叶丽梅,江志红,霍飞

(1.气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏 南京 210044;2.武汉区域气候中心,湖北 武汉 430074;3.南京信息工程大学 大气科学学院,江苏 南京 210044)

南京地区下垫面变化对城市热岛效应影响的数值模拟

叶丽梅1,2,江志红1,3,霍飞1

(1.气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏 南京 210044;2.武汉区域气候中心,湖北 武汉 430074;3.南京信息工程大学 大气科学学院,江苏 南京 210044)

利用新一代中尺度研究和预报模式(Weather Research and Forecasting Model,简称 WRF)分别耦合多冠层、单冠层和平板模式三种情况进行南京地区2007年8月1日的天气过程模拟,分析不同城市冠层方案对南京气象场的模拟效果。在此基础上,结合模拟效果最好的城市冠层方案,研究南京城市下垫面的变化对其热岛的影响。结果表明:多冠层方案对近地面气温、10 m风场的模拟效果最好;城区的扩张使南京地区近地面气温升高,主要表现为城市区域夜间升温显著,并且导致热岛强度明显增强;城市扩张后,城区白天风速大范围地减小,同时热岛环流更加显著,且具有明显的城市热岛的“下游效应”。

下垫面变化;城市热岛;WRF;数值模拟

0 引言

近年来,我国东部大规模城市化带来了土地利用/土地覆盖的快速变化,南京作为长三角的重要城市,城市建设面貌发生了巨大的变化。2000年以前南京市区面积占南京市土地总面积不到20%,2003年后南京市区面积达到南京市土地总面积的70%之多,城市发展处于极度扩张期(吕宪军和王梅,2006)。这种大规模下垫面类型的快速变化,必然对城市的天气和气候带来重要影响,并伴随着夏季高温热浪、城市积涝等灾害性气象事件频发。深入研究快速城市化的直接气候效应及其形成机理,可以为合理规划城市发展规模、布局,尽可能减少城市化造成的负面影响提供科学依据。

城市热岛(Urban Heat Island,UHI)作为城市气候效应主要特征,一直受到气候学家的广泛关注。以往UHI的研究主要通过观测分析和数值模拟两种途径(黄利萍等,2012;苗峻峰,2014)。由于气象站点的分布通常较为稀疏,且主要为地面观测,观测分析一般无法给出热岛的三维结构,无法了解具体的物理过程。目前数值试验被广泛地用于城市效应的研究当中,如宋静等(2009)将WRF模式与城市冠层模式(Urban Canopy Model,UCM)耦合,结合同期外场试验观测结果和模式模拟结果,分析城市冠层效应对局地天气的影响;陈燕和蒋维楣(2007)运用数值模拟手段研究城市化进程对城市边界层结构的影响,得到城市反照率减小、植被减少、地表湿度减小,蒸发耗热减少、感热通量增加、城市波恩比增加等结论。虽然这些研究使用了不同时期的下垫面资料以分别反映城市化前后的陆面状况,但是其结论一般基于某一种UCM。不同的UCM在某一地区的模拟能力是有区别的,因此有必要对多种UCM的模拟能力进行评估。近年来,国际上先后建立和发展出数十种UCM,有些已经与中尺度天气模式进行了耦合。最近发布的中尺度WRF模式,V3中能够耦合多冠层、单冠层和平板3种UCM,目前被广泛地运用于城市天气与气候的研究中。

本文将WRF模式分别耦合多冠层、单冠层和平板3类UCM,对2007年8月1日南京地区气象场进行模拟试验,并比较3类UCM的模拟效果。在此基础上,使用最优的UCM,考察不同时期土地利用变化对南京地区地面气温、热岛强度、热岛环流等气象场的影响。

1 WRF模式及UCM模式简介

WRF模式是由美国国家大气研究中心、美国国家环境预测中心和俄克拉荷马大学暴雨分析预报中心等多家单位联合发展起来的新一代非静力平衡、高分辨率、科研和业务预报统一的中尺度预报和资料同化模式。第三版较之前的版本主要增加了近期MODIS下垫面资料,同时UCM中增加了多层城市冠层方案,可以更加全面地考虑城市冠层的物理过程。下面简单介绍本文使用的UCM。

