申 沖,沈 傲,田春艷,魏曉琳,李 磊,王明潔,陳訓(xùn)來,樊 琦

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城市形態(tài)參數(shù)對(duì)邊界層氣象條件影響的模擬

申 沖1,沈 傲1,田春艷1,魏曉琳2*,李 磊2,王明潔2,陳訓(xùn)來2,樊 琦1

(1.中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院/廣東省氣候變化與自然災(zāi)害研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510275；2.深圳市氣象局,廣東 深圳 518040)

利用耦合城市冠層方案的氣象模式WRF,選取高密度城市深圳,通過在模式中設(shè)置不同建筑物高度和密度的敏感性試驗(yàn),研究城市形態(tài)參數(shù)對(duì)邊界層氣象條件的影響.結(jié)果表明:建筑物高度和密度增加會(huì)使日間城市冠層對(duì)熱量的截留作用增強(qiáng),城市儲(chǔ)熱分別增加約6W/m2和9W/m2;在城市冠層遮蔽效應(yīng)和截限作用的共同影響下,建筑物高度增加會(huì)使日間地表溫度降低約0.3℃,而建筑物密度增大則會(huì)引起地表溫度增加0.6℃以上, 2m溫度和地表溫度的變化有很好的一致性.城市建筑物高度和密度增加均會(huì)引起地表粗糙度增加,造成風(fēng)速分別降低約0.4m/s和0.6m/s,同時(shí)在夜間,由于湍流運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),使得夜間邊界層高度分別增加約30~40m和20~30m.反之,建筑物高度和密度減小使日間儲(chǔ)熱減小6~7.5W/m2,10m風(fēng)速增加約0.3m/s和0.4m/s,夜間邊界層高度降低約30~50m和10~30m.

城市形態(tài)；氣象要素；WRF；城市冠層方案

隨著經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展,城市化進(jìn)程明顯,城市擴(kuò)張使得更多的自然土地利用類型發(fā)生人為的改變,從而導(dǎo)致粗糙度、反照度、非滲透性下墊面覆蓋比例等下墊面屬性都有所變化,也直接導(dǎo)致城市冠層結(jié)構(gòu)的改變,影響了局地大氣環(huán)流,從而改變了城市氣象條件[1-7],并進(jìn)一步影響到大氣環(huán)境場(chǎng)[8-12].

近年來,中外學(xué)者在發(fā)展城市冠層參數(shù)化方案上做了大量的研究[13-16].耦合了城市冠層方案的中尺度氣象模式已成為研究城市化進(jìn)程對(duì)區(qū)域氣候影響的有效手段.部分國(guó)內(nèi)外的學(xué)者針對(duì)模式中不同城市冠層參數(shù)方案對(duì)氣象要素的影響進(jìn)行了評(píng)估,包括雅典[17],德克薩斯[18],休斯頓[19],長(zhǎng)三角[20],重慶[21],北京[22]等,大多數(shù)研究結(jié)果表明多層城市冠層方案模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果更為吻合.而城市冠層方案中的參數(shù)包括城市建筑物形態(tài)、建筑物表面的物理熱力屬性、人為熱、城市分?jǐn)?shù)項(xiàng)等,Loredan等[23]和Wang等[24]分別采用模型響應(yīng)分析方法和蒙特卡羅方法評(píng)估WRF模式中城市冠層輸入?yún)?shù)對(duì)模式輸出結(jié)果的影響,研究表明,城市街谷幾何參數(shù)是影響通量變化的關(guān)鍵.陳燕等[25]和王詠薇等[21]分別利用增加建筑物影響的區(qū)域邊界層模式和耦合多層城市冠層方案的WRF模式研究不同建筑物高度和密度對(duì)杭州、重慶熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)的影響, 發(fā)現(xiàn)建筑物的增高和增密導(dǎo)致風(fēng)速減小明顯,湍能增加明顯,對(duì)城市近地層溫度也產(chǎn)生一定的影響,而地氣熱量交換在白天和夜間變化不同.城市冠層方案中除了建筑物形態(tài)結(jié)構(gòu)外,城市分?jǐn)?shù)項(xiàng)也是影響地表能量平衡的關(guān)鍵參數(shù),模式默認(rèn)的城市分?jǐn)?shù)項(xiàng)在城市格點(diǎn)均設(shè)為固定值,沒有體現(xiàn)空間差異性,無法代表真實(shí)的城市非滲透性下墊面的占比情況.為了解決上述問題,Adachi[26]和Lin等[27]針對(duì)日本和臺(tái)灣區(qū)域建立了高分辨率非均一的城市分?jǐn)?shù)項(xiàng)下墊面數(shù)據(jù),并應(yīng)用于耦合了單層冠層方案的WRF模式中,有效地改善了模式的模擬結(jié)果.隨著城市冠層模式的發(fā)展及其對(duì)氣象條件影響的研究,Salamanca等[19]指出研究城市冠層對(duì)大氣環(huán)境的影響是未來方向.Martilli等[17]和Paz等[28]利用耦合了多層城市冠層方案的空氣質(zhì)量模式研究BEP方案對(duì)雅典、馬德里城市空氣質(zhì)量的影響,發(fā)現(xiàn)BEP方案改善了建筑區(qū)域的風(fēng)速,污染物的模擬亦有明顯的改善.

