苗峻峰

(南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院, 江蘇 南京 210044)

城市熱島和海風(fēng)環(huán)流相互作用的數(shù)值模擬研究進(jìn)展

苗峻峰

(南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院, 江蘇 南京 210044)

在沿海城市地區(qū),城市熱島環(huán)流和海風(fēng)環(huán)流往往同時(shí)存在;它們?cè)诳諝馕廴疚锏膫鬏敽蛿U(kuò)散中均起至關(guān)重要的作用,對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣亦有重要的觸發(fā)作用。隨著城市化的發(fā)展,空氣污染等環(huán)境問題變得越來越嚴(yán)峻,突然性強(qiáng)對(duì)流天氣所造成的災(zāi)害也越來越嚴(yán)重。因此,沿海城市地區(qū)城市熱島和海風(fēng)環(huán)流相互作用的研究受到日益廣泛的關(guān)注。本文回顧了近30 a來國(guó)內(nèi)外關(guān)于城市熱島和海風(fēng)環(huán)流相互作用數(shù)值模擬的研究歷史,分析了目前的研究現(xiàn)狀及存在的一些問題,概述了城市化、城市熱島對(duì)海風(fēng)環(huán)流的影響,海風(fēng)對(duì)城市熱島、城市熱島環(huán)流的影響,以及城市熱島環(huán)流和海風(fēng)環(huán)流的耦合效應(yīng)。最后,本文提出了一些有待于研究或需深入研究的問題;這些問題的研究將有助于進(jìn)一步揭示沿海城市地區(qū)空氣污染動(dòng)力學(xué)機(jī)制、強(qiáng)對(duì)流天氣觸發(fā)機(jī)制。

熱島環(huán)流;海陸風(fēng);湖陸風(fēng);局地環(huán)流;局地對(duì)流;城市效應(yīng);空氣污染動(dòng)力學(xué)

0 引言

21世紀(jì)以來,隨著城市化的發(fā)展,城市氣象學(xué)(urban meteorology)和城市氣候?qū)W(urban climatology)的研究已越來越受到國(guó)內(nèi)外廣大氣象學(xué)家的重視和政府部門的強(qiáng)有力支持(Oke,2006;Grimmond et al.,2010;壽亦萱和張大林,2012)。國(guó)際城市氣候協(xié)會(huì)(International Association for Urban Climate,IAUC)的創(chuàng)立(2000年)及每3 a一次的國(guó)際城市氣候會(huì)議(International Conference for Urban Climate,ICUC)就是一個(gè)重要標(biāo)志。

城市熱島(urban heat island,UHI)是城市氣侯最顯著的特征之一(Kanda,2007;黃利萍等,2012),其形成原因主要是城市下墊面性質(zhì)的改變與城市人為熱源的排放。大量的研究表明:城市化、城市熱島對(duì)空氣污染(徐祥德等,2006)、大氣邊界層(陳燕和蔣維楣,2007)、(強(qiáng))對(duì)流天氣和降水(Shepherd,2005;Guo et al.,2006;蒙偉光等,2007;Chen et al.,2007;Zhang et al.,2009;Lin et al.,2011;Miao et al.,2011;徐蓉等,2013)均有重要的影響;城市熱島強(qiáng)度與城市特征(城市規(guī)模、建筑物平均高度及密度、地表物理屬性、街區(qū)走向及天空可視因子、人口密度、人為熱源的排放量等)和氣象條件密切相關(guān)(Atkinson,2003;蔣維楣等,2009,2010)。

海風(fēng)環(huán)流(sea breeze circulation,SBC)是沿海地區(qū)重要的中尺度氣象現(xiàn)象之一(張立鳳等,1999;Lin et al.,2001;Miao et al.,2003,2009;Miller et al.,2003;Crosman and Horel,2010;許啟慧等,2013a),主要是由于海陸之間的熱力差異所造成的。海風(fēng)環(huán)流在空氣污染物的傳輸和擴(kuò)散中起重要的作用(陳訓(xùn)來等,2008),海風(fēng)鋒能誘發(fā)(強(qiáng))對(duì)流天氣的發(fā)生(王樹芬,1990;Fovell,2005;尹東屏等,2010;盧煥珍等,2012;易笑園等,2012;汪雅等,2013)。大量的研究表明:海風(fēng)非常敏感于實(shí)際地理環(huán)境的復(fù)雜性、地面溫度和大尺度背景風(fēng)(Crosman and Horel,2010)。因此,地面的不均勻性對(duì)海風(fēng)環(huán)流的發(fā)生和發(fā)展以及環(huán)流強(qiáng)度有至關(guān)重要的影響。

