太湖湖陆风与城市热岛效应的相互作用

论文总字数：15283字

目 录

1 引言……………………………………………………………………1

2 数值模式和实验方案设计……………………………………………4

2.1 数值模式介绍……………………………………………………………………………4

2.2 实验方案设计……………………………………………………………………………4

2.3 模拟结果评估……………………………………………………………………………5

3 模拟结果和讨论………………………………………………………7

3.1 城市化对城市热岛的作用………………………………………………………………7

3.2 太湖湖陆风对城市热岛的作用…………………………………………………………9

4 结论…………………………………………………………………12

参考文献…………………………………………………………………12

致谢………………………………………………………………………15

太湖湖陆风与城市热岛效应的相互作用

蒋晓梅

，China

Abstract：The Weather Research and Forecasting (WRF) model is coupled with a one-layer urban canopy model (UCM) to investigate a high temperature episode (from 24 August to 27 August, 2009) occurred in the Suzhou-Wuxi-Changzhou and Taihu Lake region. Model results show that the urbanization process increases surface temperature by 1.5 ℃, lowers specific humidity by 1.5 g/kg, and wind fields converge to the city center, form the UHI circulation. The lake-land breeze of the Taihu lake decreases the near-surface temperature of Wuxi and Suzhou, but the impact on Changzhou is not significant. A stronger UHI circulation is formed, by connecting the UHI effects of Wuxi and Changzhou, under the southeasterly flow. The UHI intensity and upward motions over Wuxi and Suzhou are inhibited by cold air masses from the Taihu lake under the southwesterly flows.

Key words：urban heat island effect；land-lake breeze；numerical simulation

1. 引言

在城市化发展的过程中，由于生态环境失调从而产生的城市温度明显高于其周围郊区的现象，称为城市热岛效应。城市热岛效应已经成为现代都市的典型气候特征之一。联合国统计数据显示，2015年全球城市人口比例已超出50%，到2030年，将会有约50亿人，接近百分之六十的世界人口生活在城镇地区。众所周知，城市是人类文明的象征，是人类群居生活的高级形式，它给人们带来了巨大的物质和精神财富，是生产力、科技、文化、商业的枢纽。

然而过快的城市化进程也给人们带来了很多前所未有的挑战。人工废热的排放、城市下垫面性质的改变^[1]、城市地貌^[2]和规模^[3]、大气污染以及一些外部气象条件^[4]都导致了城市热岛效应的形成和不断加剧。城市热岛效应对城市气候^[1]、大气环境^[5]、生物习性^[2]、能量消耗^[6]、降水^[7]和人类的健康^[8]等许多方面的影响越来越突出，这已经引起了各国各级政府的高度重视，因此，研究城市热岛效应的课题也越来越为广泛关注。

研究城市热岛效应的方法主要有早期的气象资料法^[9]、布点观测法^[10]和目前较为普遍的数值模拟法^[11]和遥感研究法^[12]。在多年来对城市热岛效应的研究基础上，许多学者已经提出了一些治理城市热岛效应的对策和技术措施，如提高城市绿地的覆盖率^[13]、减少人为热的排放、采用新型合理的城市规划和设计理念^[1]、推广高反射率的建筑材料^[14]、积极治理大气污染和增加喷水洒水设施、保持城市水域面积等等。

