南京地區(qū)下墊面變化對(duì)城市熱島效應(yīng)影響的數(shù)值模擬

葉麗梅,江志紅,霍飛

(1.氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京信息工程大學(xué)),江蘇 南京 210044;2.武漢區(qū)域氣候中心,湖北 武漢 430074;3.南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210044)

南京地區(qū)下墊面變化對(duì)城市熱島效應(yīng)影響的數(shù)值模擬

葉麗梅1,2,江志紅1,3,霍飛1

(1.氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京信息工程大學(xué)),江蘇 南京 210044;2.武漢區(qū)域氣候中心,湖北 武漢 430074;3.南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210044)

利用新一代中尺度研究和預(yù)報(bào)模式(Weather Research and Forecasting Model,簡(jiǎn)稱 WRF)分別耦合多冠層、單冠層和平板模式三種情況進(jìn)行南京地區(qū)2007年8月1日的天氣過(guò)程模擬,分析不同城市冠層方案對(duì)南京氣象場(chǎng)的模擬效果。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合模擬效果最好的城市冠層方案,研究南京城市下墊面的變化對(duì)其熱島的影響。結(jié)果表明:多冠層方案對(duì)近地面氣溫、10 m風(fēng)場(chǎng)的模擬效果最好;城區(qū)的擴(kuò)張使南京地區(qū)近地面氣溫升高,主要表現(xiàn)為城市區(qū)域夜間升溫顯著,并且導(dǎo)致熱島強(qiáng)度明顯增強(qiáng);城市擴(kuò)張后,城區(qū)白天風(fēng)速大范圍地減小,同時(shí)熱島環(huán)流更加顯著,且具有明顯的城市熱島的“下游效應(yīng)”。

下墊面變化;城市熱島;WRF;數(shù)值模擬

0 引言

近年來(lái),我國(guó)東部大規(guī)模城市化帶來(lái)了土地利用/土地覆蓋的快速變化,南京作為長(zhǎng)三角的重要城市,城市建設(shè)面貌發(fā)生了巨大的變化。2000年以前南京市區(qū)面積占南京市土地總面積不到20%,2003年后南京市區(qū)面積達(dá)到南京市土地總面積的70%之多,城市發(fā)展處于極度擴(kuò)張期(呂憲軍和王梅,2006)。這種大規(guī)模下墊面類型的快速變化,必然對(duì)城市的天氣和氣候帶來(lái)重要影響,并伴隨著夏季高溫?zé)崂?、城市積澇等災(zāi)害性氣象事件頻發(fā)。深入研究快速城市化的直接氣候效應(yīng)及其形成機(jī)理,可以為合理規(guī)劃城市發(fā)展規(guī)模、布局,盡可能減少城市化造成的負(fù)面影響提供科學(xué)依據(jù)。

城市熱島(Urban Heat Island,UHI)作為城市氣候效應(yīng)主要特征,一直受到氣候?qū)W家的廣泛關(guān)注。以往UHI的研究主要通過(guò)觀測(cè)分析和數(shù)值模擬兩種途徑(黃利萍等,2012;苗峻峰,2014)。由于氣象站點(diǎn)的分布通常較為稀疏,且主要為地面觀測(cè),觀測(cè)分析一般無(wú)法給出熱島的三維結(jié)構(gòu),無(wú)法了解具體的物理過(guò)程。目前數(shù)值試驗(yàn)被廣泛地用于城市效應(yīng)的研究當(dāng)中,如宋靜等(2009)將WRF模式與城市冠層模式(Urban Canopy Model,UCM)耦合,結(jié)合同期外場(chǎng)試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果和模式模擬結(jié)果,分析城市冠層效應(yīng)對(duì)局地天氣的影響;陳燕和蔣維楣(2007)運(yùn)用數(shù)值模擬手段研究城市化進(jìn)程對(duì)城市邊界層結(jié)構(gòu)的影響,得到城市反照率減小、植被減少、地表濕度減小,蒸發(fā)耗熱減少、感熱通量增加、城市波恩比增加等結(jié)論。雖然這些研究使用了不同時(shí)期的下墊面資料以分別反映城市化前后的陸面狀況,但是其結(jié)論一般基于某一種UCM。不同的UCM在某一地區(qū)的模擬能力是有區(qū)別的,因此有必要對(duì)多種UCM的模擬能力進(jìn)行評(píng)估。近年來(lái),國(guó)際上先后建立和發(fā)展出數(shù)十種UCM,有些已經(jīng)與中尺度天氣模式進(jìn)行了耦合。最近發(fā)布的中尺度WRF模式,V3中能夠耦合多冠層、單冠層和平板3種UCM,目前被廣泛地運(yùn)用于城市天氣與氣候的研究中。