眾所周知,許多大城市位于沿海地區(qū),因而城市冠層(urban canopy)在局地氣象學(xué)(local meteorology)中通常起關(guān)鍵的作用,尤其是當(dāng)城市熱島效應(yīng)產(chǎn)生城市熱島環(huán)流(urban heat island circulation,UHIC)(Vukovich et al.,1979;周明煜等,1980;Savij?rvi,1985;Eliasson and Holmer,1990;Han and Baik,2008)時(shí)更是如此。城市熱島是城市熱島環(huán)流的源,城市熱島環(huán)流是大氣對(duì)與感熱通量梯度有關(guān)的溫度水平變化的中尺度響應(yīng)(Hidalgo et al.,2010)。城市熱島環(huán)流的形成原因類似于海風(fēng)環(huán)流,后者主要是由于海陸之間的熱力差異所造成的,而前者主要是由于城鄉(xiāng)之間的熱力差異(和城市大小)所造成的。城市熱島環(huán)流的范圍可以是城市大小的2～3倍(Hidalgo et al.,2008),屬城市尺度(urban scale)或中小尺度環(huán)流,而海風(fēng)環(huán)流是局地或區(qū)域中尺度環(huán)流。

在沿海城市地區(qū),尤其是大城市地區(qū),城市熱島環(huán)流和海風(fēng)環(huán)流往往同時(shí)存在(黃利萍等,2013;許啟慧等,2013b;Meir et al,2013),因而它們是相互作用的(Cenedese and Monti,2003;Childs and Raman,2005)。也就是說,城區(qū)的存在影響海風(fēng)環(huán)流的結(jié)構(gòu)和發(fā)展;反過來,海風(fēng)環(huán)流控制城區(qū)及周圍地區(qū)溫度、濕度和空氣污染物濃度的時(shí)空變化。隨著城市化的發(fā)展,空氣污染等環(huán)境問題變得越來越嚴(yán)峻,城市熱島和(或)海風(fēng)鋒誘發(fā)的強(qiáng)對(duì)流天氣所造成的災(zāi)害也越來越嚴(yán)重(東高紅等,2013)。因此,城市熱島和海風(fēng)環(huán)流的相互作用受到科學(xué)家們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。本文在分析了20世紀(jì)80年代以來國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上,概述了城市熱島和海風(fēng)環(huán)流相互作用的數(shù)值模擬研究進(jìn)展,并提出了一些有待于深入研究的問題。

1 歷史回顧與現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)80年代,科學(xué)家們就開始關(guān)注城市熱島效應(yīng)與海風(fēng)環(huán)流之間的相互作用問題。30多年來,取得了不少研究成果。研究方法以數(shù)值試驗(yàn)(numerical experiment)和數(shù)值模擬(numerical simulation、numerical modelling)為主,研究?jī)?nèi)容涉及城市化、城市熱島對(duì)海風(fēng)環(huán)流的影響(Schultz and Warner,1982;Savij?rvi,1985;Yoshikado,1992,1994;張雷鳴等,1994;Sarkar et al.,1998;苗曼倩和唐有華,1998;Kusaka et al.,2000;Ohashi and Kida,2002a,2002b,2002c;李維亮等,2003;Ferretti et al.,2003;Martilli,2003;Lemonsu et al.,2006;Freitas et al.,2007;Lo et al.,2007;Lin et al.,2008;Simpson et al.,2008;陸希和壽紹文,2009;文偉俊等,2009;Dandou et al.,2009;Lu et al.,2010;Chen et al.,2011a;梁釗明等,2013;張亦洲等,2013;Ryu and Baik,2013),海風(fēng)對(duì)城市熱島、城市熱島環(huán)流的影響(Schultz and Warner,1982;Yoshikado,1992;Ohashi and Kida,2002a,2002b;Chemel and Sokhi,2012),以及城市熱島環(huán)流—海風(fēng)環(huán)流的耦合效應(yīng)(Childs and Raman,2005;Freitas et al.,2007;劉樹華等,2009)。數(shù)值模擬研究區(qū)域涉及日本東京、大阪—京都,意大利羅馬—奧斯蒂亞,美國(guó)紐約、休斯頓,法國(guó)馬賽,巴西圣保羅,印度欽奈,希臘雅典,英國(guó)倫敦,韓國(guó)首爾,中國(guó)京津冀、長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲、廣西北部灣、臺(tái)灣地區(qū)等。

