基于ENVI-met模式的城市近地表气温模拟与分析-以南京市部分区域为例

城市不同下垫面与建筑物空间形态对近地表气温等微气候要素产生了重要影响。开展城市气温时空变化模拟与影响因素分析,对于城市热环境评价与城市规划具有重要意义。论文基于高空间分辨率Geoeye-1立体影像,在建筑物高度、下垫面覆盖类型信息提取的基础上,选择南京一中、光华东街、玄武湖、头陀岭4个区域,采用ENVI-met微气候模式,以城市基本气象站南京站的实时气象数据作为背景气象场,模拟不同区域近地表气温的时空分布特征,并利用区域自动气象站观测数据进行精度检验。结果表明:在时间变化上,ENVI-met模拟气温与实测值之间吻合程度较高;在空间分布上,南京一中与光华东街区域气温时空分布规律总体相似,但城市空间形态的差异使得局部区域气温变化不同,玄武湖区域气温由陆地中心向外围呈递减趋势,而头陀岭地形复杂多变,白天气温变化剧烈,夜间空间变化较小。     

基于ENVI-met的福州大学校区冬季热环境模拟与热舒适度变化分析

选取福州大学校园教学区为研究区域,基于典型冬季日背景,运用三维非静力微气候模型ENVI-met,分析模拟校园热环境的差异变化及其热舒适度响应。结合实地勘测,对模型进行校准和验证。结果表明：ENVI-met模型能较好地表征室外热环境,准确预测温度和相对湿度的日变化趋势。混凝土路面、灰色地砖路面行人高度的日平均气温分别比草地高出0.1 ℃和0.3 ℃,逐时最大温差分别为0.68 ℃和0.65 ℃。建筑物阴影和树阴可降低行人高度的气温1.1—1.9 ℃;同一组团在有无遮阴的条件下,平均辐射温度（T_mrt）相差最大可达30 ℃;树木附近和建筑物组团内部生理等效温度（PET）值较小,比硬质路面低2—3个等级。无植被方案下,高温低湿区范围有所扩张,在垂直方向上的增温效应可伸展至10.5 m;风速最大增幅可达1.23 m·s^-1,平均辐射温度较高区域的面积增加了69.25%;热舒适区和热不适区面积分别增加了19.78%和2.03%。     

基于气象研究的城市通风廊道构建初探——以南京江北新区为例

利用南京江北新区的气象观测数据、NCEP全球再分析资料和卫星遥感数据,采用统计分析、数值模拟以及地表温度反演技术,综合分析了江北新区的背景风场特征和城市热岛分布状况;并结合江北新区土地利用现状及未来规划资料,构建了其核心规划区域的通风廊道系统。结果表明:(1)江北新区主导风向为偏东风,局地存在山谷风和水陆风,风速主要集中在2~4 m·s~(-1)风速段,且近10年呈下降趋势;(2)在空间分布上,城镇、工业园区风速较小,同时是强热岛区域且有热岛连片发展趋势;长江、老山和林地等冷岛区风速较大,空气较为清新,可利用其与城镇进行空气交换;(3)结合当地气候条件、地形特征、用地类型及未来规划,以山体地势为脊骨,以顺势输引主导风向为基本,以沟通冷源和弱风区为目的,构建了东北—西南走向的1条主通风廊道和3条次通风廊道,以及东南—西北、东—西走向的8条局部通风廊道;并对通风廊道的走向、宽度、布局等提出控制指标和构建策略。     

太湖对周边城市热环境影响的模拟

太湖微气候条件及局地热环境的研究对于太湖周边城市地区可持续发展以及大气宏观调控具有重要意义。为了更准确模拟太湖湖-气交换,将CLM4-LISSS浅水湖泊陆面过程参数化方案耦合进入WRF中的Noah陆面过程模型。采用太湖湖上平台及岸边陆上测站观测的数据,评估了CLM4-LISSS浅水湖泊过程方案对太湖区域近地层气象条件的模拟性能。并基于耦合模型模拟研究了太湖对周边城市区域热环境的影响。结果表明,CLM4-LISSS湖泊陆面过程方案模拟的湖表面温度能反映真实温度的变化趋势。两种陆面过程方案在2 m气温的模拟值也存在一定的差异。CLM4-LISSS与Noah方案计算所得湖上2 m气温的模拟值与观测值的平均均方根误差分别为1.77和2.22℃,平均相关系数分别为0.88和0.84;模拟10 m风速的平均均方根误差分别为1.93和2.78 m/s,平均相关系数为0.72和0.68。太湖对周边城市热环境存在明显的影响。8月太湖对周边地区15时（北京时）近地层平均降温0.5-0.7℃,影响范围达60 km。06时太湖导致周边近地层平均升温达0.7-1℃,影响范围达50 km。湖风带来的冷空气抑制了城市热岛的垂直运动,在高温天气下使得苏州、无锡和常州城市地区昼间边界层下降高度可达300、400和100 m。无锡地区边界层内气温最高降幅可达0.5-0.7℃。通过选取无锡地区2015年8月28日高温小风天气作为背景条件,分析该地区湖风对城市热岛环流的影响机制。结果表明湖风能够破坏无锡地区的热岛环流结构,改变近地面热量和水汽的分布,抑制城市热岛的垂直发展,并影响至整个无锡地区。局地热力环流的变化对于局地气候以及污染物质的输送与扩散有可能产生重要影响,准确的湖泊陆面过程参数化方案对于天气预报、空气污染模拟,以及气候模拟研究等均具有重要意义。     

