城市氣象研究國際前沿動態(tài)綜述

于淼 竇晶晶 苗世光 楚艷麗 孫丹

（1 北京城市氣象研究院，北京 100089；2 北京市氣象局，北京 100089）

0 引言

目前，極端天氣氣候事件和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對愈加迅速的城市化發(fā)展進(jìn)程提出了挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對挑戰(zhàn)，研討和解決城市化發(fā)展過程中的關(guān)鍵科學(xué)問題，國際上成立了國際城市氣候協(xié)會（International Association for Urban Climate，IAUC）。作為一個在城市氣象與氣候領(lǐng)域?qū)で罂茖W(xué)、學(xué)術(shù)和技術(shù)發(fā)展的責(zé)任組織，其關(guān)注的領(lǐng)域包括：城市氣候?qū)W與氣象學(xué)；城市邊界層中的交互過程；城市空氣質(zhì)量；城市風(fēng)與湍流；城市大氣及地表特征的觀測、模擬和遙感；城市陸面的微尺度過程；建筑氣候?qū)W；城市生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的生物氣象學(xué)和生物氣候?qū)W（包括人居舒適及災(zāi)害）；將城市大氣過程納入設(shè)計、規(guī)劃和天氣建模，并通過中尺度氣候模型模擬等。自20世紀(jì)80年代末，IAUC通過組織城市氣候國際會議（International Conference on Urban Climate，ICUC），吸引了眾多國際城市氣象領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者共同探討城市氣象學(xué)最新的研究成果及未來研究發(fā)展方向。2018年8月6—10日在美國紐約城市大學(xué)召開了第十屆城市氣候國際會議（ICUC-10）暨第十四屆城市環(huán)境論壇。會議由紐約城市大學(xué)、國際城市氣候協(xié)會及美國氣象學(xué)會城市環(huán)境委員會聯(lián)合舉辦，主題是“Sustainable and Resilient Urban Environments（可持續(xù)與彈性城市環(huán)境）”。

ICUC-10主題包含：全球氣候變化和城市化；城市氣候；極端天氣和氣候事件；城市能量和水平衡；城市冠層和城市粗糙子層；城市天氣預(yù)報；城市空氣污染；觀測及數(shù)據(jù)；城市水文；熱壓對城市環(huán)境及公共健康的影響；城市發(fā)展和可持續(xù)性，適應(yīng)性與減緩措施；智慧城市及城市規(guī)劃；跨學(xué)科城市現(xiàn)象模擬等。

本文基于ICUC-10會議的主要成果及相關(guān)文獻(xiàn)，分類匯總了最新研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢，根據(jù)我國城市化發(fā)展特性，探討我國城市氣象研究的未來發(fā)展方向。

1 重點研究進(jìn)展

1.1 彈性城市的知識合作

美國國家航空航天局（NASA）的高級科學(xué)家Cynthia Rosenzweig在“Knowledge Partnerships for Resilient Cities（彈性城市的知識合作）”的研究中提出，當(dāng)前城市氣候面臨諸多挑戰(zhàn)：熱浪頻率增加導(dǎo)致的健康問題及可能增加的空氣污染；氣候變化將改變城市熱島效應(yīng)，模式結(jié)果顯示，許多地區(qū)的熱島效應(yīng)有所減少，而有些地區(qū)有所增加；由于暴雨增加而造成的洪水將導(dǎo)致財產(chǎn)和基礎(chǔ)設(shè)施的破壞、商業(yè)和生計的損失以及與疾病相關(guān)的水污染；海平面上升、洪水與風(fēng)暴潮的同時發(fā)生會對人口、財產(chǎn)和沿海生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生廣泛影響，并對商業(yè)和生計構(gòu)成威脅。Cynthia Rosenzweig也給出了城市影響的最新研究成果：城市中心和城市地區(qū)通常比周圍地區(qū)高出幾攝氏度，形成了所謂的城市熱島；許多發(fā)生在城市的極端事件，如熱浪、干旱、暴雨、沿海洪水的頻率和強(qiáng)度將增加；由于世界上大多數(shù)人口生活在城市地區(qū)，城市地區(qū)需要特別關(guān)注降低風(fēng)險與恢復(fù)力建設(shè)問題。

