（气象学专业论文）大尺度环境风场对城市热岛效应影响的数值模拟试验.pdf

大尺度环境风场对城市热岛效应影响的数值模拟试验 摘要 本文利用耦合了单层冠层模型u c m 的中尺度模式w r f 模拟了上海、南京 两个地区四次城市热岛现象，结果表明城市热岛效应高温的水平分布明显受到 大尺度环境风场影响，高温中心与城市几何中心并不重合，而是向城市下游偏 移。对城、郊地表能量平衡过程以及气温沿环境风场方向的垂直剖面图进行深 入分析后，发现：城、郊地表能量平衡过程的巨大差异会导致城、郊地面对大 气加热不均，城区作为热源，通过大尺度地面风将能量向下风方郊区输送。为 了研究人为热源对城市气候的影响，本文考察了不同的试验对于地表温度的模 拟效果，结果表明：在试验中合理加入人为热方案能有效地提高地表温度的模 拟能力。 本文主要结论如下： 1 所有控制试验都表现出明显的城市热岛效应；除去城市表面的试验中则 完全没有热岛效应的迹象：城市发展试验则显现出范围更广、强度更大的热岛 效应，这表明城市热岛的强度与城市的规模是成正比的。在大尺度地面风的影 响下，控制试验和城市发展试验中热岛的高温中心明显向城市下风方郊区偏移， 造成了郊区的高温。城市表面有着较低的反射率，所以在白天可以吸收更多的 太阳短波辐射，因而有较高的地表温度。城市的高温地表向大气输送更多的感 热，并通过地面风将热量向下游转移，所以气温的高温带与地表温度的高温带 的分布不完全一致，而是出现了气温的高温中心向下风方偏移的现象。 2 以地表热量、辐射平衡为主的能量交换过程是地气相互作用的重要方 式。城市的人造表面与郊区的自然表面相比在热容量、热传导率上存在很大的 差异，城市地表的反射率与自然植被也不相同，这些使得城市与郊区有着不同 的地表能量平衡过程而导致城市热岛的产生。 3 四个个例中下风方郊区在不同试验的能量平衡过程模拟结果差异表明， 城市的存在与否对于下风方郊区能量平衡的直接影响是微乎其微的。在分析控 大尺度环境风场对城市热岛效应影响的数值模拟试验 制试验中平行于环境风场的气温垂直剖面图后发现：四个个例中低层大气都出 现了一个水平方向上的高温带，从城区一直向下游郊区延伸。在近地面风场的 影响下，城市近地层大气从下垫面所获得的热量被源源不断地输送到下游的郊 区，使下风方郊区低层大气比其它位置郊区能获得更多的热量，气温明显偏高。 城市化过程使城市以及城郊过渡带上空大气获得更多的热量，气温明显上升。 在计算城郊过渡带的平流加热率后发现，大尺度环境风场下城市对下风方郊区 大气的平流加热作用不可忽视。 4 城市化进程的加剧，导致人类向大气排放的热量逐年增加，人为热已经 成为不可忽略的因子，影响和改变着大气边界层的物理结构。在模拟上海区域 冬季地表温度的个例中，使用新陆面资料的试验效果要好于旧陆面资料，加入 人为热源的试验效果要优于没有人为热的试验，这些反映了热岛效应的强度是 不断增加的城市面积和人为热排放共同决定的。不同试验中城区地面气温的日 变化图则表现出人为热对城市大气明显的加热作用。 关键词：城市热岛效应，数值模拟，城市化，大尺度环境风场，人为热 i i 大尺度环境风场对城市热岛效应影响的数值模拟试验 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ew e a t h e rr e s e a r c ha n df o r e c a s t i n g ( w r f ) m o d e lc o u p l e dw i t h as i n g l e l a y e ru r b a nc a n o p ym o d e l ( u c m ) i su s e dt os i m u l a t eu r b a nh e a ti s l a n d ( u h i ) f e a t u r e si ns h a n g h a ia n dn a n j i n g ，t w od i f f e r e n tc i t i e si nc h i n a r e s u l t ss h o w t h a tt h eh o r i z o n t a ld i s t r i b u t i o no fu h ii sd e t e r m i n e db yl a r g e s c a l es u r f a c ew i n d ， w h i c hc a u s e sh i g ha i rt e m p e r a t u r eo fd o w n s t r e a mr u r a la r e a t h ed i f f e r e n c eo f s u r f a c ee n e r g yb a l a n c eb e t w e e nt h eu r b a na n dr u r a ls u r f a c e si sa n a l y z e d ，a n dt h e m o d e ls u g g e s t st h a tm o r es e n s i b l eh e a ti st r a n s p o r t e df r o mt h el a n dt ot h ea i