WRF-ARW模式在北京城市热岛模拟研究中的应用

为了分析城市化对北京城市热岛效应的影响程度,利用NCEP 1℃×1℃逐日再分析资料、Landsat遥感产品数据以及中尺度WRF模式,对北京城市下垫面因子的变化进行模拟。分析城市化对北京城市热岛强度的影响。结果表明:白天北京的城市、近郊、远郊存在气温的逐级递减趋势,而夜间热岛分布广且城郊温差小,城市热岛强度总体维持在1℃以上。下垫面由郊区变为城市会使当地的气温升高;并且这种升温效果在夜间比较显著。城区面积的扩张,会进一步增加城市中心区的温度。从不同年份小风区面积的变化看出,城市化在夜晚不断的加剧城市热岛效应,而白天则先增强后减弱。     

南京城市边界层微气象特征观测与分析

南京大学大气科学系分别于2005年7月17日～7月31日,2006年2月18日～3月10日在南京市市区和郊区两个观测点进行了城市边界层气象观测,同时采用流动观测方法和在6个固定观测点进行城市热岛观测,观测发现:南京市存在明显的城市热岛特征,气温由市区中心的最高值向郊区逐步减少,冬夏季节的平均热岛强度分别为1.2℃和0.83℃,晴天热岛强度大于阴天,夜间热岛强度普遍高于白天,夏季和冬季热岛强度最大可达3.6℃和2.4℃.热岛强度随高度增加而减小,在约400 m高度,城区和郊区气温没有明显差异.观测结果还表明城区湿度普遍低于郊区,冬夏季节的城市与郊区的相对湿度差分别为10.6%和7.3%.南京紫金山森林地区对附近地区的气温和湿度有明显影响;城区风速明显低于郊区,高度越低,城区与郊区风速相差越大.南京市区的平均零平面位移约为19.9 m,平均粗糙度1.1m.     

供暖期城郊不同位置温湿环境日变化特征——以太原市为例

为探究供暖期城市不同位置温湿环境日变化差异,本研究以近年来城市化进程较快的太原市为例,选取位于市中心、近郊区域及郊区三个不同观测点,用以分析供暖期典型天气过程(雾霾、大风)条件下距地面1.5m高空气温度、相对湿度日变化特征.结果表明:各观测点气温与太阳高度呈正相关,14时左右气温达到最高值,气温降温速率较增温速率小.相对湿度表现为规律性的昼低夜高.当大气层结稳定、无明显天气过程影响时,气温值表现为:市中心近郊区域郊区.相对湿度表现为:郊区近郊区域市中心.雾霾天气条件下,三个观测点气温均有提升,相对湿度却有下降,降幅具体表现为:市中心近郊区域郊区,此外雾霾还可延缓温度的下降速度并降低相对湿度.大风降温天气条件下,三个观测点气温、相对湿度迅速降低,差异变小,基本趋于一致.本研究通过实测研究,定量分析城市不同位置温湿环境的日变化特征,可为区域人居环境及城市化进程中的合理规划提供参考.     

城市下垫面扩张对局地热力环流影响的模拟

采用WRF模式及其城市冠层参数化方案,选取2010年8月1日至3日晴天天气为模拟背景,两个算例分别为南京1993年土地利用类型及2010年土地利用类型分布。模式的模拟结果表明城市扩张使城区内2 m高度处气温有了一定幅度的增温,夜间24:00最大增温幅度达3 K。同时城市扩张使得城区风速明显减小,产生减速效应。对比两个算例风速的模拟结果,郊区风速均大于城区,风速低对物质的水平输送、扩散带来不利影响。由于城市热岛的影响,城区范围内产生有辐合上升的运动;随着城区面积的扩大,湍流动能强度及其影响范围也在扩大。2010年算例,正午湍流强度最大值与1993年算例相比较,由2.1 m~2·s2增至2.7 m~2·s2。城区内湍流运动较为强烈的区域,在一定程度上促进物质垂直方向上的输送与扩散。城市扩张后物质在城区上方垂直方向上湍流扩散得到加强,而在水平向下的输送受到抑制,更多地被阻隔在城市局地。     

