蘇州—無(wú)錫—常州城市帶熱島效應(yīng)個(gè)例研究

康漢青,朱彬,朱彤,高晉徽,孫佳麗,蘇繼峰

(1.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044;2.南京信息工程大學(xué) 中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210044;3.科羅拉多州立大學(xué),美國(guó) 科羅拉多州 80523-1375;4.NOAA/NESDIS/STAR/JCSDA,美國(guó) 馬里蘭州 20746;5.江蘇省氣候中心,江蘇 南京 210009;6.中國(guó)人民解放軍94857部隊(duì)61分隊(duì),安徽 蕪湖 241000)

蘇州—無(wú)錫—常州城市帶熱島效應(yīng)個(gè)例研究

康漢青1,2,朱彬1,2,朱彤3,4,高晉徽1,2,孫佳麗5,蘇繼峰6

(1.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044;2.南京信息工程大學(xué) 中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210044;3.科羅拉多州立大學(xué),美國(guó) 科羅拉多州 80523-1375;4.NOAA/NESDIS/STAR/JCSDA,美國(guó) 馬里蘭州 20746;5.江蘇省氣候中心,江蘇 南京 210009;6.中國(guó)人民解放軍94857部隊(duì)61分隊(duì),安徽 蕪湖 241000)

應(yīng)用WRF(weather research and forecasting)及其耦合的多層城市冠層模式BEP(building energy parameterization),對(duì)2013年8月13日長(zhǎng)江三角洲地區(qū)一次高溫天氣過(guò)程進(jìn)行了模擬。此次過(guò)程盛行東南風(fēng),風(fēng)向與蘇州—無(wú)錫—常州城市帶走向一致。模擬結(jié)果表明:蘇州—無(wú)錫—常州城市帶熱島效應(yīng)明顯,熱島強(qiáng)度向下游城市逐漸增加;在東南風(fēng)作用下,三座城市的熱島連成一片,形成了一個(gè)更強(qiáng)大的熱島環(huán)流。夜晚,邊界層逐漸趨于穩(wěn)定,熱島環(huán)流減弱,有利于熱島溫度向下游地區(qū)輸送。熱島效應(yīng)導(dǎo)致城市邊界層高度明顯上升。白天太湖產(chǎn)生強(qiáng)盛的湖風(fēng)對(duì)其周邊城市影響顯著,來(lái)自太湖的冷氣團(tuán)導(dǎo)致無(wú)錫和常州邊界層內(nèi)熱島強(qiáng)度明顯下降,抑制城市熱島向上發(fā)展,削弱了無(wú)錫與常州兩城市熱島間的聯(lián)系。白天太湖使得無(wú)錫和常州邊界層高度明顯下降。

城市熱島;數(shù)值模擬;太湖;大氣邊界層

0 引言

20世紀(jì)以來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市人口迅速上升,城市化進(jìn)入了高速發(fā)展階段。城市化過(guò)程不僅能通過(guò)建筑物和公路等設(shè)施改變地表的幾何結(jié)構(gòu),而且能通過(guò)建筑材料的不同熱力特性以及人類活動(dòng)改變地表的熱力結(jié)構(gòu)。這種改變會(huì)使地表的反照率減小,熱容量增大,吸收存儲(chǔ)更多的熱量,進(jìn)而導(dǎo)致城市地區(qū)增溫顯著,氣溫明顯高于周圍郊區(qū),這種現(xiàn)象就是城市熱島效應(yīng)(Oke,1982;Allwine et al.,2002;Rotach et al.,2005)。

雖然城市熱島對(duì)全球氣溫變化的影響并不明顯(Houghton et al.,2001),但它會(huì)影響用于氣候變化評(píng)估的局地氣溫(Peterson,2003;Van Weverberg et al.,2008)。在夏季,城市熱島引起的升溫會(huì)影響居民的生活環(huán)境和生活質(zhì)量。有些城市熱島效應(yīng)是正面的,如延長(zhǎng)植物生長(zhǎng)季節(jié)等,但是大多數(shù)城市熱島效應(yīng)是負(fù)面的,包括加劇能源消耗、增加污染物和溫室氣體的排放、危害人類健康、影響舒適度、造成水質(zhì)惡化等。

