洪瑩瑩，劉一鳴，張舒婷，范紹佳，樊 琦

(中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州510275)

近年來隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛躍進(jìn)步，城市化進(jìn)程加快，而城市的發(fā)展對(duì)區(qū)域大氣環(huán)境的影響愈來愈重要［1－4］。城市化一方面改變了城市的下墊面土地利用類型，增加了城市的粗糙度從而影響地面風(fēng)場(chǎng)［5］;另一方面城市化使城市的人口數(shù)量迅速增長(zhǎng)，人為熱通量增加，對(duì)大氣邊界層結(jié)構(gòu)有重要的影響［6］。

大氣邊界層外場(chǎng)觀測(cè)成本高、難度大、周期長(zhǎng)，而隨著中小尺度數(shù)值模式的快速發(fā)展，模式中各種物理過程參數(shù)化方案的完善，數(shù)值模擬逐漸成為研究大氣邊界層問題的重要手段。WRF(The Weather Research and Forecasting model)是一個(gè)中小尺度氣象模式［7］，它能較好的模擬大氣邊界層特征［8－9］，其中的城市冠層模式 UCM(Urban Canopy Model)考慮了城市區(qū)域幾何建筑對(duì)地表能量平衡以及風(fēng)切變的影響［10－11］，對(duì)城市熱島效應(yīng)有較好的模擬效果［12］。張璐等［13］利用 WRF/UCM 模式研究了夏季長(zhǎng)三角城市群熱島效應(yīng)對(duì)大氣邊界層的影響，結(jié)果表明城市熱島使城市上空產(chǎn)生強(qiáng)烈的上升氣流，使邊界層高度升高。LIN等［14］也利用WRF/UCM模式對(duì)臺(tái)北的大氣邊界層特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明城市熱島效應(yīng)不僅抬高了邊界層高度，而且使正午邊界層高度的發(fā)展時(shí)間提前。珠江三角洲是我國三個(gè)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的區(qū)域之一，由于地形、氣候和人口等差異，珠三角地區(qū)有著典型的大氣邊界層特征［15－17］。蒙偉光等［18］考察了 WRF/UCM模式在副熱帶高壓和臺(tái)風(fēng)外圍氣流的影響下廣州高溫天氣和熱島效應(yīng)模擬研究中的應(yīng)用，但沒有深入地研究城市化對(duì)大氣邊界層特征的影響。

本文利用WRF/UCM模式對(duì)2008年10月中旬珠三角地區(qū)一次大陸高壓系統(tǒng)控制過程的大氣邊界層特征進(jìn)行模擬，通過分別改變下墊面土地利用類型和人為熱來探討城市化對(duì)大氣邊界層特征的影響，包括溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)、地表感熱通量和邊界層高度等。

1 資料和方法

WRF模式是美國多家機(jī)構(gòu)共同研制的中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)，是目前應(yīng)用最廣的氣象模式之一。本文以WRF模式作為研究工具，設(shè)計(jì)了圖1a所示的三重嵌套網(wǎng)格，格距分別為36 km，12 km和4 km，主要研究的是第三重網(wǎng)格的模擬結(jié)果(包括整個(gè)珠三角地區(qū))，垂直方向上層數(shù)為35層。模式采用WDM 6微物理化方案，Monin-Obukhov表層方案，Noah地表方案，YSU邊界層方案，Kain-Fritsch 2積云方案以及UCM城市冠層方案。模擬時(shí)間是從2008年10月15日08時(shí)到10月20日08時(shí) (LST)共5 d，其中前2天作為spin-up時(shí)間，后3天作為主要研究時(shí)段，期間珠三角地區(qū)受大陸高壓系統(tǒng)控制，天氣較為穩(wěn)定，系統(tǒng)風(fēng)速較小，熱島環(huán)流、海陸風(fēng)、山谷風(fēng)等局地環(huán)流影響顯著。2008年10月中旬，“國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃 (863計(jì)劃)重大項(xiàng)目”在珠三角開展了一次綜合實(shí)驗(yàn)，本文使用了從化站由小球探空得到的邊界層高度小時(shí)值數(shù)據(jù)以及從化站、廣州站和開平站溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速的日均值數(shù)據(jù)。為了討論方便，文中如無特別說明，均對(duì)模擬結(jié)果做3天平均來處理。