ro v e r u r b a na r e a ，w h i c hl e a d st ot h ec o n t i n u o u st r a n s p o r t a t i o no fh e a tt ot h ed o w n s t r e a m r u r a ls u r f a c eu n d e rt h ec o n t r o lo ft h es t e a d yl a r g e s c a l ew i n d d i f f e r e n te x p e r i m e n t s a r es i m u l a t e dt of i n do u tt h ed i f f e r e n c eo fs i m u l a t i o no u t p u t sw h e na n t h r o p o g e n i c h e a ti st a k e ni n t oa c c o u n to rn o t t h er e s u l t ss h o w ： 1 w h e nt h el a r g e s c a l es u r f a c ew i n di sd i f f e r e n t ，a l lt h ec o n t r o lr u n se x p r e s sa n a p p a r e n tu r b a nh e a ti s l a n de f f e c t ；o nt h ec o n t r a r y , t h ee x p e r i m e n t sw i t h o u tu r b a n s u r f a c e sa r eo fn ot r a c eo fu h if e a t u r e s t h a tt h ee x p e r i m e n t sw i t hl a r g eu r b a na r e a s s h o wm u c hs t r o n g e ra n dm o r ew i d e - s p r e a du h ie f f e c t ss u g g e s t st h em a g n i t u d eo f u h ii sh i g h l yr e l a t e dt ot h eu r b a n i z a t i o n w h e ne n v i r o n m e n t a ls u r f a c ew i n di s r e l a t i v e l ys t a b l e ，c o n t r o lr u n se x p r e s sh i g hv a l u e sa r ei n t e n d e dt od i s p l a c et ot h e d o w n s t r e a mo f t h ec i t y , w h i c hl e a d st oh i 曲a i rt e m p e r a t u r eo v e rd o w n s t r e a ms u b u r b 2 t h ep r o g r e s so fe n e r g ye x c h a n g e si sf e a t u r e db yt h eb a l a n c eo fh e a ta n d r a d i a t i o no v e rl a n ds u r f a c e c o m p a r e dt or u r a la r e a s ，u r b a nl a n dc o v e ri se x p l i c i t l y d i f f e r e n t ，w h i c hs h o w sg r e a td i s p a r i t yi nh e a tc a p a c i t ya n dc o n d u c t i v i t y u h ii s c a u s e db yt h ec o m b i n a t i o no f a ut h e s ed i f f e r e n c e 3 t h ed i f f e r e n c eo fs u r f a c ee n e r g yb a l a n c eb e t w e e nt h eu r b a na n dr u r a ls u r f a c e s i sa n a l y z e d ，a n dt h em o d e ls u g g e s t st h a tm o r es e n s i b l eh e a ti st r a n s p o r t e df r o mt h e l a n dt ot h ea i ro v e ru r b a na r e a ，w h i c h1 c a d st ot h ec o n t i n u o u st r a n s p o r t a t i o no fh e a t t ot h ed o w n s t r e a mr u r a ls u r f a c eu n d