數(shù)值模式由于能夠提供城市熱島的時(shí)空分布特征,一直是研究城市熱島最重要的工具之一。Masson(2000)、Kusaka et al.(2001)及Kusaka and Kimura(2004)提出并建立了單層城市冠層模式。單層城市冠層模式考慮了城市的幾何特征,考慮了建筑物對(duì)長(zhǎng)短波輻射收支的影響,能夠較好地反映出城市熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)過(guò)程(Rozoff et al.,2003;Chin et al.,2005;Niyogi et al.,2006;壽亦萱和張大林,2012)。多層城市冠層模式由Martilli et al.(2002)和Dupont et al.(2004)提出,相比于單層城市冠層模式,多層城市冠層模式將城市冠層劃分為若干層,分層次計(jì)算墻壁、道路、屋頂?shù)哪芰渴罩?它考慮了更多的因素,對(duì)城市特征的描述更加準(zhǔn)確。

長(zhǎng)江三角洲地區(qū)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展最迅速的地區(qū)之一,同時(shí)也是城市化進(jìn)程最快的地區(qū)之一。城市化進(jìn)程導(dǎo)致該地區(qū)城市大氣溫度呈逐年上升的趨勢(shì),1999—2005年,城市平均氣溫每年上升0.047 ℃,最高氣溫每年上升0.162 ℃(Du et al.,2007;Zhang et al.,2010)。雖然針對(duì)長(zhǎng)江三角地區(qū)城市熱島效應(yīng)的研究有很多(朱家其等,2006;邱新法等,2008;談建國(guó)等,2008;江志紅和葉麗梅,2010),但是多以單個(gè)城市為主要研究對(duì)象,而城市熱島之間以及城市熱島與海陸風(fēng)、湖陸風(fēng)之間相互影響的研究相對(duì)較少。李維亮等(2003)利用MM5V2研究了長(zhǎng)江三角洲城市熱島與太湖對(duì)局地環(huán)流的影響以及海風(fēng)與湖風(fēng)的相互作用。然而該研究沒(méi)有采用城市冠層,模式對(duì)熱島強(qiáng)度和熱島環(huán)流的表征可能存在一定誤差,且該研究討論的是1995年個(gè)例,經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展,長(zhǎng)江三角洲城市熱島面積和熱島強(qiáng)度均發(fā)生了顯著變化。目前僅N. Zhang et al.(2011)討論過(guò)蘇州的城市化進(jìn)程對(duì)太湖湖陸風(fēng)的作用。蘇錫常地區(qū)是長(zhǎng)江三角洲內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速、城市化進(jìn)程較快、城市集中且鄰近太湖的區(qū)域,其城市之間熱島效應(yīng)的相互影響以及太湖對(duì)城市熱島環(huán)流的作用值得研究。本文利用WRF3.3.1耦合一個(gè)多層城市冠層模式BEP(building energy parameterization),對(duì)2013年8月13日長(zhǎng)江三角洲地區(qū)一次持續(xù)高溫天氣過(guò)程進(jìn)行模擬,以討論蘇錫常的城市熱島效應(yīng)及其受太湖的影響。

1 數(shù)值模式和實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本研究采用的數(shù)值模式為中尺度天氣預(yù)報(bào)模式WRF3.3.1,并耦合一個(gè)多層城市冠層模式BEP。模擬區(qū)域如圖1a所示,區(qū)域中心緯度為32.5°N、經(jīng)度為118.0°E。模式采用雙向反饋四重嵌套,水平網(wǎng)格數(shù)分別為180×150、180×150、180×180、240×270,水平網(wǎng)格距分別為13.5、4.5、1.5和0.5 km。模式最外層覆蓋了大半個(gè)中國(guó)以及部分日本島和太平洋地區(qū),最內(nèi)層涵蓋了蘇州、無(wú)錫、常州和太湖地區(qū)。模式垂直方向分為30個(gè)σ層,其中約20層位于2 km高度以下。模式頂氣壓為50 hPa。模式第一層積分步長(zhǎng)為27 s,最內(nèi)層為1 s。模擬起始時(shí)間為2013年8月12日00時(shí)(北京時(shí)間,下同),結(jié)束時(shí)間為2013年8月14日00時(shí)。

圖1 WRF模擬區(qū)域 a.水平分辨率分別為13.5、4.5、1.5和0.5 km的四重嵌套;b.模擬區(qū)域最內(nèi)層下墊面類型(圖1b中AB線為圖5和圖8垂直剖面所在位置)Fig.1 The WRF model domain a.the four nested meshes with horizontal resolution of 13.5,4.5,1.5 and 0.5 km;b.the land-use categories over the innermost domain(The line AB denotes the location of vertical cross-section in Fig.5 and Fig.8)