本文將WRF模式分別耦合多冠層、單冠層和平板3類UCM,對(duì)2007年8月1日南京地區(qū)氣象場(chǎng)進(jìn)行模擬試驗(yàn),并比較3類UCM的模擬效果。在此基礎(chǔ)上,使用最優(yōu)的UCM,考察不同時(shí)期土地利用變化對(duì)南京地區(qū)地面氣溫、熱島強(qiáng)度、熱島環(huán)流等氣象場(chǎng)的影響。

1 WRF模式及UCM模式簡(jiǎn)介

WRF模式是由美國(guó)國(guó)家大氣研究中心、美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心和俄克拉荷馬大學(xué)暴雨分析預(yù)報(bào)中心等多家單位聯(lián)合發(fā)展起來(lái)的新一代非靜力平衡、高分辨率、科研和業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)統(tǒng)一的中尺度預(yù)報(bào)和資料同化模式。第三版較之前的版本主要增加了近期MODIS下墊面資料,同時(shí)UCM中增加了多層城市冠層方案,可以更加全面地考慮城市冠層的物理過(guò)程。下面簡(jiǎn)單介紹本文使用的UCM。

1)平板模式(Surface-Layer Scheme),平板模式將建筑作為平坦的、具有一定厚度的小塊介質(zhì)層處理,城市在模式中為裸土或平板,考慮了城市表面的物理屬性,如:熱容量、熱傳導(dǎo)、反射率、粗糙度等,沒(méi)有考慮城市的幾何形狀。

2)單層城市冠層模式(Kusaka et al.,2001;Kusaka and Kimura,2004;Tewari et al.,2004)(Single-Layer Urban Canopy Model),簡(jiǎn)稱單冠層模式,單冠層模式計(jì)算了墻面、屋頂、道路產(chǎn)生的熱通量,在表面能量收支平衡和風(fēng)切變環(huán)流中考慮城市幾何形狀的影響。

3)多層城市冠層模式(Kondo and Liu,1998;Kondo et al.,1999;Vu et al.,1999)(Multi-Layer Urban Canopy Model),簡(jiǎn)稱多冠層模式,多冠層模式中將地面到屋頂之間分為若干層,并按這些層次分層計(jì)算屋頂、墻面、道路的能量收支。它對(duì)城市特征的描述更準(zhǔn)確,更接近真實(shí),甚至考慮了各個(gè)格點(diǎn)上建筑物的高度和分布密度的不同。

2 數(shù)值試驗(yàn)方案與資料

試驗(yàn)采用雙向反饋的四重嵌套網(wǎng)格,模擬中心點(diǎn)為118.192°E、30.006°N,水平格距分別為27、9、3和1 km(圖1a)。四層區(qū)域的格點(diǎn)數(shù)分別為66×66、147×147、180×189和111×177,最內(nèi)層的區(qū)域及地形高度如圖1b所示。

初始場(chǎng)選用2007年7月30日20時(shí)—8月2日02時(shí)(北京時(shí)間,下同)的NCEP/NCAR 1°×1° FNL資料,6 h更新一次側(cè)邊界,Spin-up時(shí)間為4 h。500 hPa風(fēng)場(chǎng)(圖略)分析表明,該時(shí)段南京上空盛行西風(fēng),天氣形勢(shì)穩(wěn)定。模式參數(shù)化方案包含:Ferrier微物理方案,RRTM長(zhǎng)波輻射方案,Dudhia短波輻射方案,Noah陸面過(guò)程方案,Eta MYJ (Mellor-Yamada-Janjic)TKE邊界層方案,Kain-Fritsch積云對(duì)流方案。