1 研究方法

1.1 模式介紹

本文采用的模式為WRF3.8.1版本,該模式包括微物理、積云、邊界層、陸面模式等多種物理參數(shù)化方案,可以根據(jù)研究區(qū)域?qū)嶋H情況選擇適合的物理參數(shù)化方案進(jìn)行氣象條件的模擬.

近年來,城市冠層方案與WRF模式的耦合發(fā)展比較成熟.在WRF中,不同的城市冠層方案一般被耦合到Noah陸面模式(Noah LSM)中.其中多層城市冠層方案(BEP)是Martilli等[15]在莫寧-奧布霍夫相似理論的基礎(chǔ)上,利用二維街谷方法描述城市冠層地貌,并把建筑物對(duì)熱量的阻截作用項(xiàng)加入到熱量預(yù)報(bào)方程中,對(duì)氣流的拖曳作用項(xiàng)添加到動(dòng)能預(yù)報(bào)方程;并且在湍流動(dòng)能(TKE)方程中添加了由于建筑物垂直表面拖曳作用產(chǎn)生的湍流動(dòng)能以及水平表面剪切力和熱浮力作用.BEP方案把城市冠層中的建筑物劃分為數(shù)層,并設(shè)置每一層在WRF網(wǎng)格中的出現(xiàn)概率,從而更好地表征城市形態(tài)結(jié)構(gòu).

1.2 模式設(shè)置

模擬采用三重網(wǎng)格,中心點(diǎn)設(shè)置在深圳(22.6°N,114.2°E),采用LAMBERT投影方式,垂直方向上設(shè)置30層,模式頂?shù)臍鈮簽?0hPa.網(wǎng)格設(shè)置采用136′130,124′106,130′124三重嵌套,網(wǎng)格距分別為9km,3km,1km,第三層嵌套范圍覆蓋整個(gè)深圳市,模擬區(qū)域如圖1所示.其中氣象初始條件和邊界條件來自于1°′1°的NCEP 全球再分析資料,針對(duì)土地利用類型資料,模式內(nèi)置的MODIS數(shù)據(jù)被替換成與珠江三角洲地區(qū)實(shí)際情況更為一致的GLC2009[29].

模式選取的物理參數(shù)化方案包括:New Goddard短波輻射方案,RRTM長(zhǎng)波輻射方案,Lin微物理方案,BouLac邊界層參數(shù)化方案,Noah陸面過程方案,BEP城市冠層方案和Kain-Fritsch積云對(duì)流方案,其中積云對(duì)流方案用于第一重網(wǎng)格.

模擬時(shí)段選擇了2016年10月30日~11月04日,考慮模式的適應(yīng)調(diào)整(spin-up)時(shí)間,研究時(shí)段為11月2日,從地面天氣圖(圖2)可知2日有弱冷空氣南下,中國(guó)北部和東部受冷高壓控制,高壓脊南伸至東南亞一帶,該時(shí)段廣東省位于高壓脊前,受東北風(fēng)影響,風(fēng)速偏大,易形成晴好天氣.分析深圳氣象要素時(shí)間序列(圖2),11月1日~3日,深圳市有明顯的降溫過程,并伴隨著氣壓上升和相對(duì)濕度下降,其中降溫幅度大約2.5℃,深圳市始終吹偏北風(fēng),風(fēng)速在2日偏大,約為3m/s,且云量較低,為晴朗少云天氣,便于分析冠層方案對(duì)城市熱環(huán)境和動(dòng)力環(huán)境的影響.

圖1 模擬區(qū)域及地形高度示意

1.3 城市分?jǐn)?shù)參數(shù)本地化改進(jìn)

WRF模式中不同的城市冠層方案一般被耦合到Noah LSM中,用以計(jì)算城市冠層向大氣輸出的感熱通量、潛熱通量和動(dòng)量通量等.當(dāng)Noah LSM耦合了城市冠層方案后,計(jì)算城市下墊面某格點(diǎn)中輸出到大氣模式的地表溫度、感熱、潛熱等變量時(shí),會(huì)把格點(diǎn)分為兩部分輸出,包括Noah LSM計(jì)算輸出的自然下墊面的表面通量和溫度,以及城市冠層方案提供的非滲透性下墊面的通量,再根據(jù)城市冠層方案中設(shè)定的城市分?jǐn)?shù)取加權(quán)平均,得到該格點(diǎn)總輸出變量值,如下公式:

記得有一次，李小樹往兩個(gè)高腳杯里倒好酒后，就一只手托著一個(gè)酒杯輕輕地晃蕩著，等兩個(gè)玻璃杯壁都掛著一層閃耀的紅褐色光澤，他才很紳士地遞了一杯給我，自己則托著手里的杯子輕輕抿了一小口。李小樹微閉著眼睛咂巴著嘴，做出一副很陶醉的樣子對(duì)我說：“哥們兒，你覺得——這世上——哪種女人最有味道？”

=Veg′Veg+Urb′Urb(1)

式中:為格點(diǎn)輸出變量;Veg為格點(diǎn)中Noah LSM輸出部分的比率,Urb為城市冠層輸出部分的比率(城市分?jǐn)?shù)項(xiàng)),兩者之和為1;Veg為Noah LSM計(jì)算的自然下墊面輸出變量;Urb在本研究中為多層城市冠層方案輸出的城市下墊面變量[30].

在耦合了城市冠層方案的Noah LSM中,城市分?jǐn)?shù)是給出城市百分比的最重要參數(shù),它表征了模式子網(wǎng)格中非滲透性下墊面的比例.在默認(rèn)的BEP方案中,城市分?jǐn)?shù)在城市列表中設(shè)為固定值0.95,被分配給所有的中心城區(qū)和城郊的網(wǎng)格,如圖3a.然而,在實(shí)際情況下,城市分?jǐn)?shù)分布并不均勻,固定的城市分?jǐn)?shù)值不能很好地代表區(qū)域的分布差異.因此,為了更準(zhǔn)確地描述在BEP方案中城市分?jǐn)?shù)分布的特征, 建立了詳細(xì)的本地化城市分?jǐn)?shù)(圖3b),替換模式中城市分?jǐn)?shù)默認(rèn)值,并應(yīng)用于多層冠層方案中.本地化城市分?jǐn)?shù)的建立首先利用地理信息系統(tǒng)(GIS)將Landsat 2010年30m高分辨率土地利用類型數(shù)據(jù)根據(jù)所設(shè)置的網(wǎng)格區(qū)域處理為1km分辨率的非均一城市分?jǐn)?shù)分布,即計(jì)算1km′1km網(wǎng)格內(nèi)城市下墊面類型占比;隨后利用地理自動(dòng)分析系統(tǒng)將GIS處理好的城市分?jǐn)?shù)格點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為WRF模式可讀取二進(jìn)制格式;將二進(jìn)制城市分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)添加至靜態(tài)地理數(shù)據(jù)庫中,并在WRF前處理系統(tǒng)(WPS)的GEOGRID.TBL文件中添加讀取該數(shù)據(jù),運(yùn)行WPS將城市分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)插值到模擬區(qū)域,用于后續(xù)考慮城市冠層方案的WRF模擬.

1.4 模擬能力評(píng)估

為驗(yàn)證城市分?jǐn)?shù)參數(shù)本地化改進(jìn)前后WRF模式的氣象模擬能力及可靠性,針對(duì)模擬時(shí)段設(shè)置兩組敏感性試驗(yàn),其中Base_new方案為采用本地化城市分?jǐn)?shù), Base_old方案為采用模式默認(rèn)的城市分?jǐn)?shù),利用模擬時(shí)段觀測(cè)與模擬小時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證.利用偏差反映模擬值與觀測(cè)值的平均偏離程度,平均絕對(duì)誤差反映平均的絕對(duì)誤差情況,均方根誤差反映模擬值與觀測(cè)值的偏離程度,各參數(shù)值越接近0,表明模擬效果越好;同時(shí)選擇相關(guān)性系數(shù)來表征模擬值與觀測(cè)值之間變化趨勢(shì)的吻合程度,越接近1,表明模擬效果越好.

本文選取了深圳城區(qū)35個(gè)氣象自動(dòng)觀測(cè)站點(diǎn),將Base_new和Base_old方案模擬不同站點(diǎn)的氣象要素(2m溫度、相對(duì)濕度和10m風(fēng)速)與2016年11月1~4日逐時(shí)觀測(cè)值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)比較驗(yàn)證,結(jié)果見表1.采用本地化的城市分?jǐn)?shù)后,模式模擬結(jié)果均有一定程度的變化:2m溫度、相對(duì)濕度、10m風(fēng)速的模擬值和觀測(cè)值的偏差分別由0.92℃變?yōu)?.55℃, -1.16%變?yōu)?.22%,-0.30m/s變?yōu)?.04m/s,可見更新城市分?jǐn)?shù)后對(duì)2m溫度和10m風(fēng)速有明顯的改善效果.而城市分?jǐn)?shù)本地化對(duì)氣象要素模擬值和觀測(cè)值的相關(guān)性影響較小,2m溫度和相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)有略微的增加,均大于0.8,10m風(fēng)速模擬值和觀測(cè)值的相關(guān)性則在0.55以上.綜上可知,采用本地化城市分?jǐn)?shù)的模式可以更好地模擬出氣象要素變化趨勢(shì),能夠較好地反映研究時(shí)段深圳地區(qū)的各氣象要素場(chǎng).因此,下文的研究均以采用本地化城市分?jǐn)?shù)的模式為基礎(chǔ).