e rt h ec o n t r o lo ft h es t e a d yl a r g e - s c a l ew i n d w h e nt h ea d v e c t i o no fh e a tr a t ei sc a l c u l a t e d i ti sc o n c l u d e dt h a tt h ee f f e c to f l a r g e s c a l es u r f a c ew i n do nu h ic a ni n c r e a s et h ed o w n s t r e a mr u r a la i rt e m p e r a t u r e ， w h i c hs h o u l d n tb ei g n o r e d 1 l i 大尺度环境风场对城市热岛效应影响的数值模拟试验 4 a st h ee c o n o m y d e v e l o p s ，m o r ea n dm o r ea n t h r o p o g e n i ch e a ti se m i t t e di n t ot h e a i r a sa ni m p o r t a n tf a c t o r , a n t h r o p o g e n i ch e a ti m p a c t sa n dc h a n g e st h ep h y s i c a l s t r u c t u r eo fp l a n e t a r yb o u n d a r yl a y e r w h e ns i m u l a t i n gt h ec a s eo fl a n ds u r f a c e t e m p e r a t u r eo fs h a n g h a ii nw i n t e r , b o t ho l da n dn e wl a n dc o v e rd a t aa r eu s e d r e s u l t ss h o wt h a tt h ee x p e r i m e n t sw i t hn e wl a n dc o v e rd a t aa r em o r el i k e l yt o c a p t u r et h ef e a t u r eo fl a n ds u r f a c et e m p e r a t u r e ，w h i c hi n d i c a t e dt h a tu h ii sd e c i d e d b yb o t ht h ep r o g r e s so fu r b a n i z a t i o na n dt h em a g n i t u d eo fa n t h r o p o g e n i ch e a t k e y w o r d s u h i ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；u r b a n i z a t i o n ；l a r g e s c a l ew i n d ； a n t h r o p o g e n i ch e a t i v 学位论文独创性声明 本人郑重声明： l 、坚持以“求实、创新 的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发表或 撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明 作者签名： 日期： 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权 保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版；有 权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅； 有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘 要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名： 日期： 大尺度环境风场对城市热岛效应影响的数值模拟试验 第一章绪论 帚一早三百t 匕 1 1 研究背景、目的和意义 1 1 1 研究背景 气候变化是当今全球面临的重大挑战。太阳辐射、气溶胶、陆地表面、温室气体等自 然因素与人为因素的变化会改变气候系统能量平衡，是气候变化的驱动因子。近百年来现 代气候受到自然气候波动和人类活动共同影响，而近五十年的全球变暖则主要由人类活动 引起。虽然对这个结论从科学上尚有争论，存在不同声音，但总体上在科学界达到了高度 的共识。 城市是人工生态系统，也是人类活动最强烈的地区。随着经济的迅速发展，城市密集 化和乡镇城市化的程度越来越高。在城市化过程中，建筑群的大规模建设和人类活动改变 了原来的自然表面，使反射率、粗糙度和热力属性发生改变，城市下垫面已成为最复杂的 下垫面类型之一。 一城市化进程使得陆地表面发生了巨大的改变，这种改变足以影响区域气候 1 2 1 。