圖1 模擬區(qū)域及地形高度(單位:m) a.模式模擬區(qū)域;b.最內(nèi)層模擬區(qū)域Fig.1 Modeling domains and terrain elevation(units:m) a.nested domains;b.inner domain

圖2 不同時(shí)期南京地區(qū)的土地利用情況(黑色矩形框表示主要城市和建筑用地;白色虛、實(shí)線分別表示計(jì)算熱島強(qiáng)度時(shí)選取的市區(qū)和郊區(qū)的所在位置) a.1993年;b.2001年Fig.2 Land use of Nanjing in (a)1993 and (b)2001 (black rectangles denote urban and construction land;white solid and dashed rectangles represent the location of urban and rural areas respectively in calculation of heat island intensity)

WRF模式自帶的兩種土地利用資料,分別是美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局分辨率30″的格點(diǎn)資料(圖2a)和Boston University/NCEP提供的MODIS 30″的格點(diǎn)資料(圖2b),前者是1993年土地利用狀況,可以代表大規(guī)模城市化前的下墊面狀況;后者是2001年的土地利用狀況,可代表大規(guī)模城市化后的下墊面狀況。對(duì)比該區(qū)域2007年MODIS資料的下墊面類型(圖略)與模式自帶2001年的下墊面類型,發(fā)現(xiàn)城市面積沒(méi)有較大變化。這說(shuō)明模式自帶的2001年下墊面類型可以代表2000年后的情況。

為了研究下墊面的變化對(duì)南京UHI的影響,本文首先通過(guò)模擬結(jié)果和觀測(cè)資料的比較選擇最優(yōu)城市冠層方案,然后通過(guò)耦合最優(yōu)冠層方案研究城市發(fā)展對(duì)UHI所產(chǎn)生的影響。

城市冠層耦合方案模擬選擇試驗(yàn):使用2001年MODIS土地利用類型資料,分別耦合多冠層、單冠層、平板3種UCM,記為:1)m-multi試驗(yàn);2)m-single試驗(yàn);3)m-slab試驗(yàn)。

下墊面變化影響的對(duì)比試驗(yàn):1)利用1993年USGS土地利用類型資料,耦合最優(yōu)城市冠層方案進(jìn)行模擬試驗(yàn),稱為USGS試驗(yàn);2)使用MODIS 2001年的土地利用類型資料,耦合最優(yōu)城市冠層方案進(jìn)行試驗(yàn),稱為MODIS試驗(yàn)。

圖3 2007年8月1日00—24時(shí)觀測(cè)站近地面氣溫日變化的模擬值與觀測(cè)值(單位:℃) a.南京站;b.六合站;c.江浦站;d.江寧站Fig.3 Simulated and observed temperature(℃) at different stations between 00:00 BST and 24:00 BST on 1 August 2007 a.Nanjing;b.Luhe;c.Jiangpu;d.Jiangning

3 不同城市冠層方案對(duì)南京城市氣象場(chǎng)模擬效果分析

3.1 溫度場(chǎng)的模擬效果分析

根據(jù)模式自帶的2001年MODIS下墊面資料,南京站、六合站為城市站,江浦站、江寧站為非城市站,圖3給出2007年8月1日00—24時(shí)此4站觀測(cè)氣溫與模擬值的對(duì)比?？梢钥吹匠鞘姓?圖3a、b)3種參數(shù)化方案模擬的氣溫差別較大,m-multi試驗(yàn)的模擬夜間氣溫高于m-single試驗(yàn)和m-slab試驗(yàn),與觀測(cè)氣溫最為接近,白天氣溫則低于m-single試驗(yàn)和m-slab試驗(yàn);在非城市站(圖3c、d)3種方案模擬的氣溫比較一致,模擬氣溫都低于觀測(cè)值;但總體m-multi試驗(yàn)氣溫日變化曲線與觀測(cè)值日變化曲線的形狀最為吻合。表1給出各測(cè)站模擬氣溫的均方誤差,可以看出:各測(cè)站m-multi試驗(yàn)的均方誤差較小,其均方誤差的平均值也是最小的。

表1近地面氣溫模擬結(jié)果與觀測(cè)值的均方誤差

Table 1 Standard deviations of simulated and observed temperatures ℃

觀測(cè)站m-multi試驗(yàn)m-single試驗(yàn)m-slab試驗(yàn)?zāi)暇?.111.371.34六合0.940.881.03江浦2.112.262.23江寧1.341.621.56平均1.381.531.54