下墊面土地利用類型和人為熱是表征城市化的兩個(gè)重要特征。圖1b和圖1c分別是WRF模式中采用的兩套土地利用類型數(shù)據(jù)USGS和MODIS，其中USGS是1993年采集的土地利用類型數(shù)據(jù)，城市面積區(qū)域較小，集中在廣州地區(qū);而MODIS是由衛(wèi)星資料反演的2004年土地利用類型數(shù)據(jù)，從圖中可以看到城市區(qū)域面積拓展到了整個(gè)珠江口沿岸。隨著時(shí)間的演變，下墊面土地利用類型發(fā)生顯著的變化，對(duì)珠三角的邊界層特征造成一定的影響。人為熱也是影響邊界層特征的另一個(gè)因素，UCM模式考慮了人為熱對(duì)大氣環(huán)境的影響，模式中的人為熱參數(shù)設(shè)置參考文獻(xiàn) ［19］，人為熱通量全天平均值為41.1 W/m2。本文設(shè)計(jì)了1個(gè)控制試驗(yàn) (CTRL)和 3個(gè)敏感性試驗(yàn) (USGS，AH0，AH*2)，控制試驗(yàn)CTRL考慮了人為熱并采用MODIS土地利用類型數(shù)據(jù)，敏感性試驗(yàn)在控制試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，其中USGS試驗(yàn)采用了USGS土地利用類型數(shù)據(jù)，而AH0試驗(yàn)不考慮人為熱的影響，AH*2試驗(yàn)考慮的人為熱通量為原來的兩倍。通過對(duì)比試驗(yàn)的模擬結(jié)果可以得到下墊面土地利用類型和人為熱對(duì)邊界層特征的影響。

2 模式驗(yàn)證

表1是CTRL控制試驗(yàn)?zāi)M的2 m高度溫度(T2)、2 m高度相對(duì)濕度 (RH2)和10 m高度風(fēng)速 (WSP10)的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)表，用到的觀測(cè)數(shù)據(jù)是從化、廣州和開平3個(gè)站點(diǎn)的日平均觀測(cè)資料，其中OBS是觀測(cè)平均值，SIM是模擬平均值，MB是平均偏差，RMSE是均方根誤差，IOA是符合指數(shù)，r是相關(guān)系數(shù)，計(jì)算公式參考文獻(xiàn) ［20］。從統(tǒng)計(jì)表可以看到，溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速的IOA都超過0.89，其中溫度和相對(duì)濕度的符合指數(shù)IOA更是接近1.0，而且溫度和相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)也超過了0.81。模式模擬的風(fēng)速與觀測(cè)值的相關(guān)系數(shù)為0.52，模擬較實(shí)測(cè)偏大一些，風(fēng)速的模擬效果沒有溫度和相對(duì)濕度好?？傮w上3個(gè)要素的模擬值都略微偏高，但平均偏差和均方根誤差較小，模擬結(jié)果能較好的反映大氣的實(shí)際情況。

圖1 WRF三重網(wǎng)格設(shè)置 (a)及珠三角土地利用類型空間分布圖，(b)為USGS，(c)為MODISFig.1 Three nested domains for WRF(a)and spatial distribution of land use type in PRD.(b)is USGS and(c)is MODIS

表1 模式驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistic parameters of model evaluation