惠州城市热岛效应变化特征

基于惠州城市和乡村1962-2008年逐日定时和2005-2008年逐日逐时的气温资料,利用统计分析软件SPSS和突变检验方法Mann-Kendall统计分析了惠州城市热岛效应的变化特征及对城市气温变化的影响。结果表明:(1)惠州城市热岛强度具有明显的季节、月和日变化特征,无明显的周变化特征;上半年城市热岛强度明显低于下半年,四季中秋季最高、春季最低;日间一般为负值而夜间为正值,城市热岛强度最大出现在秋冬季节的夜间,最小出现在冬季的午间。(2)惠州年和四季平均城市热岛强度呈逐年显著上升的趋势,城市热岛效应对城市气温上升具有明显作用,城市热岛效应是城市年平均气温日较差呈下降趋势的一个重要原因。     

京津冀城市群未来发展情景气候效应模拟

应用包含城市冠层模式的中尺度气象模式WRF(Weather Research and Forecasting),基于Landsat TM卫星提取的高分辨率下垫面数据集对京津冀地区2008年夏季进行了高分辨数值模拟试验,分析了京津冀城市群不同发展情景的气候效应及其差异.结果表明:1)不同的城市布局对区域气候的影响较明显,较小的城市分布差异可导致相对较大范围的气候差异;2)京津冀城市群不同发展情景对区域气候的影响各不相同,集中式发展情景的气候效应最强,均衡式发展、串珠式发展次之,等级发育模型的气候效应相对最弱;3)城市发展对气温的影响在夜间比白天更明显,热岛在夜间最强,范围大,但影响的高度较低,白天反之,并导致区域内逆温层强度减弱,对风和湿度的影响则是白天比夜间更明显;4)城市化主要影响降水分布,雨岛为多中心结构,主体位于城市下风向边缘区.城市化可能导致弱降水事件减少,对较强降水则可能有增加效应.     

珠江三角洲城市尺度规划对大气环境的影响效应

 为探讨城市尺度规划对局地气象环境的影响,以珠江三角洲不同时期的下垫面为例,选取2001年3月的气象条件,采用数值模拟手段,模拟并分析比较该地区城市群的发展对城市气象环境的影响。结果表明,珠江三角洲城市化发展过程带来热岛强度和范围的扩大,城市区域风速减小,小风面积增大。利用城市尺度规划大气环境评估体系,对广州城市发展规划进行评估,给出影响和优劣比较的定量结果,城市发展对气象环境影响较明显的是城市热岛强度、小风区分布、大气自净能力3个指标,即城市热岛增强,风速减小,大气的自净能力下降。综合评价指数表明在不利天气条件下,城市化过程带来的大气环境影响较大。     

一种城市热岛强度的计算方法——以合肥市为例

城市热岛是指城市化过程中城区高空以及近地面大气温度高于城区以外郊区的现象。城市热岛强度是城市热场分布的重要表达手段,目前,对专门研究城市热岛强度的计算方法讨论较少。本文利用Landsat5数据,基于遥感相关理论,以合肥市为例,反演出城市地表亮温,同时引入城市形态分维理论,使用改进的半径法对合肥市的城市热场状况进行研究,发现亮温的水平分布在城市建成区与非城市建成区间有突变现象,并以此分析城市热力场的空间分布,得到热岛强度计算公式,从而得出城市热岛强度的表达方式。在城市热岛强度计算过程中,着重考虑了城市热场分布特征,克服了在研究城市热岛时寻找郊区气温值的困惑,这对于城市热岛强度的表达研究具有一定的指导意义。     

以海岛站为背景研究城市化对气温变化趋势的影响

基于海岛站与附近城市站1972—2012年气温数据,采用线性倾向估计和最小二乘法,研究年际与季节气温变化趋势,分析城市化对气温变化的影响.结果表明:城市站和海岛站年平均气温变化趋势分别为0.29和0.2℃·(10a)-1,表明城市化加速了年平均气温升高;年均最低气温、最高气温增温趋势均为城市站大于海岛站,且平均最低气温增温趋势高于最高气温,呈现明显的非对称性;季节变化中,秋季和冬季的增温趋势较大.城市化效应对平均最低气温的影响较对平均最高气温影响显著.     

河南商丘一次罕见强对流天气分析

利用Micaps常规资料、自动气象站资料、探空资料、卫星资料和新一代天气雷达资料等多种气象资料,采用天气学和天气动力诊断方法,分析了2010年7月17日河南商丘发生的历史罕见强对流天气成因,结果表明:受低槽及副热带高压边缘西南气流共同影响,地面弱冷空气侵入,结合辐合线南侧中低空西南暖湿气流,冷暖空气交汇,层结极不稳定,进而中低空急流的爆发和急流内大风中心的传播造成的强烈辐合上升运动,使中尺度涡旋云系中形成多个对流旺盛的对流单体,最终造成强降雨、雷电、局地强风暴等强对流天气.     