有研究 表明：最近几十年，陆地上观测到气温日较差不断减小，有一半的原因是受到了城市化或 者其它陆地表面使用情况变化的影响【3 1 。p e n 等在分析了国家级气象站北京站和武汉站 的数据后发现：最近二十年内，两个测站及其附近郊区站的年地表气温和季节地表气温都 有明显的上升，并且总增温的6 5 8 0 是城市化所引发的增温【4 】。董喜春等使用高分辨率区 域气候模式r e g c m 3 ，对长江中下游地区城市化进程中土地利用的变化所引起的地气能量 交换和水分收支的改变进行了模拟研究，发现城市化会减少地表水分蒸发所引起的潜热释 放，从而导致地表温度增h i t 5 1 。 城市人口稠密，是人类活动的中心：下垫面变化大；交通运输、工商业频繁，能耗大， 有大量温室气体、人为热、人为水汽、微尘、污染物排放到大气之中。人类活动对气候的 影响在城市中表现得最为突出。城市气候是在区域气候背景上，经过城市化后，在人类活 动影响下形成的一种特殊局地气候。从大量的观测事实上看，其特征可归纳为城市“五岛” 效应( 热岛、混浊岛、干岛、湿岛、雨岛) 和风速减小、多变。其中，城市热岛( u r n ) 是城 市气候中最突出、最典型的特征。早在十三世纪，伦敦复杂的城市结构就足以影响当地的 天气改变当地的能见度和气温 6 】。第一次工业革命使人类迈开了城市化的脚步，前所 未有的城市化进程使得中纬度地区一些大城市附近的天气和气候发生了微尺度和中尺度上 大尺度环境风场对城市热岛效应影响的数值模拟试验 的变化【7 】。1 9 世纪初，h o w a r d 对伦敦城区和郊区的气温进行同时间对比观测，发现城市气 温比其郊区气温高【8 】。在此之后，各国气象学家对其进行了广泛的研究。国内外的研究结 果表明，世界各地的城市，无论规模大小、纬度高低、所在的地理环境如何，都存在城市 热岛效应。 1 1 2 研究目的、意义 据世界卫生组织统计，2 0 0 7 年全球城市人口首次超过总人口的5 0 。预测到2 0 3 0 年， 全球将有6 6 的人口生活在城市。据专家估计，2 0 1 0 年和2 0 2 0 年我国城市化水平分别达 到5 0 和6 0 。我国已经成为一个高度城市化的国家。 城市气候效应导致城市气温、降水、风速和湿度等气象要素的改变，会对人类的生产、 生活产生一系列的影响。 城市气候带来的热岛效应会造成局部地区气候异常。城市热岛效应加重了城市夏季高 温出现的频率和持续时间，使城市气候舒适度变差；影响居民的身体健康，使心脏、脑血 管和呼吸系统疾病的发病率上升；降低生产工作效率。应用空调制冷防暑降温所消耗的能 量也是非常可观的，据估计，美国由于应对热岛效应而多支出的电费可达每小时1 4 0 万美 元。 热岛效应还会加重城市的空气污染。在大范围气压梯度很小的天气形势下，特别是晴 朗的夜晚，由于城市热岛的存在，在城区会形成一个弱低压中心，并出现上升气流。郊区 近地面的空气从四面八方流入城市，气流向热岛中心辐合。热岛中心上升的空气在一定高 度上又流向郊区，在郊区下沉，形成一个缓慢的热岛环流。这种环流结构有利于污染物在 城区集结形成尘盖，加重市区空气污染的程度，从而对人们的身体健康产生了严重的危害。 城市空气中大量的污染物还容易引发酸雨。 有研究表明城市热岛效应能影响到中尺度对流系统的形成与发展。蒙伟光等通过对 2 0 0 4 年8 月1 1 日午后发生在珠江三角洲地区的一次强雷暴天气的高分辨数值模拟，研究 了城市化发展可能对雷暴活动的影响问题，主要考察了与城市土地利用类型改变相关的城 市热岛的形成和演变特征，城区粗糙度增大可能引起的低层辐合的增强过程，及其与雷暴 发展强度变化的关系。其结果表明：模拟的雷暴发展和演变过程与这一地区城市化的发展 有密切的联系【9 1 。孙继松等利用北京地区2 0 个气象观测站最近3 0 年冬夏平均气温、降水 量和降水日数资料，研究了城市热岛效应的年代际变化及其对降水的影响，发现：在北部 郊区，热岛效应强迫产生的边界层下沉运动可能造成局地降水天气过程相对减少，城区及 2 大尺度环境风场对城市热岛效应影响的数值模拟试验 其南侧则情况相反【1 0 1 。 因此，进行城市热岛效应的相关研究有十分重要的意义。加深对它的了解可以更加深 刻地研究复杂下垫面状况下大气的动力特征，更加全面地了解城市化区域陆气相互作用的 特点，改进城市表面的数值模拟能力。此外，与之相关的研究成果还可以指导城市的生态 环境建设、城市规划与设计、城市能源利用以及居民生活健康，具有重要的现实意义。 1 2 国内外研究进展 h o w a r d 提出u h i 效应之后，o k e 根据中纬度大量的实测记录归纳出在理想状态下( 城 郊地形平坦、天气晴朗、静风) u h i 强度日变化曲线【1 1 1 ，认为：因为城区的气温下降速度 比郊区缓慢，日落后3 5 小时城郊温差达到最强，并自此开始逐渐减弱；日出以后温差变 得较小。尽管夜间热岛最大强度出现的时间不完全相同，英国和加拿大的学者还是相继证 实了热岛强度日变化的普遍性。此后，韩国、阿根廷、美国、葡萄牙、捷克都有学者利用 气象网络或者移动监测系统所提供的资料分析u h i 的时空结构，发现：u h i 效应在夜间明 显强于白天，其强度随着风速的增加、云量的增多而减弱【l 1 7 】。