如圖2a所示，由于香港沙頭角站點(diǎn)靠近海洋，受到海洋下墊面的影響，邊界層高度只有約1000 m，CTRL控制試驗(yàn)?zāi)M的邊界層高度的量級(jí)和變化特征與觀測(cè)結(jié)果相近。從圖2b可見，從化站白天邊界層高度為1100～1500 m，夜晚邊界層高度為300～600 m，模式能較好的捕捉到邊界層高度正午高夜晚低的日變化特征，在19日中午的時(shí)候模擬值與觀測(cè)值尤為相近。WRF/UCM模式對(duì)珠三角地區(qū)的邊界層高度的變化也具有較好的模擬能力。

3 下墊面土地利用類型對(duì)大氣邊界層特征的影響

3.1 溫濕場(chǎng)的影響

圖3a是CTRL控制試驗(yàn)對(duì)溫度的模擬結(jié)果，在1000 m高度以下，溫度的日變化較大，近地面最高溫度出現(xiàn)在15時(shí)，溫度超過30℃，最低溫度出現(xiàn)在早上7時(shí)，溫度低于25℃。從20時(shí)到第2天的07時(shí)，天氣晴朗，在近地面出現(xiàn)較明顯的逆溫現(xiàn)象，不利于污染物的擴(kuò)散。城市熱島效應(yīng)在白天比在夜晚強(qiáng)，影響的高度可達(dá)1000 m，在1000 m高度以上，溫度的日變化并不明顯。1993年珠三角地區(qū)城市面積較小，相比于CTRL控制試驗(yàn)，USGS試驗(yàn) (圖3b)模擬的城市熱島效應(yīng)較弱，影響高度也降低了100 m左右，低層大氣的溫度降低了1～2℃，而且溫度日變化較小，夜晚的逆溫強(qiáng)度也較弱。在1000 m高度以上，USGS試驗(yàn)?zāi)M的溫度與CTRL控制試驗(yàn)相差并不大。

圖2 2008年10月17日08時(shí)－20日08時(shí)(LST)模式模擬的邊界層高度與觀測(cè)資料對(duì)比圖Fig.2 Comparison of simulated and observed planetary boundary height during 8∶0017thto 8∶0020thOctober，2008

城市地區(qū)近地面的相對(duì)濕度表現(xiàn)出與溫度相反的日變化趨勢(shì) (圖4a)，在800 m高度以下，白天的相對(duì)濕度比夜晚低，隨著高度的上升相對(duì)濕度逐漸升高。在約1000 m高度以上，隨著高度的上升相對(duì)濕度逐漸降低，在高層和低層之間存在著相對(duì)濕度較高的水汽層，傍晚水汽層的高度在約1200 m高度，早晨在約400 m高度。與CTRL控制試驗(yàn)相比，USGS試驗(yàn) (圖4b)模擬的近地面相對(duì)濕度升高了約10%，水汽層的高度也降低到了約100 m，說明城市化使得城市的氣候環(huán)境變得干燥。張璐等［13］通過人為改變長(zhǎng)三角地區(qū)城市下墊面也發(fā)現(xiàn)城市化能使溫度升高，使?jié)穸冉档?，這與本文所得的結(jié)論一致。

圖3 2008年10月17－19日模式模擬的廣州站3 d平均溫度 (℃)隨高度和時(shí)間的變化Fig.3 Daily and vertical variation of three-day mean temperature(℃)at Guangzhou site during 17－19thOctober，2008