城市水泥下垫面／郊区下垫面湍流统计特征分析

为探讨城市水泥下垫面和郊区下垫面上的无量纲速度方差及温度方差与稳定度的关系,对2006年2月18日至3月10日南京市委党校楼顶和南京大学浦口校区观测站三层高度上的湍流资料的统计特征进行了对比分析,发现在不稳定层结下,城市水泥下垫面上的无量纲水平速度方差σu/u*和垂直速度方差σw/u*比郊区下垫面小,两者随稳定度z/L的变化基本符合1/3次律,但不能直接用Panofsky等提出的乡村下垫面条件下的经验关系式来表示。城市水泥下垫面上的无量纲温度方差σT/T*大于郊区下垫面。同时,在郊区30m高度附近的无量纲水平速度方差σu/u*和垂直速度方差σw/u*满足1/3次律,2m高度则不满足1/3次律。40m以下高度σT/T*与-z/L之间满足-1/3次律。     

南京夏季城郊湍流特征对比分析

利用2010年南京夏季城市热岛三维观测试验资料,对比分析了南京夏季城市和郊区下垫面的湍流特征。结果表明:①郊区大气层结呈现规律性的日变化特征,而城市大气几乎全天处于不稳定层结状态;②不稳定层结下,城市、郊区三个方向无量纲风速标准差与稳定度参数均呈1/3幂次关系;城市无量纲水平风速标准差小于郊区,而在垂直方向无明显差异,郊区略小于城市;③城、郊下垫面归一化风速谱曲线在高频段随无因次频率满足-2/3幂次律;低频段谱曲线集中在相对狭窄范围内;郊区风速谱曲线要比城市开阔且平缓;城市风速谱有明显拐点,水平风速谱和垂直风速谱拐点对应的无因次频率分别为0.007和0.01;④南京城、郊的垂直风速脉动含能涡区的特征尺度均小于水平风速脉动含能涡区,湍流动能在垂直方向上主要分布于小尺度湍涡。     

南京冬季城、郊下垫面辐射平衡特征对比分析

市区水泥下垫面是城市各种人为下垫面类型中占比重最大的一种且具有典型的城市化特征,其热力性质明显有别于郊区接近自然的下垫面,这必然造成地表辐射平衡和能量交换过程发生改变,对城市气候产生影响。分析城、郊不同下垫面的辐射平衡特征,有助于进一步了解城市气候的成因和影响机制。本文利用在南京冬末开展的"城市边界层三维结构研究"实验所取得的城、郊水汽、温度和地表辐射平衡及分量观测资料,分析了南京城、郊下垫面近地层的辐射平衡及各分量的变化特征,结果表明:①不同天气条件下城、郊辐射平衡及分量特征有一定差异,尤其在天气转折变化时差异更明显,在晴天时差异最大,在下雪天时差异最小,但多云时更接近各辐射分量城、郊差异的平均特征;②净短波辐射在地表辐射平衡城、郊差异日变化中起主导作用;③在冬季多云时的城市"干岛"效应和雪天时的城市"热岛"效应也是影响城市辐射平衡及各分量城、郊对比差异的重要因子。     

不同下垫面温度和湿度湍流谱特征研究

利用相同探测设备、相同试验方法在戈壁、草原、郊区和城郊等不同下垫面开展的多次重复湍流观测实验资料,采用相同的湍流数据采集和处理方法,研究了不同下垫面温度和湿度湍流谱特征。研究表明：归一化的温度和湿度谱的高频段满足-2/3幂次律,低频段谱曲线相对集中在较窄的范围内,不呈现随稳定度参数z/L规则散布;较湿润地区的湿度谱曲线与温度谱十分相似,谱形一致;平坦地形谱曲线比粗糙下垫面要开阔、平缓;粗糙下垫面的谱曲线较为尖锐,“拐点”对应的无因次频率约为0.1;高粗糙度下垫面的高频段谱曲线高于平坦地形,说明高粗糙度地区的局地湍流耗散较强。戈壁下垫面的低频段湿度谱数值明显高于其他地区。研究还发现,稳定层结下,由于大尺度过程和重力波的共同作用,在分析双峰数据时应慎重。     

