郭 　 飛

( 大連理工大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院, 遼寧 大連　116024 )

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基于WRF/UCM的城市氣候高分辨率數(shù)值模擬研究

郭 飛*

( 大連理工大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院, 遼寧 大連116024 )

以沿海城市大連2015年7月3日2時至7月4日2時的晴朗高溫天氣為研究背景，利用WRF/UCM以1 km的高分辨率進(jìn)行了城市氣候數(shù)值模擬．結(jié)果表明：海風(fēng)、山體對城市熱島有明顯的緩解作用；中心城區(qū)受山地影響，形成了管道風(fēng)效應(yīng)；模擬期間城市熱島中心位于大連開發(fā)區(qū)一帶，熱島強度最高達(dá)6.9 ℃，出現(xiàn)在2015年7月3日19時30分．將模擬結(jié)果與兩個氣象站和現(xiàn)場觀測值進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)模擬值與觀測值變化趨勢基本一致，地面溫度場模擬結(jié)果優(yōu)于風(fēng)場模擬結(jié)果．溫度場誤差最大-3.10 ℃，最小0.08 ℃；平均誤差最大0.88 ℃，最小0.52 ℃；均方根誤差最大1.23 ℃，最小0.63 ℃．對于大尺度的城市氣候研究而言誤差在可接受的范圍之內(nèi)．對相應(yīng)的緩解城市熱島的城市規(guī)劃策略也進(jìn)行了初步探討．

WRF/UCM；城市氣候；數(shù)值模擬；大連

0　引　言

中國目前城市居民已占人口總數(shù)的54%，城市面臨著巨大的環(huán)境壓力．良好的城市氣候是營造生態(tài)環(huán)境的重要基礎(chǔ)．城市規(guī)劃應(yīng)當(dāng)與城市氣候評估相結(jié)合，采取科學(xué)措施推動城市建設(shè)順應(yīng)氣候規(guī)律．國外許多城市的成功經(jīng)驗表明，這樣能夠有效緩解城市氣候惡化和污染問題．

城市氣候成因復(fù)雜，既受大尺度背景氣候、局地下墊面材質(zhì)影響，也受建筑形態(tài)和能耗情況影響，如何科學(xué)準(zhǔn)確分析城市氣候特征是進(jìn)行城市氣候規(guī)劃的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]．氣象研究模型WRF(weather research and forecasting model)，是由美國環(huán)境預(yù)測中心(NCEP)、美國國家大氣研究中心(NCAR)等科研機構(gòu)于2000年起共同參與開發(fā)的新一代中尺度預(yù)報系統(tǒng)[2]．WRF具有完善的物理方案描述各類復(fù)雜的氣候現(xiàn)象，在全世界范圍內(nèi)廣泛用于天氣預(yù)報和氣象研究．近年來利用WRF進(jìn)行城市局地氣候特征分析，并據(jù)此提出城市建設(shè)、規(guī)劃和管理的政策建議及改善策略，逐漸成為研究的熱點之一[3-5]．WRF可以耦合Noah陸地下墊面、城市冠層模型(如UCM、BEP和BEM)，甚至與微尺度CFD模型耦合來模擬城市氣候，詳細(xì)描述城市空間形態(tài)的特征、建筑信息、人為產(chǎn)熱的數(shù)據(jù)等，為理解和評估城市氣候提供了有力的工具[6-7]．許多學(xué)者研究了使用WRF和高分辨率的城市信息庫數(shù)據(jù)模擬城市氣候．例如伍見軍等利用333 m分辨率的GIS數(shù)據(jù)針對重慶的城市氣候進(jìn)行了研究[8]．蒙偉光等利用更新的GIS土地利用資料和城市冠層模型針對廣州的一次高溫天氣進(jìn)行了數(shù)值實驗[9]．Lin等利用MODIS衛(wèi)星1 km分辨率的土地利用數(shù)據(jù)對中國臺灣北部地區(qū)的城市熱島效應(yīng)進(jìn)行了分析[10]．Kusaka等將平板模型和UCM的模擬結(jié)果與氣象觀測數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)UCM能夠模擬出熱島效應(yīng)而平板模型沒有，平板模型比實際觀測值最大偏離幅度達(dá)6.2 ℃[11]．這些研究表明，WRF可以成功模擬城市熱島效應(yīng)、海風(fēng)環(huán)流等城市氣候現(xiàn)象，其模擬結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)吻合也較好．WRF應(yīng)用于城市總體尺度的氣候評估具有較好的優(yōu)勢．