表1 模式模擬的氣象變量數(shù)據(jù)與觀測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證

1.5 模擬方案設(shè)計(jì)

基于本地化城市分?jǐn)?shù),針對(duì)深圳市的關(guān)鍵城市形態(tài)參數(shù)(建筑物高度和建筑物密度)設(shè)置敏感性數(shù)值試驗(yàn)(表2).通過對(duì)比不同的試驗(yàn)方案(Case-Base)來研究這些城市形態(tài)參數(shù)對(duì)各氣象要素的影響,其中Case3為建筑物之間的間距減小,表征建筑物密度增加,Case4為建筑物之間的間距增大,表征建筑物密度降低.

表2 敏感性數(shù)值試驗(yàn)設(shè)置

2 結(jié)果分析

2.1 城市形態(tài)參數(shù)對(duì)氣象要素日變化的影響

針對(duì)深圳區(qū)域范圍內(nèi)所有城市格點(diǎn)(圖3a中紅色網(wǎng)格)的氣象要素,包括地表溫度(TSK)、2m溫度(T2)、對(duì)地?zé)嵬?GRD)、感熱通量(HFX)、10m風(fēng)速(WS)和邊界層高度(PBLH),統(tǒng)計(jì)不同Case方案相對(duì)于Base方案模擬的日間(9:00~18:00)和夜間(19:00~8:00)結(jié)果的平均改變率,如表3.再進(jìn)一步結(jié)合圖4和圖5中城市形態(tài)參數(shù)對(duì)各氣象要素影響的日變化分布圖,分析改變建筑物高度和密度對(duì)城市下墊面各氣象要素的影響.

2.1.1 對(duì)熱力場(chǎng)的影響 由圖4可知,各方案對(duì)日間地表溫度、對(duì)地?zé)嵬亢透袩嵬康挠绊懢黠@大于夜間,其中建筑物密度的影響略大于建筑物高度的影響.針對(duì)地表溫度,建筑物高度和密度對(duì)其的影響有明顯的差異性,主要體現(xiàn)在夜間.建筑物高度降低(Case1)使得地表溫度在日間有明顯地增加,最大值為0.33℃,夜間降低約0.05℃,建筑物高度增加(Case2)則使得地表溫度在日間降低,夜間增加;建筑物密度對(duì)地表溫度的影響在日間和夜間表現(xiàn)一致,建筑物密度增加(Case3)引起地表溫度在日間和夜間分別增加0.6℃和0.06℃左右,建筑物密度減小(Case4)使得日間和夜間地表溫度分別降低約為0.15℃和0.03℃.該結(jié)論和王詠薇等[21]得到的建筑物高度的增加導(dǎo)致地表溫度在白天減小,最大減小約為 0.8℃,建筑物高度和密度增加均造成夜間地表溫度增加的結(jié)論保持一致.地表溫度的變化受能量及輻射平衡的影響,建筑物高度增加使得白天對(duì)短波輻射的遮蔽效應(yīng)增強(qiáng),到達(dá)城市冠層底部的短波輻射相對(duì)減少,造成了白天地表溫度的降低;而建筑物密度的增加使得城市冠層對(duì)熱量的截留作用更加明顯,同時(shí)風(fēng)速也相應(yīng)減小明顯,使得局地地表溫度增加.

在白天,對(duì)地?zé)嵬繛樨?fù),以儲(chǔ)存熱量為主,建筑物高度和密度降低(Case1和Case4)使得城市冠層截留熱量的作用減弱,城市儲(chǔ)熱減少,相對(duì)于Base方案平均改變率分別為-4.57%和-6.91%;建筑物高度和密度增加(Case2和Case3)使得城市冠層遮蔽作用增強(qiáng),城市儲(chǔ)熱有所增加,均在11:00~16:00增加幅度最大,最大增加值分別為4.8W/m2和5.7W/m2,日平均改變率分別為5.31%和5.75%;夜間,對(duì)地?zé)嵬繛檎?以釋放熱量為主,由于建筑物高度和密度降低造成日間儲(chǔ)存熱量減小,導(dǎo)致夜間釋放熱量相應(yīng)減少,進(jìn)一步引起了夜間地表溫度的降低,而建筑物高度和密度增加在日間儲(chǔ)熱增加,則夜間釋放熱量增加,地表溫度也同樣是增加的.王詠薇等[21]研究也發(fā)現(xiàn)建筑物高度和密度的增加導(dǎo)致日間儲(chǔ)熱增加,正午增加最明顯,白天儲(chǔ)存的能量在夜間釋放,夜間地表溫度增加.

