺度数值模式WRF,分别选用新旧两种下垫面资料和不同城市冠层模型设计试验,以江苏一次秋末高温天气个例(2014年11月20—21日)为背景,研究城市化进程对气温的影响和可能机制。将模式结果与江苏国家气象观测站和地面加密区域自动站观测资料进行对比,并分析3组试验结果发现:(1)采用BEP城市方案对2 m气温、2 m相对湿度和10 m风速等物理量的日变化模拟最优。(2)相比USGS数据,MODIS较新地表覆盖变化数据能更真实反映研究区域当前地表类型分布情况,且能提高近地面风温湿要素空间分布的模拟。(3)分析不同试验模拟的地表能量平衡过程差异,发现相比UCM单层城市冠层方案,BEP多层城市冠层方案在白天能更好模拟出城市地区的温度升高以及相对应的地表感热通量和地面热通量的增加。     

不同城市冠层参数化方案对重庆高密度建筑物环境的数值模拟研究

目前,耦合在WRF模式中的城市冠层方案包括单层冠层方案（UCM）,多层冠层方案（BEP）以及考虑室内外大气能量交换的多层冠层方案（BEP+BEM）。不同方案计算过程及参数设置不尽相同,这些方案能否适应高密度建筑物复杂下垫面的城市气象环境的模拟?建筑物形态参数对于城市气象因子模拟的敏感性如何?为回答上述问题,选取建筑物高密度城市——重庆为研究对象,以2006年重庆高温伏旱天气为背景,采用高分辨率（333 m×333 m）的地理信息系统数据替换WRF模式中默认的美国地质调查局（USGS）静态数据,对WRF中的3种城市冠层方案进行了模拟评估,并进行建筑物形态参数变化对气象因子影响的敏感试验。结果表明：（1）BEP+BEM、BEP、UCM方案模拟值与城区内10个站点2 m高气温观测值的均方差和平均误差分别为1.3、1.4、2.1和-0.5、-0.8、-1.4℃,单层冠层方案相对较差,BEP+BEM方案最好。模拟值普遍略低于观测值。位于密集建筑物周边的2 m高气温模拟值与自动站观测吻合相对较好,而中国国家基本站的观测值与模拟值相比,观测值偏低,靠近水体的模拟结果相对较差;（2）建筑物高度及密度参数的变化对城市近地层气温产生明显的影响,当建筑物高度增高时,由于短波遮蔽作用的影响,白天气温降低最大达到0.4℃,而夜间由于辐射截陷作用增强,气温明显升高,最大可达0.7℃。建筑物间距缩小,导致白天近地面气温降低,夜晚则升高,且夜间变化幅度更大;（3）当调整建筑物高度及密度参数分别为：高度20%（15 m）+60%（20 m）+20%（25 m）,间距20 m时,城区内观测站点2 m高气温观测值与模拟值的均方根误差从1.3℃减小到0.6℃,提高了模式的模拟性能。     

城市冠层模式在GRAPES模式中的应用

在GRAPES中尺度模式中耦合了城市冠层模式(Urban Canopy Model,简写为UCM),并选择珠江三角洲(简称"珠三角")地区2011年7月10日夜间强降水过程和2012年8月19日的高温个例,考察了GRAPES中尺度模式与城市冠层模式耦合在珠三角地区的模拟效果,分别设置了两组试验,在GRAPES模式中耦合和未耦合城市冠层模式(UCM和noUCM)。结果发现,UCM对强降水中心和降水落区的模拟都较noUCM有明显的改善,从降水的四个评估指数(命中率、反命中率、威胁指数及偏差)也可以看出,UCM的结果较noUCM有了较明显的提高,尤其是命中率和威胁指数;对2 m高度的温度和地表热通量而言,两组试验的日间温度和热通量差异较大,中心城区UCM模拟的温度较noUCM高2~4℃,最大差值达5~6℃,热通量差异基本在150 W/m~2,而在夜间,两组试验模拟的温度和热通量差异减小,温度差值基本在0.5~1.0℃之内,热通量差异一般在10 W/m~2左右。两组试验对降水模拟差异的主要原因是UCM模拟出了降水前期地面强的辐合区及相应的温度高值区,对流层低层较大范围的垂直上升运动和辐合上升,对流层中层的暖湿中心及地面较大的CAPE值(达2 000~3 000 J/kg),而noUCM的模拟偏弱或是未能模拟出来。从另外高温个例观测与模式模拟的对比结果来看,UCM模拟的近地面气温、风速、感热通量、向下短波辐射通量和向上长波辐射通量与观测的误差减小,但感热通量与向下短波辐射通量与观测存在一定差距。     