需要注意的是,近十幾年來(lái)長(zhǎng)江三角洲地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,土地覆蓋變化顯著,尤以城市擴(kuò)展為主。而WRF默認(rèn)使用的USGS數(shù)據(jù)為20世紀(jì)90年代的產(chǎn)品,已經(jīng)不能準(zhǔn)確地表示當(dāng)前的土地類型,尤其是城市區(qū)域。WRF提供的2005年30 s水平分辨率MODIS土地覆蓋產(chǎn)品能基本代表當(dāng)前城市化現(xiàn)狀,因此采用2005 MODIS土地覆蓋資料作為本研究下墊面類型的輸入。

無(wú)云或少云天氣,風(fēng)速較小,有利于城市熱島的發(fā)生和發(fā)展。雖然在各個(gè)季節(jié)城市熱島效應(yīng)均會(huì)發(fā)生,但是只有夏季的極端高溫天氣過(guò)程會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重危害,且夏季盛行東南季風(fēng),風(fēng)向與蘇錫常城市帶走向一致,有利于討論城市間熱島高溫的輸送。因此,綜合考慮上述因素,本文選取2013年8月13日一次高溫過(guò)程進(jìn)行模擬試驗(yàn)。由MICAPS天氣圖(圖略)可以發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)江三角洲地區(qū)位于入發(fā)副熱帶高壓后部,在高壓系統(tǒng)影響下,蘇錫常地區(qū)天氣晴朗,盛行東南風(fēng),有利于城市熱島的形成及其沿蘇州—無(wú)錫—常州城市帶的輸送。為了評(píng)估城市下墊面和太湖對(duì)城市熱島效應(yīng)的影響,本研究的數(shù)值試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下:

1)參照試驗(yàn)(CTL),采用2005 MODIS土地覆蓋資料(圖1b);

2)無(wú)城市敏感性試驗(yàn)(NUB),將蘇州、無(wú)錫、常州的城市下墊面替換為周圍覆蓋面積最廣的農(nóng)田,其他保持不變;

3)無(wú)太湖敏感性試驗(yàn)(NTL),將太湖替換為農(nóng)田,其他保持不變。

2 模擬結(jié)果評(píng)估

通過(guò)比較模擬與觀測(cè)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證耦合的WRF-Noah-BEP模式對(duì)城市氣溫和風(fēng)場(chǎng)的模擬效果。圖2為2013年8月13日蘇州、無(wú)錫、常州三個(gè)城市氣溫、風(fēng)速和風(fēng)向模擬值與觀測(cè)值的比較。模擬的氣溫日變化與實(shí)況較一致,但是夜間模擬結(jié)果偏低,可能與模式?jīng)]有考慮人為熱釋放有關(guān)。研究表明,人為熱可導(dǎo)致近地面氣溫上升1～3 ℃(Ichinose et al.,1999;Ohashi et al.,2007;Ryu et al.,2013)。雖然白天人為熱釋放量大于夜晚,但人為熱對(duì)夜晚的增溫效應(yīng)顯著高于白天(Fan and Sailor,2005;Chen et al.,2009)。模式對(duì)早晚風(fēng)速的模擬值與觀測(cè)值較一致,中午模擬值略微偏高。模擬的風(fēng)向與觀測(cè)值吻合得很好,整個(gè)試驗(yàn)期間盛行東南風(fēng),無(wú)錫和常州中午受太湖湖風(fēng)的影響,風(fēng)向向南風(fēng)轉(zhuǎn)變。

圖2 8月13日蘇州(SZ;a,b,c)、無(wú)錫(WX;d,e,f)和常州(CZ;g,h,i)近地面氣溫(a,d,g;單位:℃)、風(fēng)速(b,e,h;單位:m·s-1)和風(fēng)向(c,f,i;單位:(°))模擬結(jié)果(實(shí)線)與觀測(cè)值(+)的對(duì)比Fig.2 Comparison of simulated(solid lines) near surface (a,d,g)temperature(units:℃),(b,e,h)wind speed(units:m·s-1) and (c,f,i)wind direction(units:(°)) with the observed results(+) at (a,b,c)Suzhou(SZ),(d,e,f)Wuxi(WX) and (g,h,i)Changzhou(CZ) stations on 13 Auguest

