【基金标书】2010CB428500-我国东部沿海城市带的气候效应及对策研究

项目名称： 我国东部沿海城市带的气候效应及对策研究 首席科学家： 杨修群 南京大学 起止年限： 2010 年 1 月 8 月 依托部门： 教育部 中国科学院 一、研究内容 1主要研究内容 拟开展的主要研究内容有： （ 1）东部典型特大城市群区大气和地表过程的协同强化观测试验和数据集成 利用多部门观测网以及建立代表性观测站，在我国东部典型的长三角特大城市群区，针对地表物理特性、陆面过程、城市冠层和 大气边界层、大气污染物及其辐射特性等，设计和开展 多过程的协同强化观测试验，对天基、空基和 地基遥感观测数据进行集成，建立 我国东部典型城市群区多过程的综合数据库。 （ 2）东部 特大 城市群区大气边界层和城市冠层的时空结构 利用在长三角城市群区 开展的协同观测试验资料，分析特大城市群区的近地层、大气边界层的湍流交换过程和 边界层顶部的夹卷过程 ，认识特大城市群区大气全边界层和城市冠层的时空结构，发展 非均匀 城市群 下垫面的大气全边界层理论， 发展用于区域气候模式的能正确表征我国东部城市群影响的大气边界层和城市冠层参数化方案。 （ 3）东部 特大 城市群区 地表物理特性、地表能量和水分平衡以及地气交换规律 开展多源、多时段遥 感数据融合和反演，形成我国东部地区地表特征参数和陆面过程的高分辨率数据集，分析东部大规模城市化导致的土地利用 /土地覆盖、地表特征参数的变化特征，发展能正确反映我国东部城市群影响的包括城市冠层参数化的陆面过程模式，分析和比较东部三个特大城市群区地表能量和水分平衡、地 （ 4）东部 特大城市群区主要大气污染物的辐射强迫及其对能量平衡的影响 利用卫星遥感反演数据和地基观测数据，并结合化学和辐射传输数值模型，分析 东部 特大城市群区 氧化性气体和细颗粒物等主要大气污染物及其 辐射特性参数的时空 分布，认识主要大气污染物 对大气的辐射强迫及其对大气的加热或冷却效应、对地表的辐射强迫及其在地表能量平衡中的作用， 发展能与大气边界层过程相互作用的大气化学模式，认识城市群区大气污染物和大气边界层相互作用的过程和机理。 （ 5）东部城市和城市群的直接气候效应及其形成机理 综合应用地面和遥感观测资料，分析城市和城市群区温度（城市热岛）、降水量、局地环流、 灰霾天气 和极端气象事件的时空分布并检测城市化的影响分量，发展包括城市冠层、城市大气边界层参数化和大气污染物辐射强迫效应的高分辨区域气候模式 , 模拟分析大规模城市化对 城市和城市群区域气候、气象灾害、地表水热状况和大气污染物分布的直接影响，揭示城市和 城市群直接气候效应的形成机理 。 （ 6）东部沿海城市带驱动的表层系统与东亚季风系统相互作用 利用长期观测资料，分析东亚季风系统多尺度变化特征并检测大规模城市化的影响信号，发展 包括城市冠层、城市大气边界层参数化和大气污染物辐射效应的全球气候模式，模拟东亚区域气候对东部沿海城市带驱动的表层系统（地表物理特性、大气边界层结构、大气污染物增加等）变化的响应，评估东部沿海城市带通过驱动表层系统变化和改变海陆对比与东亚季风系统的相互作用及其 在东亚 旱涝空间格局转换中的作用 。 （ 7）东部城市化气候效应的综合影响评估与对策 通过集成分析，认识我国东部城市和城市群区域气候的脆弱性，建立东部城市和城市群区域主要气象灾害、地表水热状况和大气污染的综合影响评估方法和模型，利用包括城市化影响的区域气候模式， 开展城市化发展规模和布局的虚拟数值模拟试验 , 基于尽可能减小城市化气候效应的负面影响，综合提出我国城市化发展规模、布局和功能的科学规划对策。 