地面建筑结构、地表植被、 人为热的释放是影响u h i 温度场的重要因子【l 8 。2 0 1 。 在我国，周淑贞应用气象卫星资料、回归统计分析、典型个例分析与长期气候统计分 析等方法，阐明上海城市热岛、干岛、湿岛、雨岛和混浊岛等五岛效应的形成过程、特征 以及它们之间相互制约、相互联系的关系 2 q 。杨士弘等结合广州市气象台和白云机场气象 台的观测资料，对广州的u h i 进行了初步分析【2 2 1 。虞静明等根据南京市1 9 5 9 年7 月与1 9 6 0 年2 月城市小气候考察资料，结合当时的天气条件和南京地区下垫面结构特点，使用自然 正交函数对南京市冬、夏热岛强度变化的物理机制进行了研究 2 3 1 。孙奕敏等采用较先进的 仪器设备，对天津市u h i 效应进行了综合性探测和红外线航空遥感测量，并对地面和低空 的热岛强度、厚度和结构进行了分析：白天低空热岛强度比地面热岛强度强，并有冷湖现 象：在城市内，热岛是由一些小热岛群组成【2 4 1 。李兴荣等应用北京地区地面气象观测台 1 9 9 0 , - - 2 0 0 4 年1 0 月的气温资料，分析了近1 5 年来北京秋季城市热岛的特征，结果表明， 北京秋季夜间u h i 要强于白天，夜间城市强热岛形成和维持是多个因子综合作用的结果【2 5 1 。 王喜全等利用2 0 0 2 年北京自动气象站资料，对北京u h i 效应现状进行了分析，发现：北 京的热岛效应在夏季最强，秋、冬季次之，春季最弱 2 6 】。谢庄等利用1 9 9 8 年3 月2 0 0 1 年 1 2 月北京地区自动站资料，对北京u h i 进行了细致、完整的研究：选取城区的官园站和郊 区密云站的气温差作为u h i 强度指标；在验证了资料可靠性的基础上，研究了热岛强度昼 3 大尺度环境风场对城市热岛效应影响的数值模拟试验 夜变化的年、季、月及日变化特征，以及几种极端天气事件的逐时及平均热岛强度的变化 2 7 1 。杨德保等对兰州城市气候与热岛效应进行了综合分析：兰州u h i 使城区年平均气温升 高约1 ：使城、郊温差增加1 0 - - 1 4 c ；城市热岛效应主要使2 0 0m 以下近地层大气夜间 至早晨明显增温；市内年平均相对湿度比同期郊区相对湿度降低约5 ：市内年蒸发量比郊 区增大2 5 0 - - 4 8 0m l t l ，表现出明显的城市“干岛效应”；市内年平均风速比5 0 年代减小近 5 0 ：兰州城市“热岛”、“干岛”的形成除天气条件外，主要与城市发展、人口增加、下 垫面改变及大气中污染物浓度增加有关【2 8 1 。 关于u h i 的形成机制，一般认为是城市下垫面的性质和人为因素共同作用的结果。张 景哲等用多元回归和逐步回归的方法对北京市气温与城市下垫面结构的关系进行了分析： 城市气温和城市下垫面结构中绿地、建筑物、水域三要素的相关程度，随着季节和昼夜变 化而变化 2 引。吴可军等以边界层理论为依据，选取最佳方案将卫星遥感的地表温度转换成 地面气温，并用其分析了合肥市的城市气温的月变化和季节变化，发现不同的城市下垫面 对u h i 的形成、加强和减弱具有不同的影响【3 0 1 。徐兆生等利用1 9 8 2 1 9 8 5 年问北京城市气 候站观测资料，讨论了城市热状况，指出城郊升降温速率的差异、城市建筑物的阻挡作用 是形成u h i 的原因之一【3 1 1 。赵宗慈等指出城市规模越大，人口越多，城市增暖越明显 3 2 , 3 3 。 随着电子计算机的高速发展，数值试验大量引入到u h i 的理论研究中。数值模式可以 模拟u h i 空间和时间上的变化规律，是研究u h i 的有力工具。 边海等基于m y m p 等人的工作，提出了一个能量平衡模式，并用实测的天津市夜间近 地面温度场对模式进行了验证，并对夜间u h i 中各能量通量的空间变化进行讨论【3 4 1 。叶卓 佳等采用较为完善的非定常非线性二维数值模式，模拟了u h i 及环流发展演变【3 5 1 。李兴生 等利用二维数值模式研究了倾斜地形对u h i 的影响，证明地形坡度的存在增强了低层风的 切变，削弱了热岛环流的强度【3 6 1 。李小凡采用考虑热岛造成的局地热力扰动的b o s s i n e s q 二维垂直剖面动力方程组，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这类局地环流的某些动力特征【3 7 1 。苗曼倩 用一个二维非定常扩散方程模拟了夜间城市边界层中的污染物浓度分布特征，数值试验结 果表明城市下垫面的热力和动力作用改变了边界层低层的温度结构和湍流结构【3 8 1 。 s a i t o h 等用一个三维模式模拟了东京市区的u h i 现象，并与车载探测仪得到的资料进 行了对比，结果表明两者具有很好的一致性【3 9 1 。h a r r i e r 等利用三维静力模式模拟了u h i 效 应，并在模拟中加入了卫星资料的地表参数资料来提高模拟效果【加】。杨梅学等利用兰州大 学等单位的外场观测实验所得的资料，建立了三维边界层数值模式，主要模拟了兰州市城 关区的u h i 效应，得出结论：兰州市u h i 主要是天气尺度的地转风和城市热源、地形等因 4 大尺度环境风场对城市热岛效应影响的数值模拟试验 素相互作用的结果【4 1 1 。