1.2 規(guī)劃亞洲健康城市

香港中文大學(xué)建筑學(xué)院的任超在關(guān)于“Urban Climate Science for Planning Healthy Cities in Asia（規(guī)劃亞洲健康城市的城市氣候科學(xué)）”的研究中指出：1）香港城市微氣候研究技術(shù)研討會及啟動活動指南，為建筑行業(yè)的從業(yè)人員提供了城市微氣候設(shè)計的知識和靈感；體現(xiàn)了前瞻性、用戶友好性和適用性；2）《城市風(fēng)環(huán)境評估與通風(fēng)廊道規(guī)劃指南》通過探討中國城市化所帶來的氣候環(huán)境問題和城市通風(fēng)廊道專項規(guī)劃研究，集中介紹了國內(nèi)外通風(fēng)廊道規(guī)劃實際應(yīng)用經(jīng)驗，并選取英國倫敦、美國洛杉磯、德國斯圖加特、日本東京、中國香港的實際應(yīng)用案例，包括各地風(fēng)環(huán)境評估的考量重點、通風(fēng)廊道規(guī)劃的設(shè)計要素、相關(guān)法律法規(guī)及管控實施等。面對中國未來的城市化，必須將氣候環(huán)境作為自然資源積極保護(hù)和修復(fù)，明確“城市風(fēng)環(huán)境”與“城市通風(fēng)廊道”對城市居住環(huán)境品質(zhì)和公共衛(wèi)生的重要性，確立城市規(guī)劃中風(fēng)環(huán)境評估與應(yīng)用的必要性。提出“呼吸城市”這一新的城市建設(shè)理念，旨在加強(qiáng)城市生態(tài)文明規(guī)劃建設(shè)和精細(xì)化管理，加強(qiáng)對建筑、道路、公園、綠地、開放空間、水體水系等城市形態(tài)與空間要素的合理布局與管理，促進(jìn)對自然風(fēng)的疏導(dǎo)與滲透，加強(qiáng)城市內(nèi)部空氣對流、交換、凈化的能力，從而改善城市通風(fēng)，緩解霧霾與夏季熱島效應(yīng)等城市環(huán)境問題；3）需要制定氣候可行性論證規(guī)范、城市通風(fēng)廊道設(shè)計及城市總體規(guī)劃氣候可行性論證技術(shù)等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 城市化引發(fā)的科學(xué)問題

美國喬治亞大學(xué)的J. Marshall Shepherd在研究中指出，城市影響降水的可能機(jī)制包括：靜穩(wěn)條件，強(qiáng)熱島導(dǎo)致輻合運動增強(qiáng)，降水在城市中心增強(qiáng)；區(qū)域強(qiáng)風(fēng)，上風(fēng)向輻合增強(qiáng)，導(dǎo)致城市下風(fēng)向和城市邊緣地區(qū)降水增強(qiáng)；弱風(fēng)條件，城市熱島導(dǎo)致輻合，導(dǎo)致降水在城市邊緣地區(qū)增強(qiáng)。城市影響降水可能由一個或者多個因素共同作用影響：1）由于底層水平加熱使得熱混合增強(qiáng)，使大氣不穩(wěn)定性增強(qiáng)；2）由于高層建筑造成的氣動粗糙度增加，增加了湍流和機(jī)械混合；3）汽車和工業(yè)添加氣溶膠引起的微物理和動態(tài)過程的修正；4）物理或熱力學(xué)過程使降水系統(tǒng)分叉。

Shepherd提出城市化對降水影響的研究方向：1）城市化對極端降水事件的影響，研究結(jié)果顯示，在世界范圍內(nèi)很多城市的極端降水發(fā)生頻率呈正趨勢，并有99%的置信水平。頻繁的城市極端降水導(dǎo)致城市內(nèi)澇頻發(fā)，這是否影響城市地表水文系統(tǒng)，是今后的研究重點。2）城市徑流。越來越多的城市徑流數(shù)據(jù)超出標(biāo)準(zhǔn)閾值范圍以及較大的單位徑流峰值，城市發(fā)展的定位和配置也對徑流有顯著影響，在制定土地使用政策時，要盡量減少因城市化而造成的流量變化，必須考慮城市發(fā)展的范圍、結(jié)構(gòu)和定位。3）城市化是否對冬季降水有影響。之前研究重點關(guān)注城市化對夏季降水的影響，而對冬季的關(guān)注很少，例如對凍雨的影響。4）城市化是否對臺風(fēng)有影響。5）城市化對區(qū)域氣候的影響是如何影響大尺度氣候變化的。

1.4 城市海洋研究新前沿

美國Jupiter公司的聯(lián)合創(chuàng)始人 Alan F. Blumberg以“The Urban Ocean—A New Frontier（城市海洋——新前沿）”研究為基礎(chǔ)，指出很多沿海城市發(fā)展迅速，正在經(jīng)歷或已經(jīng)完成高速城市化發(fā)展。他提出了“城市海洋”這一概念，指出了城市海洋的獨特性，其受到時間和空間變化的影響，特別是受到災(zāi)難性事件及人類相互作用的影響，例如土地退化、河流管理、氣候變化和其他人為活動。Blumberg提出了城市海洋動力洪水模型，發(fā)展了街區(qū)洪水的預(yù)警模型，可以提前5 d預(yù)測風(fēng)暴潮/降雨造成的街區(qū)洪水，并利用集合預(yù)報的方法，得到更加可信的預(yù)報結(jié)果。