為了定量描述模型結(jié)果的準(zhǔn)確性,本研究利用均方根誤差(RMSE,ERMS)、平均標(biāo)準(zhǔn)化偏差(MNB,BMN)和平均標(biāo)準(zhǔn)誤差(MNGE,EMNG)等統(tǒng)計(jì)方法對(duì)模擬結(jié)果做進(jìn)一步的量化驗(yàn)證。計(jì)算方法如下:

(1)

(2)

(3)

其中:pi表示模式預(yù)測(cè)值;oi表示觀測(cè)值;N為樣本數(shù)。

氣溫、風(fēng)速和風(fēng)向的ERMS分別為1.8 ℃、1.1 m·s-1和17°。三者的BMN分別為-3%、14%和5%,滿足美國(guó)國(guó)家環(huán)保局(EPA)提出的±15%的標(biāo)準(zhǔn)。Tesche et al.(2001)提出了一系列評(píng)價(jià)模式對(duì)氣象場(chǎng)模擬效果的指標(biāo):氣溫的EMNG≤2.0 ℃、風(fēng)速的EMNG≤2.0 m·s-1、風(fēng)向的EMNG≤30°,如果滿足該條件則說(shuō)明模式對(duì)氣象場(chǎng)的模擬較為精確。本次試驗(yàn)氣溫、風(fēng)速和風(fēng)向的EMNG分別為1.5 ℃、0.9 m·s-1和15°?？傮w來(lái)說(shuō),模式對(duì)于氣象場(chǎng)的模擬效果較好,能夠真實(shí)反映實(shí)況氣象場(chǎng)的時(shí)空分布。

3 結(jié)果與討論

當(dāng)下墊面土地利用類型發(fā)生變化時(shí),其對(duì)短波、長(zhǎng)波輻射的吸收和反射作用都會(huì)隨之改變,從而引起地表感熱通量和潛熱通量的變化,進(jìn)而影響大氣邊界層結(jié)構(gòu)。本文通過(guò)控制試驗(yàn)與敏感性試驗(yàn)之間的對(duì)比,分析城市化水平和太湖的湖風(fēng)效應(yīng)對(duì)城市熱島的影響。為了研究城市化和湖陸風(fēng)對(duì)城市邊界層結(jié)構(gòu)的影響以及不同城市熱島之間的相互作用,本文沿圖1b中直線AB做垂直剖面,剖面貫穿常州(CZ)、無(wú)錫(WX)和蘇州(SZ)三座城市。

3.1 城市化對(duì)城市熱島效應(yīng)的影響

圖4 CTL試驗(yàn)與NUB試驗(yàn)白天(a)和夜晚(b)近地面溫度(陰影:單位:℃)和風(fēng)場(chǎng)(箭矢;單位:m·s-1)的差值Fig.4 Differences in averaged near surface temperature(shadings;units:℃) and wind field(arrows;units:m·s-1) between CTL and NUB experiments during (a)daytime and (b)nighttime

城市由于其熱力特性和幾何特性,能吸收和儲(chǔ)存更多的熱量,加上城市人類活動(dòng)頻繁,釋放出大量的人為熱,造成了城市升溫明顯高于郊區(qū)。圖3給出了CTL試驗(yàn)8月13日白天平均(12:00—17:00)的近地面溫度和風(fēng)場(chǎng)。市區(qū)平均氣溫比郊區(qū)高約2 ℃,區(qū)域盛行東南風(fēng)。風(fēng)場(chǎng)遭遇城市粗糙下墊面阻擋,風(fēng)速下降明顯,且在城市周圍形成繞流。白天,太湖與周圍陸地之間巨大的溫差導(dǎo)致湖風(fēng)效應(yīng)明顯,一定程度上改變了無(wú)錫和常州的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu),進(jìn)而對(duì)這兩座城市的熱島強(qiáng)度和熱島環(huán)流產(chǎn)生影響。圖4a、4b分別為白天和夜晚(18:00—23:00)CTL試驗(yàn)與NUB試驗(yàn)近地面溫度和風(fēng)場(chǎng)的差值,它反映了由城市化引起的溫度和風(fēng)場(chǎng)變化,即城市熱島強(qiáng)度和熱島環(huán)流?？梢?jiàn),常州熱島強(qiáng)度最強(qiáng),達(dá)3 ℃,無(wú)錫次之,蘇州最弱,不足2 ℃。受城市熱島的影響,三座城市下風(fēng)向均出現(xiàn)不同程度增溫,增溫幅度與上游城市的熱島強(qiáng)度有關(guān),城市熱島強(qiáng)度越強(qiáng),下游增溫越顯著。D. L. Zhang et al.(2009,2011)提出,上游地區(qū)城市化過(guò)程會(huì)使下游城市的熱島強(qiáng)度加劇。由圖4a可見(jiàn),白天CTL-NUB的風(fēng)場(chǎng)差值呈現(xiàn)向市區(qū)輻合趨勢(shì),與城市熱島環(huán)流特征一致。市區(qū)的風(fēng)場(chǎng)差值呈現(xiàn)為西北風(fēng),說(shuō)明剔除城市后盛行的東南風(fēng)得到了顯著加強(qiáng)。風(fēng)場(chǎng)的輻合以及粗糙的城市地表會(huì)嚴(yán)重削弱城市地區(qū)的風(fēng)速,進(jìn)而抑制城市熱島的高溫向下游地區(qū)的輸送。夜間,由于大氣層結(jié)趨于穩(wěn)定,熱島環(huán)流減弱,風(fēng)場(chǎng)向市區(qū)的輻合被削弱。