大連是典型的沿海山地城市，自然條件良好，溫度適宜，是北方的旅游熱門城市．

過去60余年大連城區(qū)面積逐步擴張，從50 km2(1950年)擴展為387．7 km2(2009年)．由于城市范圍擴張、土地高強度開發(fā)利用，在中心城區(qū)形成了高層、高密度的形態(tài)特征．過去60余年城市中心區(qū)年均氣溫逐步升高、風(fēng)速降低、空氣污染逐漸加重．根據(jù)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，2014年大連空氣質(zhì)量為優(yōu)的天數(shù)僅為69 d[12]．利用科學(xué)的工具分析大連城市擴張帶來的氣候影響，據(jù)此提出相應(yīng)的規(guī)劃策略也成為當(dāng)務(wù)之急．

本文以2015年7月3日為例，利用WRF模擬大連城市溫度場和風(fēng)場特征，并與氣象站和地面現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，為了解城市氣候特征并提出規(guī)劃策略提供一種全新思路．

1　城市下墊面信息處理

伴隨著城市化的過程，城市下墊面類型發(fā)生了很大的轉(zhuǎn)變．然而城市土地資料的更新往往跟不上改變的速率，許多研究結(jié)果表明，如果不根據(jù)實際情況加以修改，就會造成某些相關(guān)變量產(chǎn)生較大的模擬偏差[13-14]．目前WRF提供的土地資料有兩套，一為美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)1993年全球24種類型的30 s(約50 km)分辨率數(shù)據(jù)，二為基于中分辨率成像光譜儀(MODIS)的2001年全球20種類型的15 s(約25 km)分辨率數(shù)據(jù)，雖然整體分類精度和質(zhì)量較高，但在許多地區(qū)仍有較為明顯的分類錯誤．本文在大連市土地利用現(xiàn)狀圖的基礎(chǔ)之上，利用GIS平臺對不符合現(xiàn)狀的地方進(jìn)行了修正．然后將GIS土地利用數(shù)據(jù)處理成WRF的靜態(tài)地理場，替換默認(rèn)的USGS和MODIS 土地利用數(shù)據(jù)，為WRF數(shù)值試驗提供更準(zhǔn)確的城市覆蓋范圍和土地利用邊界條件，修正前后對比如圖1所示．?dāng)?shù)據(jù)修正和處理流程如圖2所示．

2　模擬期間背景天氣

由于靜穩(wěn)天氣有利于城市熱島的形成，適合用來研究WRF/UCM的模擬效果，選取大連受高氣壓控制的高溫、晴朗的氣象日，即2015年7月2日18時～2015年7月4日2時，共計32 h作為模擬的時間段(圖3)．由于前8 h為模型物理過程的調(diào)整適應(yīng)時間，本文僅討論后24 h的模擬結(jié)果．為了對比驗證模型設(shè)置和物理方案的有效性，在西尖山和大連理工大學(xué)(以下簡稱理工)進(jìn)行了現(xiàn)場固定觀測，并獲取了周水子國際交換站(以下簡稱周水子)的逐時觀測結(jié)果(表1)．根據(jù)觀測結(jié)果，模擬時段內(nèi)大連區(qū)域風(fēng)向為北偏西，風(fēng)速0.2～7.0 ms-1，溫度19.0～25.7 ℃(圖4)．