陈燕等利用一个三维非静力区域边界层数值模式，对杭州地区u h i 现象进行了数值模拟，结果表明：杭州地区存在明显的u h i 现象；夏季u h i 现象较强，春 秋季次之，冬季较弱；利用资源卫星遥感资料反演所得的地表温度，以及与地面气象站观 测资料和数值模拟结果相比较，数值模拟结果和实测结果吻合得较好；在此基础上，模拟 并探讨了人为热源、风速、地面粗糙度等因素对热岛强度的影响【4 2 1 。桑建国根据线性化的 大气方程组求得的u h i 环流的理论模式分析了温度场和流场的三维结构，并与观测结果做 了对比【4 3 】。 郑祚芳等应用中尺度m m 5 模式，对2 0 0 0 年7 月的一次典型高温天气过程进行了数值 模拟，结果表明：模式对于北京地区夏季高温及u h i 的范围和强度均有较好的模拟能力m 】。 胡小明等用非静力平衡的中尺度模式m m 5 ，v 3 模拟了北京地区2 0 0 0 年夏季7 月1 0 日一1 1 日的风速和温度场等边界层特征，并用气象观测站实测资料对模拟结果进行了验证【4 5 1 。蒙 伟光等使用w r f - u c m 耦合模式很好地模拟了广州城区2m 高度气温的演变，成功再现了 夜间热岛的形成及分布特征m 1 。m i a o 等利用w r f u c m 模拟北京市城市气候的一些特性， 并同观测资料进行了对比，发现模式能很好地模拟出u h i 强度的日变化、空间分布，以及 风速、风向的日变化【4 7 1 。z h a n g 等使用了w r f u c m 对b a l t i m o r e 区域的u h i 现象进行模 拟并与观测资料对比，研究表明：地面风上游的城市化过程会加剧下游的u h i 【4 引。 1 3 本文的研究内容 虽然国内外已经有大量关于u h i 的研究，但是由于观测资料的限制，对于u h i 的水平 结构及其与地面风的关系还没有进行系统地研究。根据1 9 9 7 1 9 9 8 年的7 8 月高温加密观 测资料和卫星遥感资料，丁金才等【4 9 】分析指出风向是影响上海地区u h i 范围最主要的气象 因子：地面风造成u h i 向下风方扩展。邓莲堂等【5 0 】利用d a v i s 自动气象观测资料，对上海 市u h i 的变化特征进行了分析，并发现热岛中心存在位置漂移现象。由于测站个数很有限， 加密观测的成本也比较大，直接使用观测资料分析u h i 的水平结构难度很大。 数值模式能精确描述边界层的动力和热力结构，并且可以通过设计不同试验方案研究 城市化区域大气边界层对城市化过程的敏感性，非常适合用于研究城市热岛水平结构与大 尺度地面风之间联系。本文的主要目的是通过使用嵌套了单层的城市冠层模型u c m 的中 尺度模式w e a t h e rr e s e a r c ha n df o r e c a s t i n gm o d e l ( w r f ) ，考察不同陆面状况的两个城市在 大尺度环境风场影响下，u h i 所表现出的水平分布特征。全文的结构安排如下： 5 大尺度环境风场对城市热岛效应影响的数值模拟试验 第一章绪论 介绍城市气候效应的相关背景，概述本文的研究目的和研究内容及国内外研究进展， 提出本文的研究思路和方法。 第二章模式与试验方案 简要介绍本工作所选用的w r f 中尺度数值模式的特点、动力框架、物理过程以及基 本运行流程，介绍试验设计目的和方案实施。 第三章大尺度风场对热岛效应影响的模拟试验 本文中数值试验模拟了两个城市，共四个个例：s h l 、s h 2 、n j l 、n j 2 。每一个例又 由c t l 、u 2 v 和v 2 u 三组试验构成。本章将对每个个例的模拟结果和逐一分析，并找寻 大尺度风场与城市热岛水平结构之间的联系。 第四章大尺度地面风与其相应城市热力环境维持机制分析 通过对城郊地表能量平衡过程的分析，试图发现不同试验中地表能量平衡过程存在的 差异，找出维持大尺度风场与城市热状况之间关系的物理机制。 第五章人为热对热岛效应影响的模拟试验 利用不同的试验方案，模拟上海区域冬季个例的地表温度情况，从对模拟效果差别分 析入手，进而探讨人为热源对于城市热岛效应的影响。 第六章结论与讨论 对全文进行总结，提出有待进一步解决的问题。 6 大尺度环境风场对城市热岛效应影响的数值模拟试验 第二章模式与试验方案 本文使用的是非静力平衡、可压缩的中尺度模式w r f a r w ，v 2 2 1 。本章将简单介 绍w r f 的特点、动力框架及其相关的物理过程，并在此基础上，详细分析试验方案的设 计与实施。 2 1 w r f 模式介绍 w r f 是由美国多个研究部门和大学共同参与进行开发研究的新一代中尺度数值模 式。w r f 模式分为a r w ( t h ea d v a n c e dr e s e a r c hw r f ) 和n m m ( t h en o n - h y d r o s t a t i c m e s o s c a l em o d e l ) 两种，分别由n c e p 和n c a r 管理、维护。 