3.2 風(fēng)場(chǎng)的影響

在模擬時(shí)間內(nèi)，受大陸高壓系統(tǒng)的控制，珠三角地區(qū)吹東北風(fēng)。把CTRL控制試驗(yàn)?zāi)M的10 m高度風(fēng)場(chǎng)減去USGS試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果可以得到圖5a的風(fēng)場(chǎng)差別圖。伴隨著城市的發(fā)展，城市地區(qū)的建筑物也越來越多，高度也越來越大，增加了地表粗糙度，能減弱風(fēng)場(chǎng)的強(qiáng)度，從而減小風(fēng)速，從圖可以看到在整個(gè)珠三角地區(qū)風(fēng)速差別都為負(fù)，在珠江口附近城市發(fā)展最快的地區(qū)，風(fēng)速差別可達(dá)－1.5 m/s。受熱島效應(yīng)的影響，城市地區(qū)上空存在明顯的上升氣流，作為補(bǔ)償城市周邊地區(qū)的近地面氣流流向城市地區(qū)，從而形成城市地區(qū)特有的熱島環(huán)流現(xiàn)象。廣州和佛山位于珠三角城市群中心位置，是珠三角城市化程度最高的地區(qū)，從圖可以看到風(fēng)速差矢量都指向了廣州、佛山和中山交界的地方，形成一個(gè)氣流的輻合中心，說明CTRL控制試驗(yàn)?zāi)M的熱島環(huán)流要比USGS試驗(yàn)要強(qiáng)，城市化能加強(qiáng)熱島環(huán)流。

3.3 地表感熱通量的影響

由于溫度的差異，熱量在大氣和下墊面之間通過湍流輸送的方式發(fā)生了交換，交換的強(qiáng)度用地表感熱通量來表征 (圖6a)。城市化的程度越高，粗糙度越大，湍流強(qiáng)度也就越強(qiáng)，使感熱通量增大。在USGS和MODIS兩套下墊面類型數(shù)據(jù)中，22°N以南的海洋區(qū)域和23.5°N以北的山區(qū)土地利用類型變化不大，CTRL控制試驗(yàn)和USGS試驗(yàn)?zāi)M的感熱通量基本一致。珠海 (22.1°N左右)和廣佛地區(qū) (22.5～23.5°N)城市發(fā)展較快，湍流強(qiáng)度增加也快，使CTRL控制試驗(yàn)?zāi)M的感熱通量比USGS試驗(yàn)要高100～200 W/m2。22.2～22.5°N的地區(qū)城市發(fā)展較慢，湍流強(qiáng)度變化不大，所以CTRL控制試驗(yàn)和USGS試驗(yàn)?zāi)M的地表感熱通量差別并不大。

圖4 2008年10月17－19日模式模擬的廣州站3d平均相對(duì)濕度 (%)隨高度和時(shí)間的變化Fig.4 Daily and vertical variation of three-day mean relative humidity(%)at Guangzhou site during 17－19thOctober，2008

圖5 2008年10月17－19日模式模擬的珠三角3d平均風(fēng)場(chǎng) (m/s)差別圖Fig.5 Difference of three-day mean of modeled wind field(m/s)over PRD during 17－19thOctober，2008

圖6 2008年10月17日13時(shí) (LST)沿113.2°E經(jīng)線感熱通量 (W/m2)隨緯度的變化Fig.6 The latitudinal variation of surface heat flux(W/m2)along 113.2°E at 13∶00 on October 17，2008

3.4 大氣邊界層高度的影響

邊界層高度是表征大氣邊界層的一個(gè)重要特征，如圖7a所示，廣州站白天邊界層高度可達(dá)1500 m，夜晚只有約300 m。與CTRL控制試驗(yàn)相比，USGS試驗(yàn)?zāi)M的邊界層高度要低100～400 m，模擬的最大邊界層高度要低300 m。CTRL控制試驗(yàn)和USGS試驗(yàn)?zāi)M的邊界層高度在白天的差值比夜間大，這是由于下墊面改變所造成的城市熱島效應(yīng)使得白天的對(duì)流發(fā)展旺盛，因此白天邊界層可抬升至更高的高度，而夜間邊界層高度降低，兩者之間的差距減小，從圖中可見00時(shí)到06時(shí)兩者模擬的邊界層高度基本一致。

圖7 2008年10月17－19日模式模擬的廣州站三天平均邊界層高度隨時(shí)間的變化圖Fig.7 Daily variation of three-day mean of modeled planetary boundary layer height at Guangzhou site during 17－19thOctober，2008