1.5 城市氣象研究與應(yīng)用的結(jié)合

北京城市氣象研究院（城市院，即原中國氣象局北京城市氣象研究所）苗世光研究員介紹了城市所“京津冀城市群強(qiáng)降水及霧霾觀測試驗（SURF）”的主要研究成果及睿圖（Rapid-refresh Multi-scale Analysis and Prediction System，RMAPS）數(shù)值預(yù)報模式系統(tǒng)。SURF科學(xué)試驗通過強(qiáng)化國際合作達(dá)到對城市天氣系統(tǒng)的更深入認(rèn)識，發(fā)展高分辨天氣預(yù)報模式，增強(qiáng)城市預(yù)報產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域，比如能源、公共健康、氣候變化、空氣質(zhì)量、城市規(guī)劃、應(yīng)急響應(yīng)管理等，開展城市影響降水和氣溶膠的科學(xué)研究。成果主要包括：邊界層湍流特征研究，驗證了HOST假設(shè)在城市地區(qū)的適用性；城市地表能量平衡觀測研究，評估了北京地區(qū)的輻射通量、感熱潛熱通量特征；用激光雷達(dá)反演了北京城市邊界層高度；城市影響降水的氣候特征；氣溶膠對輻射的影響；城市建筑物的儲熱研究，觀測城市建筑物內(nèi)外表面的溫度；城市建筑物特征研究，建立城市數(shù)據(jù)集；城市水文過程的改進(jìn)，在城市冠層模式（UCM）中改進(jìn)了城市水文過程，并用鐵塔觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行評估；冷卻塔模型對高分辨城市預(yù)報系統(tǒng)中地表通量模擬的改進(jìn)；灰區(qū)模型對城市邊界層方案的改進(jìn)；氣溶膠對降水影響的機(jī)理研究。介紹了城市所發(fā)展的RMAPS-Urban數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)，包括模式設(shè)置，同化系統(tǒng)數(shù)據(jù)、方法和改進(jìn)，以及預(yù)報效果評估和未來工作計劃。

2 主要研究進(jìn)展

2.1 城市氣候過程

2.1.1 風(fēng)切變在城市邊界層中的作用

英國雷丁大學(xué)的Barlow[1]指出，城市邊界層過程控制了污染物在城市上空的混合和運輸，從而控制了地表污染濃度。因此，建立城市空氣污染模型需要充分再現(xiàn)城市物理過程。城市邊界層（UBL）可以比周圍的鄉(xiāng)村邊界層（RBL）更深，由于城市熱島，對流可以持續(xù)到晚上，這可能有利于污染物濃度降低。顯然，感熱通量的增加對UBL的生長及其日循環(huán)的時間起著很大的作用。然而，與鄉(xiāng)村相比，城市表面較粗糙處的風(fēng)切變也會增加；特別是當(dāng)?shù)退賃BL成長為高速RBL時，在反演過程中會有相當(dāng)大的風(fēng)切變。通過觀測和模擬，證明風(fēng)切變在UBL的日循環(huán)中扮演了相當(dāng)重要的角色。利用設(shè)置在英國倫敦的地面多普勒激光雷達(dá)和現(xiàn)場儀器獲取觀測數(shù)據(jù)，在不同分辨率下運行英國氣象局統(tǒng)一模型開展模擬，分析夜間射流對控制UBL晨間演化的作用，上部UBL風(fēng)切變對湍流特性的影響，以及表面風(fēng)切變對控制UBL穩(wěn)定性和對流的作用。

2.1.2 社區(qū)層面城市內(nèi)部熱剖面研究

印度理工學(xué)院的Surabhi Mehrotra以孟買為例，對社區(qū)層面的城市內(nèi)部熱剖面進(jìn)行了研究，指出建成區(qū)的空間格局對城市表面加熱現(xiàn)象有顯著影響，改變了城市能量與其周圍環(huán)境的交換。通過觀測和模式分析，研究了高異質(zhì)性城市孟買建成區(qū)內(nèi)的熱變化。城市區(qū)域的異質(zhì)性是由建筑和自然環(huán)境參數(shù)的變化引起的，比如建筑覆蓋、建筑高度、天空視野因子、植被類型等，形成了不同的城市建筑形式（Urban building form，UBF）。這些參數(shù)在過去的研究中被廣泛采用，有助于提高對城市地區(qū)熱負(fù)荷或冷卻潛力的認(rèn)識。為了得到城市建筑形態(tài)的均質(zhì)聚類，在構(gòu)建自然參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用主成分和聚類分析方法，得到5個均質(zhì)聚類UBF。通過遙感衛(wèi)星Landsat OLI/TIRS觀測到地表溫度，計算驗證星溫度分布特征。為了分析當(dāng)?shù)氐臒崞拭?，為每個UBF模擬了行人平均輻射溫度（Tmrt）。對每個UBF集群進(jìn)行Tmrt模擬，并使用6種方向輻射模型“SOLWEIG”。利用微氣象現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，驗證了Tmrt模擬的有效性。利用統(tǒng)計誤差量化技術(shù)，證實了模型對小時Tmrt數(shù)據(jù)的適用性。

2.1.3 局部氣候帶對地表熱島-冠層熱島關(guān)系的影響

英國伯明翰大學(xué)的Feng研究了衛(wèi)星遙感地表溫度（Ts）與冠層空氣溫度（Ta）之間的關(guān)系對一系列城市氣候應(yīng)用具有的潛在重要意義。因為背景溫度的變化，比如背景區(qū)域尺度溫度較大的日變化、逐日或者逐級季節(jié)的變化幅度遠(yuǎn)大于Ts與Ta之間這種幾攝氏度的差異，所以Ts與Ta的簡單回歸分析統(tǒng)計意義并不明確。因此，在回歸分析中使用城市熱島強(qiáng)度（UHII）是有利的，因為它減少了背景溫度變化的影響。