進(jìn)一步分析南京地區(qū)地表溫度空間分布的模擬效果。圖4d是基于MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)劈窗算法反演得到的地表溫度(丁莉東等,2005),反映出強(qiáng)熱島高值區(qū)被長(zhǎng)江割裂為南北兩部分,其中最高值出現(xiàn)在32°N的主城區(qū)中心。城區(qū)的地表溫度比郊區(qū)高約8 ℃。圖4a—c給出的是不同UCM模擬的地表溫度:m-multi試驗(yàn)(圖4a)模擬的城郊溫差約為8 ℃,主城區(qū)中心對(duì)應(yīng)最高值,熱島結(jié)構(gòu)與衛(wèi)星反演形態(tài)上十分接近;m-single試驗(yàn)(圖4b)和m-slab試驗(yàn)(圖4c)的城郊溫差約為5～8 ℃,但主城區(qū)的模擬溫度分布均一,沒(méi)有模擬出城市中心的最高值。由此可見(jiàn),無(wú)論是對(duì)氣溫的日變化還是空間分布,多冠層模式的模擬效果較單冠層和平板模式好。

圖4 2007年8月1日11時(shí)m-multi試驗(yàn)(a)、m-single試驗(yàn)(b)、m-slab試驗(yàn)(c)的地表溫度模擬值和MODIS衛(wèi)星反演值(d)(單位:℃)Fig.4 Simulated surface temperature by (a)m-multi test,(b)m-single test,(c)m-slab test,and (d)MODIS surface temperature at 11:00 BST on 1 August 2007(units:℃)

3.2 風(fēng)場(chǎng)的模擬效果分析

圖5為4個(gè)測(cè)站10 m風(fēng)速在2007年8月1日00—24時(shí)日變化的模擬與觀測(cè)對(duì)比。由圖可見(jiàn),城市站(圖5a、b)3種參數(shù)化方案模擬的風(fēng)速差別較大,其中夜間m-multi試驗(yàn)?zāi)M的風(fēng)速與觀測(cè)值接近,m-single和m-slab試驗(yàn)?zāi)M值偏高;白天3組試驗(yàn)的模擬值與實(shí)際值相差都較大。對(duì)于非城市觀測(cè)站(江浦站、江寧站),3組試驗(yàn)的風(fēng)速模擬值與觀測(cè)值比較接近,3組試驗(yàn)間的差異不明顯。

表2給出了10 m風(fēng)場(chǎng)不同方案均方差的對(duì)比,可以看出,m-multi試驗(yàn)?zāi)M的風(fēng)速值均方差最小。3組試驗(yàn)風(fēng)向的均方差都較大,試驗(yàn)間差別不明顯。

由3組試驗(yàn)在2007年8月1日12時(shí)和20時(shí)模擬的10 m風(fēng)場(chǎng)水平分布與臺(tái)站觀測(cè)資料對(duì)比(圖6),可以發(fā)現(xiàn)觀測(cè)風(fēng)速(圖6a、e)在32°N的城市中心表現(xiàn)為低值區(qū)。m-multi試驗(yàn)(圖6b、f)能很好地模擬出城市中心風(fēng)速的最低值,城郊交界處有著明顯的風(fēng)速梯度。m-single試驗(yàn)(圖6c、g)和m-slab試驗(yàn)(圖6d、h)不僅沒(méi)有模擬出城市中心的低值區(qū),而且城區(qū)風(fēng)速還略大于郊區(qū)。3組試驗(yàn)對(duì)于風(fēng)向的模擬差異不大,與觀測(cè)值大致吻合。

表210m風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果與觀測(cè)值的均方差

Table 2 Standard deviations of simulated and observed surface wind

m-multi試驗(yàn)m-single試驗(yàn)m-slab試驗(yàn)風(fēng)速/(m·s-1)風(fēng)向/(°)風(fēng)速/(m·s-1)風(fēng)向/(°)風(fēng)速/(m·s-1)風(fēng)向/(°)南京1.1826.021.3426.741.6426.22六合1.0832.201.6036.341.7534.82江浦1.0032.931.1737.091.1937.69江寧0.9858.901.1745.741.1445.44平均1.0637.511.3236.481.4336.04