在水平分布上 (圖8)，白天14時(shí)，在圖2b所示的城市地區(qū)邊界層高度要比周邊地區(qū)高，到了凌晨02時(shí)邊界層高度比周邊地區(qū)低。海洋上的邊界層高度日變化并不大，在400 m左右。把CTRL控制試驗(yàn)?zāi)M的邊界層高度減去USGS試驗(yàn)的模擬結(jié)果得到圖9a(14時(shí))和圖9b(02時(shí))，邊界層高度差別最大的地方出現(xiàn)在珠三角的城市地區(qū)。與圖7a反映的情況一致，城市的發(fā)展使城市地區(qū)的邊界層高度升高100～400 m，而在深夜02時(shí)邊界層高度升高并不明顯。

圖8 2008年10月17－19日CTRL試驗(yàn)?zāi)M的3 d平均14時(shí)和02時(shí)邊界層高度的分布圖Fig.8 Horizontal distribution of three-day mean of planetary boundary layer height at 14∶00(a)and 02∶00(b)in CTRL experiment during 17－19thOctober，2008

4 人為熱對(duì)大氣邊界層特征的影響

4.1 溫濕場(chǎng)的影響

為了研究人為熱對(duì)大氣邊界層特征的影響，設(shè)置了AH0和AH*2兩個(gè)敏感性試驗(yàn)，前者沒有考慮人為熱，后者則把人為熱通量加倍 (圖3c和3d)。結(jié)果表明，隨著人為熱通量的增加，白天地表最高溫度升高，城市熱島效應(yīng)影響高度升高，而夜間的逆溫強(qiáng)度也有所增強(qiáng)。從圖4c和圖4d相對(duì)濕度的模擬結(jié)果來看，AH0試驗(yàn)的模擬結(jié)果與USGS試驗(yàn)較為接近，地面的相對(duì)濕度比CTRL控制試驗(yàn)高;AH*2模擬的近地面相對(duì)濕度比CTRL控制試驗(yàn)低，城市干島效應(yīng)更加明顯。

4.2 風(fēng)場(chǎng)的影響

圖5b是CTRL控制和AH0試驗(yàn)的風(fēng)場(chǎng)差別圖，AH*2試驗(yàn)與CTRL控制試驗(yàn)的風(fēng)場(chǎng)差別圖(圖略)與圖5b相似。與圖5a一樣，在珠三角城市群中心的周邊地區(qū)風(fēng)場(chǎng)差別矢量都指向珠三角地區(qū)的城市中心，廣州和佛山，說明人為熱的考慮及其通量的增加都能通過增強(qiáng)城市熱島效應(yīng)從而增強(qiáng)城市的熱島環(huán)流。另一方面加入人為熱后，使珠三角地區(qū)地表風(fēng)速減小，特別是在圖1c所示的城市地區(qū)，在受東北風(fēng)的控制下風(fēng)速減為－2 m/s，影響比較明顯。熱島環(huán)流能使城市地區(qū)污染物難以擴(kuò)散，容易造成空氣污染事件。

圖9 2008年10月17－19日模式模擬的3 d天平均14時(shí) (a，c，e)和02時(shí) (b，d，f)邊界層高度差別 (m)分布圖Fig.9 Distribution difference of three-day mean of modeled planetary boundary layer height(m)at 14∶00(a，c，e)and 02∶00(b，d，f)during 17－19thOctober，2008