建筑物高度和密度的改變對(duì)2m溫度的影響小于地表溫度,由于2m溫度主要受到地表溫度的影響,因此和地表溫度的變化有很好的一致性.建筑物高度降低(Case1)使得2m溫度在日間和夜間變化約±0.1℃,日間溫度增加,夜間溫度降低,建筑物高度增加(Case2)則使得2m溫度在日間降低,夜間增加;建筑物密度增加(Case3)引起2m溫度在日間和夜間以增加為主,建筑物密度減小(Case4)使得日間和夜間2m溫度降低. 該結(jié)論和王詠薇等[21]得到的建筑物高度的增加,日間溫度降低,最大達(dá)到0.4℃,夜間溫度明顯升高,最大可達(dá)0.7℃,建筑物密度增加,夜間溫度升高0.4℃的結(jié)論保持一致,但建筑物形態(tài)結(jié)構(gòu)改變?cè)斐蓽囟雀淖兊某潭嚷缘陀谕踉佫钡萚21]得的研究.

圖4 建筑物高度和密度對(duì)深圳城市格點(diǎn)地表溫度(TSK)、對(duì)地?zé)嵬?GRD)、2m溫度(T2)和感熱通量(HFX)日變化的影響(2016-11-02)

針對(duì)感熱通量,白天感熱通量為正,熱量由地表傳遞到大氣,建筑物高度和建筑物密度降低(Case1和Case4)使得感熱通量以增加為主,分別大約增加 1W/m2和7W/m2,其中建筑物高度的改變使得感熱通量出現(xiàn)增加的時(shí)刻從14:00開始,并且影響程度明顯小于建筑物密度;建筑物高度和密度增加(Case2和Case3)引起感熱通量降低,日間平均改變率分別為-0.87%和-6.65%;夜間,感熱通量為負(fù),熱量由大氣傳遞到地表,各方案影響程度均很小.造成建筑物密度對(duì)感熱通量影響較明顯的主要原因和溫度梯度、風(fēng)速有關(guān),建筑物密度增加對(duì)地表溫度的增溫效果大于建筑物高度降低的影響,但對(duì)2m溫度,建筑物高度降低的影響更大,最終建筑物密度增加使得近地面和大氣的溫度梯度增加更為明顯,結(jié)合風(fēng)速的變化,建筑物密度增加使得風(fēng)速有明顯的降低,建筑物高度降低則引起風(fēng)速增加,考慮溫度梯度和風(fēng)速的共同影響,建筑物密度增加使得日間感熱通量有明顯的降低,而建筑物高度降低僅造成日間感熱通量有略微增加.

2.1.2 對(duì)動(dòng)力場(chǎng)的影響 由10m風(fēng)速的日變化序列圖(圖5a)可以看出,建筑物高度和密度對(duì)風(fēng)速的影響沒有呈現(xiàn)明顯的日變化特征,對(duì)日間和夜間影響程度相當(dāng).建筑物高度和密度降低(Case1和Case4)使得地表粗糙度降低,造成10m風(fēng)速在日間和夜間均有所增加(日間:6.68%和9.15%;夜間:7.13%和9.32%);反之,建筑物高度和密度增加(Case2和Case3)使得10m風(fēng)速有所減小(日間:-8.14%和-13.99%;夜間:-6.27%和-13.90%).陳燕等[25]和王詠薇等[21]研究得到建筑物高度和密度增加導(dǎo)致風(fēng)速降低0.4~ 1.6m/s和0.3~0.5m/s,本文結(jié)論和上述結(jié)果有很好的一致性.

圖5 建筑物高度和密度對(duì)深圳城市格點(diǎn)10m風(fēng)速(WS)和邊界層高度(PBLH)日變化的影響(2016-11-02)

建筑物高度和密度對(duì)邊界層高度的影響則有顯著的日變化特征,且對(duì)邊界層高度的影響在夜間更為明顯,建筑物高度和密度降低(Case1和Case4)使得邊界層高度在夜間分別降低7.16%和3.73%,建筑物高度和密度增加(Case2和Case3)引起邊界層高度在夜間分別增加5.44%和5.23%;而日間,從圖5b可以看出建筑物高度降低和密度增加均使得邊界層高度增加,而建筑物高度增加和密度降低則使得邊界層高度減小,與地表溫度、2m溫度有很好的對(duì)應(yīng).出現(xiàn)上述邊界層高度變化的原因在2.2.2節(jié)有進(jìn)一步的分析.