w r f 的设计思路是建立一个模块化、可移植、易于维护和扩展的，并且能够在不同 类型计算机上运行的软件结构，同时也必须充分考虑到在大规模并行计算环境中高效率运 行以及方便于和其他模式相耦合。w r f 采用了高度模块化和分层设计的结构，使得模式本 身与模式的计算机处理过程无关。在模式中，动力框架和物理过程都是可以灵活选择的( 图 2 1 ) 。同时，w r f 使用了f o r t r a n 9 0 的许多新特性，如模块化的程序块使得物理过程接口的 设计变得十分容易，又如动态内存分配使得程序的运行效率得到提高等。由于w r f 通过 调用标准n e t c d f 库来实现模式数据的的输入输出，使得数据存储与不同类型的计算机无 关，提高了数据文件的输入输出部分设计成为模式的外部程序包，使得更改数据文件的输 入输出部分更加方便。 w r f 模式是一个完全可压缩、非静力中尺度模式。水平方向采用a r a k a w a c 坐标， 垂直方向使用地形跟随、静力平衡气压坐标。时间积分方面采用三阶的r a n g e k u t t a 算法， 空间离散化使用二阶到六阶算法。物理过程包括大气水平和垂直涡动扩散、微物理方案、 积云对流参数化方案、太阳短波辐射和大气长波辐射方案等。模式的水平分辨率、垂直方 向层次、积分区域及各种物理过程可根据用户需求调整。模式支持单向、双向和双向移动 嵌套，并且既可以用于理想化的个例研究，也可以选择各种边界条件进行真实大气的模拟 应用。 7 大尺度环境风场对城市热岛效应影响的数值模拟试验 w r f m o d e l i n gs y s t e mf l o wc h a r t 盎蛩m 蔷辫，一一：! ：竺一一、怒p o 勰s t - ： 图2 1w r f a r w 主要模块及其运行流程图。 w r f 模式重点考虑从云尺度到天气尺度的重要天气系统的预报，水平分辨率一般在 l 一1 0k m 。模式包含大量的物理方案选择、与模式本身相协调的先进资料同化系统，其最终 目标是代替现行的如p s u n c a r 的m m 5 、n e c p 的e t a 、n o a a f s l 的r u c 等数值模拟 和预报系统。 2 2 w r f v 2 2 1 主要参数化方案 2 2 1 主要物理方案简介 1 ) 微物理方案 k e s s l e r 方案：来自于c o m m a s 的简单暖雨方案，通常用于理想云模式研究： l m 方案：较为复杂的微物理方案，包含水的六种状态：水蒸气、云内水滴、雨、云 内冰晶、雪、雹过程： w s m3 阶方案：简化的包含水汽、水滴、冰过程的方案，适合于业务模式； w s m5 阶方案：较w s m3 阶复杂，方案考虑了混合过程和过冷水滴，以及雪在下降 过程中逐渐融化的过程； e t a 微物理：n c e p 模式中的微物理方案，能预报云中的冰水混合比。 大尺度环境风场对城市热岛效应影响的数值模拟试验 2 )积云参数化方案 新k a m f r i t s c h - e t a 方案：深浅对流的次网格方案，下沉气流采用质量通量方法计算： b e t t s m i l l e r - j a n j i c 方案：优化的e t a 方案，通过参考廓线调整湿气柱； g r e l l d e v e n y i 集合方案：多闭合方案、多参数、1 4 4 个次网格成员的集合方案； s i m p l i f i e da r a k a w a s c h u b e r t 方案：假定大尺度与云的作用是准平衡的，云内包含两 支由上升和下沉运动引起的稳定状态环流，通过静力、动力和反馈作用完成参数化过程： k a i n f r i t s c h 方案：来自m m 5 模式，一个简单的云模式。 3 ) 边界层方案 y o n s e iu n i v e r s i t y 方案：显式夹卷的非局地k 方案、不稳定混合层的抛物k 廓线： m e l l o r - y a m a d a - j a n j i c 方案：e t a 优化方案，局地垂直混合的湍流动能方案： m r f 方案：y s u 的老版本，只包括显式夹卷层。 4 )陆面方案 5 层热扩散方案：仅包含了土壤温度的简单方案； n o a l 陆面模型：整合了n c e p n c a r a 网峪的土壤温度和水汽方案，考虑了积雪的 覆盖以及冻土等过程；其中还内嵌了单层城市冠层模型( u c m ) ，考虑了城市表面的一些物 理过程。 r u c 陆面模型：r u c 中业务运行的六层土壤温度和水汽方案，考虑了多层雪和冻土 过程。 5 ) 其他物理过程方案 长波辐射方案包括：r r t m 方案、g f d l 方案、c a m 方案； 短波辐射方案包括：d u d h i a 方案、g o d d a r d 方案、g f d l 方案、c a m 方案。 2 2 2 城市冠层模型( u c m ) 城市冠层的定义为从地面到建筑物屋顶的这一层【5 1 1 。冠层内的建筑物对于大气的影响 主要包括：建筑物对地表辐射平衡热力传输的影响：建筑物对湍流的产生与消亡的影响； 建筑物对冠层内气流的拖曳影响。城市效应参数化方案不但要考虑建筑物对地表能量平衡 过程的影响，还应加入城市建筑的动力影响酬。