2拟解决的关键科学问题 （ 1）我国东部特大城市群区地表物理特性、地表能量和水分平衡、地 气边界层对能量和物质的湍流输送规律； （ 2）我国 东部 特大城市群区 氧化性气体和细颗粒物等 主要大气污染物 对大气的辐射强迫及其对大气的加热或冷却效应、对地表的辐射强迫及其对地表能量平衡的影响； （ 3） 我国东部大规模城市化的不同空间尺度（城市、城市群和城市带区域）气候效应及其形成机理 。 二、预期目标 1总体目标 从大规模城市化这一区域性高强度人类活动强迫的原因角度，认识我国东部城市、城市群和城市带区域的气候、气象灾害和地表水热状况的规律、机理及影响，为我国东部城市化的可持续发展提出对策建议 , 并在人类活动和季 风系统相互作用的国际前沿科学领域作出贡献。总体目标是： （ 1）系统揭示我国东部三个特大城市群区域地表物理特性、地表能量和水分平衡、地 明我国东部大规模城市化的不同空间尺度（城市、城市群和城市带区域）气候效应及其形成机理，获得原创性理论成果； （ 2）在我国东部长三角特大城市群区，形成一个包括多部门、多手段、多过程的协同观测网，建立一个 我国东部典型城市群区多过程综合数据库； （ 3） 发展能正确表征我国东部城市群影响的大气 边界层和城市冠层参数化方案、包括城市冠层参数化的陆面过程模式、能与大气边界层过程耦合的大气化学模式，进而发展包括我国东部城市群影响的多过程区域和全球气候模式； （ 4） 建立我国东部城市和城市群区域主要气象灾害和地表水热状况的综合影响评估方法和模型， 基于尽可能减小城市化气候效应的负面影响，提出我国城市化发展过程中城市、城市群和城市带的规模、布局和功能的科学规划对策。 （ 5） 造就一批在 “人类活动与东亚季风相互作用 ”领域具有国际影响力的中青年学术带头人 ，逐步确立我国在该研究领域的国际优势地位； （ 6）完成有关专著 1 部，在国内外主要学术刊物上发表论文 150，其中 括 文 60 2五年预期目标 （ 1） 在我国东部典型的长三角特大城市群区， 形成一个包括多部门、多手段、多过程的协同观测网， 开展 多过程的协同强化观测试验，对天基、空基和地基遥感观测数据进行集成， 建立一个 我国东部典型城市群区多过程综合数据库； （ 2） 发展 非均匀 城市群 下垫面的大气全边界层理论， 发展用于区域气候模式的能正确表征我国东部城市群影响的大气边界层和城市冠层参数化方案 ； （ 3） 阐明 东部三个特大城市群区地表能量和水分平衡、地 发展能正确反映我国东部城市群影响的包括城市冠层参数化的陆面过程模式 ； （ 4） 弄清东部 城市群区 主要大气污染物 对大气的辐射强迫及其对大气的加热或冷却效应、对地表的辐射强迫及其在地表能量平衡中的作用 ； （ 5） 发展包括我国东部城市群影响的多过程区域和全球气候模式 ， 阐明我国东部大规模城市化的不同空间尺度（城市、城市群和城市带区域）气候效应及其形成机理， 弄清 东部沿海城市带通过驱动表层系统 与东亚季风系统的相互作用在东亚季风气候变化和我国 旱涝空间格局转换中的作用 ； （ 6） 建立我国东部城市和城 市群区域主要气象灾害和地表水热状况的综合影响评估方法和模型， 基于尽可能减小城市化气候效应的负面影响，提出我国城市化发展过程中城市、城市群和城市带的规模、布局和功能的科学规划对策。 三、研究方案 1总体学术思路 基于人类活动强迫对气候变化影响的基本理论，把我国东部大规模城市化这一区域性高强度人类活动作为我国区域气候变化的重要强迫因子，强调我国东部典型城市群区地表能量和水分平衡、地 海城市带区大气污染物辐射强迫等关键物理过程，以东部城市和城市群区气象灾害、地表水热状况和东部大范围旱涝 灾害预测和城市化的科学对策为应用出口，运用诊断分析、理论研究、数值模拟和多学科交叉的集成分析方法，并结合典型城市群区的综合观测试验， 系统认识 我国东部大规模城市化驱动的表层系统变化（地表物理特性、地表能量和水分平衡、地 