20世紀(jì)80年代,Schultz and Warner(1982)使用二維原始方程模式模擬了美國(guó)洛杉磯盆地夏天的局地環(huán)流,通過數(shù)值試驗(yàn)探討了海風(fēng)、城市熱島和山谷風(fēng)對(duì)“氣流型”(airflow pattern)的貢獻(xiàn)。Savij?rvi(1985)使用二維干靜力模式研究了海陸風(fēng)、城市熱島環(huán)流及其它們的相互作用,發(fā)現(xiàn)熱的城市大大加強(qiáng)了海風(fēng),并把海風(fēng)“鎖”在海岸線附近。

20世紀(jì)90年代,Yoshikado(1992)使用二維靜力邊界層模式(boundary-layer model),針對(duì)日本東京的情況,模擬了城市效應(yīng)與海風(fēng)的相互作用,發(fā)現(xiàn)沿海區(qū)域的城市熱島在海風(fēng)發(fā)展階段起加強(qiáng)海風(fēng)速度的作用;海風(fēng)鋒傳播的停滯是由海風(fēng)環(huán)流和熱島環(huán)流的相互作用引起的,因此在海風(fēng)鋒前部產(chǎn)生了一個(gè)弱風(fēng)區(qū)。Yoshikado(1994)使用同樣的二維邊界層模式,研究了海風(fēng)和城市熱島相互作用的程度對(duì)城區(qū)大小(寬度)、城區(qū)離開海岸線的距離以及熱島強(qiáng)度的依賴性,發(fā)現(xiàn)當(dāng)城區(qū)寬度超過10 km時(shí),海風(fēng)和城市熱島的相互作用變得更為重要;對(duì)于較小的城市區(qū)域而言,熱島發(fā)展得不夠強(qiáng),相互作用不明顯;當(dāng)城區(qū)位于離海岸線的一定距離內(nèi)時(shí),海風(fēng)和熱島的相互作用變得比較強(qiáng),這是由于在海風(fēng)到達(dá)城區(qū)之前,熱島在很大程度上已經(jīng)發(fā)展起來了。Sarkar et al.(1998)用二維數(shù)值模式研究了沿海城市熱島對(duì)海風(fēng)環(huán)流特征的影響,討論了城區(qū)寬度和人為熱通量的效應(yīng),結(jié)果表明:在下午早些時(shí)候,城市熱島的存在加強(qiáng)了海風(fēng)鋒輻合的強(qiáng)度,減少了海風(fēng)鋒向內(nèi)陸傳播的距離;較大的城市寬度能導(dǎo)致較大的垂直速度,較大的熱島強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致較強(qiáng)的輻合。苗曼倩和唐有華(1998)應(yīng)用三維中尺度模式研究了長(zhǎng)江三角洲夏季海陸風(fēng)與熱島環(huán)流的相互作用,發(fā)現(xiàn)白天由于東海(East China Sea)海風(fēng)和太湖湖風(fēng)環(huán)流與上海市城市熱島相互增強(qiáng),最大垂直速度可達(dá)6.2 cm/s;上海市因海風(fēng)的調(diào)節(jié)作用,致使城市熱島環(huán)流強(qiáng)度比內(nèi)陸城市弱1～2 ℃。