2.2 城市環(huán)境對氣候變化的適應(yīng)與應(yīng)對

2.2.1 氣候可適應(yīng)城市的塑造

通過創(chuàng)新、多尺度和適應(yīng)性緩解設(shè)計方法，塑造可適應(yīng)氣候變化的城市。

城市氣候必須是當(dāng)代城市規(guī)劃設(shè)計的一個關(guān)鍵考慮因素，氣候適應(yīng)性設(shè)計原則為城市設(shè)計提供了一系列“適應(yīng)性緩解”策略，指導(dǎo)城市規(guī)劃，應(yīng)對氣候風(fēng)險。

1）城市系統(tǒng)的效率：通過在建筑、交通和工業(yè)領(lǐng)域?qū)嵤┑吞己徒咏愕哪茉唇鉀Q方案，可以減少基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生的城市廢熱和溫室氣體排放。

2）形式和布局：改進(jìn)建筑物和城區(qū)的形式和布局可以提供冷卻和通風(fēng)，減少能源使用，并允許市民應(yīng)對更高的溫度和更強(qiáng)烈的徑流。

3）耐熱建筑材料：選擇低熱容量材料和反射涂層，通過管理表面的熱交換來提高建筑性能。

4）植被覆蓋：增加建筑和開放空間的綠化面積，可以同時滿足降低室外溫度、建筑降溫等需求，同時隔離碳。

2.2.2 互聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施的優(yōu)化管理

極端天氣氣候事件及其后果，包括死亡人數(shù)和其他社會經(jīng)濟(jì)影響，日益成為公共事件的關(guān)鍵焦點?；ヂ?lián)基礎(chǔ)設(shè)施包括相互依賴的服務(wù)或相互依賴的基礎(chǔ)設(shè)施。依賴這些服務(wù)的用戶不可避免地受到影響，特別是公眾日益依賴這些服務(wù)。主要研究基礎(chǔ)設(shè)施及其互聯(lián)性在極端天氣和氣候變化帶來的后果中所扮演的角色，以及如何減輕負(fù)面影響。一方面，基礎(chǔ)設(shè)施互連具有很好的相互支持性和擴(kuò)展性。另一方面，通過與這些連接相關(guān)的許多其他系統(tǒng)的級聯(lián)，使單個基礎(chǔ)設(shè)施的破壞升級。這些相互聯(lián)系及其影響往往不確定和不可預(yù)料，考慮這些不確定性是極端事件背景下管理基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)的關(guān)鍵因素。

2.3 最新城市氣象探測技術(shù)

2.3.1 城市局部云覆蓋監(jiān)測

日本愛媛大學(xué)的Fujimori等[2]研究了太陽輻射的減少與云層厚度的密切相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)太陽輻射的大小決定了高空云層厚度的指數(shù)。然而，由于觀測臺站數(shù)量有限，較難獲得高空間分辨率的太陽輻射觀測。

因為太陽能電池板的數(shù)量在住宅、商業(yè)建筑和學(xué)校中迅速增加，提出一種利用光伏（PV）系統(tǒng)估算太陽輻射的新方法，并驗證了應(yīng)用該方法觀測城市局部云覆蓋量的有效性。

如果在某個季節(jié)里用一天時間獲得了校準(zhǔn)參數(shù)，光伏板的太陽輻射估值就與實測太陽輻射高度一致，在晴朗和多云天氣條件下均得到良好的結(jié)果。證明了在傾斜太陽能電池板的情況下，使用直接/散射分離的轉(zhuǎn)換可以提高估值。在傾斜角度為20°和30°的情況下，驗證了該方法的有效性，相關(guān)性高于0.99。

2.3.2 樹木和建筑對北美郊區(qū)重粒子擴(kuò)散的影響

圣澤維爾大學(xué)的Roy等[3]指出，在世界各地的城市中，以小顆粒形式通過空氣傳播的污染物對人類健康構(gòu)成重大威脅。在過去的幾十年里，已經(jīng)進(jìn)行了幾項色散研究試驗。大多數(shù)研究中，示蹤氣體都從中心商業(yè)區(qū)的點源釋放出來，目的是描述城市形態(tài)對由此產(chǎn)生的示蹤羽的復(fù)雜性的影響。羽流本身通常通過一系列傳感器進(jìn)行量化，傳感器分布在距離源10 m到幾千米的空間距離上。這些試驗增強(qiáng)了對城市離散度的了解，為模型評估提供了優(yōu)秀的數(shù)據(jù)集，但仍然缺乏郊區(qū)城市離散度特征的數(shù)據(jù)集。

2.3.3 小型城市風(fēng)場研究

德國漢堡大學(xué)的Wiesner等[4]指出，由于在粗糙子層內(nèi)建筑物高度的變化，造成城市風(fēng)場在空間和時間上的變化。對研究人員和城市規(guī)劃者來說，估計某一感興趣點上的風(fēng)況是一項挑戰(zhàn)。目前利用數(shù)值模型來獲取小尺度風(fēng)況信息，大多數(shù)城市模型的空間分辨率仍然太粗，無法解析風(fēng)速在城市微觀結(jié)構(gòu)中的變化。風(fēng)洞試驗允許對結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的觀察，同時要求對形狀和形態(tài)進(jìn)行簡化。在實際環(huán)境中，通過高分辨率觀測可以收集到最精確的風(fēng)數(shù)據(jù)，由于儀器數(shù)量有限，這些數(shù)據(jù)往往時間有限，成本高，而且只能提供選定地點的信息。