圖6 2007年8月1日12時(shí)(a—d)和20時(shí)(e—h)10 m風(fēng)速的觀測(cè)值與模擬值(單位:m·s-1) a,e.觀測(cè);b,f.m-multi試驗(yàn);c,g.m-single試驗(yàn);d,h.m-slab試驗(yàn)Fig.6 Observed and simulated surface wind speed at (a—d)12:00 BST and (e—h)20:00 BST on 1 August 2007 (units:m·s-1) a,e.observation;b,f.m-multi;c,g.m-single;d,h.m-slab

圖7 2007年8月1日00時(shí)—2日00時(shí)MODIS試驗(yàn)與USGS試驗(yàn)中近地面氣溫差值日變化(單位:℃) a.非城市站發(fā)展為城市站;b.城市站發(fā)展為非城市站Fig.7 Daily temperature difference (℃) of MODIS test and USGS test between 00:00 BST on 1 August 2007 and 00:00 BST on 2 August 2007 a.stations changing from rural to urban;b.stations changing from urban to rural

綜上比較可以看到,相比單冠層和平板模式,多冠層模式對(duì)城市氣溫的模擬效果較好,對(duì)于風(fēng)向的模擬優(yōu)勢(shì)不明顯,從均方差來(lái)看,多冠層模式對(duì)風(fēng)速的模擬較優(yōu)。

4 下墊面變化對(duì)南京UHI影響的模擬研究

前述試驗(yàn)表明,WRF模式耦合多冠層模式能較好地模擬南京地區(qū)氣象場(chǎng)。為進(jìn)一步研究城區(qū)面積擴(kuò)展對(duì)南京UHI的影響,以2007年8月1日為代表,進(jìn)行下墊面變化對(duì)比試驗(yàn)(USGS試驗(yàn)、MODIS試驗(yàn)),分析不同的城市化規(guī)模對(duì)近地面氣溫、熱島強(qiáng)度、風(fēng)場(chǎng)和熱島環(huán)流的影響。

4.1 對(duì)近地面氣溫的影響

根據(jù)USGS、MODIS的下墊面資料,可以得到南京站、溧水站、江浦站3個(gè)觀測(cè)站在不同時(shí)期的土地利用類型(表3),其中南京、溧水站由非城市站發(fā)展為城市站,江浦站由城市站變?yōu)榉浅鞘姓?。圖7給出了MODIS試驗(yàn)與USGS試驗(yàn)近地面氣溫差值的日變化。對(duì)于非城市站發(fā)展為城市站的觀測(cè)站(南京站、溧水站),下墊面的變化使夜間升溫明顯高于白天,這是由于城市冠層與自然下墊面不同,白天對(duì)輻射的吸收和攔截作用增大,夜間將增大的儲(chǔ)存熱量釋放。對(duì)于由城市站變?yōu)榉浅鞘姓?江浦站)的觀測(cè)站,MODIS試驗(yàn)與USGS試驗(yàn)相比,溫度沒(méi)有明顯上升,在某些時(shí)刻(00—02時(shí))MODIS試驗(yàn)?zāi)M的氣溫反而偏低,可見(jiàn)城市化主要表現(xiàn)出夜間UHI的顯著增強(qiáng)現(xiàn)象。

進(jìn)一步分析溫度變化的空間分布,夜間02時(shí)(圖8a),下墊面的變化使南京城區(qū)近地面氣溫升高,城市擴(kuò)張區(qū)升高2 ℃以上,而郊區(qū)沒(méi)有明顯的升溫;14時(shí)(圖8b),南京地區(qū)氣溫差異普遍不顯著,再次表明城市化主要導(dǎo)致夜間城區(qū)顯著升溫,而白天升溫并不明顯。

表33個(gè)觀測(cè)站在不同試驗(yàn)中的土地利用類型

Table 3 Land use of 3 stations in different experiments

測(cè)站土地利用類型USGSMODIS南京灌溉農(nóng)田和牧場(chǎng)城市和建筑用地溧水耕地城市和建筑用地江浦城市和建筑用地耕地

4.2 對(duì)熱島強(qiáng)度的影響

圖8 02時(shí)(a)和14時(shí)(b)MODIS試驗(yàn)與USGS試驗(yàn)中近地面氣溫差值的水平分布(單位:℃)Fig.8 Horizontal distribution of surface air temperature difference(℃) in MODIS test and USGS test at (a)02:00 BST and (b)14:00 BST