進(jìn)入21世紀(jì)以來,隨著城市化的發(fā)展,城市熱島和海風(fēng)環(huán)流相互作用的研究得到更廣泛的關(guān)注。Kusaka et al.(2000)使用三維局地環(huán)流模式對(duì)日本東京都市區(qū)(metropolitan area)進(jìn)行的土地利用(land use)變化敏感性試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)城市發(fā)展和下墊面改變使得海風(fēng)鋒抵達(dá)內(nèi)陸所需的時(shí)間增加。Ohashi and Kida(2002a)使用三維中尺度大氣模式研究了兩個(gè)理想相鄰的城區(qū)(一個(gè)在沿海、一個(gè)在內(nèi)陸)對(duì)局地環(huán)流的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)海風(fēng)鋒向內(nèi)陸移動(dòng)時(shí),會(huì)形成一個(gè)“鏈流”(chain flow),它從沿海城區(qū)的高層向內(nèi)陸城區(qū)的低層流動(dòng)。如果內(nèi)陸城區(qū)存在的話,所引起的海風(fēng)—熱島環(huán)流系統(tǒng)比較強(qiáng),維持時(shí)間也比較長(zhǎng);當(dāng)這兩個(gè)城區(qū)之間的距離加寬時(shí),這樣的特征會(huì)更明顯。它是由沿海城區(qū)海風(fēng)—熱島環(huán)流與內(nèi)陸城區(qū)熱島環(huán)流的合并而產(chǎn)生的;Ohashi and Kida(2002b)使用Ohashi and Kida(2002a)中所用的模式的二維版本研究了沿海城區(qū)海風(fēng)鋒前部形成的“弱風(fēng)區(qū)”特征及其形成機(jī)制,結(jié)果表明:“弱風(fēng)區(qū)”是由城區(qū)熱島環(huán)流的發(fā)展所引起的,它的空間尺度極大地依賴于城市的大小(寬度),即依賴于城區(qū)發(fā)展起來的熱島環(huán)流的空間尺度。Ohashi and Kida(2002c)使用Ohashi and Kida(2002a)中所用的模式再次研究了日本大阪—京都平原地區(qū)城區(qū)對(duì)白天局地環(huán)流的影響,發(fā)現(xiàn)海風(fēng)環(huán)流前部的上升運(yùn)動(dòng)和海風(fēng)環(huán)流的垂直尺度大于沒有城區(qū)時(shí)的情況。Martilli(2003)利用一個(gè)包含詳細(xì)城市參數(shù)化的二維中尺度模式研究了城市對(duì)海風(fēng)的影響,發(fā)現(xiàn)城市的存在加速了海風(fēng)的形成,但減慢了海風(fēng)鋒的傳播。

Freitas et al.(2007)利用區(qū)域大氣模式RAMS(regional atmospheric modelling system)模擬了巴西圣保羅都市區(qū)超大城市環(huán)境中城市熱島和海風(fēng)環(huán)流的相互作用,結(jié)果表明:1)城市熱島使得在城市中心形成了強(qiáng)輻合區(qū),因此加速了海風(fēng)鋒向城市中心的傳播;2)與沒有城市的情況相比,城區(qū)的存在使海風(fēng)鋒傳播的平均速度增加了約0.32 m/s;3)在海風(fēng)鋒到達(dá)城區(qū)之后,海風(fēng)鋒在城市中心滯留約2 h,而熱島消失后,海風(fēng)鋒穿過城市繼續(xù)前進(jìn)。Dandou et al.(2009)利用中尺度模式MM5(fifth-generation Penn State/NCAR mesoscale model)模擬了希臘大型城市雅典對(duì)海風(fēng)鋒演變的影響,發(fā)現(xiàn)在白天海風(fēng)鋒的移動(dòng)被推遲,城市熱島加強(qiáng)了海風(fēng),而海風(fēng)使城市熱島向內(nèi)陸產(chǎn)生了位移。