這種兩難局面導(dǎo)致的問題：如何有效地將這三種方法結(jié)合在一起，以獲得某一特定地點風(fēng)況更全面的信息？本研究的目的是發(fā)現(xiàn)每種方法的優(yōu)點和弱點，并找到一種方法來結(jié)合它們。為此，采用這三種方法對快速發(fā)展的城區(qū)大型建筑沿線的風(fēng)場進(jìn)行了研究。目標(biāo)區(qū)域位于易北河德國漢堡市中心，因為它具有相對簡單的河流入流條件，這簡化了數(shù)值模型和風(fēng)洞模型中建筑內(nèi)外模擬流動的面積。

2.4 城市環(huán)境數(shù)值模擬

2.4.1 高分辨率植被模型

法國國家氣象研究中心的De Munck 等[5]指出了近年來高分辨率植被模型對城市氣候變化的影響。從城市規(guī)模到社區(qū)規(guī)模、街道規(guī)模，城市景觀的異質(zhì)性，無論是從組成、土地利用或版式形態(tài)來看，都在微氣候條件下產(chǎn)生了空間和時間上的變化。為了分析這種可變性，2014年在法國圖盧茲附近開展了觀測試驗，作為EUREQUA研究項目的一部分，在1，4和6月的加密觀測期間，11個氣象站、操作員和一輛裝有儀器的汽車，在更大范圍內(nèi)收集了微氣候觀測數(shù)據(jù)。為城市規(guī)劃研究提供相關(guān)的氣候信息，需要成功地在高空間分辨率下模擬這種微氣候變化。

植被在城市微氣候條件中扮演著決定性的角色，符合當(dāng)前城市規(guī)劃優(yōu)先級，因此重點研究了模擬結(jié)果對植被數(shù)據(jù)質(zhì)量和準(zhǔn)確性的敏感性。

利用Meso-NH氣象模型，加上TEB（Town energy budget）—城市冠層模型，來模擬不同季節(jié)城市微氣候的變化。TEB模型可以模擬城市覆蓋層和低層大氣之間的相互作用，它以城市景觀的幾何簡化表示為基礎(chǔ)，可以在百米尺度上考慮并模擬城市特征的變化。TEB包含了城市植被與周圍建筑相互作用的詳細(xì)描述，以及街道樹木的輻射和通風(fēng)效應(yīng)。為了描述鄰近地區(qū)的表面積，使用了精確的土地利用地圖和該地區(qū)的版式形態(tài)參數(shù)。對于植被，根據(jù)對衛(wèi)星數(shù)據(jù)的分析，進(jìn)行了具體的處理，以便更精確地描述城市植被，這在城市制圖中往往記錄不足。除了更好地繪制綠色區(qū)域外，三層植被（草、灌木和喬木植被）也有所不同，另外還區(qū)分了街道樹木和花園樹木。

2.4.2 城區(qū)復(fù)雜植被的能量和濕度

新加坡國立大學(xué)的Hayati等[6]利用快速反應(yīng)環(huán)境模擬軟件對植被覆蓋情況復(fù)雜的城區(qū)能量和濕度進(jìn)行了計算研究。城市微氣候?qū)Τ鞘泻徒紖^(qū)局部氣候變化有重要影響。這些變化嚴(yán)重影響污染物的運輸、空氣質(zhì)量、水和能源消耗以及城市居民的總體健康和舒適度。盡管對城市大氣流動的計算模型進(jìn)行了廣泛的研究，針對微氣候驅(qū)動力（包括動量通量、輻射通量和湍流熱通量以及主要城市基礎(chǔ)設(shè)施要素），即在街道、社區(qū)和城市尺度上，很少有人研究復(fù)雜的城市配置。城市微氣候研究的城市工業(yè)綜合體環(huán)境模擬軟件（QUIC EnvSim），是一款基于OpenGL和NVIDIA的CUDA（計算統(tǒng)一設(shè)備架構(gòu)）環(huán)境，并行化圖形處理單元（gpu）的建筑解析城市仿真軟件。

2.4.3 城市樹木對污染物擴(kuò)散的影響

亞利桑那州立大學(xué)的Wang等[7]利用耦合的LESLagrangian隨機(jī)模型量化了城市樹木對污染物擴(kuò)散的影響。城市樹木可以有效地緩解加重的熱應(yīng)力，尤其是在夏季，提高行人的熱舒適度和能源的應(yīng)用效率。同時，樹木的存在改變了空氣的流動模式和湍流輸送方式，通過物理和生化過程影響空氣污染物的擴(kuò)散。然而，關(guān)于這一主題的數(shù)值模擬和試驗研究仍處于起步階段。在該研究中，他們使用一個耦合的大渦模擬（LES）—拉格朗日隨機(jī)模型（LSM）框架，研究了城市樹木對街道峽谷內(nèi)空氣污染物擴(kuò)散的影響。通過水通道和現(xiàn)場試驗，驗證了模型的速度場和顆粒分布，表明了模型的合理性。與風(fēng)洞觀測結(jié)果的對比也表明模型的合理性。利用不同的峽谷（建筑高度與街道寬度）比率和樹木幾何形狀模擬了交通排放的離散情況。結(jié)果表明，在中等峽谷寬高比條件下，高于建筑平均高度的樹木對峽谷流場和溫度場的影響最大。純量顆粒物的分散最容易受到街道峽谷中高大樹木的影響，例如大樹的存在會使街道峽谷內(nèi)的污染物濃度增加73.5%。此外，標(biāo)量粒子的運移和濃度在背風(fēng)和迎風(fēng)壁上的空間分布對街道峽谷和城市樹木的形態(tài)高度敏感。LES-LSM耦合模型框架的開發(fā)及其在建筑環(huán)境中的顆粒運輸應(yīng)用可用于城市環(huán)境問題的可持續(xù)解決方案，如空氣質(zhì)量監(jiān)測和污染風(fēng)險分析。