圖9 2007年8月1日00—24時(shí)MODIS試驗(yàn)與USGS試驗(yàn)中熱島強(qiáng)度日變化(單位:℃)Fig.9 Daily difference of Heat Island intensity(℃) in MODIS test and USGS test between 00:00 BST and 24:00 BST on 1 August 2007

選取城市地區(qū)(118.76～118.80°E,32.00～32.05°N,圖2中白色虛線框)與郊區(qū)(118.90～118.94°E,31.90～31.95°N,圖2中白色實(shí)線框),計(jì)算地面2 m高度上氣溫差值的時(shí)間序列,并將這種城鄉(xiāng)差異定義為熱島強(qiáng)度。為了保證城區(qū)與郊區(qū)的典型性,所選城區(qū)與郊區(qū)的土地利用類型在兩組試驗(yàn)中是一致的。圖9給出了不同下墊面下熱島強(qiáng)度的日變化對(duì)比,可以看到,兩組試驗(yàn)都表現(xiàn)出熱島強(qiáng)度夜間強(qiáng)于白天。MODIS試驗(yàn)?zāi)M的熱島強(qiáng)度全天大于USGS試驗(yàn)。MODIS試驗(yàn)的熱島強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在02時(shí),達(dá)3.4 ℃;USGS試驗(yàn)的熱島強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在01時(shí),達(dá)到2.8 ℃。圖中虛線標(biāo)出了兩組試驗(yàn)熱島強(qiáng)度高于1 ℃時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間段:USGS試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的是06時(shí)之前與17時(shí)之后,而MODIS試驗(yàn)是08時(shí)之前與15時(shí)之后。這說(shuō)明,隨著城市面積的擴(kuò)展,強(qiáng)熱島持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)了。結(jié)合上一節(jié)的研究,城市化導(dǎo)致南京城區(qū)夜間升溫顯著,表明城市的擴(kuò)張使夜間的熱島強(qiáng)度顯著增強(qiáng),持續(xù)時(shí)間明顯延長(zhǎng)。

4.3 對(duì)10 m風(fēng)速的影響

與自然表面不同,城市表面幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜,粗糙度較大。圖10是MODIS試驗(yàn)與USGS試驗(yàn)?zāi)M的2007年8月1日00—24時(shí)10 m風(fēng)速差的日變化,可以看到,對(duì)于發(fā)展為城市的觀測(cè)站(南京、溧水),全天風(fēng)速差為負(fù)值,風(fēng)速差異最大值出現(xiàn)在12時(shí)左右;而對(duì)于由城市站變?yōu)榉浅鞘姓镜慕?由于缺少城市冠層的摩擦耗散,風(fēng)速是明顯增加的,差異最大值出現(xiàn)在15時(shí)。風(fēng)速差異極值總是出現(xiàn)于正午至傍晚之間,說(shuō)明大規(guī)模城市化對(duì)白天風(fēng)速的影響最明顯。

圖11是MODIS試驗(yàn)與USGS試驗(yàn)中10 m水平風(fēng)速差值的空間分布對(duì)比,可以清楚地看到,無(wú)論是12時(shí)還是20時(shí),32°N所在城市中心及其周邊的區(qū)域都表現(xiàn)為負(fù)值區(qū),這表明城市擴(kuò)張后城區(qū)的風(fēng)速會(huì)明顯減小。

圖10 2007年8月1日00—24時(shí)MODIS試驗(yàn)與USGS試驗(yàn)中10 m風(fēng)速差值的日變化(單位:m·s-1) a.非城市站發(fā)展為城市站;b.城市站發(fā)展為非城市站Fig.10 Daily difference of surface wind speed(m·s-1) in MODIS test and USGS test between 00:00 BST and 24:00 BST on 1 August 2007 a.stations changing from rural to urban;b.stations changing from urban to rural