圖3 CTL試驗(yàn)白天平均地表氣溫(陰影:單位:℃)和10 m處風(fēng)場(chǎng)(箭矢;單位:m·s-1)Fig.3 Daytime averaged near surface temperature(shadings;units:℃) and 10 m wind fields(arrows;units:m·s-1) from CTL experiment

圖5 AB剖面上CTL試驗(yàn)與NUB試驗(yàn)白天(a)和夜晚(b)平均氣溫(彩色陰影;單位:℃)及風(fēng)場(chǎng)(箭矢;單位:m·s-1)的差值(CZ、WX和SZ分別代表常州、無(wú)錫和蘇州)Fig.5 Vertical cross-sections of differences in averaged temperature(color shadings;units:℃) and in-plane flow vectors(arrows;units:m·s-1) between CTL and NUB experiments alone line AB during (a)daytime and (b)nighttime(CZ,WX and SZ represent Changzhou,Wuxi and Suzhou,respectively)

為了更直觀地反映出城市熱島的垂直結(jié)構(gòu)以及城市之間熱島效應(yīng)的相互影響,本文沿蘇州—無(wú)錫—常州這一城市帶(直線AB)做垂直剖面。圖5a、5b分別為白天和夜晚剖面AB上CTL試驗(yàn)與NUB試驗(yàn)氣溫以及風(fēng)場(chǎng)的差值,它反映出城市熱島強(qiáng)度和熱島環(huán)流的垂直結(jié)構(gòu)?？梢?jiàn),白天常州熱島強(qiáng)度最強(qiáng),無(wú)錫次之,蘇州最弱,但是蘇州城市熱島的垂直發(fā)展高度明顯高于無(wú)錫和常州。白天上游城市的熱島效應(yīng)對(duì)下游城市近地面溫度影響較小,但是在混合層中上層,上游城市的熱島對(duì)下游城市影響顯著。白天的風(fēng)場(chǎng)差值表明,在東南風(fēng)作用下,蘇州、無(wú)錫和常州的城市熱島連成一片,構(gòu)成了一個(gè)更強(qiáng)大的熱島環(huán)流。在近地層,風(fēng)場(chǎng)的強(qiáng)度受兩個(gè)因素的影響:城市下墊面粗糙度和城市熱島環(huán)流特征。一方面,城市地區(qū)建筑物密布,粗糙度明顯高于郊區(qū),風(fēng)場(chǎng)受城市地形的阻擋,風(fēng)速下降明顯;另一方面,城市熱島使得風(fēng)場(chǎng)在近地層向市區(qū)輻合,從而抑制熱島高溫向城市下游的輸送。受這兩種因素的共同影響,近地層的東南風(fēng)被顯著削弱。而在高空1.5 km上下,風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度受熱島環(huán)流的影響較大,熱島環(huán)流在高空表現(xiàn)為向城市周圍輻散,從而加劇了高空的東南風(fēng)。夜晚近地面城市熱島強(qiáng)度及其對(duì)城市下游的溫度平流作用均明顯強(qiáng)于白天,但夜晚大氣層結(jié)趨于穩(wěn)定,城市熱島平均高度不足200 m。夜間風(fēng)場(chǎng)差值表明,城市下墊面使近地面風(fēng)速顯著下降,熱島環(huán)流特征不明顯。白天,蘇州和常州城市熱島的上方均出現(xiàn)一個(gè)明顯的高空冷層,即城市化過(guò)程在導(dǎo)致近地面氣溫上升的同時(shí)還引起了高空氣溫的下降。劉壽東等(2014)在對(duì)南京市區(qū)和郊區(qū)同步進(jìn)行的邊界層探測(cè)中也發(fā)現(xiàn)了這種高空冷層現(xiàn)象。夜晚這種高空冷層特征不明顯。