1)平板模式(Surface-Layer Scheme),平板模式将建筑作为平坦的、具有一定厚度的小块介质层处理,城市在模式中为裸土或平板,考虑了城市表面的物理属性,如:热容量、热传导、反射率、粗糙度等,没有考虑城市的几何形状。

2)单层城市冠层模式(Kusaka et al.,2001;Kusaka and Kimura,2004;Tewari et al.,2004)(Single-Layer Urban Canopy Model),简称单冠层模式,单冠层模式计算了墙面、屋顶、道路产生的热通量,在表面能量收支平衡和风切变环流中考虑城市几何形状的影响。

3)多层城市冠层模式(Kondo and Liu,1998;Kondo et al.,1999;Vu et al.,1999)(Multi-Layer Urban Canopy Model),简称多冠层模式,多冠层模式中将地面到屋顶之间分为若干层,并按这些层次分层计算屋顶、墙面、道路的能量收支。它对城市特征的描述更准确,更接近真实,甚至考虑了各个格点上建筑物的高度和分布密度的不同。

2 数值试验方案与资料

试验采用双向反馈的四重嵌套网格,模拟中心点为118.192°E、30.006°N,水平格距分别为27、9、3和1 km(图1a)。四层区域的格点数分别为66×66、147×147、180×189和111×177,最内层的区域及地形高度如图1b所示。

初始场选用2007年7月30日20时—8月2日02时(北京时间,下同)的NCEP/NCAR 1°×1° FNL资料,6 h更新一次侧边界,Spin-up时间为4 h。500 hPa风场(图略)分析表明,该时段南京上空盛行西风,天气形势稳定。模式参数化方案包含:Ferrier微物理方案,RRTM长波辐射方案,Dudhia短波辐射方案,Noah陆面过程方案,Eta MYJ (Mellor-Yamada-Janjic)TKE边界层方案,Kain-Fritsch积云对流方案。

图1 模拟区域及地形高度(单位:m) a.模式模拟区域;b.最内层模拟区域Fig.1 Modeling domains and terrain elevation(units:m) a.nested domains;b.inner domain

图2 不同时期南京地区的土地利用情况(黑色矩形框表示主要城市和建筑用地;白色虚、实线分别表示计算热岛强度时选取的市区和郊区的所在位置) 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模式自带的两种土地利用资料,分别是美国地质调查局分辨率30″的格点资料(图2a)和Boston University/NCEP提供的MODIS 30″的格点资料(图2b),前者是1993年土地利用状况,可以代表大规模城市化前的下垫面状况;后者是2001年的土地利用状况,可代表大规模城市化后的下垫面状况。对比该区域2007年MODIS资料的下垫面类型(图略)与模式自带2001年的下垫面类型,发现城市面积没有较大变化。这说明模式自带的2001年下垫面类型可以代表2000年后的情况。

为了研究下垫面的变化对南京UHI的影响,本文首先通过模拟结果和观测资料的比较选择最优城市冠层方案,然后通过耦合最优冠层方案研究城市发展对UHI所产生的影响。

城市冠层耦合方案模拟选择试验:使用2001年MODIS土地利用类型资料,分别耦合多冠层、单冠层、平板3种UCM,记为:1)m-multi试验;2)m-single试验;3)m-slab试验。

下垫面变化影响的对比试验:1)利用1993年USGS土地利用类型资料,耦合最优城市冠层方案进行模拟试验,称为USGS试验;2)使用MODIS 2001年的土地利用类型资料,耦合最优城市冠层方案进行试验,称为MODIS试验。

图3 2007年8月1日00—24时观测站近地面气温日变化的模拟值与观测值(单位:℃) a.南京站;b.六合站;c.江浦站;d.江宁站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 不同城市冠层方案对南京城市气象场模拟效果分析

3.1 温度场的模拟效果分析

根据模式自带的2001年MODIS下垫面资料,南京站、六合站为城市站,江浦站、江宁站为非城市站,图3给出2007年8月1日00—24时此4站观测气温与模拟值的对比。可以看到城市站(图3a、b)3种参数化方案模拟的气温差别较大,m-multi试验的模拟夜间气温高于m-single试验和m-slab试验,与观测气温最为接近,白天气温则低于m-single试验和m-slab试验;在非城市站(图3c、d)3种方案模拟的气温比较一致,模拟气温都低于观测值;但总体m-multi试验气温日变化曲线与观测值日变化曲线的形状最为吻合。表1给出各测站模拟气温的均方误差,可以看出:各测站m-multi试验的均方误差较小,其均方误差的平均值也是最小的。