2.5 城市遙感

2.5.1 城市化影響的評估

美國噴氣推進(jìn)實驗室的Jeffrey C. Luvall利用全球遙感觀測來評估城市化的影響。據(jù)估計，到2025年，世界上將有66%的人口居住在城市。自然景觀植被轉(zhuǎn)化為人造城市結(jié)構(gòu)，如道路和建筑物，極大地改變了區(qū)域地表能源預(yù)算、水文、降水模式和氣象學(xué)。城市熱島（UHI）是由人造材料在白天吸收的能量，在晚上釋放出來，從而使城市內(nèi)部的空氣變熱。城市和周邊鄉(xiāng)村之間的氣溫差異幅度可達(dá)2～8 ℃。早在1833年，倫敦就報道過UHI，這是最早被觀測到的城市化現(xiàn)象之一。來自許多城市的研究表明，這些影響包括空氣質(zhì)量下降、能源消耗增加、區(qū)域氣候變化和對人類健康的直接影響等。

地表溫度和反照率是地表能量收支的主要組成部分，為了理解UHI現(xiàn)象，用表面能量收支來定義表面很有用。使用能源術(shù)語建模模擬地表能源收支可以直接比較城市景觀中遇到的各種地表，從植被（森林和草本）到非植被（裸露的土壤、道路和建筑）。這些變量也很容易通過飛機(jī)或衛(wèi)星平臺的遙感觀測到，使人們能夠獲得城市表面的空間變異性。此外，激光雷達(dá)對城市地區(qū)物理結(jié)構(gòu)的觀測對于確定粗糙度系數(shù)和其他建模城市氣候的關(guān)鍵參數(shù)非常重要。

2.5.2 城市氣候模型的評價

圣路易斯大學(xué)的Benjamin Le Roy采用紅外衛(wèi)星圖像評價城市尺度氣候模型。對城市氣候的研究，需要開展對城市現(xiàn)象（如城市熱島）的長期監(jiān)測，以及相關(guān)的模型（可用于數(shù)值天氣預(yù)報或氣候影響研究），在時間和空間上的適當(dāng)觀測。業(yè)務(wù)觀測網(wǎng)絡(luò)遵循WMO標(biāo)準(zhǔn)，不適合城市環(huán)境。可以在城市中設(shè)置特定的儀器來記錄城市氣候，例如：1）固定的觀測站，可以進(jìn)行長期觀測，但只能在某些地點進(jìn)行；2）移動觀測，可以覆蓋更大的空間，但觀測時間短。

紅外衛(wèi)星圖像是一種潛力巨大的工具，它結(jié)合了城市尺度上的連續(xù)空間覆蓋（取決于衛(wèi)星的不同空間分辨率）和長達(dá)數(shù)年的時間深度（取決于空間任務(wù)）等優(yōu)點。但這些數(shù)據(jù)在城市應(yīng)用中仍未得到充分利用，尤其是長期分析。選擇方法和技術(shù)建立數(shù)據(jù)評價模型，必須考慮大氣和城市幾何形狀的影響，使用適當(dāng)?shù)拇髿馄拭孢M(jìn)行大氣校正。城市的三維幾何形狀和太陽的位置導(dǎo)致了朝陽和陰涼區(qū)域表面溫度的變化，提出了城市三維建模的幾種校正方法，對估值及其不確定性做出選擇。

2.5.3 利用地面熱成像觀測城市熱各向異性

希臘赫拉克勒斯研究和技術(shù)基金會的William T.J.Morrison指出，地面熱成像觀測到的長波輻射通量模擬可以模擬城市熱各向異性。城市幾何形態(tài)和建筑材料結(jié)合在一起，形成了復(fù)雜的長波紅外（LWIR）輻射（L）的空間、時間和方向模式。有效熱的各向異性（或方向變異性）導(dǎo)致遙感得到的城市表面溫度隨遙感視角而變化。針對綜合室外尺度模型（COSMO）試驗場和英國倫敦市中心站點，演示了利用LWIR攝像機(jī)觀測數(shù)據(jù)（Lcam）解決有效熱各向異性的方法。在COSMO的測試地點，24 h內(nèi)，像素級別的亮度差異在1小時內(nèi)達(dá)到17.5 K。為了理解這種變異性，使用離散各向異性輻射傳輸（DART）模型和Blender三維渲染軟件探索了表面的方向和陰影。把觀察到的像素和整個冠層表面分類。為了評估來自COSMO場地三維（L3D）表面的exitant長波輻射的可變性，對觀測進(jìn)行分級。使用攝像機(jī)視圖模型模擬熱圖像來測試參數(shù)化，確定L3D通量的攝像機(jī)透視圖。24 h內(nèi)，每幅圖像（模擬和觀察到的）平均亮度溫度在0.5 K以內(nèi)。L3D和DART攝像機(jī)視圖模擬的高空間分辨率使像素和子面比較成為可能。在像素級，陰影遲滯、地面天空視圖因子和建筑邊緣效果并沒有完全被L3D解決。模擬和觀察到的亮度溫差在白天達(dá)到15 K。在COSMO場地開發(fā)的方法被推廣到解決亞小面可變性的來源，以便在倫敦中心場地進(jìn)行觀測。DART是一種很有前途的工具，有助于增強(qiáng)對地面遙感影像的理解。