圖6為蘇州、無(wú)錫和常州區(qū)域平均溫度垂直廓線差值(CTL-NUB)及平均邊界層高度的日變化,反映了這三座城市熱島強(qiáng)度的演變過(guò)程。熱島強(qiáng)度在早晨最弱,午后和傍晚較強(qiáng),熱島的垂直發(fā)展高度在午后可達(dá)1 km以上。在無(wú)錫和常州的傍晚均出現(xiàn)了熱島強(qiáng)度和垂直發(fā)展高度突然增加的現(xiàn)象,這顯然不是受當(dāng)?shù)責(zé)釐u強(qiáng)度日變化的影響,而是與上游地區(qū)城市熱島的溫度輸送有關(guān)。通過(guò)比較CTL試驗(yàn)與NUB試驗(yàn)平均城市邊界層高度可以發(fā)現(xiàn):城市熱島效應(yīng)會(huì)引起城市邊界層高度的顯著增加,城市熱島造成蘇州、無(wú)錫和常州的平均邊界層高度分別上升115、155和168 m,上升幅度與熱島強(qiáng)度有關(guān),熱島越強(qiáng)則邊界層高度增加越明顯。

圖6 蘇州(a)、無(wú)錫(b)和常州(c)區(qū)域平均CTL試驗(yàn)與NUB試驗(yàn)邊界層高度(實(shí)線:CTL,虛線:NUB;單位:km)及其溫度垂直廓線差值(陰影;單位:℃)的時(shí)間變化Fig.6 Variations of area-averaged PBL height(solid line:CTL,dashed line:NUB;units:km) from CTL and NUB experiments,and profiles of area-averaged temperature difference(shadings;units:℃) between CTL and NUB experiments over (a)Suzhou,(b)Wuxi and (c)Changzhou

3.2 太湖對(duì)其周圍城市熱島的影響

圖7 白天CTL試驗(yàn)與NTL試驗(yàn)近地面溫度(陰影;單位:℃)和風(fēng)場(chǎng)(箭矢;單位:m·s-1)的差值Fig.7 Differences in averaged near surface temperature(shadings;units:℃) and wind field(arrows;units:m·s-1) between CTL and NTL experiments during daytime

由于水體比陸地具有更大的比熱容,升溫較慢,在水體與陸地之間形成較大溫差,進(jìn)而引起局地氣流的變化。蘇州、無(wú)錫和常州均位于太湖沿岸,本研究通過(guò)敏感性試驗(yàn)討論太湖的湖風(fēng)效應(yīng)對(duì)這三座城市熱島強(qiáng)度和熱島環(huán)流結(jié)構(gòu)的影響。圖7為CTL試驗(yàn)與NTL試驗(yàn)白天近地面氣溫以及風(fēng)場(chǎng)的差值,它反映了太湖對(duì)局地溫度和風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響。白天太湖表面氣溫比周圍陸地低5～8 ℃,巨大的溫差會(huì)引起強(qiáng)烈的湖風(fēng)效應(yīng),風(fēng)速差值(即湖風(fēng)強(qiáng)度)可達(dá)5 m·s-1。在背景風(fēng)場(chǎng)和湖風(fēng)的共同作用下,太湖對(duì)其周邊和下風(fēng)向地區(qū)的氣溫產(chǎn)生顯著影響,導(dǎo)致下游地區(qū)氣溫下降約2 ℃,其影響范圍可達(dá)40 km左右。蘇州位于太湖上風(fēng)向,背景風(fēng)與湖風(fēng)相互抵消,使得太湖對(duì)蘇州影響很小。而無(wú)錫和常州均位于下風(fēng)向,太湖使得這兩座城市白天平均近地面氣溫分別下降了0.49 ℃和0.52 ℃。