在我國(guó),李維亮等(2003)利用中尺度模式MM5研究了長(zhǎng)江三角洲地區(qū)城市熱島對(duì)局地環(huán)流的影響,指出在有城市熱島的情況下,城市熱島環(huán)流與海陸風(fēng)之間存在相互作用,明顯地反映在局地環(huán)流的改變上。Lo et al.(2007)利用MM5研究了珠江三角洲城市化及與城市化相關(guān)的城市熱島效應(yīng)對(duì)局地、區(qū)域大氣環(huán)流的影響,發(fā)現(xiàn)在下午城市化加強(qiáng)了海風(fēng)環(huán)流,在夜間和清晨,城市熱島環(huán)流效應(yīng)弱化了陸風(fēng);珠江三角洲地區(qū)較強(qiáng)的城市熱島增加了城區(qū)和附近海面之間的溫度梯度差異,進(jìn)而增強(qiáng)了海風(fēng)環(huán)流;城市化加強(qiáng)了白天的海風(fēng)環(huán)流,也增加了大氣層最下部2 km內(nèi)的氣溫。陸希和壽紹文(2009)利用MM5對(duì)珠江三角洲進(jìn)行的城市化敏感性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)城市化對(duì)該地區(qū)海陸風(fēng)的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度有很大的影響,中午增強(qiáng)的海風(fēng)使得珠江三角洲東岸的低層輻合加強(qiáng)。Lu et al.(2010)使用MM5模擬了冬季珠江三角洲地區(qū)城市化對(duì)海陸風(fēng)環(huán)流的影響,也發(fā)現(xiàn)珠江三角洲地區(qū)城市化對(duì)海陸風(fēng)的分布和環(huán)流特征有顯著的影響。劉樹華等(2009)使用MM5模擬了京津冀地區(qū)不同季節(jié)溫度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)等邊界層特征量及其變化特征,結(jié)果表明:在弱天氣系統(tǒng)控制下,京津冀地區(qū)大氣邊界層中可同時(shí)存在海陸風(fēng)、山谷風(fēng)和城市熱島環(huán)流,同時(shí)三者之間還存在明顯的耦合效應(yīng);海陸風(fēng)環(huán)流極盛時(shí)可深入陸地200 km左右,山谷風(fēng)環(huán)流的最大影響可覆蓋北京區(qū)域內(nèi)的平原地區(qū),而城市熱島環(huán)流則發(fā)生在城市中心幾十公里范圍內(nèi),并對(duì)海陸風(fēng)環(huán)流和山谷風(fēng)環(huán)流起明顯的削弱作用。

近些年來,中尺度數(shù)值模式WRF(weather research and forecasting model)的不斷發(fā)展和完善,以及城市冠層參數(shù)化(urban canopy parameterization,UCP)的深入研究極大推動(dòng)了城市熱島和海風(fēng)環(huán)流相互作用的研究。Lin et al.(2008)利用WRF模式模擬了臺(tái)灣北部城市熱島效應(yīng)對(duì)邊界層的發(fā)展以及海陸風(fēng)環(huán)流的影響,探討了人為熱源和土地利用的影響,結(jié)果表明:人為熱源對(duì)臺(tái)北地區(qū)邊界層的發(fā)展和城市熱島強(qiáng)度起重要的作用,城市熱島效應(yīng)對(duì)海陸風(fēng)環(huán)流有顯著的影響,主要表現(xiàn)在白天加強(qiáng)海風(fēng),夜間削弱陸風(fēng)。文偉俊等(2009)利用WRF模式模擬了廣西北部灣地區(qū)海陸風(fēng)的結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)使用“修正后的城市下墊面試驗(yàn)”模擬的海陸風(fēng)強(qiáng)度和分布更接近實(shí)測(cè),城市化加強(qiáng)了海風(fēng)的發(fā)展,但削弱了陸風(fēng)。Chen et al.(2011a)利用耦合了單層(single-layer)城市冠層模式(urban canopy model,UCM)的WRF模式研究了美國(guó)休斯頓地區(qū)局地陸面和城市強(qiáng)迫對(duì)海陸風(fēng)環(huán)流演變的影響,發(fā)現(xiàn)城市的存在有利于地面風(fēng)的停滯。Chemel and Sokhi(2012)利用耦合了城市冠層模式(UCM)、“建筑物效應(yīng)參數(shù)化”(building effect parameterization,BEP)、“建筑物能量模型”(building energy model,BEM)的WRF模式系統(tǒng)研究了英國(guó)北海(North Sea)地區(qū)海風(fēng)的侵入對(duì)倫敦城市熱島的影響,發(fā)現(xiàn)海風(fēng)減少了城市熱島的強(qiáng)度,并改變了城市熱島的結(jié)構(gòu),使城市熱島中心發(fā)生了位移。Ryu and Baik(2013)利用耦合了韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)城市冠層模式的中尺度模式WRF研究了首爾都市區(qū)局地環(huán)流的相互作用,發(fā)現(xiàn)城市風(fēng)(urban breeze)扮演著抑制海風(fēng)向內(nèi)陸縱深發(fā)展的角色,使海風(fēng)停滯在首爾。張亦洲等(2013)利用耦合了Noah陸面過程模式(land surface model,LSM)和單層城市冠層模式的中尺度模式WRF模擬系統(tǒng)(WRF-Noah-UCM)模擬了京津城市下墊面對(duì)海風(fēng)的影響,發(fā)現(xiàn)京津城市對(duì)海風(fēng)的發(fā)展和推進(jìn)過程有明顯影響,能夠阻礙海風(fēng)的推進(jìn),北京城市下墊面還能在海風(fēng)到達(dá)前增加其強(qiáng)度和向內(nèi)陸傳播速度,并在海風(fēng)經(jīng)過后延緩其消亡、增加其向內(nèi)陸傳播距離。梁釗明等(2013)利用耦合了城市冠層參數(shù)化(UCP)和建筑物能量模型(BEM)的中尺度模式WRF模擬系統(tǒng)研究了城市(天津)下墊面對(duì)渤海灣海風(fēng)鋒特征的影響,發(fā)現(xiàn)城市下墊面高粗糙度對(duì)低層海風(fēng)風(fēng)速的明顯削弱造成海風(fēng)鋒往內(nèi)陸推進(jìn)距離稍減,高粗糙度的城市下墊面對(duì)海風(fēng)環(huán)流的摩擦力效應(yīng)使得海風(fēng)得到抬升。