2.6 城市地區(qū)極端天氣

2.6.1 高分辨率熱浪預(yù)測

美國紐約城市大學(xué)的Ortiz等[8]開展了紐約市高分辨率熱浪預(yù)測研究。預(yù)計全球氣溫將在整個21世紀(jì)上升，促使極端事件發(fā)生變化，特別是熱浪頻率、持續(xù)時間和強(qiáng)度會增加。此外，由于人為熱、風(fēng)速變化和輻射阻隔，大氣與城市環(huán)境之間存在正反饋。全球模型對再現(xiàn)大規(guī)模大氣現(xiàn)象很有用，但可能無法捕捉到城市與大氣互動及其高分辨率變化。

2.6.2 降雨觀測與模擬

日本筑波大學(xué)的Seino等[9]開展了東京強(qiáng)降雨事件的觀測和數(shù)值模擬。人口稠密的城市地區(qū)容易受到極端天氣的影響，例如嚴(yán)重的雷暴、暴雨和洪水。為了提高城市地區(qū)的抗災(zāi)能力，需要更好地了解城市化對暴雨的影響。該研究選取了東京都市圈地區(qū)，基于日本氣象廳的非靜力模式（NHM）和方形棱鏡城市冠層（SPUC）方案，對2011年8月26日雷雨（例1）和2013年7月18日雷雨（例2）兩個極端雷暴形成環(huán)境進(jìn)行了分析。加密觀測數(shù)據(jù)顯示，與例2相比，例1的強(qiáng)風(fēng)暴中尺度環(huán)境具有較低的自由對流水平和較深的東風(fēng)氣流層特征。使用真實的建成區(qū)環(huán)境（CRNT試驗）和較低城市化環(huán)境（LURB試驗），對比研究了城市對降水的影響。這兩個個例中，CRNT試驗相較于LURB試驗均在中心城區(qū)產(chǎn)生了更大的降水量。兩個試驗的氣象場對比表明，城市化引起的氣溫升高會導(dǎo)致東京降雨量增加，其原因是對流和上升運動加劇，而不是不穩(wěn)定效應(yīng)。這種對東京城市化如何促進(jìn)降水增強(qiáng)的解釋，與前期無降水的午后降水的綜合分析結(jié)果非常一致。

2.6.3 熱浪和熱島的城市空間特征

智利圣地亞哥大學(xué)的Luz A. Cárdenas-Jirón分析了圣地亞哥過去10年熱浪和熱島在城市空間的分布特征。極端天氣事件對環(huán)境的影響之一表現(xiàn)為夏季熱環(huán)境對公共健康的影響。該現(xiàn)象的及早發(fā)現(xiàn)可以使政府及時向公眾發(fā)布預(yù)警，并且制定中期或長期應(yīng)對策略。該研究指出了熱浪對公共空間熱舒適性和熱壓的影響。對極端大氣溫度、地表和建筑物表面溫度（例如熱島特征）的綜合認(rèn)知將促使人們更真實地理解室外生活空間中的熱環(huán)境特征。該研究分析了近10年（2007—2016年）智利中部地區(qū)的熱浪以及大都市地區(qū)表面變暖的趨勢，進(jìn)而研究熱壓對圣地亞哥城市居民的影響。在中尺度和微觀尺度上，對1961—1990年的夏季（11—3月）溫度進(jìn)行了均一化處理；分析日最高溫度（Tx）逐日時間序列，計算每月的溫度序列的90%的百分位數(shù)，來作為該月的熱浪臨界閾值。當(dāng)Tx值連續(xù)3 d或以上超過該閾值時，定義為一次熱浪過程。利用空間分辨率為1 km的MODIS LST和月平均值，研究了近十幾年（2000—2016年）LST趨勢，并使用Mann-Kendall方法計算每月標(biāo)準(zhǔn)化異常。首先在城市范圍內(nèi)使用WBGT傳感器進(jìn)行了9 d的夏季觀測，以估算熱應(yīng)力值。