圖1　大連地區(qū)用地類型分布圖

圖2土地利用數(shù)據(jù)向WRF靜態(tài)地理場的轉(zhuǎn)換流程

Fig.2ProcessofconvertinglandusedatatoWRFgeogriddata

圖32015年7月3日22時海平面大氣壓等值線圖

Fig.3Seasurfacepressurecontourat22:00July3rd, 2015

表1　地面氣象站觀測數(shù)據(jù)簡況

圖4　2015年7月3日12時背景風(fēng)場及溫度場

3　模擬參數(shù)設(shè)置

模擬區(qū)域采用嵌套網(wǎng)格的設(shè)置．嵌套網(wǎng)格的優(yōu)勢是既可以提高核心關(guān)注區(qū)域的模擬精度，同時也能充分考慮周邊的氣候影響并節(jié)約計算資源．本次采用三層嵌套網(wǎng)格，第一層格點數(shù)99×99，網(wǎng)格間距9 km×9 km；第二層格點數(shù)168×168，網(wǎng)格間距3 km×3 km；第三層格點數(shù)156×156，網(wǎng)格間距1 km×1 km．垂直方向設(shè)置54層，總高度16 km．網(wǎng)格中心點坐標(biāo)38.923°N，121.647°E．模擬計算區(qū)域基本覆蓋了大部分的大連城市建成區(qū)(圖5)．

驅(qū)動WRF的氣象數(shù)據(jù)是美國NCEP的全球3 h 0.25°×0.25°再分析氣象資料，由于時空分辨率較高，適合用于高分辨率的城市氣候模擬．模擬積分步長為54 s．本研究采用的物理方案如表2所示．

圖5　嵌套網(wǎng)格設(shè)置與地形

表2　WRF的物理方案設(shè)置

4　模擬結(jié)果分析及驗證

4.1溫度場

對城市氣候而言，地面2 m的溫度場對人體熱舒適影響最重要．地面2 m溫度場變化結(jié)果顯示，模擬期間城市中心區(qū)最高氣溫達(dá)到26.5 ℃，出現(xiàn)在2015年7月3日13時30分和14時30分，位于金州區(qū)一帶；7月3日15時30分起溫度開始下降(圖6)．夜間最低溫度為13.6 ℃，出現(xiàn)在7月3日4時30分，位于普蘭店一帶．模擬期間城市熱島最強時刻出現(xiàn)在2015年7月3日夜間19時30分(圖7)．此時所有的城市建成區(qū)無論大小均存在較強的熱島效應(yīng)，最高強度達(dá)6.9 ℃，位于大連開發(fā)區(qū)一帶．形成的原因主要是風(fēng)受到開發(fā)區(qū)北面山地的阻擋，因此城市內(nèi)部蓄積的熱量難以有效地散發(fā)出去．

從模擬期間溫度場的變化可以看出，白天陸地附近氣溫升高速度快于海面，但是海風(fēng)對陸地及城市的降溫效果十分明顯．例如2015年7月3日13時30分，大連北側(cè)渤海海面2 m空氣溫度約為17.7 ℃，北風(fēng)將涼爽空氣吹向陸地，形成較強的降溫作用，渤海岸線附近的氣溫比城市中心區(qū)低5 ℃左右．越往陸地深處氣溫越高，大連城市中心區(qū)、旅順口、開發(fā)區(qū)等比普蘭店、金州等地溫度低2～3 ℃．受海面涼爽的風(fēng)影響，城市熱島中心向下風(fēng)向偏移，黃海區(qū)域大連灣附近海面氣溫受上風(fēng)向城市的影響比周邊海面高．

圖62015年7月3日15時30分風(fēng)場及溫度場(最內(nèi)層模擬域)

Fig.6Thewindfieldandtemperaturefieldat15:30July3rd, 2015 (theinnerdomain)

圖72015年7月3日19時30分溫度場(最內(nèi)層模擬域)

Fig.7Thetemperaturefieldat19:30July3rd, 2015 (theinnerdomain)

為了研究溫度場在高度上的變化，繪制3個不同剖面，剖切位置如圖8所示．溫度剖面顯示陸地地形及城市下墊面對大氣產(chǎn)生了較強的影響，地面200 m以下尤為顯著(圖9)．A-A剖面熱島中心為大連開發(fā)區(qū)，模擬期間處于北面山地形成的風(fēng)影區(qū)之內(nèi)，存在較強的城市熱島效應(yīng)，熱島強度達(dá)3 ℃．B-B剖面熱島中心位于大連甘井子區(qū)、中山區(qū)等處，受海風(fēng)影響熱島強度不高，為1～2 ℃．C-C剖面主要位于高新區(qū)及旅順口區(qū)之間，山體及綠化覆蓋率高，熱島效應(yīng)也在1～2 ℃．