從上述的研究進(jìn)展來看,城市熱島和海風(fēng)環(huán)流相互作用的數(shù)值模擬研究已經(jīng)在不少地區(qū)開展,并得到科學(xué)家們較為廣泛的重視。美國(guó)科學(xué)家Schultz and Warner(1982)和芬蘭科學(xué)家Savij?rvi(1985)是這個(gè)研究領(lǐng)域的開拓者之一。日本科學(xué)家Yoshikado(1992,1994)、Kusaka et al.(2000)、Ohashi and Kida(2002a,2002b,2002c)、印度科學(xué)家Sarkar et al.(1998)、瑞士科學(xué)家Martilli(2003)、巴西科學(xué)家Freitas et al.(2007)以及希臘科學(xué)家Dandou et al.(2009)的工作比較有代表性。從研究?jī)?nèi)容上來看,近30 a來城市化、城市熱島效應(yīng)對(duì)海風(fēng)環(huán)流的影響研究較多,而海風(fēng)對(duì)城市熱島、城市熱島環(huán)流的影響研究則較少,城市熱島和海風(fēng)環(huán)流相互作用機(jī)理的研究也不多見。

2 評(píng)述與展望

早期的數(shù)值研究以二維(2D)數(shù)值試驗(yàn)(Schultz and Warner,1982;Savij?rvi,1985;Yoshikado,1992,1994;Ohashi and Kida,2002b;Martilli,2003)和三維(3D)理想數(shù)值模擬(張雷鳴等,1994;苗曼倩和唐有華,1998;Kusaka et al.,2000;Ohashi and Kida,2002a,2002c)為主,實(shí)際個(gè)例的三維數(shù)值模擬研究則是進(jìn)入21世紀(jì)才開展起來的。早期研究所使用的數(shù)值模式基本上是理論分析模式,物理過程過于簡(jiǎn)單,也不完整,缺乏對(duì)實(shí)際大氣的模擬能力,所做的模擬是“虛擬的”(理想狀態(tài)下的模擬)。

近一、二十年以來,中尺度數(shù)值模式的發(fā)展和應(yīng)用對(duì)城市熱島和邊界層的研究起到了極大的推動(dòng)作用(Miao et al.,2008;蔣維楣等,2010;壽亦萱和張大林,2012)。21世紀(jì)以來,包含全物理過程的三維中尺度數(shù)值模式RAMS、MM5、WRF在城市熱島和海風(fēng)環(huán)流相互作用的研究中得到了較為廣泛的應(yīng)用。比如,李維亮等(2003)采用中尺度模式MM5,Lo et al.(2007)、劉樹華等(2009)以及Lu et al.(2010)采用耦合了陸面過程模式Noah的中尺度模式MM5模擬系統(tǒng)(MM5-Noah)對(duì)實(shí)例進(jìn)行了三維數(shù)值模擬研究,但MM5-Noah耦合中尺度模式只是簡(jiǎn)單地在陸面模式Noah中修改了植被類型“城市”的特征參數(shù)值(粗糙度長(zhǎng)度、地面反照率、熱容量、土壤熱傳導(dǎo)率、綠色植被覆蓋度和土壤濕度)(Liu et al.,2006;Miao et al.,2007),并不包括真正意義上的城市冠層參數(shù)化(UCP)方案。Freitas et al.(2007)采用區(qū)域大氣模擬系統(tǒng)(RAMS)對(duì)實(shí)例進(jìn)行了三維數(shù)值模擬研究,并在大氣模式中耦合了“城市地表能量平衡”(town energy balance,TEB)模式,這使得他們的研究工作較他們之前的同類研究在方法學(xué)上有了很大的改進(jìn)。然而,在Freitas et al.(2007)的研究中,為了識(shí)別城市熱島環(huán)流和海風(fēng)的相互作用,在數(shù)值試驗(yàn)中沒有考慮“地形”(topography),這顯然是不真實(shí)的。Dandou et al.(2009)利用中尺度模式MM5的“城市修改版”通過對(duì)實(shí)際個(gè)例的三維數(shù)值模擬研究了大型城市雅典對(duì)海風(fēng)鋒演變的影響,他們的研究較以前使用MM5所做的同類研究在方法學(xué)上占有一定優(yōu)勢(shì)。