为热源和大气污染物的增加等）的特征， 深刻理解 该表层系统变化影响我国不同空间尺度（城市、城市群和城市带区域）气候的机理， 发展 能正确表征我国东部城市群影响的大气边界层和城市冠层参数化方案， 提升 我国研制包括城市群影响的多过程区域和全球气候模式的能力， 提供 一个我国东部 典型城市群区多过程的综合数据库， 建立 我国东部城市和城市群区域主要气象灾害和地表水热状况的综合影响评估方法和模型，从减小城市化气候效应的负面影响角度， 提出 我国城市化发展规模、布局和功能的科学规划对策。 2主要技术途径 根据本项目的研究内容，项目主要采取 观测试验、过程分析、模式发展、数值模拟和 集成分析 的技术路线。具体技术途径如下： （ 1）首先在我国东部典型城市群 长三角地区开展多过程的协同强化 观测试验 和综合数据集成研究 。利用气象、环境、水文和生态等多部门已有观测网，沿沪宁线建立 2设计和开展 2过程的协同强化观测试验；开展多源、多时段遥感数据融合和反演，对天基、空基和地基遥感观测数据进行集成，建立 我国东部典型城市群区多过程综合数据库。为开展城市化影响的各种过程和模式发展研究提供数据基础。 （ 2）利用形成的多过程观测数据，开展城市化对表层系统影响的 过程分析研究。分析城市化影响下的地表物理特性、地表 能量和水分平衡、地 程和大气边界层湍流输送过程的规律 ， 分析 东部 城市群区主要 大气污染物 的时空分布和 辐射强迫特征。为在气候模式中如何表征这些表层系统过程的影响 研究提供理论基础。 （ 3）基于综合观测数据和对表层过程分析的结果，开展包括城市化影响的区域和全球气候 模式发展 研究。 发展能正确表征东部城市群影响的大气边界层和城市冠层参数化方案和 包括 城市冠层参数化的陆面过程模式，进而 发展包括城市冠层、城市大气边界层参数化和大气污染物辐射效应的区域和全球气候模式。为研究城市化的气候效应和形成机理提供工具。 （ 4）基于发展的包括城市冠层、城市大气边界层参数化和大气污染物辐射效应的区域和全球气候模式，开展城市化气候效应的 数值模拟 研究。模拟分析城市和城市群的直接气候效应及其 形成机理 、 东亚区域气候对东部沿海城市带驱动的表层系统变化的响应， 开展城市化发展规模和布局的虚拟数值试验。 为我国城市化的影响评估和对策分析提供理论基础。 （ 5）基于以上所有研究，开展城市化的综合影响评估和对策的 集成分析 研究。综合分析 东部城市和城市群区域气候的脆弱性，综合评估东部城市和城市群区主要气象灾害和地表水热状况的影响， 基于减小城市化气候效应的负面影响，综合提出我国城市化发展规模、布局和功能的科学规划对策。 3创新点与特色 （ 1） 在概念上，把传统的 “城市气候 ”拓展到符合我国实际的 “城市群和城市带区域气候 ”，具有明 显的学科前沿性。 大规模城市化形成的独特的城市群区域气候，已经超出了传统的城市气候的概念 , 其特征表现为城市群区频繁的高影响气象灾害、脆弱的水热平衡和严重的大气污染，是国家城市化过程中必须解决的重大资源环境灾害问题；而多个城市群组成的沿海城市带及其造成的大气污染物辐射强迫形成的海陆对比可能是东亚季风变化不可忽略的人为因素 , 这已成为“人类活动与亚洲季风系统关系 ”研究中的国际前沿科学问题。 （ 2）在研究我国东部城市化的气候效应中，强调我国东部典型城市群区地表能量和水分平衡、地 海城市带区 大气污染物辐射强迫等关键物理过程，有利于形成原创性的理论成果。项目提出发展基于特大城市群而不是单个城市的城市大气全边界层理论和参数化方案，使气候模式能更准确地表征符合我国实际的城市群区地气交换和大气边界层能量和物质输送规律，这不仅有利于深刻理解城市群区域气候的形成机理，而且也有利于推进非均匀下垫面大气边界层理论的发展。 （ 3）在学术思想上，从多过程 （动力、物理、化学）、多学科交叉 （气候动力学、大气物理、大气化学）角度研究和认识我国区域气候变化的原因；在队伍组织上，把国内长期从事气候动力学、大气边界层物理 学、大气环境和大气化学研究的三支队伍进行实质性的交叉和结合。这是本项目的一个明显特色。 （ 4）在东部典型城市群长三角地区开展多过程的协同强化观测试验，这是我国首次针对城市群气候研究开展的综合观测试验，项目实施所建立的我国东部典型城市群区多过程综合数据库，将对我国东部陆气相互作用过程的基础理论研究和适合我国实际情况的大气边界层参数化和陆面过程模式发展起到重要的推进作用，将提升我国在该领域的国际影响。 （ 5）在对城市化驱动的表层过程的认识基础上，发展能正确表征东部城市群影响的大气边界层和城市冠层参数化方案和包括 城市冠层参数化的陆面过程模式，进而发展包括城市冠层、城市大气边界层参数化和大气污染物辐射强迫效应的区域和全球气候模式，将对我国区域气候有更强的模拟能力，成为模拟和预测我国城市化气候影响的重要工具。 4可行性分析 本项目的研究方案切实可行，其理由如下： （ 1） 通过相关科研项目的实施和完成，项目承担单位在 地表特征遥感、 大气边界层和大气化学、区域和全球气候模式发展、 东亚区域气候模拟、 城市气象灾害影响和城市规划等研究方面积累 了较好的前期研究基础。 （ 2）拥有完整的全球大气再分析资料、我国地面和高空台站观测资料，拥有多源和多时段的各类 卫星遥感资料， 拥有相关的观测试验等资料。 项目承担单位也开展过大气边界层和大气污染物的观测试验，积累了相关的资料，并具有丰富的观测试验经验。 （ 3） 拥有性能良好的区域和全球气候模式，初步发展了陆面过程模式、城市边界层模式、城市冠层模式和大气化学模式等， 积累了丰富的模式发展经验，并逐步建立了一支以年轻科学家为主的稳定的模式研究团队 。 （ 4） 项目承担单位具有各种类型的高性能计算设备，拥有海量数据存储系统，为本项目开展高性能计算提供了必要的保证。 （ 5）项目承担单位 拥有包括 湍流探测、塔层探测、能 量平衡观测、辐射探测、边界层温湿探测仪、激光雷达、微波辐射计等齐全的观测设备； 拥有能接收美、日和我国气象卫星的先进卫星接收和存储设备。这为 本项目开展综合观测试验提供了必要的设备。 （ 6） 本项目的科学家与国际上相应的大型研究计划如 参与了与欧盟关于气候变化的联合项目，可及时吸取国外先进经验，开展实质性国际合作。 四、年度计划 （ 1）第一年（ 2010年，项目启动年） 设计、筹备并初步开展 长三角特大城市群区多过程协同强化观测试验，形成一个包括多部门、多手段、多 过程的协同观测网；集成天基、空基和地基遥感和各种常规观测数据；进行城市和城市群区域气候特征的诊断分析研究；分析比较已有的城市冠层、城市大气边界层参数化方案，调试区域和全球气候模式；开展城市化影响下的地表特征参数变化的卫星遥感分析和城市气象灾害的评估分析。 （ 2）第二年（ 2011年，项目中期评估年） 开展 长三角特大城市群区 多过程协同强化观测试验， 初步认识特大城市群区大气边界层和城市冠层的时空结构； 认识我国东部城市化导致的土地利用 /土地覆盖、地表特征参数的变化特征；分析 东部 特大城市群区主要 大气污染物 的时空分布和 辐射特性；分析 城市和城市群区气候、 灰霾天气 和极端气象事件的时空分布和 东亚季风多尺度变化特征， 并检测城市化的影响 信号； 分析东部城市和城市群区域气候脆弱性 。发表论文 30中 E）论文 15养博士生约 10名、硕士生约 15名。准备项目中期评估。 （ 3）第三年（ 2012年，项目执行关键年） 继续在长三角城市群区 开展协同强化观测试验； 发展能正确表征东部城市群影响的大气边界层和城市冠层参数化方案和 包