表3 不同Case方案相對(duì)于Base方案模擬的深圳城市格點(diǎn)日間、夜間氣象要素改變率((Case-Base)/Base′100,%)

2.2 城市形態(tài)參數(shù)對(duì)氣象要素空間分布的影響

由2.1節(jié)可知,建筑物高度和密度改變對(duì)日間熱力場(chǎng)、10m風(fēng)速以及夜間邊界層高度的影響較為明顯,因此本小節(jié)將進(jìn)一步分析城市形態(tài)參數(shù)對(duì)其空間分布的影響.

2.2.1 對(duì)熱力場(chǎng)的影響 選取9:00~18:00對(duì)地?zé)嵬?、地表溫度?m溫度做日間平均空間分布圖.圖6為不同城市形態(tài)參數(shù)改變對(duì)日間對(duì)地?zé)嵬康挠绊?日間熱量由地表傳遞到土壤中,對(duì)地?zé)嵬繛樨?fù)值(圖6a),因此改變量(Case-Base)為正值即為對(duì)地?zé)嵬繙p少,負(fù)值表征對(duì)地?zé)嵬吭黾?從圖中可以看出,在城市下墊面對(duì)地?zé)嵬坑忻黠@的變化,建筑物高度和密度降低(Case1和Case4),城市冠層截留熱量的作用減弱,使得對(duì)地?zé)嵬拷档?即城市儲(chǔ)熱減少6~7.5W/m2,而建筑物高度和密度增加(Case2和Case3)使得城市冠層對(duì)熱量的截留作用增強(qiáng),城市儲(chǔ)熱增加,分別為6W/m2和9W/m2左右.

改變城市形態(tài)參數(shù)對(duì)對(duì)地?zé)嵬康挠绊懪c地表溫度相互作用.建筑物高度降低(Case1)使城市下墊面地表溫度增加,在0.4~0.6℃左右,建筑物高度增加(Case2)使城市下墊面地表溫度降低0.3℃左右(圖7),說明隨著建筑物高度的增加,建筑物之間的天頂角變小,建筑物在白天對(duì)短波輻射的遮蔽效應(yīng)增強(qiáng),導(dǎo)致白天到達(dá)地面的短波輻射減小,同時(shí)建筑物高度增加,造成進(jìn)入冠層的短波輻射傳輸路徑增加,從而到達(dá)冠層底部的短波輻射會(huì)相應(yīng)減少,兩者共同影響,使得地表溫度有所降低.建筑物密度增大(Case3)引起城市下墊面地表溫度增加0.6℃以上,建筑物密度減小(Case4)使城市下墊面地表溫度降低0.3℃左右.建筑物密度的增大使得城市冠層對(duì)長(zhǎng)波輻射的截限作用更加明顯,使得截留在冠層內(nèi)部的熱量增加,同時(shí),風(fēng)速也減小明顯(圖9c),導(dǎo)致流場(chǎng)對(duì)熱量的輸送作用減弱,使得局地地表溫度增加,熱量由地表傳遞給土壤,造成儲(chǔ)熱增加;反之則截留在冠層內(nèi)部的熱量減少,風(fēng)速增加,地表溫度也相應(yīng)降低,傳遞給土壤的熱量減少,儲(chǔ)熱減小.日間城市儲(chǔ)熱情況進(jìn)一步影響了夜間熱量釋放過程和地表溫度變化情況.

圖7 建筑物高度和密度對(duì)深圳日間地表溫度(TSK)的影響(℃)

圖8 建筑物高度和密度對(duì)深圳日間2m溫度(T2)的影響 (℃)

2m溫度對(duì)城市形態(tài)參數(shù)的敏感度略小于地表溫度,從圖8可知建筑物高度降低和密度增加(Case1和Case3)使得城市下墊面2m溫度增加約0.25℃和0.1℃,建筑物高度增加和密度降低(Case2和Case4)使得2m溫度減小約0.1℃和0.05℃,和地表溫度的變化有很好的一致性.日間地表溫度高于2m溫度,熱量由地表傳遞到大氣,因此2m溫度變化主要受到地表溫度的影響,地表溫度增加(降低)導(dǎo)致2m溫度的增加(降低),另外建筑物密度增加(Case3)會(huì)造成日間風(fēng)速降低明顯,由地表傳遞到大氣的熱量有一定程度減少,最終使得2m溫度的增加幅度明顯低于Case1方案.

2.2.2 對(duì)動(dòng)力場(chǎng)影響 城市形態(tài)參數(shù)改變除了對(duì)熱力場(chǎng)有一定的影響外,對(duì)風(fēng)速和邊界層高度的影響更為顯著. 10m風(fēng)速在深圳城市下墊面呈現(xiàn)明顯的低值區(qū).在城市下墊面,建筑物高度和密度增加(Case2和Case3)使得10m風(fēng)速明顯降低約0.4和0.6m/s,建筑物高度和密度降低(Case1和Case4)使得10m風(fēng)速增加約0.3和0.4m/s(圖9).出現(xiàn)上述現(xiàn)象原因主要和地表粗糙度相關(guān),城市建筑物密度增加和較高的建筑物均會(huì)引起地表粗糙度增加,對(duì)大氣拖曳作用更加明顯,從而導(dǎo)致風(fēng)速降低;反之,當(dāng)城市建筑物密度小、高度較低時(shí),地表粗糙度減小,使得風(fēng)速有所增加.