4.3 地表感熱通量的影響

圖6b展示了13時(shí)地表感熱通量的模擬結(jié)果，人為熱的加入和加倍對(duì)海洋、山區(qū)和郊區(qū)的影響并不大，差別主要出現(xiàn)在珠海、廣州和佛山等城市地區(qū)，沒有考慮人為熱時(shí) (AH0試驗(yàn))地表感熱通量只有200 W/m2，考慮人為熱后 (CTRL控制試驗(yàn))大氣與下墊面的溫度差異增大，地表感熱通量升高，達(dá)到300 W/m2左右，把人為熱通量加倍(AH*2試驗(yàn))后感熱通量同樣也增加，上升至350 W/m2左右。以上分析得到，人為熱的加入及其通量的加倍都會(huì)使城市的地表感熱通量增加。

4.4 大氣邊界層高度的影響

對(duì)于邊界層高度的模擬結(jié)果 (圖7b)，CTRL、AH0和AH*2試驗(yàn)的差別在白天和夜晚并不一樣。白天AH0試驗(yàn)?zāi)M的城市地區(qū)邊界層高度比CTRL控制試驗(yàn)低。由于人為熱具有日變化特征［19］，白天太陽輻射較強(qiáng)，熱力作用明顯，所以加入人為熱后正午邊界層抬升較大，CTRL控制試驗(yàn)比AH0試驗(yàn)要高100～200 m(圖9c)，而夜晚抬升較小(圖9d)。人為熱加倍后，AH*2模擬的城市邊界層高度比CTRL控制試驗(yàn)高，正午差別較小 (圖9e)，而夜晚差別較大，特別是在圖1c所示的城市地區(qū)，AH*2試驗(yàn)要比CTRL控制試驗(yàn)高200～300 m(圖9f)，這可能是由于夜晚沒有太陽輻射，人為熱因素起主導(dǎo)作用，因而人為熱加倍后夜間邊界層高度升高較白天明顯?？偟膩碚f，人為熱的加入和加倍均會(huì)使邊界層高度升高。

5 結(jié)論

利用WRF/UCM模式對(duì)珠三角一次高壓系統(tǒng)控制的天氣過程進(jìn)行模擬，通過改變下墊面土地利用類型和人為熱通量來研究城市化對(duì)大氣邊界層特征的影響。模式驗(yàn)證結(jié)果顯示溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速的符合指數(shù)IOA和相關(guān)系數(shù)r較高，同時(shí)模擬的邊界層高度能捕捉到觀測(cè)值的日變化特征，表明CTRL控制試驗(yàn)對(duì)珠三角大氣邊界層特征有較好的模擬效果。敏感性試驗(yàn)的對(duì)比分析得到以下主要結(jié)論:

1)城市的發(fā)展，包括1993年USGS和2004年MODIS土地利用類型的變化以及人為熱通量的加入和加倍，都會(huì)使近地面溫度升高1～2℃，夜間的逆溫強(qiáng)度加強(qiáng)，容易造成近地面污染物的積累。城市面積和人為熱通量的增加也使城市干島現(xiàn)象更加突出。

2)城市的發(fā)展一方面增加了地表粗糙度，使風(fēng)速減小，污染物難以擴(kuò)散，另一方面增強(qiáng)了熱島環(huán)流，污染物從城市周邊地區(qū)向城市輸送，容易造成空氣污染事件。

3)海洋和山區(qū)受城市化的影響不大，地表感熱通量基本不變。城市面積的增加和人為熱的加入能有效地增加珠海、廣州和佛山等城市地區(qū)的地表感熱通量，而人為熱通量的加倍對(duì)城市地區(qū)感熱通量的增加效果并不明顯。

4)城市化均使白天和夜晚的大氣邊界層高度均有所抬高，其中白天的變化更加明顯。土地利用類型的變化可使邊界層高度升高100～400 m，人為熱的加入使白天邊界層高度升高100～200 m，而人為熱通量的加倍可使夜晚邊界層高度上升了200～300 m。就整個(gè)珠三角地區(qū)而言，白天珠江口岸城市集中區(qū)域的邊界層高度要比周邊地區(qū)高，而到了晚上情況則相反。

致謝:本文的計(jì)算在中山大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)中心的高性能與網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上完成。

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