近年來,隨著城市冠層參數(shù)化(UCP)、建筑物效應(yīng)參數(shù)化(BEP)、建筑物能量模型(BEM)研究的不斷深入(Holt and Pullen,2007;Chen et al.2011b;Lee et al.2011;Salamanca et al.,2011;王詠薇等,2013;張艷霞等,2013),以及中尺度數(shù)值模式的不斷發(fā)展和完善,WRF-Noah-UCM、WRF-BEP、WRF-UCP-BEM、WRF-BEP-BEM等模擬系統(tǒng)在城市熱島與海風(fēng)環(huán)流相互作用“實(shí)際個(gè)例”三維數(shù)值模擬研究中得到了初步應(yīng)用(Lin et al.,2008;Chen et al.,2011a;Chemel and Sokhi,2012;梁釗明等,2013;張亦洲等,2013;Ryu and Baik,2013)。從方法論的角度來看,使用耦合UCM、BEP、UCP、BEM的中尺度模式模擬系統(tǒng)研究“真實(shí)大氣”中城市熱島和海風(fēng)環(huán)流的相互作用是未來發(fā)展的方向。

值得注意的是:盡管不少研究已表明大尺度背景風(fēng)不僅對(duì)海風(fēng)環(huán)流有顯著的影響(Crosman and Horel,2010),而且對(duì)城市熱島也有顯著的影響(霍飛和陳海山,2011;Wu et al.,2011),但以前的研究很少關(guān)注大尺度背景風(fēng)對(duì)城市熱島和海風(fēng)環(huán)流相互作用或耦合效應(yīng)的影響,絕大部分研究中的大尺度背景風(fēng)是靜風(fēng)或弱的定常風(fēng)。此外,以前絕大多數(shù)城市熱島和海風(fēng)環(huán)流相互作用的數(shù)值模擬研究并不考慮云過程,基本上是干模式結(jié)構(gòu),但多云天氣條件下城市熱島和海風(fēng)環(huán)流相互作用的研究會(huì)更有意義。另外,隨著大渦模擬(large eddy simulation,LES)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,科學(xué)家們開始關(guān)注城市熱島、城市熱島環(huán)流的大渦模擬(Zhang et al.,2014)和海風(fēng)的大渦模擬(Antonelli and Rotunno,2007)研究,但目前城市熱島和海風(fēng)環(huán)流相互作用的大渦模擬研究還極為少見。

綜上所述,城市熱島和海風(fēng)環(huán)流相互作用的研究在近30 a來已有了長(zhǎng)足的進(jìn)展,但研究的深度和廣度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,尚有許多問題值得進(jìn)一步探討,譬如:

1)中尺度數(shù)值模式中城市冠層參數(shù)化的適應(yīng)性與評(píng)估;

2)沿海城市地區(qū)非均勻復(fù)雜下墊面特征(地形、土地利用、人為熱源等)對(duì)局地環(huán)流的影響;

3)海風(fēng)影響下,城市熱島、城市熱島環(huán)流的演變;

4)大尺度背景風(fēng)對(duì)城市熱島和海風(fēng)環(huán)流相互作用的影響;

5)大氣穩(wěn)定度或天氣條件(晴天和多云)對(duì)城市熱島和海風(fēng)環(huán)流相互作用的影響;

6)城市熱島和海風(fēng)環(huán)流耦合效應(yīng)對(duì)沿海城市地區(qū)局地強(qiáng)對(duì)流天氣的觸發(fā)作用;

7)城市熱島環(huán)流和海風(fēng)環(huán)流在局地對(duì)流(云降水)中的具體作用;