屋顶绿化对城市降温效应的模拟分析——以南京市为例

利用WRF模式耦合单层城市冠层模式,针对屋顶绿化对城市降温效果进行了模拟,结果表明:(1)南京夏季绿化后的屋顶反照率约为0.15,较水泥及其他反光材料的反照率略小,在白天可造成约0.2℃的升温。(2)绿化后的屋顶热容量明显增加,可使白天气温下降0.33℃;在夜间,可使气温升高0.21℃左右。(3)在植被阻挡作用及土壤层阻挡作用下,屋顶的导热率降低。在白天,净辐射能很难向下层传递,从而转化为感热加热大气,造成气温升高。(4)土壤湿度的改变使更多净辐射能转化为潜热释放。在白天可使温度降低1.23℃;在夜间,平均降温幅度为0.44℃。除此之外,模拟不同季节的统计结果表明,屋顶绿化降温效果在夏季最为明显,最大降幅可达1.22℃,春季0.96℃,秋季0.75℃,冬季只有0.38℃。     

城市中水体布局对大气环境的影响

城市下垫面状况在很大程度上决定城市大气物理环境的特征。在城市区域增加湿地等自然地表有利于城市的减温增湿,促使局地流场发生变化,改善局地微气象条件以及大气物理环境。城市规划大气物理环境多尺度数值模拟系统为城市规划大气物理环境定量评估提供了有效的模拟工具。利用该系统中的城市尺度模式模拟了水体布局为集中型和分散型,水体面积占有率分别为4%、8%、12%和16%条件下,城市大气温度、湿度、风速、城市大气扩散条件的变化及其对城市大气环境的影响,利用北京市城市水体气象观测数据,分析了水体周边和商业区、交通区温、湿度的差异,并对模式模拟结果进行了验证,揭示了城市水体布局对城市大气物理环境影响的可能机制。模拟和观测结果显示,城市水体布局会对城市微气象环境产生一定影响。无论分散型或集中型布局,城市水体面积的增加,都在一定程度上使城市气温降低、湿度增加、平均风速增大。比较而言,分散型水体布局对城市区域微气象环境的影响更为显著。     

城市热力景观布局对热岛效应的影响——以南京为例

使用MODIS的MOD11类型数据得到地表温度。在此基础上采用热力景观学方法,并按温度值高低把热力景观分为7个类型。分析南京地区热岛效应现状与热力景观格局说明,较密的森林与非工业用地是整个热力景观的土地利用基础,南京地区热岛效应虽然明显,但高温区的优势度较小,该结果和热力景观的研究结果为缓解地区热岛效应的对策研究提供了理论依据。     

城市水文过程对气象环境影响的模拟分析

采用引入城市水文过程的WRF/SLUCM方案,以北京2010年7月4—6日高温热浪天气为背景,模拟了绿地灌溉、绿洲效应和人为潜热等水文过程对城市气象环境的影响。结果表明:(1)绿地灌溉、绿洲效应和人为潜热等水文过程可导致北京城区13 ∶00(7月4—6日小时平均,下同)潜热通量升高最多约100 W·m^-2 ,02 ∶00升高最多约15 W·m^-2;感热通量13 ∶00降低最多约80 W·m ^-2;02 ∶00降低最多约5 W·m^-2 。(2)城市水文过程可导致城区13 ∶00相对湿度增加最多约4%,02 ∶00约6%;地表气温13 ∶00降低最多约1.2 ℃,02 ∶00约0.4 ℃。(3)城市水文过程对北京城市热岛强度的减弱效果白天明显好于夜间,且在10 ∶00—14 ∶00出现了强度约0.8 ℃的冷岛效应。(4)水文过程会导致北京城区500 m高度以下白天大气温度最多降低0.5 ℃,相对湿度最多增加3%,但夜间影响较小。由于热对流运动的减弱,城区边界层高度降低约200 m;城区1 km高度以上水平风速增大,低层风速减小。     