3 城市氣象研究思考與展望

3.1 城市氣象未來發(fā)展

通過相關(guān)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，在全球尺度上，增加城市屋頂和不透水鋪砌表面的反照率所導(dǎo)致的負(fù)輻射強(qiáng)迫效應(yīng)相當(dāng)于 44 Gt 二氧化碳的減排所產(chǎn)生的效果。使用耦合城市冠層模型的全球氣候模式模擬研究發(fā)現(xiàn)，如果將全球城市的房屋屋頂變成白色，全球平均的城市熱島強(qiáng)度將下降 33%，城市日最高氣溫將下降 0.6 ℃、日最低氣溫將下降 0.3 ℃。由于高緯度地區(qū)冬季太陽輻射較弱，白色屋頂對該地區(qū)熱島效應(yīng)的減緩效果不太明顯。用綠地將城市中的工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)和居民區(qū)分隔開，可以緩解城市化效應(yīng)使得降水增加的影響。通過數(shù)值模擬試驗人為增加植被覆蓋，能夠緩解北京地區(qū)夏季降水減少的趨勢，相比種植樹木而言，種草的改善效果更明顯。合理設(shè)計衛(wèi)星城市的位置對于減少城市化氣候效應(yīng)引起的負(fù)面影響具有一定的作用，例如在西南盛行風(fēng)條件下，巴爾的摩市相比華盛頓市存在更高的地表氣溫和更差的空氣質(zhì)量，其原因在于上風(fēng)向地區(qū)衛(wèi)星城的城市化發(fā)展所帶來的影響。

城市氣象領(lǐng)域未來發(fā)展，將不僅僅集中于城市對氣象（氣候）條件和現(xiàn)象影響機(jī)理的揭示，更將關(guān)注以下內(nèi)容：

1）大城市（群）對大尺度、長期氣候的影響：隨著城市存在時間的增長，以及發(fā)展規(guī)模的增大，城市（群）的存在和協(xié)同將對大尺度、長時間的氣候條件產(chǎn)生一定的影響。揭示城市對氣候條件的影響，將成為城市氣象領(lǐng)域重要的研究方向之一。

2）城市微氣候環(huán)境特征觀測及模擬：隨著觀測技術(shù)的發(fā)展，以及數(shù)值模式和計算機(jī)能力的不斷提高，城市微氣候得到了領(lǐng)域內(nèi)學(xué)者們越來越多的關(guān)注。城市微氣候從城市到城市，甚至在同一城市中不同地區(qū)之間都存在差異。例如，一些地區(qū)的自然通風(fēng)效果好，感覺比其他地區(qū)涼爽。這種差異可以被看作是城市形式、氣候和人員活動相互作用的結(jié)果。城市微氣候特征不僅可以揭示城市形態(tài)、人類活動等對局地氣象、氣候條件的影響，同時也為城市適應(yīng)性研究、城市發(fā)展及規(guī)劃提供基礎(chǔ)和思路。

3）城市氣候適應(yīng)性、城市發(fā)展和可持續(xù)性研究：城市不斷發(fā)展的同時帶來了諸多挑戰(zhàn)，如高溫，霧霾等。過去幾年中，氣候可行性論證、城市通風(fēng)廊道設(shè)計及城市總體規(guī)劃氣候可行性論證技術(shù)等發(fā)展卓有成效。要有效地解決城市地區(qū)的氣候彈性問題，需要開發(fā)創(chuàng)新的設(shè)計方法，能夠處理指導(dǎo)可持續(xù)城市再生和改造策略所需的復(fù)雜信息，并從多尺度的角度管理技術(shù)和環(huán)境解決方案。發(fā)展能夠緩解城市化帶來的氣象和環(huán)境壓力的新方法與新技術(shù)，仍為城市氣象研究領(lǐng)域的重點。

4）跨學(xué)科的城市氣象模擬與觀測：城市氣象氣候條件是城市快速發(fā)展過程中典型性難題，由于城市中人口聚集、活動頻繁等原因，城市氣象氣候研究需要交叉領(lǐng)域跨學(xué)科綜合考慮。城市氣候研究中經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會學(xué)相關(guān)模型的應(yīng)用可以為城市效應(yīng)影響研究帶來新的思路。

3.2 應(yīng)對策略

目前國內(nèi)在城市氣象研究領(lǐng)域仍存在很多不足，如對城市氣象氣候研究重要性的認(rèn)識不充分、城市觀測技術(shù)相對欠缺、城市尺度數(shù)值模式基礎(chǔ)相對薄弱等。因此，可以從以下幾方面開展城市氣象科學(xué)研究，提高對城市化氣候效應(yīng)的認(rèn)識。

1）發(fā)展更加精確的描述城市下墊面土地利用類型的遙感資料集，對模擬城市土地利用方式對區(qū)域氣候的改變和影響至關(guān)重要。

2）著重改善現(xiàn)有城市冠層模型的模擬性能，針對區(qū)域城市特點，改進(jìn)并完善各類城市參數(shù)，包括熱力、形態(tài)參數(shù)等，并對城市下墊面與區(qū)域大氣相互作用過程進(jìn)行更合理的參數(shù)化。

3）收集更多、更精細(xì)的能源消耗數(shù)據(jù)，借助自動站、遙感觀測數(shù)據(jù)對人為熱釋放的時空分布進(jìn)行準(zhǔn)確描述，將人為熱更合理地引入到城市冠層模型中；

4）加強(qiáng)城市人為氣溶膠對城市區(qū)域氣候影響的研究。

5）雖然目前數(shù)值模式模擬結(jié)果還具有較大的不確定性，但是隨著模式物理過程的改進(jìn)完善和高性能計算能力的迅速提升，進(jìn)行高分辨和長時間的城市化區(qū)域氣候效應(yīng)的集合模擬，將成為解決這一領(lǐng)域科學(xué)問題的有效途徑。