8)城市熱島和海風(fēng)環(huán)流相互作用的大渦模擬;

9)城市熱島和海風(fēng)環(huán)流相互作用的物理機(jī)制、概念模型。

此外,湖陸風(fēng)是一種形成機(jī)制類似于海陸風(fēng)的中小尺度環(huán)流(Laird et al.,2001;Crosman and Horel,2010),對(duì)空氣質(zhì)量(air quality)、天氣和氣候均有重要的影響(Harris and Kotamarthi,2005;楊薇等,2014)。因此,沿湖城市熱島與湖陸風(fēng)相互作用的研究也已引起科學(xué)家們的關(guān)注(李維亮等,2003;Crosman and Horel,2010;Keeler and Kristovich,2012;楊健博等,2013),其相互作用機(jī)理本質(zhì)上與沿海城市熱島—海陸風(fēng)相互作用機(jī)理一樣。然而,相對(duì)于城市熱島、城市化對(duì)海陸風(fēng)的影響研究而言,城市熱島效應(yīng)對(duì)湖陸風(fēng)的影響研究還不夠廣泛和深入,需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

另外,值得一提的是:盡管數(shù)值試驗(yàn)是研究城市熱島—海風(fēng)環(huán)流(湖風(fēng)環(huán)流)相互作用最常使用的方法,但觀測(cè)試驗(yàn)也是一種重要的研究手段,具有不可替代性。迄今為止,相對(duì)于數(shù)值試驗(yàn)研究而言,城市熱島—海風(fēng)環(huán)流(湖風(fēng)環(huán)流)相互作用的觀測(cè)試驗(yàn)研究(Barbato,1978;Bornstein and Thompson,1981;于恩洪等,1987;Yoshikado and Kondo,1989;Yoshikado,1990;Ohashi and Kida,2001;Gedzelman et al.,2003;Childs and Raman,2005;Keeler and Kristovich,2012)還不夠廣泛,這在很大程度上制約于研究成本與邊界層觀測(cè)手段。隨著科研經(jīng)費(fèi)投入的不斷增長(zhǎng)、邊界層氣象觀測(cè)手段的日益豐富,城市熱島—海風(fēng)環(huán)流(湖風(fēng)環(huán)流)相互作用的觀測(cè)試驗(yàn)研究也應(yīng)是未來發(fā)展的重要方向之一。

致謝:兩位匿名審稿專家、邱新法教授對(duì)本文提出了建設(shè)性的修改意見,2013級(jí)氣象學(xué)碩士研究生韓芙蓉協(xié)助整理了參考文獻(xiàn),在此表示衷心的感謝!

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(責(zé)任編輯：張福穎)

Anoverviewofnumericalstudiesofinteractionofurbanheatislandandseabreezecirculations

MIAO Jun-feng

(School of Atmospheric Sciences,NUIST,Nanjing 210044,China)

Urban heat island circulation(UHIC) and sea breeze circulation(SBC) usually coexist in coastal urban areas;they play a crucial role in transport and dispersion of air pollutants,and have a significant effect on convection initiation.With the development of urbanization,environmental problems such as air pollution become more and more serious,and disaster induced by severe convective weather becomes more and more serious too.Therefore,the study of UHIC and SBC interaction receives increasing and extensive attention.In this paper,the history of numerical studies of UHIC and SBC interaction in last 30 years is overviewed;The current research status and some problems are analyzed;Some important results are outlined;Some issues and topics are addressed for further study.

heat island circulation;sea and land breezes;lake and land breezes;local circulation;local convection;urban effect;air pollution dynamics

2014-05-03;改回日期2014-06-02

公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(GYHY201306009);中荷科學(xué)合作“中國(guó)交流項(xiàng)目”(530-4CDP09);江蘇省高?！扒嗨{(lán)工程”科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(東亞季風(fēng)與區(qū)域氣候變化)

苗峻峰,博士,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)橹谐叨葦?shù)值模擬,miaoj@nuist.edu.cn.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140503001.

1674-7097(2014)04-0521-08

P435.2

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140503001

苗峻峰.2014.城市熱島和海風(fēng)環(huán)流相互作用的數(shù)值模擬研究進(jìn)展[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),37(4):521-528.

Miao Jun-feng.2014.An overview of numerical studies of interaction of urban heat island and sea breeze circulations[J].Trans Atmos Sci,37(4):521-528.(in Chinese)