城市市中心与郊区气温变化趋势对比分析

城市中心与市郊的气象因子差异会对气象历史资料产生影响,观测对比分析两地的气象因子可有助于我们对这一特定历史时期的气象资料做出评价．2007年1—7月,选取位于肥城市市中心的原大气观测场与位于市郊的新大气观测场作为对比,在两地分设同型号的自动气象观测站,对期间两站址包括气温等气象要素因子同步进行了对比观测实验．分析发现,市中心与市郊两地气温变化趋势一致,两地气温存在显著的正相关,但两地气温数据存在明显差异,市中心观测站气温统计偏高．通过对样本资料作假设统计检验,发现两地气温数据资料已经不适合合并计算,要得到期间较准确的代表当地气温记录,最好在使用前做出必要订正,以消除“城市热岛效应”方面的影响．     

北京市秋季大气边界层结构与特征分析

利用2000年9—10月北京市西部城、郊3个站点的探空资料,分析该地区秋季边界层高度的平均变化规律,探讨边界层内温度、风向、风速的廓线性质和结构特征,了解其时空变化和差异。结果表明,北京市秋季白天边界层最大高度平均约1km,夜间稳定层高度在200～400m之间。晴朗天气里,白天城区边界层温度高于郊区,反映出城市热岛的作用,夜间热岛现象不明显。较低的边界层高度和其顶部经常维持的强稳定层(强逆位温层)阻断上下层流动的关联,有利于近地面大气维持静稳状态和该季节雾、霾天气的出现。夜间约400m以下气层的流动大体分为3种形态,即整层小风型、低空急流型和贴地风速极大型。温度层结与夜间流动结构有密切对应关系。     

城市森林保护性耕作现状及发展趋势研究

本文通过分析我国城市周边地区保护性耕作的现状及发展趋势,研究结果表明城市森林的保护性耕作是实现我国农业可持续发展的关键措施之一,并针对我国城市森林保护性耕作实际,提出了相关的建议。     

基于Landsat TM的地表热环境对城市扩展的响应——以重庆市南岸区为例

重庆直辖以来,城市建设步入高速发展阶段,城市热岛效应已成为城市生态问题的热点。以重庆市南岸区为例,以1988、1993、2000、2007年和2010年5个时期的遥感和矢量数据为基础,在RS和GIS的支持下,通过对南岸区建设用地重心转移、地表温度变化、热岛中心转移进行动态研究,分析了研究区建设用地重心转移过程、地表温度空间分布差异以及热岛中心运动特点。结果表明:研究区在22年间,建设用地扩展明显,重心逐渐向东南方向转移,且转移速度逐年提高;地表温度空间分布格局变化明显,城市热岛现象日益显著;城市高温区下垫面多以建设用地为主,城市低温区下垫面多以水域和高植被覆盖为主;城市热岛中心空间变化与建设用地重心空间变化具有较高的一致性。研究成果可为城市规划与城市生态环境保护提供决策参考。     

城市及乡村大气边界层结构的数值模拟

建立了一个研究城乡非均匀下垫面陆面物理过程与大气边界层相互作用的模式。模拟了城市及郊区、乡村下垫面的地面热量通量、地表温度、混合层高度及大气边界层结构等特征。对城乡之间的差别进行了对比。模式主要依赖于以下参数和物理量：地面反照率、下垫面粗糙度、土壤的可含水量、下垫面的热容量和热扩散系数、云量等参数。结果表明,本模式能合理地模拟不同地表热量平衡、地表气温、混合层高度、湍流交换系数、湍流动能、位温廓线等,以及它们的日变化。该模式所取参数主要针对北京市,时间为九月初,对于其他城市,参数应作相应的调整。本模式还可以用于其他均匀或非均匀下垫面的模拟。     

上海快速城市化不同阶段城市热场景观格局演变研究

本文以上海市为例对城市热环境的空间分布特点及不同城市化阶段的演变特征进行分析.研究表明:随着上海城市化的深入,热环境空间结构趋于复杂,不同的城市化发展阶段热环境格局呈现出截然不同的演变特征.结合景观格局指数与转移矩阵对热环境的演变规律进行分析得出:城市化高速发展阶段,主城区及近郊区内的低温斑块等级上升明显,热环境格局的聚合度显著下降,景观多样性指数明显上升.优化发展阶段,主城区内强热场面积下降,近郊或远郊地区强热场明显增加,总体热环境格局的聚合度及多样性指数变化趋势减弱.本次研究结果展现了城市化不同阶段中城市热环境格局的分布与演变特征,为科学制定应对城市热岛问题的措施提供科学的参考.