圖8　最內(nèi)層模擬域地形及溫度場剖面位置

圖9　2015年7月3日13時30分溫度場剖面

4.2風(fēng)場

對城市風(fēng)場，一般主要評估地面10 m的風(fēng)場分布情況．風(fēng)速和熱島強度及污染物濃度呈反比關(guān)系，風(fēng)速越大熱島強度和污染物濃度越低[15]．模擬期間大連市區(qū)風(fēng)向為北偏西風(fēng)，與氣象站觀測結(jié)果一致．

模擬結(jié)果顯示，7月3日夜間城市風(fēng)速較低，為1.5～2．5 m·s-1．風(fēng)速最小值1.58 m·s-1，出現(xiàn)在7月4日1時．7月3日9時至17時風(fēng)速較高，相應(yīng)地城市中心熱島強度較低．風(fēng)速最大值5.83 m·s-1，出現(xiàn)在7月3日17時．相對于溫度場，風(fēng)場受地形影響更大，例如金州區(qū)和甘井子區(qū)之間兩處山體地勢較高，在兩者之間形成了管道風(fēng)效應(yīng)，風(fēng)速有加強的趨勢(圖6)．受此影響甘井子區(qū)和中山區(qū)的城市熱島強度也有所減弱．

4.3模擬結(jié)果驗證

為了驗證WRF模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，將WRF數(shù)據(jù)與氣象站和現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)加以對比分析．于2015年7月3日至7月7日進(jìn)行了現(xiàn)場觀測，從8時到18時對西尖山進(jìn)行人工現(xiàn)場連續(xù)觀測，每15 min記錄一組氣象參數(shù)，18時之后的夜間觀測由放置現(xiàn)場的儀器完成．另外獲取了周水子氣象站、理工氣象站在此期間的逐時氣象數(shù)據(jù)．

將WRF溫度場模擬結(jié)果分別與現(xiàn)場實測和氣象站結(jié)果對比，可以發(fā)現(xiàn)模擬與觀測值之間的變化趨勢基本吻合，且溫度場模擬結(jié)果優(yōu)于風(fēng)場(圖10、11)．溫度場觀測值與模擬值最大誤差-3.10 ℃，最小誤差0.08 ℃，平均誤差0.52～0.88 ℃，均方根誤差0.63～1.23 ℃．風(fēng)速模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測及氣象站觀測數(shù)據(jù)吻合度低于溫度場，最大誤差-5.10 m·s-1，最小誤差0.01 m·s-1，平均誤差1.03～2.19 m·s-1，均方根誤差1.37～2.47 m·s-1(表3)．對于尺度較大的城市而言，模擬結(jié)果尤其是溫度場的準(zhǔn)確性是較為理想的，用于分析城市溫度場、風(fēng)場的基本變化規(guī)律具有較高的可信度．

圖10地面2 m溫度模擬結(jié)果與氣象站觀測對比

Fig.10Thecomparisonof2msurfacetemperaturesimulationtothestationobserveddata

圖11地面10 m風(fēng)速模擬結(jié)果與氣象站觀測對比

Fig.11Thecomparisonof10msurfacewindspeedsimulationtothestationobserveddata

表3　模擬與觀測數(shù)據(jù)的誤差分析

5　應(yīng)用前景

每個城市的氣候現(xiàn)象都有其獨特的特征，既受地理條件和背景氣候的影響，也受城市內(nèi)部用地布局和建筑形態(tài)的影響，因此開展城市氣候的研究難度較高．而WRF通過采用豐富完善的物理方案、嵌套網(wǎng)格、真實的地理和氣象數(shù)據(jù)、建筑和城市形態(tài)參數(shù)等設(shè)置，可以較為準(zhǔn)確地獲取不同時空分辨率的氣候信息，為研究城市氣候的科學(xué)規(guī)律提供了極大的方便．WRF的應(yīng)用前景較為廣泛，例如應(yīng)用于將規(guī)劃、氣候和地理研究相結(jié)合的城市氣候圖當(dāng)中．德國魯爾工業(yè)區(qū)20世紀(jì)70年代曾深受大氣污染的困擾，最早開始進(jìn)行城市氣候圖研究，采取規(guī)劃措施促進(jìn)弱風(fēng)條件下空氣流動，緩解大氣污染．通過編制氣候分析圖，直接指導(dǎo)了許多城市的土地利用規(guī)劃．其內(nèi)容包括：城市氣候分區(qū)(綠地、開敞空間、城市功能區(qū)等)、各類污染源(交通、燃?xì)?、工業(yè)等)、風(fēng)環(huán)境信息(不同區(qū)域和季節(jié)的風(fēng)玫瑰、地形風(fēng)、管道風(fēng)、風(fēng)屏障等)[16](圖12)．WRF獲取的城市氣候數(shù)據(jù)分辨率可從數(shù)百米到數(shù)百千米，將在氣候圖研究中起到重要作用．