圖11 12時(shí)(a)和20時(shí)(b)MODIS試驗(yàn)與USGS試驗(yàn)中10 m水平風(fēng)速差值的空間分布 (單位:m·s-1)Fig.11 Distribution of 10m surface wind speed difference in MODIS test and USGS test at (a)12:00 BST and (b)20:00 BST (units:m·s-1)

4.4 對(duì)熱島環(huán)流的影響

以往對(duì)UHI的研究,因?yàn)槿鄙俑叻直媛嗜S數(shù)據(jù),很少涉及城市熱島環(huán)流特征分析。WRF模式能模擬UHI的垂直結(jié)構(gòu),可以加深了解UHI的局地環(huán)流特征。

考察城市擴(kuò)張對(duì)城區(qū)垂直環(huán)流所產(chǎn)生的影響,考慮到模擬時(shí)間內(nèi)近地面為大范圍的西風(fēng)氣流,因而選取沿東西向通過(guò)城市中心的剖面分析其環(huán)流特征。圖12分別是兩組試驗(yàn)8月1日13時(shí)位溫場(chǎng)及風(fēng)場(chǎng)經(jīng)過(guò)32.065°N沿東西向的垂直剖面。可以看到,USGS試驗(yàn)?zāi)M的熱島環(huán)流不明顯,而MODIS試驗(yàn)中出現(xiàn)了典型的熱島環(huán)流。在MODIS試驗(yàn)中,城市(紅色橫條)表面對(duì)應(yīng)著高溫中心,空氣受熱上升,考慮到低層風(fēng)場(chǎng)為西風(fēng)氣流,可見(jiàn)上升運(yùn)動(dòng)最強(qiáng)支出現(xiàn)在城區(qū)的下游。

圖13給出了2007年8月1日13時(shí)MODIS試驗(yàn)與USGS試驗(yàn)沿32.065°N東西向的位溫差垂直剖面及MODIS試驗(yàn)的垂直環(huán)流?？梢钥吹?隨著城區(qū)下墊面擴(kuò)張,大部分地區(qū)表現(xiàn)為氣溫上升,并且增溫的最大值出現(xiàn)在城市東部上空。上升運(yùn)動(dòng)高值區(qū)與氣溫高值區(qū)位置比較吻合(等值線為MODIS試驗(yàn)的垂直速度),出現(xiàn)在城市的東部。結(jié)合低層西風(fēng)氣流,表明城市擴(kuò)張后城區(qū)下游的UHI更加明顯,并且在城市下游出現(xiàn)了強(qiáng)的熱島環(huán)流上升支。上述結(jié)果說(shuō)明南京地區(qū)UHI存在明顯的“下游效應(yīng)”。Zhang et al.(2009)的研究發(fā)現(xiàn)Baltimore上游的城市化會(huì)加劇下游的UHI效應(yīng),并且提出UHI的“下游效應(yīng)”。本文的數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果表明:UHI的“下游效應(yīng)”在南京也同樣存在。

圖12 2007年8月1日13時(shí)USGS試驗(yàn)(a)和MODIS試驗(yàn)(b)與沿32.065°N東西向的位溫(單位:℃)及風(fēng)場(chǎng)(單位:m·s-1)垂直剖面(紅條:城市和建筑用地;藍(lán)條:長(zhǎng)江;綠條:紫金山)Fig.12 Vertical profile of potential temperature(℃) and wind field(m·s-1) in (a)USGS test and (b)MODIS test along 32.065°N latitude at 13:00 BST on 1 August 2007 (red bar:urban and construction land;blue bar Yangtze River;green bar:Purple Mountain)

圖13 2007年8月1日13時(shí)MODIS試驗(yàn)與USGS試驗(yàn)沿32.065°N東西向的位溫差(單位:℃)垂直剖面及MODIS試驗(yàn)的風(fēng)場(chǎng)(單位:m·s-1)(陰影區(qū)為位溫差;等值線為MODIS試驗(yàn)的垂直速度;紅條、藍(lán)條、綠條分別為MODIS下墊面下城市和建筑用地、長(zhǎng)江、紫金山)Fig.13 Vertical profile of potential temperature difference (℃) in MODIS test and USGS test and wind field(m·s-1) in MODIS test along 32.065°N latitude at 13:00 BST on 1 August 2007 (shaded area:potential temperature difference;contour:vertical velocity in MODIS test;red bar:urban and construction land;blue bar:Yangtze River;green bar:Purple Mountain)