表1近地面气温模拟结果与观测值的均方误差

Table 1 Standard deviations of simulated and observed temperatures ℃

观测站m-multi试验m-single试验m-slab试验南京1.111.371.34六合0.940.881.03江浦2.112.262.23江宁1.341.621.56平均1.381.531.54

进一步分析南京地区地表温度空间分布的模拟效果。图4d是基于MODIS卫星数据劈窗算法反演得到的地表温度(丁莉东等,2005),反映出强热岛高值区被长江割裂为南北两部分,其中最高值出现在32°N的主城区中心。城区的地表温度比郊区高约8 ℃。图4a—c给出的是不同UCM模拟的地表温度:m-multi试验(图4a)模拟的城郊温差约为8 ℃,主城区中心对应最高值,热岛结构与卫星反演形态上十分接近;m-single试验(图4b)和m-slab试验(图4c)的城郊温差约为5～8 ℃,但主城区的模拟温度分布均一,没有模拟出城市中心的最高值。由此可见,无论是对气温的日变化还是空间分布,多冠层模式的模拟效果较单冠层和平板模式好。

图4 2007年8月1日11时m-multi试验(a)、m-single试验(b)、m-slab试验(c)的地表温度模拟值和MODIS卫星反演值(d)(单位:℃)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 风场的模拟效果分析

图5为4个测站10 m风速在2007年8月1日00—24时日变化的模拟与观测对比。由图可见,城市站(图5a、b)3种参数化方案模拟的风速差别较大,其中夜间m-multi试验模拟的风速与观测值接近,m-single和m-slab试验模拟值偏高;白天3组试验的模拟值与实际值相差都较大。对于非城市观测站(江浦站、江宁站),3组试验的风速模拟值与观测值比较接近,3组试验间的差异不明显。

表2给出了10 m风场不同方案均方差的对比,可以看出,m-multi试验模拟的风速值均方差最小。3组试验风向的均方差都较大,试验间差别不明显。

由3组试验在2007年8月1日12时和20时模拟的10 m风场水平分布与台站观测资料对比(图6),可以发现观测风速(图6a、e)在32°N的城市中心表现为低值区。m-multi试验(图6b、f)能很好地模拟出城市中心风速的最低值,城郊交界处有着明显的风速梯度。m-single试验(图6c、g)和m-slab试验(图6d、h)不仅没有模拟出城市中心的低值区,而且城区风速还略大于郊区。3组试验对于风向的模拟差异不大,与观测值大致吻合。

表210m风场模拟结果与观测值的均方差

Table 2 Standard deviations of simulated and observed surface wind

m-multi试验m-single试验m-slab试验风速/(m·s-1)风向/(°)风速/(m·s-1)风向/(°)风速/(m·s-1)风向/(°)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江宁0.9858.901.1745.741.1445.44平均1.0637.511.3236.481.4336.04

图6 2007年8月1日12时(a—d)和20时(e—h)10 m风速的观测值与模拟值(单位:m·s-1) a,e.观测;b,f.m-multi试验;c,g.m-single试验;d,h.m-slab试验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

图7 2007年8月1日00时—2日00时MODIS试验与USGS试验中近地面气温差值日变化(单位:℃) a.非城市站发展为城市站;b.城市站发展为非城市站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

综上比较可以看到,相比单冠层和平板模式,多冠层模式对城市气温的模拟效果较好,对于风向的模拟优势不明显,从均方差来看,多冠层模式对风速的模拟较优。

4 下垫面变化对南京UHI影响的模拟研究

前述试验表明,WRF模式耦合多冠层模式能较好地模拟南京地区气象场。为进一步研究城区面积扩展对南京UHI的影响,以2007年8月1日为代表,进行下垫面变化对比试验(USGS试验、MODIS试验),分析不同的城市化规模对近地面气温、热岛强度、风场和热岛环流的影响。