太阳能光伏屋顶对城市热环境及能源供需影响的模拟

太阳能光伏屋顶的安装在一定程度上能缓解城市化带来的能源危机和城市热环境的破坏。将太阳能板的传热模型引入WRF模式的多层城市冠层方案中,选取了2017年7月21—27日一次典型的高温热浪天气过程,在线模拟太阳能屋顶两种安装形式(贴覆式和支架式)对城市热环境及能量平衡的影响。结果表明:(1)贴覆式太阳能屋顶可使白天2 m气温最多降低0.29°C,降温效果优于支架式屋顶,但夜间温度下降较小。支架式屋顶白天最大降温0.23°C,夜间降温效果明显,与普通屋顶相比,温度最多降低了0.60°C。(2)太阳能屋顶白天确实可以起到降温效果,抑制白天边界层的发展高度,降低边界层的厚度。(3)太阳能屋顶除了对城市气象的影响外,最重要的是它对能源的贡献。从结果来看,太阳能电池板产生的电能可以满足商业区54.5%的空调消耗。     

盆地城市地气温差变化特征及模拟研究——以成都市为例

地气温差对大气边界层热力交换起着极为重要的作用,对局地气候、城市边界层结构和大气污染有着重要影响,因此有必要对城市下垫面地气温差进行相应研究。本文以典型盆地城市成都为例,利用2014年成都市地表温度、气温逐时观测资料分析了该地区地气温差的变化特征,讨论了中尺度数值模式WRF (Weather Research and Forecasting Model)对盆地城市地气温差的模拟能力。结论表明:成都市平均地气温差为2.20℃,多分布在0～2℃区间,与地表温度和气温变化不同,温差春季最大,夏、冬季次之,秋季最小;各季节温差日变化大致相似,均为中午较大,夜间在0℃左右,但极值大小不同。利用WRF对成都市典型夏季晴天地气温差进行了模拟研究,对比分析三种常用陆面过程参数化方案的模拟结果,三种方案模拟的变化趋势均与观测吻合,其中Noah方案能较好的模拟成都市地气温差的变化特征,通过参数化方案的组合方式,改进了模式对地气温差的WRF模拟能力。      

Influence of Thermal Effects on the Wind Field Within the Urban Environment

Micrometeorological conditions in the vicinity of urban buildings strongly influence the requirements that are imposed on building heating and cooling. The goal of the present study, carried out within the Advance Tools for Rational Energy Use towards Sustainability (ATREUS) European research network, is the evaluation of the wind field around buildings with walls heated by solar radiation. Two computational fluid dynamics (CFD) codes were validated against extensive wind-tunnel observations to assess the influence of thermal effects on model performance. The code selected from this validation was used to simulate the wind and temperature fields for a summer day in a specific region of the city of Lisbon. For this study, the meteorological data produced by a non-hydrostatic mesoscale atmospheric model (MM5) were used as boundary conditions for a CFD code, which was further applied to analyze the effects of local roughness elements and thermodynamic conditions on the air flow around buildings. The CFD modelling can also provide the inflow parameters for a Heating, Ventilation and Air Conditioning (HVAC) system, used to evaluate the building energy budgets and to predict performance of the air-conditioning system. The main finding of the present three-dimensional analyses is that thermal forcing associated with the heating of buildings can significantly modify local properties of the air flow.     

长江三角洲城市群热环境研究

选取2001年10月8—15日和2005年10月8—15日MODIS地表温度产品数据,对长江三角洲城市群热环境进行了研究,并结合GIS技术依据景观生态学理论对该地区热环境的时空格局进行了量化对比分析。结果表明,由于长江三角洲地区城市化规模巨大,5 a内一直存在一个由上海、苏州、无锡、常州形成的＂热岛群＂。由于长三角地区各城市合理规划布局、规范用地,注意环境保护,在城市化发展的同时,该地区一定范围内的热岛效应得到了有效的控制。     

Urban Morphology Influence on Urban Albedo: A Revisit with the Solene Model

This heuristic study of the urban morphology influence on urban albedo is based on some 3,500 simulations with the Solene model. The studied configurations include square blocks in regular and staggered rows, rectangular blocks with different street widths, cross-shaped blocks, infinite street canyons and several actual districts in Marseilles, Toulouse and Nantes, France. The scanned variables are plan density, facade density, building height, layout orientation, latitude, date and time of the day. The sky-view factors of the ground and canopy surfaces are also considered. This study demonstrates the significance of the facade density, in addition to the built plan density, as the explanatory geometrical factor to characterize the urban morphology, rather than building height. On the basis of these albedo calculations the puzzling results of Kondo et al. (Boundary-Layer Meteorol 100:225–242, 2001) for the influence of building height are explained, and the plan density influence is quantitatively assessed. It is shown that the albedo relationship with plan and facade densities obtained with the regular square plot configuration may be considered as a reference for all other configurations, with the exception of the infinite street canyon that shows systematic differences for the lower plan densities. The curves representing this empirical relationship may be used as a sort of abacus for all other geometries while an approximate simple mathematical model is proposed, as well as relationships between the albedo and sky-view factors.     