圖12　柏林地區(qū)氣候分析圖局部(2014年，1∶30 000)

6　結(jié)　語

本文用WRF對大連城市進(jìn)行高分辨率的氣候模擬，其結(jié)果與觀測結(jié)果吻合得較好．模擬期間城市熱島效應(yīng)強度最高時達(dá)6.9 ℃，但是海風(fēng)對城市熱島起到了良好的緩解作用．因此大連城市規(guī)劃應(yīng)當(dāng)充分利用黃海和渤海海風(fēng)資源，為城市夏季和污染天氣提供清潔涼爽的空氣．例如保護(hù)海岸線、降低岸線開發(fā)強度和密度，規(guī)劃河流沿岸景觀帶、建設(shè)低密度區(qū)并建設(shè)城市通風(fēng)道，將海面上的清潔新鮮空氣引導(dǎo)進(jìn)入城市內(nèi)部，有助于緩解熱島效應(yīng)和大氣污染．

山體對城市熱島具有良好的緩解作用．由于一般山體綠化較好，并且氣溫會隨著高度上升而下降，一定高度的山丘將會形成冷氣團(tuán)的聚集區(qū)，為周邊城市環(huán)境提供山谷風(fēng)和冷空氣．城市規(guī)劃應(yīng)當(dāng)對此加以保護(hù)和利用，將山體與綠帶、公園相聯(lián)系，有助于分割城市熱島、避免其蔓延擴張，對改善城市環(huán)境具有較大的作用．

利用WRF模擬結(jié)果對城市總體溫度場和風(fēng)場變化規(guī)律加以總結(jié)，結(jié)合地形分析、土地利用、城市規(guī)劃管理政策等，可以繪制城市氣候圖，并提出改善城市風(fēng)環(huán)境、減緩城市熱島效應(yīng)和空氣污染的策略．

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Urban climate high resolution numerical simulation research based on WRF/UCM

GUOFei*

( School of Architecture and Fine Art, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China )

Choosing a sunny and high temperature day from 2:00, 3 July to 2:00, 4 July in 2015 as the research background, a 1 km high resolution numerical simulation for the urban climate in the coastal city of Dalian was implemented by WRF/UCM. The experimental results show that the wind from the sea and mountain can significantly moderate the UHI (urban heated island); the wind funnel effect is found in the urban center area caused by the mountain terrain. The UHI center with the maximum intensity reaching 6.9 ℃ is located in the Dalian Development Zone, appeared at 19:30 on 3 July, 2015. The simulation results are compared with the data from two weather stations and the field observation, it is found that the variation tendency of them is consistent. The accuracy of the surface temperature field is better than that of the wind field. The maximum bias of temperature is -3.10 ℃, the minimum is 0.08 ℃；the maximum mean bias of temperature is 0.88 ℃, the minimum is 0.52 ℃; the maximum RSME of temperature is 1.23 ℃, the minimum is 0.63 ℃. For a large-scale urban climate simulation, the deviation is within the acceptable range. The correspondent UHI moderation strategies for urban planning are also analyzed.

WRF/UCM; urban climate; numerical simulation; Dalian

1000-8608(2016)05-0502-08

2016-01-25；

2016-07-12．

國家自然科學(xué)基金資助項目(51278078,51308087)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(DUT13RW306).

郭 飛*(1980-)，男，博士，副教授，E-mail:guofei@dlut.edu.cn.

TU111.19

A

10.7511/dllgxb201605010