城市冠层模型( u c m ) 正是在这种情况下， 建立、发展起来的。耦合了u c m 的w r f 模式，能更好反映城市环境下热量、动量、水汽 9 大尺度环境风场对城市热岛效应影响的数值模拟试验 交换的物理过程。耦合模式的主要目的是为了提高对于下边界条件的描述，以及为城市区 域提供更精确的预报。u c m 是一个包含了简化城市结构的单层模型，其物理过程主要包括 了城市建筑的阴影、长波短波辐射的反射、城市冠层的风廓线，以及屋顶、墙壁、路面的 多层热传导。 ( a ) z a z t + d 图2 2u c m 的结构图：t a 是参考高度z a 上的气温，t r 是建筑顶的表面温度，t w 是建筑的墙 面温度，t g 是路面温度，t s 定义为高度z t + d 上的温度，h 是参考高度上的感热交换通量，h a 、 h w 、h g 、h r 分别表示从建筑向大气、从墙面向建筑间隙、从路面向建筑间隙、从屋顶向大气 输送的热通量。 图2 2 给出了单层u c m 的结构图。模型是二维对称的街道建筑结构，通过建筑的朝向 和太阳高度角的日变化来确定辐射过程。模型估计了屋顶、墙壁、路面的表面温度，同时 计算了这些表面的热通量。图2 3 为u c m 模拟辐射在城市冠层中被捕获的过程。 l o 大尺度环境风场对城市热岛效应影响的数值模拟试验 ( i ) l s h a d o w i r o a d _ 一一一一_ + i s h a d o wi r o a d 图2 3u c m 的辐射过程：s d 代表直接太阳辐射， r o a d 是标准化的路面宽度( 1 r o a d + l r o o f - - 1 ) ， l h e i g h t 是标准化的建筑高度，l s h a d o w 是路面上标准化的阴影长度。 2 。3 。试验模拟区域及参数设定 本文数值模式的初始条件与边界条件由美国n a t i o n a lc e n t e r sf o re n v i r o n m e n t a l p r e d i c t i o n ( n c e p ) 2 5 0 2 5 0 再分析资料n n r p 提供。 边界层参数化方案使用的是m e l l o r - y a m a d a - j a n j i c ( m y j ) p b l 方案，可以描述湍流动 能和边界层中各层物理量的湍流交换。其它物理参数化方案如下：r r t m 长波辐射方案， d u d h i a 短波辐射方案，n o a h 陆面模式。 在w r f ，v 2 2 1 中，n o a h 陆面模式内嵌了u c m ，能够模拟城市地表能量平衡过程和 风的垂直切变，并且考虑- f _ - 维城市结构、建筑物的阴影、城市冠层对辐射的反射作用、 太阳高度角和城市建筑的朝向【5 3 】。 为了考虑地面风对u h i 水平分布的影响在不同地域的特征，选择了两个城市分别进行 模拟分析：上海市和南京市。每个城市都挑选了两个地面风向稳定并且不同的个例( 分别 记为：上海，s h l 、s h 2 ：南京，n j l 、n j 2 ) ，来从多方面考察风向对u h i 水平结构的影响。 这里的地面风稳定指的是模拟试验最内层关键区域里每个格点处1 0i r l 高度上风的方向和 强度都很一致，并且在模拟时间内地面风的变化也不大，即：城市处于大尺度稳定的风场 之中。 大尺度环境风场对城市热岛效应影响的数值模拟试验 模拟时间段以及空间分辨率如表2 1 所示，模拟区域及嵌套情况见图2 4 。为了加强对 城市边界层的模拟，垂直分层中1 4 层在2k m 以下。模拟的前四个小时为s p i n u p 时间，从 第五个小时开始分析模式输出的结果。 表2 1 试验的模拟时问范围及空间分辨率。 r t - r l “ l t r t 图2 4 不同试验的模拟区域： 2 4 试验设计和试验目的 1 l t 挂 憎t ( a ) 上海( s h ) ；( b ) 南京( n j ) 。 为了考察u h i 的分布状况对于城市规模的敏感性，对于每一个模拟个例，除了控制试 验( 记为c t l ，模拟区域的植被类型见图2 5 ) 以外，都分别增加了一组对比试验：城市规 模扩大试验，将模拟最内层区域的城市周边植被用城市表面替代，代表大规模城市化以后 的情况( 记为v 2 u ，城市发展之后的植被覆盖情况如图2 6 a 、b ) 。为了考察u h i 的分布 状况对于城市的依赖性，设计了第二组对比试验：无城市试验，把模拟区域的城市表面用 草地代替，模拟去除城市影响时的天气状况( u 2 v ) 。 1 2 大尺度环境风场对城市热岛效应影响的数值模拟试验 图2 6 v 2 u 试验中模拟区域的植被类型分布：( a ) s h - v 2 u ：( b ) n j - v 2 u 大尺度环境风场对城市热岛披应影喃的数值模拟试验 第三章大尺度风场对热岛效应影响的模拟试验 本文利用数值试验模拟了两个城市的热岛效应现象，共四个个例：s h i 、s h 2 、n i l 、 n j 2 t 每一个例又由c t l 、u 2 v 和v 2 u 三组试验构成。下面分别对两个城市的模拟结果进 行分析。 3 1 上海个例( s h l 、s h 2 ) 3 1