綜上數(shù)值試驗(yàn)研究結(jié)果表明,城區(qū)的擴(kuò)張使南京地區(qū)近地面氣溫升高,熱島強(qiáng)度明顯增強(qiáng),夜間強(qiáng)熱島維持時(shí)間顯著延長(zhǎng);城市化后城區(qū)白天的風(fēng)速大幅減小;熱島環(huán)流更加顯著,且具有明顯的UHI“下游效應(yīng)”。

5 結(jié)論與討論

本文利用WRF模式分別耦合多冠層、單冠層和平板模式,模擬南京地區(qū)2007年8月1日的天氣過(guò)程,分析不同城市冠層方案對(duì)南京氣象場(chǎng)的模擬效果。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合模擬效果最好的城市冠層方案,研究南京城市下墊面的變化對(duì)其熱島的影響。通過(guò)比較3種UCM的模擬效果,發(fā)現(xiàn)相比單冠層和平板模式,多冠層模式的氣溫日變化曲線與觀測(cè)值日變化曲線的形狀最為吻合。從均方差上看,多冠層模式對(duì)風(fēng)速的模擬較優(yōu)。利用多冠層模式模擬下墊面變化對(duì)UHI影響,結(jié)果表明:城區(qū)的擴(kuò)張使南京地區(qū)近地面氣溫升高,且主要表現(xiàn)為城市區(qū)域夜間升溫明顯,熱島強(qiáng)度明顯增強(qiáng);城區(qū)白天風(fēng)速大幅減小,熱島環(huán)流更加顯著,且表現(xiàn)出明顯的UHI“下游效應(yīng)”。

由于WRF模式的下墊面資料只有1993年的USGS資料和2001年MODIS資料,本文對(duì)于2007年各氣象要素場(chǎng)的模擬使用的是2001年MODIS資料。對(duì)比該區(qū)域2007年MODIS資料的下墊面類型與模式自帶2001年的下墊面類型,發(fā)現(xiàn)城市面積沒(méi)有較大變化。這說(shuō)明模式自帶的2001年下墊面類型可以代表2000年后的情況。因?yàn)槎緹釐u效應(yīng)所反映的特征和夏季并不相同,所以模擬試驗(yàn)只選擇了夏季某一天與實(shí)測(cè)資料對(duì)比,這造成本文的結(jié)論在一定程度上存在局限性,在以后的研究中可以通過(guò)增加對(duì)于不同年份、季節(jié)的模擬,增強(qiáng)結(jié)論的普遍性。

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(責(zé)任編輯：劉菲)

NumericalsimulationoftheimpactoflandcoverchangeontheurbanheatislandeffectinNanjing

YE Li-mei1,2,JIANG Zhi-hong1,3,HUO Fei1

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST),Ministry of Education,Nanjing 210044,China;2.Wuhan Regional Climate Center,Wuhan 430074,China;3.School of Atmospheric Sciences,NUIST,Nanjing 210044,China)

In this paper,the Weather Research and Forecast Model(WRF) is coupled with Surface-Layer Scheme,Single-Layer Urban Canopy Model and Mingle-Layer Urban Canopy Model respectively to evaluate the simulation effect of various parameterizations on the weather conditions on 1 August 2007 in Nanjing.The best urban parameterization scheme is coupled into WRF to study the impact of land cover change on the Urban Heat Island(UHI) effect in Nanjing.Results show that the Mingle-Layer Urban Canopy Model shows the best simulation effect for surface temperature and 10m wind field.Urbanization makes surface air temperature increase over the region,especially at night and thus intensifies the UHI effect.After urbanization,the wind speed in the downtown area decreases obviously while the Urban Heat Circulation occurs more apparently.There also exists the downstream effect of UHI in Nanjing.

land cover change;Urban Heat Island;WRF;numerical simulation

2012-10-17;改回日期2013-01-13

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(2010CB428505)

江志紅,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)槎唐跉夂蛟\斷,zhjiang@nuist.edu.cn.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121017006.

1674-7097(2014)05-0642-11

P404

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121017006

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