海陆风环流、湖陆风环流是由于水陆的热力性差异造成的，其与城市热岛效应的相互作用对城市及其周边地区的温度、湿度以及大气污染物的分布都有十分重要的影响。目前主要用数值试验和数值模拟的方法来研究城市热岛与海（湖）风环流的相互作用。自上个世纪80年代，Schultz and Warner使用数值实验的方法对山谷风、海风、以及城市热岛对气流模式（airflow pattern)的影响进行了探讨以来^[15]，这方面研究已有很大的进展。20世纪90年代，Yoshikado 用二维静力边界层模式对日本东京的城市热岛环流进行了模拟，发现沿海城区的局地环流在海风的发展阶段可以加快海风速度，热岛环流和海风环流的相互作用会使海风锋传播停滞从而导致它的前部生成了一个弱风区^[16]，之后又研究了城区与海岸线的距离、城区大小、热岛强度对海风和城市热岛相互作用程度的影响，然后发现海风和城市热岛的相互作用在城区的尺度超过10km时会更明显，而在城区尺度较小时不显著，这时热岛发展较弱；如果海风在到达城区之前，城市热岛已经开始发展，即城市在离海岸线的特定距离内时，热岛和海风的相互作用又会变得比较强^[17]。Ohashi and Kida用三维中尺度不可压缩静力大气模式，分析了受到海陆风影响的两个沿海城市和内陆城市的局地环流^[18]。苗曼倩等用一个三维中尺度模式对长江三角洲区域的城市热岛环流与夏季海陆风的相互作用进行了研究，结果发现湖陆风与海陆风的相互作用生成了一条沿长江走向的水平辐合带，且对此区域夏季的降水能够起到触发和增强的作用^[19]。Sarkar et al．通过观测和二维数值模式模拟的方法对海风环流特征与沿海城市热岛的关系进行了研究，发现在午后，因为城市热岛的存在，海风锋的辐合得到加强，因此海风锋在内陆的传播距离也有一定缩减；而当城市的尺度比较大的时候，生成的垂直速度也会比较大，热岛强度越大的时候，辐合也会越强^[20]。李维亮等使用MM5V2模式对长江三角洲地区湖陆风、海陆风、地面风切变线、城市热岛等中小尺度天气现象进行模拟分析并发现可以通过局地环流的改变看出城市的热岛环流与湖陆风、海陆风之间都有相互作用^[21]。刘树华等使用MM5模式对京津冀地区的不同季节的风场及温度场进行了模拟，结果发现该地区在被弱的天气系统控制的时候，同时受到城市热岛环流、海陆风和山谷风的影响，并且此三者之间有明显的耦合效应；山谷风环流的影响范围最大可达北京的平原区域，海陆风环流最大可影响内陆约200km处，而发生在市中心几十公里范围内的城市热岛环流对山谷风环流和海陆风环流都有一个比较明显的削弱^[22]。在近几十年里，城市冠层参数化UCP和中尺度数值模式WRF的发展，对这方面的研究有极大的推动作用。Lin et al．用中尺度数值模式对台湾北部的城市热岛效应对海陆风环流的影响进行了模拟，发现城市热岛效应会使海风在白天得到加强，使陆风在夜间有所削弱^[23]。Ryu and Baik通过中尺度模式耦合了一个城市冠层模式来研究韩国首尔市区的局地环流，结果发现城市风会抑制海风向内陆的发展，从而使海风在首尔停滞下来^[24]。张亦洲等利用耦合了单层城市冠层模式的中尺度模式WRF模拟系统(WRF-Noah-UCM)和Noah陆面过程模式LSM(land surface model)模拟了京津城市下垫面对海风的影响，发现京津城市下垫面能够阻碍海风的发展和推进，还能够在它到达之前增加它的强度和加快它向内陆传播的速度，且在它经过后减慢其消亡速度从而增加它向内陆地区的传播距离^[25]。梁钊明等用耦合了建筑物能量模型BEM和城市冠层参数化UCP的中尺度模式WRF模拟系统对天津市城市下垫面会对渤海湾的海风锋产生的影响进行了研究，结果发现低层的海风在遇到有高粗糙度的城市下垫面时，风速会有明显的减弱，因此海风锋向内陆传播的距离也随之减少，并且在摩擦力效应的作用下海风会有所抬升^[26]。

可以看到，在不少地区海（湖）风环流与城市热岛的相互作用方面的相关研究工作已经得到开展，也取得了不少成果，但是仍存在很多问题如城市热岛环流和海风环流之间相互作用的物理机制、概念模型等等待进一步的探讨。在研究方法上，对海陆风环流与城市热岛的观测试验研究相对于数值试验来说还不够普遍，在不断增长的科研经费投入和日益丰富的边界层气象观测手段的条件下，观测试验研究将成为此类研究发展的一个重要方向。随着城市化进程的加快，城市面积不断扩大，城市之间的距离也在缩短，导致了一个个城市群或者城市带的出现，城市热岛环流将不会再是一种局地天气现象。对这些城市群的热岛环流之间的相互作用的研究和城市群（带）的热岛环流对边界层结构、能量平衡的影响，以及其与盛行风的关系问题也会是城市热岛问题研究中的一个新的挑战和发展方向。此外，在一些复杂地理环境的情况下，如何把复杂地形和海陆风产生的环流与城市热岛环流在污染物传播、气候变化中所起到的具体作用区分开来也会是对依特殊地形而建或沿海（湖、江、河）城市的城市热岛问题研究的重要课题。

从目前的研究现状来看，虽然自上个世纪以来，城市热岛效应是被研究得最为充分的城市气候现象之一，但是它所涉及的问题很多，还需要很长一段时间才能对城市热岛效应有更充分的认识，从而提出并实施有效的缓解手段。与国际的相关工作相比，中国对于城市热岛效应各方面的深入研究还刚刚起步，但是有越来越多的中国科学家以及很多优秀的科研工作人员参与进这方面的研究，在他们的努力下，新的、可靠的试验手段不断发展，数值模式也在不断被完善，各种模型的精度与分辨率也越来越高。相信在不久的将来，中国各个城市的热岛效应研究将有很大进展，这也必将会促进各个城市和地区陆续采取有效措施来缓解城市热岛效应给空气质量、区域气候、自然环境带来的负面影响，同时也可以在城市扩张过程中结合研究结果综合考虑、灵活应用，更科学地进行城市规划，这也是未来城市发展的趋势。

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