圖8a為AB剖面上NTL試驗(yàn)與NUB試驗(yàn)白天平均溫度和風(fēng)場(chǎng)的差值。可見(jiàn),將太湖替換為農(nóng)田后,無(wú)錫和常州白天城市熱島強(qiáng)度明顯增加。太湖消失使得無(wú)錫與常州的城市熱島連成一片;而太湖存在時(shí),其白天強(qiáng)盛的湖風(fēng)會(huì)削弱無(wú)錫與常州之間近地面城市熱島的聯(lián)系(圖5a)。圖8b同圖8a,但為CTL試驗(yàn)與NTL試驗(yàn)的差值,反映了太湖對(duì)蘇州—無(wú)錫—常州城市帶上氣溫和風(fēng)場(chǎng)垂直結(jié)構(gòu)的影響。白天,湖風(fēng)帶來(lái)的冷氣團(tuán)會(huì)導(dǎo)致無(wú)錫和常州近地面溫度低于NTL試驗(yàn)。兩座城市上空的風(fēng)場(chǎng)差值以下沉運(yùn)動(dòng)為主,這是因?yàn)槔錃鈭F(tuán)進(jìn)入城市上空產(chǎn)生下沉,削弱了城市熱島效應(yīng)所引起的上升運(yùn)動(dòng)。總而言之,太湖的存在削弱了附近城市的熱島強(qiáng)度以及城市之間熱島效應(yīng)的相互作用,抑制了城市熱島的垂直發(fā)展。

由無(wú)錫與常州區(qū)域平均溫度廓線差值日變化(圖9a、9b)可見(jiàn),太湖引起這兩座城市白天邊界層內(nèi)熱島強(qiáng)度明顯降低,最大下降幅度接近1 ℃。該過(guò)程主要發(fā)生在中午前后,因?yàn)榇藭r(shí)太湖湖風(fēng)最為強(qiáng)盛。由圖9b可見(jiàn),太湖導(dǎo)致傍晚常州邊界層內(nèi)出現(xiàn)第二次熱島強(qiáng)度下降過(guò)程。前述提及,傍晚該溫度變化特征主要受上游地區(qū)城市熱島溫度平流的影響。太湖削弱了無(wú)錫的城市熱島強(qiáng)度,且湖風(fēng)的風(fēng)向與主導(dǎo)風(fēng)向不一致,抑制了無(wú)錫對(duì)常州的溫度平流,從而導(dǎo)致傍晚時(shí)分CTL試驗(yàn)的熱島溫度平流強(qiáng)度弱于NTL試驗(yàn)。由無(wú)錫和常州CTL試驗(yàn)與NTL試驗(yàn)邊界層高度日變化(圖9a、9b)可以發(fā)現(xiàn),太湖消失會(huì)使無(wú)錫和常州白天邊界層高度顯著上升,無(wú)錫的邊界層高度最大增加約450 m,常州最大增加約670 m。NTL試驗(yàn)引起白天無(wú)錫和常州城市邊界層高度的增加甚至超過(guò)了城市熱島效應(yīng)所引起的邊界層高度增加。

圖8 AB剖面上NTL試驗(yàn)與NUB試驗(yàn)(a)以及CTL試驗(yàn)與NTL試驗(yàn)(b)白天平均氣溫(陰影;單位:℃)和風(fēng)場(chǎng)(箭矢;單位:m·s-1)的差值(CZ、WX和SZ分別代表常州、無(wú)錫和蘇州)Fig.8 Vertical cross-sections of differences in averaged temperature(color shadings;units:℃) and in-plane flow vectors(arrows;units:m·s-1) (a)between NTL and NUB experiments,and (b)between CTL and NTL experiments alone line AB during daytime(CZ,WX and SZ represent Changzhou,Wuxi and Suzhou,respectively)

圖9 無(wú)錫(a)和常州(b)區(qū)域平均CTL試驗(yàn)與NTL試驗(yàn)邊界層高度(實(shí)線:CTL,虛線:NTL;單位:km)及溫度垂直廓線差值(陰影;單位:℃)的時(shí)間變化Fig.9 Variations of area-averaged PBL height(solid line:CTL,dashed line:NTL;units:km) from CTL and NTL experiments,and profiles of area-averaged temperature difference(shadings;units:℃) between CTL and NTL experiments over (a)Wuxi and (b)Changzhou

4 結(jié)論

本文采用中尺度氣象模式WRF耦合一個(gè)多層城市冠層模式BEP,針對(duì)2013年8月13日一次高溫過(guò)程進(jìn)行模擬;設(shè)計(jì)3套試驗(yàn)方案(CTL、NUB、NTL),討論城市化過(guò)程及太湖的湖風(fēng)效應(yīng)對(duì)蘇州—無(wú)錫—常州這一城市帶熱島效應(yīng)的影響,得到如下結(jié)論:

蘇州—無(wú)錫—常州城市帶熱島效應(yīng)明顯,部分地區(qū)熱島強(qiáng)度達(dá)3 ℃。在東南風(fēng)作用下,城市熱島強(qiáng)度向下游逐漸增加,蘇州熱島強(qiáng)度最弱,常州最強(qiáng)。城市熱島對(duì)其下風(fēng)向地區(qū)有顯著增溫效應(yīng)。通過(guò)比較AB剖面上CTL試驗(yàn)與NUB試驗(yàn)氣溫以及風(fēng)場(chǎng)的差值發(fā)現(xiàn),白天,在東南風(fēng)影響下,這三座城市的熱島效應(yīng)連成一片,形成了一個(gè)更強(qiáng)大的熱島環(huán)流;夜晚,邊界層逐漸趨于穩(wěn)定,熱島環(huán)流減弱,有利于熱島高溫向下游地區(qū)的輸送。受上游城市的影響,無(wú)錫和常州傍晚的城市熱島強(qiáng)度和垂直發(fā)展高度都有顯著增加。城市化使得蘇州、無(wú)錫和常州的平均邊界層高度分別升高了115、155和168 m。

白天太湖表面氣溫比周圍陸地低5～8 ℃,形成強(qiáng)盛的湖風(fēng),進(jìn)而影響周邊城市白天的熱島效應(yīng)。太湖導(dǎo)致無(wú)錫和常州白天近地面平均氣溫分別下降0.49和0.52 ℃,削弱了其白天城市熱島強(qiáng)度以及這兩座城市之間城市熱島的聯(lián)系,且抑制了城市熱島的發(fā)展高度。太湖使無(wú)錫白天邊界層高度最多下降約450 m,常州下降約670 m。

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(責(zé)任編輯：張福穎)

InvestigationofanurbanheatislandepisodealongSuzhou-Wuxi-Changzhouurbancluster

KANG Han-qing1,2,ZHU Bin1,2,ZHU Tong3,4,GAO Jin-hui1,2,SUN Jia-li5,SU Ji-feng6

(1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,NUIST,Nanjing 210044,China;2.Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration,NUIST,Nanjing 210044,China;3.CIRA/Colorado State University,Fort Collins,CO,USA 80523-1375;4.NOAA/NESDIS/STAR/JCSDA,College Park,MD,USA 20746;5.Jiangsu Climate Center,Nanjing 210009,China;6.The 61 Squad of the 94857 Unit of People’s Liberation Army,Wuhu 241000,China)

The weather research and forecasting(WRF) model,coupled with a multi-layer urban canopy model BEP(building energy parameterization),is used to investigate a high temperature episode occurred in the Yangtze River Delta region on 13 August 2013.A southeasterly breeze,consistent with the direction of Suzhou-Wuxi-Changzhou urban cluster,is prevailed over the Yangtze River Delta region during the episode.Simulating results show that significant urban heat island(UHI) effects occur in the urban cluster,and the UHI intensity increases from Suzhou to Changzhou.Under the impact of the southeasterly breeze,the UHI effects of the three individual cities merge together,forming a stronger UHI circulation.In the night,the UHI circulation is weakened by the stable planetary boundary layer,which is favorable for the downstream transport of the UHI effect.The urban planetary boundary layer height is significantly increased by the UHI effect.During the daytime,a strong lake breeze between Lake Taihu and land has great impacts on the UHI of the nearby cities.Air temperature over Wuxi and Changzhou is significantly decreased by the cold air from Lake Taihu,and the upward extension of the UHIs over the two cities are suppressed.Connections of the UHIs between Wuxi and Changzhou are weakened by Lake Taihu.The planetary boundary layer height over Wuxi and Changzhou is more significantly decreased by the lake breeze during daytime.

urban heat island;numerical simulation;Lake Taihu;atmospheric boundary layer

2014-03-20；改回日期2014-05-28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41275143);公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(201206011);江蘇省高校自然科學(xué)研究重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(12KJA170003);江蘇省“333”高層次人才培養(yǎng)工程項(xiàng)目;江蘇省“六大人才高峰”計(jì)劃項(xiàng)目

朱彬,博士,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)榇髿馕锢韺W(xué)與大氣環(huán)境,binzhu@nuist.edu.cn.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140320001.

1674-7097(2014)04-0432-09

P461.2

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140320001

康漢青,朱彬,朱彤，等.2014.蘇州—無(wú)錫—常州城市帶熱島效應(yīng)個(gè)例研究[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),37(4):432-440.

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