圖9 建筑物高度和密度對(duì)深圳10m風(fēng)速(WS)的影響 (m/s)

圖10 建筑物高度和密度對(duì)深圳夜間邊界層高度(PBLH)的影響(m)

從表3可知,各方案對(duì)夜間邊界層高度的改變尤為明顯,且改變建筑物高度對(duì)夜間邊界層高度的影響略大于建筑物密度的影響.圖10給出了建筑物高度和密度對(duì)深圳夜間邊界層高度影響的空間分布圖.在城市下墊面,建筑物高度和密度降低(Case1和Case4)使得夜間邊界層高度降低約30~50m和10~30m;建筑物高度和密度增加(Case2和Case3)使得夜間邊界層高度增加約30~40m和20~30m.從熱力角度分析,建筑物形態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)夜間邊界層高度分布的影響與夜間地表溫度、2m溫度有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,建筑物高度和密度降低使得夜間地表溫度和2m溫度降低,對(duì)應(yīng)邊界層高度的降低,反之亦然.另外在夜間,地面凈輻射為負(fù)值,下墊面冷卻,導(dǎo)致大氣邊界層從下往上降溫,逐漸發(fā)展成為逆溫層結(jié)的穩(wěn)定邊界層,地表和局地因素會(huì)對(duì)邊界層高度起到重要作用[32],并且穩(wěn)定層結(jié)時(shí)湍渦在運(yùn)動(dòng)中反抗重力做功,消耗動(dòng)能,從而對(duì)湍流交換起抑制作用[33],影響邊界層高度的變化,因此夜間邊界層高度改變明顯的原因也和湍流運(yùn)動(dòng)密切相關(guān).由于白天湍流交換系數(shù)明顯大于夜間,城市下墊面日間邊界層高度在1000m以上,夜間邊界層高度約300~400m.從模式中提取湍流垂直交換系數(shù),對(duì)深圳城市下墊面格點(diǎn)進(jìn)行平均,給出時(shí)間-高度湍流垂直交換系數(shù)剖面圖.圖11為各Case試驗(yàn)與Base試驗(yàn)?zāi)M地湍流垂直交換系數(shù)差值圖,從圖中可以看出,較小的建筑物高度和密度(Case1和Case4)使得湍流垂直交換系數(shù)在1200m以下有所降低,并且夜間邊界層范圍內(nèi)湍流減弱相對(duì)日間更為明顯,導(dǎo)致邊界層高度在夜間降低明顯,而較高的建筑物高度和密度對(duì)低層風(fēng)場(chǎng)的影響,使得更多的平均動(dòng)能轉(zhuǎn)換為湍流動(dòng)能,湍流垂直交換系數(shù)有明顯的增大,尤其在夜間,400m高度范圍內(nèi)湍流運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),利于邊界層的抬升,使得夜間邊界層高度有明顯地增加.同時(shí)建筑物高度變化引起湍流變化的程度大于建筑物密度對(duì)其的影響,導(dǎo)致建筑物高度對(duì)夜間邊界層高度的影響略大于建筑物密度的影響.陳燕等[25]研究也發(fā)現(xiàn)建筑物變高、變密時(shí),低層大氣和高層之間湍流交換更強(qiáng),大氣層結(jié)不穩(wěn)定性增加,容易出現(xiàn)強(qiáng)烈混合的情況,邊界層高度也相應(yīng)增高.

圖11 建筑物高度和密度對(duì)深圳城市格點(diǎn)湍流垂直交換系數(shù)的影響(2016-11-02)

本文研究表明,城市形態(tài)參數(shù)的變化對(duì)城市能量平衡過程、風(fēng)速、邊界層高度等的模擬均有一定的影響.目前,模式中關(guān)于建筑物高度分布、建筑物寬度、道路寬度等參數(shù)的設(shè)置同城市分?jǐn)?shù)項(xiàng)類似,均是在城市冠層參數(shù)列表中設(shè)置固定值來代表整個(gè)區(qū)域城市下墊面的形態(tài)特征,沒有體現(xiàn)空間差異性,很多學(xué)者也在之前的研究中提出了建立實(shí)際的城市形態(tài)資料,引入模式中,對(duì)提高城市冠層方案的模擬能力至關(guān)重要[19,28,31].但在國(guó)內(nèi)建筑物形態(tài)數(shù)據(jù)較難獲取,該方面的研究依舊相對(duì)空白.因此,本研究后續(xù)擬與城市規(guī)劃部門合作,在收集相關(guān)地理信息數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上開展真實(shí)城市形態(tài)參數(shù)對(duì)氣象條件的影響研究,相關(guān)的成果可為進(jìn)一步開展城市通風(fēng)、城市熱島、城市微氣候的研究提供相應(yīng)的理論支撐.