WRF耦合城市冠层模式对珠三角城市群天气模拟影响的评估

基于是否耦合有城市冠层模式的3个对比试验(无城市冠层模式:W-NUR;单层冠层模式:W-UCM;多层冠层模式:W-BEP),应用WRF模式模拟了珠江三角洲(简称珠三角)地区发生于2011年6月21日午后的一次强降水过程,发现W-UCM、W-BEP试验模拟结果均优于W-NUR试验,但降水落区与实际观测相比仍有差异。为此应用前期10天(2011年6月11—20日)的模拟结果,通过对珠三角城市群6个站点基本气象要素模拟效果的评估,重点考察了W-NUR及W-UCM试验结果的差异,并对模拟降水存在差异形成的原因进行分析。评估结果表明:无论是W-NUR还是W-UCM,模拟的10 m高度风速普遍偏强,其中W-NUR模拟的平均风速与观测对比偏强1.61 m/s,W-UCM偏强1.58 m/s;W-NUR模拟的2 m高度温度及温度露点差均较观测偏低,温度平均偏差为-1.28 ℃,温度露点差平均偏差达-1.39 ℃,而W-UCM模拟的温度及温度露点差较观测偏高,温度平均偏差略高0.14 ℃,温度露点差平均偏差1.12 ℃。平均偏差及均方根误差分析反映出,温度模拟的误差最小,其次为温度露点差,风速误差最大,而且模拟温度和温度露点差与观测相关性更好,相关系数分别达到了0.60和0.50以上,通过0.001显著性水平检验,而风速的相关性则相对较弱。总体来看,尽管耦合冠层模式后WRF对地面气象要素的预报有所改善,但模拟的10 m高度风速仍然偏强。就21日强降水过程的模拟来说,由于偏北风偏强造成了切变线南压,可能是模拟降水落区偏南的一个原因。      

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。     

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。     

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。     

南京夏季城市热岛时空分布特征的观测分析

利用2010年南京夏季城市热岛三维观测试验资料,分析了南京夏季典型天气条件下城市热岛的时空分布特征。结果表明,南京夏季高温晴天日平均热岛强度达1℃以上,夜间热岛强度稳定且强于白天,热岛分布具有方向性特征并与城市土地利用现状对应较好。白天,城市大气混合层的发展速度和高度均大于郊区;夜间,由于城市大气层结的不稳定及下垫面的粗糙特性,致使城市低空始终存在着一个对流混合层,其高度至少有250 m。城市下垫面高热量储存和强湍流输送的共同作用形成边界层内热岛,热岛强度总体上随高度递减,影响高度在白天约900 m、夜间约300 m。     

城市下垫面对河谷城市兰州冬季热岛效应及边界层结构的影响

利用中尺度数值模式WRF耦合单层城市冠层模块UCM,引入2005年MODIS土地利用类型资料,在对2005年1月25—28日兰州市热岛现象进行高分辨率数值模拟的基础上,设计了去除城市下垫面敏感性试验,探讨了城市下垫面对城市边界层的影响程度。结果表明,城市下垫面能使近地层大气温度升高而风速减小,并且,在夜间表现更明显。由城市热岛强度日变化分析可知,城市下垫面对兰州市热岛强度的贡献率为44%。夜间,城市上空200 m以下的近地层大气保持了白天的混合层特征,热岛环流的上升运动促进了山风环流,使得上升气流到达地面以上600 m左右;白天,由于山峰加热效应,城市上空400—600 m存在一个脱地逆温层,城市热岛环流使得11—15时（北京时）市区近地层出现弱上升气流,抑制了谷风环流的形成及发展。城市下垫面的低反照率特性和建筑物的多次反射作用导致城市下垫面的净辐射通量大于非城市下垫面;城市下垫面由于建筑材料的不透水性,导致潜热通量远小于感热通量,而储热项所占比重明显增大。     

海口城市化对热岛效应的影响

随着全球城市化快速发展、城市化水平逐渐提高,城市气候问题日益突出,城市热岛效应的形成机理也成为当前研究的热点。基于海口市2010—2015年社会经济、气象和Landsat卫星遥感数据资料,分析了海口市城市热岛强度变化和城市化发展对城市热岛效应的影响。结果表明,海口市的热岛强度逐渐增强,范围逐渐扩大。城市热岛强度具有明显的季节变化,春季最高,夏季和秋季逐次之,冬季最低。城市热岛强度与归一化建筑指数、人口密度和国内生产总值呈显著正相关,和归一化植被指数呈显著负相关,都通过了信度0.01的显著性检验。城市扩大植被面积在一定程度上有助于缓解城市热岛效应。     

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℃。