4.1 对近地面气温的影响

根据USGS、MODIS的下垫面资料,可以得到南京站、溧水站、江浦站3个观测站在不同时期的土地利用类型(表3),其中南京、溧水站由非城市站发展为城市站,江浦站由城市站变为非城市站。图7给出了MODIS试验与USGS试验近地面气温差值的日变化。对于非城市站发展为城市站的观测站(南京站、溧水站),下垫面的变化使夜间升温明显高于白天,这是由于城市冠层与自然下垫面不同,白天对辐射的吸收和拦截作用增大,夜间将增大的储存热量释放。对于由城市站变为非城市站(江浦站)的观测站,MODIS试验与USGS试验相比,温度没有明显上升,在某些时刻(00—02时)MODIS试验模拟的气温反而偏低,可见城市化主要表现出夜间UHI的显著增强现象。

进一步分析温度变化的空间分布,夜间02时(图8a),下垫面的变化使南京城区近地面气温升高,城市扩张区升高2 ℃以上,而郊区没有明显的升温;14时(图8b),南京地区气温差异普遍不显著,再次表明城市化主要导致夜间城区显著升温,而白天升温并不明显。

表33个观测站在不同试验中的土地利用类型

Table 3 Land use of 3 stations in different experiments

测站土地利用类型USGSMODIS南京灌溉农田和牧场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 对热岛强度的影响

图8 02时(a)和14时(b)MODIS试验与USGS试验中近地面气温差值的水平分布(单位:℃)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

图9 2007年8月1日00—24时MODIS试验与USGS试验中热岛强度日变化(单位:℃)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

选取城市地区(118.76～118.80°E,32.00～32.05°N,图2中白色虚线框)与郊区(118.90～118.94°E,31.90～31.95°N,图2中白色实线框),计算地面2 m高度上气温差值的时间序列,并将这种城乡差异定义为热岛强度。为了保证城区与郊区的典型性,所选城区与郊区的土地利用类型在两组试验中是一致的。图9给出了不同下垫面下热岛强度的日变化对比,可以看到,两组试验都表现出热岛强度夜间强于白天。MODIS试验模拟的热岛强度全天大于USGS试验。MODIS试验的热岛强度最大值出现在02时,达3.4 ℃;USGS试验的热岛强度最大值出现在01时,达到2.8 ℃。图中虚线标出了两组试验热岛强度高于1 ℃时所对应的时间段:USGS试验对应的是06时之前与17时之后,而MODIS试验是08时之前与15时之后。这说明,随着城市面积的扩展,强热岛持续时间变长了。结合上一节的研究,城市化导致南京城区夜间升温显著,表明城市的扩张使夜间的热岛强度显著增强,持续时间明显延长。

4.3 对10 m风速的影响

与自然表面不同,城市表面几何结构复杂,粗糙度较大。图10是MODIS试验与USGS试验模拟的2007年8月1日00—24时10 m风速差的日变化,可以看到,对于发展为城市的观测站(南京、溧水),全天风速差为负值,风速差异最大值出现在12时左右;而对于由城市站变为非城市站的江浦,由于缺少城市冠层的摩擦耗散,风速是明显增加的,差异最大值出现在15时。风速差异极值总是出现于正午至傍晚之间,说明大规模城市化对白天风速的影响最明显。

图11是MODIS试验与USGS试验中10 m水平风速差值的空间分布对比,可以清楚地看到,无论是12时还是20时,32°N所在城市中心及其周边的区域都表现为负值区,这表明城市扩张后城区的风速会明显减小。

图10 2007年8月1日00—24时MODIS试验与USGS试验中10 m风速差值的日变化(单位:m·s-1) a.非城市站发展为城市站;b.城市站发展为非城市站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

图11 12时(a)和20时(b)MODIS试验与USGS试验中10 m水平风速差值的空间分布 (单位: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 对热岛环流的影响