3 結(jié)論

3.1 不同的城市形態(tài)參數(shù)(建筑物高度和建筑物密度)對(duì)2m溫度、地表溫度、對(duì)地?zé)嵬?、感熱通量?0m風(fēng)速、邊界層高度有一定程度的影響,對(duì)各要素日間和夜間的影響也有所差異.

3.2 城市形態(tài)參數(shù)對(duì)地表溫度、對(duì)地?zé)嵬亢透袩嵬康娜臻g影響明顯大于夜間.建筑物高度和密度增加使得城市冠層對(duì)熱量的截留作用增強(qiáng),城市儲(chǔ)熱增加,但建筑物高度增加使得白天對(duì)短波輻射的遮蔽效應(yīng)增強(qiáng),地表溫度日間降低0.3℃左右,而建筑物密度增大使得城市冠層對(duì)長(zhǎng)波輻射的截限作用更加明顯,城市下墊面地表溫度增加0.6℃以上.日間儲(chǔ)存的熱量在夜間會(huì)進(jìn)一步影響地表溫度的變化情況.2m溫度和地表溫度的變化有很好的一致性.

3.3 建筑物高度和密度對(duì)日間和夜間10m風(fēng)速的影響程度相當(dāng).城市建筑物高度和密度增加均會(huì)引起地表粗糙度增加,對(duì)大氣拖曳作用明顯,造成風(fēng)速降低約0.4m/s和0.6m/s,反之,建筑物高度和密度降低使得10m風(fēng)速增加約0.3m/s和0.4m/s.

3.4 建筑物高度和密度對(duì)邊界層高度的影響在夜間更為明顯,建筑物高度和密度增加使得夜間邊界層高度增加約30~40m和20~30m,建筑物高度和密度降低使得夜間邊界層高度降低約30~50m和10-30m.夜間邊界層高度改變明顯的原因和湍流運(yùn)動(dòng)密切相關(guān).

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致謝：本文的模式模擬工作在中山大學(xué)曙光5000A高性能計(jì)算平臺(tái)完成,在此表示感謝.

Assessment of urban morphological structure parameters effects on meteorological fields in planetary boundary layer.

SHEN Chong1, SHEN Ao1, TIAN Chun-yan1, WEI Xiao-lin2*, LI Lei2, WANG Ming-jie2, CHEN Xun-lai2, FAN Qi1

(1.School of Atmospheric Sciences/Guangdong Province Key Laboratory for Climate Change and Natural Disaster Studies, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China；2.Meteorological Bureau of Shenzhen Municipality, Shenzhen 518040, China)., 2019,39(1)：72~82

In this paper, the regional meteorological model WRF with urban canopy scheme has been used to study the impacts of urban morphological parameters on the meteorological fields in planetary boundary layer over the Shenzhen region (high population and building density city). The results from sensitivity experiments showed that the interception of heat in the urban canopy was enhanced in the daytime by the higher building height and density, and therefore the heat storage in the urban areas was also increased by about 6W/m2and 9W/m2. Considering the effects of both shading and trapping by the urban canopy, the skin surface temperature was reduced by about 0.3℃ with the increased building height, and the skin surface temperature was increased by more than 0.6℃ in the daytime with the higher building density. In addition, there is a good consistency between the 2m temperature and the skin surface temperature. The wind speed was decreased by about 0.4m/s due to higher building height and 0.6m/s due to higher building density through the increased surface roughness. In the meantime, the nocturnal boundary layer was increased by about 30~40m due to higher building height and 20~30m due to higher building density at night through the enhancement of turbulent motion. On the contrary, the decreases of building height and density reduced the heat storage by 6~7.5W/m2in the daytime, increased the 10m wind speed by about 0.3m/s and 0.4m/s, and decreased the nocturnal boundary layer height by about 30~50m and 10~30m.

urban morphological structure；meteorological elements；WRF；urban canopy scheme

X16,P404

A

1000-6923(2019)01-0072-11

申 沖(1988-),女,河北衡水人,博士,主要從事大氣環(huán)境數(shù)值模擬研究.發(fā)表論文5篇.

2018-06-21

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC0203602);深圳市科創(chuàng)委項(xiàng)目(JCYJ20170306150333250);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(91544102, 41630422);廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(201604020028);國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃大氣專項(xiàng)課題(2016YFC0203305,2016YFC0203600);氣象行業(yè)專項(xiàng)項(xiàng)目(GYHY201406031)

* 責(zé)任作者, 高級(jí)工程師, weixiaolin@szmb.gov.cn