南京地区大气边界层晴空回波研究

以2005年6月23日南京多普勒雷达探测的晴空回波演变为例,分析了回波反射率与径向速度从夜间至上午的演变规律,利用实际的气象观测资料,对比了折射指数、地面温度、露点温度、水汽压和气压与回波强度的相关性,进一步探讨了边界层晴空回波与湍流混合特性之间的关系.研究表明:夜间大气的温、压、湿梯度使湍流出现,但湍流未充分混合使梯度维持,并导致折射指数的梯度增加,出现晴空回波;白天升温后湍流的增强使近地层大气充分混合,温、压、湿梯度减弱导致折射指数梯度减小,回波减弱消失.     

Changes in Area and Carbon in Forests of the Middle Zavolgie: A Regional Case Study of Russian Forests

We studied forest land-use and carbon storage over a 40-year period in the Middle Zavolgie region of Russia, an area of approximately 287,000 km². Data were obtained from state forest inventories for 1958 and 1995. In spite of the effects of disturbances and uncontrolled harvesting between 1958 and 1990, the forests of the Middle Zavolgie Region remained a considerable pool of ecosystem carbon (C). Over the study period the total area of forest lands decreased by approximately 2%, while the growing stock increased by 8%. There were significant changes in the age class structure of these forest ecosystems toward a larger proportion of young and middle aged stands. The total amount of carbon in the stem biomass of forests in all regions of Middle Zavolgie increased over the 40-year period and was equal to about 307 TgC in 1995. A regional approach for estimating the C dynamics of forest ecosystems in response to land use in the Middle Zavolgie region can contribute to understanding the potential role of Russian forests in C sequestration. This information is important for implementation of international conventions concerning national carbon budgets and reducing the potential negative impacts of climate change.     

Thermal Energy Balance Analysis of the Tokyo Metropolitan Area Using a Mesoscale Meteorological Model Incorporating an Urban Canopy Model

The summer climate around the Tokyo metropolitan area has been analysed on an urban scale, and the regional characteristics of the thermal energy balance of a bayside business district in the centre of Tokyo (Otemachi) have been compared with an inland residential district (Nerima), using a mesoscale meteorological model incorporating an urban canopy model. From the results of the analysis, the mechanism of diurnal change in air temperature and absolute humidity in these areas is quantitatively demonstrated, with a focus on the thermal energy balance. Moreover, effective countermeasures against urban heat-islands are considered from the viewpoint of each region’s thermal energy balance characteristics. In addition to thermal energy outflux by turbulent diffusion, advection by sea-breezes from Tokyo Bay discharges sensible heat in Otemachi. This mitigates temperature increases during the day. On the other hand, because all sea-breezes must first cross the centre of Tokyo, it has less of a cooling effect in Nerima. As a result, the air temperature during the day in Nerima is higher than that in Otemachi.     

沙尘暴热力结构的个例研究

利用民勤站L波段探空雷达2004年5月23—24日的一次强沙尘暴过程加密探测资料,从气象要素的垂直廓线和能量天气学两个方面,分析了沙尘暴发生发展过程中大气层结及其演变特征。结果表明：沙尘暴过境前,500hPa以下的高空风速较小,低层800hPa以下基本为偏东气流,中高层为偏西气流,沙尘暴过境时近地层风速明显加大,700hPa以下为西北气流,高层为西南气流;相对湿度在沙尘暴过境前,高层明显高于低层,而过境后,整层大气的湿度明显增加,且800hPa附近出现逆湿现象,沙尘暴过境前后整层大气相对湿度在垂直方向上的变化趋势基本一致。沙尘暴发生前,近地层气温较高,200hPa附近存在超低温现象,250hPa附近存在比较厚的下沉逆温层,随着沙尘暴过境,低层的气温显著下降,近地层约800hPa处出现逆温层,而250hPa处的逆温层逐渐减弱;地面气象要素的变化为：沙尘暴过境之前,地面气压比较低,温度较高,风速也比较小,而沙尘暴一到,顿时气压升高,风速猛增,温度下降;沙尘暴过境前,500hPa以下处于对流不稳定,过境期间饱和能差逐渐减小,不稳定能量由高层向低层传递,单站的垂直运动发展加剧;沙尘天气结束后．整层大气的结构基本稳定．不稳定能量衰竭,饱和能差进一步减小,整层大气湿度有了较大的增加。