以往对UHI的研究,因为缺少高分辨率三维数据,很少涉及城市热岛环流特征分析。WRF模式能模拟UHI的垂直结构,可以加深了解UHI的局地环流特征。

考察城市扩张对城区垂直环流所产生的影响,考虑到模拟时间内近地面为大范围的西风气流,因而选取沿东西向通过城市中心的剖面分析其环流特征。图12分别是两组试验8月1日13时位温场及风场经过32.065°N沿东西向的垂直剖面。可以看到,USGS试验模拟的热岛环流不明显,而MODIS试验中出现了典型的热岛环流。在MODIS试验中,城市(红色横条)表面对应着高温中心,空气受热上升,考虑到低层风场为西风气流,可见上升运动最强支出现在城区的下游。

图13给出了2007年8月1日13时MODIS试验与USGS试验沿32.065°N东西向的位温差垂直剖面及MODIS试验的垂直环流。可以看到,随着城区下垫面扩张,大部分地区表现为气温上升,并且增温的最大值出现在城市东部上空。上升运动高值区与气温高值区位置比较吻合(等值线为MODIS试验的垂直速度),出现在城市的东部。结合低层西风气流,表明城市扩张后城区下游的UHI更加明显,并且在城市下游出现了强的热岛环流上升支。上述结果说明南京地区UHI存在明显的“下游效应”。Zhang et al.(2009)的研究发现Baltimore上游的城市化会加剧下游的UHI效应,并且提出UHI的“下游效应”。本文的数值试验结果表明:UHI的“下游效应”在南京也同样存在。

图12 2007年8月1日13时USGS试验(a)和MODIS试验(b)与沿32.065°N东西向的位温(单位:℃)及风场(单位:m·s-1)垂直剖面(红条:城市和建筑用地;蓝条:长江;绿条: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)

图13 2007年8月1日13时MODIS试验与USGS试验沿32.065°N东西向的位温差(单位:℃)垂直剖面及MODIS试验的风场(单位:m·s-1)(阴影区为位温差;等值线为MODIS试验的垂直速度;红条、蓝条、绿条分别为MODIS下垫面下城市和建筑用地、长江、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)

综上数值试验研究结果表明,城区的扩张使南京地区近地面气温升高,热岛强度明显增强,夜间强热岛维持时间显著延长;城市化后城区白天的风速大幅减小;热岛环流更加显著,且具有明显的UHI“下游效应”。

5 结论与讨论

本文利用WRF模式分别耦合多冠层、单冠层和平板模式,模拟南京地区2007年8月1日的天气过程,分析不同城市冠层方案对南京气象场的模拟效果。在此基础上,结合模拟效果最好的城市冠层方案,研究南京城市下垫面的变化对其热岛的影响。通过比较3种UCM的模拟效果,发现相比单冠层和平板模式,多冠层模式的气温日变化曲线与观测值日变化曲线的形状最为吻合。从均方差上看,多冠层模式对风速的模拟较优。利用多冠层模式模拟下垫面变化对UHI影响,结果表明:城区的扩张使南京地区近地面气温升高,且主要表现为城市区域夜间升温明显,热岛强度明显增强;城区白天风速大幅减小,热岛环流更加显著,且表现出明显的UHI“下游效应”。

由于WRF模式的下垫面资料只有1993年的USGS资料和2001年MODIS资料,本文对于2007年各气象要素场的模拟使用的是2001年MODIS资料。对比该区域2007年MODIS资料的下垫面类型与模式自带2001年的下垫面类型,发现城市面积没有较大变化。这说明模式自带的2001年下垫面类型可以代表2000年后的情况。因为冬季热岛效应所反映的特征和夏季并不相同,所以模拟试验只选择了夏季某一天与实测资料对比,这造成本文的结论在一定程度上存在局限性,在以后的研究中可以通过增加对于不同年份、季节的模拟,增强结论的普遍性。

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(责任编辑：刘菲)

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

国家重点基础研究发展规划项目(2010CB428505)

江志红,教授,博士生导师,研究方向为短期气候诊断,zhjiang@nuist.edu.cn.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121017006.

1674-7097(2014)05-0642-11

P404

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121017006

叶丽梅,江志红,霍飞.2014.南京地区下垫面变化对城市热岛效应影响的数值模拟[J].大气科学学报,37(5):642-652.

Ye Li-mei,Jiang Zhi-hong,Huo Fei.2014.Numerical simulation of the impact of land cover change on the urban heat island effect in Nanjing[J].Trans Atmos Sci,37(5):642-652.(in Chinese)