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题 目 纽约市热浪事件的高分辨率模拟
纽约市热浪事件的高分辨率模拟
摘要：在未来几年中，热浪的强度和频率预计将增加，这将在城市化地区对环境健康和城市社会经济结构产生不利的影响。增加蓄热和陆地表面的保水能力降低这对危险组合使城市比周围的农村地区温暖通常被称为城市热岛（UHI）的影响。本研究的主要动机是为了量化这种城市规模城市热岛的互动与天气尺度热浪集和分析因素介导的相互作用。一种改进的天气研究与预报模式（WRF）版本是用来模拟在纽约市的两个热浪集。在城市地区默认的WRF模式陆面方案以更好地代表表面的交流气氛。我们的研究结果表明，热浪事件期间，每日平均城市热岛在纽约增加1.5K，此外，这种情况大多数发生在下午时段的温度高峰。城乡对比发现在提供能量和水分的风向对城市热岛效应有显着的系统的效果，但风速起次要作用。
- 引言
在不久的将来，热浪预计将更加频繁、激烈，持续，他们对人类生命和财产造成严重威胁 。热浪可以定义为极限热应力的扩展阶段，这导致人类死亡人数的异常高。美国中西部的密苏里和伊利诺斯1995年热浪事件导致1000人死亡 ，在2003年，欧洲中部地区，近40000人死在长达两周的盛夏热浪事件中 。在过去的30年里，热浪在美国已经比其他所有的自然灾害相结合谋害的生命还要多。除了人的生命损失，热浪对基础设施也有很大的压力；电网特别容易受到极端热浪EP发作综合症的影响。随着电力消费量的激增，停电的可能性增大。纽约市（NYC）的死亡率增长了25%的结果是2003八月停电的极端热事件引起的。此外，热浪事件使温室气体温度升高，增加了能量的消耗 。
从气象学上讲，热浪与反气旋环流，在晴朗的天空下，温暖的空气从上层大气沉降的结果。陆气耦合也在持续高温热浪的形成发挥了重要作用 。菲舍尔等人在2007年观察发现，在欧洲中部春季消极的土壤湿度将会对夏季的气温产生破坏性的影响。土壤湿度异常是由于降水量不足，大气层顶（TOA）增加是由于晴空辐射，而土壤干燥是由于季初的蒸发量过盛。由于热浪事件，人们观察发现，在城市化地区，自然土壤被建筑面积所覆盖，导致气温昼夜温差较大 。更令人担忧的是，最近的研究指出，热浪和城市热岛（UHIs）协同作用在城市气温上导致城市热岛的空间异常（前热浪）和区域时间热浪异常。建筑材料（沥青路面，水泥混凝土路面，屋顶和建筑钢结构）和砖，主导城市景观具有很高的热溢出率，从而显著改变地表能量平衡性能 。此外，那些低反射率的材料如沥青和复杂的城市峡谷中的辐射俘获会增加吸收太阳辐射，这使得密集的内置表盖面有效地吸收和储存热量，从而加高的表面和近表面的空气温度。建筑表面也具有较低的水分保持能力，从而增加波文比（显热与潜热比）。减少蒸发冷却使城市地区近地表空气温度相比周边农村升高，并被假定为约束升高城市温度的主力军。城市和附近农村的空气温度之间的差异通常被称为城市热岛（UHI）。
纽约被选为本次研究的对象，因为它是一个土地覆盖和人口城市化最大的都市地区，它也是美国人口最稠密的城市。此外，该城市的基础设施对于热浪威胁非常脆弱，而且它对于热浪威胁有些悠久的历史。早在1978年，埃利斯和纳尔逊在1978年报道了在1972–1975晚夏热浪的高死亡率。伯恩斯坦在1968年，观察在纽约的城市气候细微的影响，他的研究发现，在纽约城市核心逆温强度较弱，利希和他朋友在1971年也观察到了强烈的混合层在纽约指示更强的表面热通量。普莱斯在1979年利用卫星图像中识别出纽约和周边地区有17℃的异常区别。最近，加芬等人在2008年使用国家气象局观测发现在1900和2008之间，在纽约城市热岛的边际增长。在过去的一个世纪里，这一温和的气候变暖需对三分之一的城市总变暖负责。研究还发现，在这一时期，平均风速在纽约减半。盖兹曼等人在2003年也利用天气网络在纽约大都会区研究城市热岛尺度的影响。他的分析发现热岛在春冬平均增加3℃夏秋增加4℃。分析还强调了热岛在延缓和取代夏季海风的作用。除了观察分析，研究纽约热浪事件也进行了数据分析。梅尔等人在2013年模拟在纽约两极端热事件使用了耦合的海洋/大气中尺度预报系统（COAMPS）和突出的海风在白天气温在纽约的影响。罗森茨魏希等人在2009年用NCAR的中尺度模式（MM5）探索城市热岛的影响来寻找纽约相关的缓解策略。除了这些纽约中心的数值研究，数值模拟研究已在各种城市进行研究城市热浪的影响。这些研究已经共同表明，数值工具，可以有效地用于改善我们理解在极端高温条件下的城市小气候和寻找潜在的方法减灾。
图1 WRF模拟域。域的水平分辨率为9，3，和1公里。域3，中心在纽约，有159times;159水平网格点和60个垂直的水平。图右侧的变焦在区域3，标注地物，进行模拟
我们的研究集中在纽约，将重点了解天气中尺度的热浪和微尺度效应的相互作用，这项研究也将突出显示当前城市数值模拟的进展。这种分析将使用最先进的天气研究与预报的状态（WRF）模型来模拟在2006年7月的热浪事件。在这项研究中，使用了一个版本的WRF模式修改，更好地代表城市小气候的两条主要途径：（1）基本单层城市冠层模型是由普林斯顿U代替城市峡谷模型（PUCM）包括水文过程和城市通量水平异质性更现实的表现；（2）占主导地位的方法，用来确定一个单一的土地利用范畴中WRF在每个网格点，是用拼接方法，解决了从多个土地利用类型中土地-大气交换，在每一个网格单元使用类别，以及分数的单元平均所产生的通量。在WRF提出组合进行了专门研究，因此，这是第一个评价的模型，同时利用了这两种改进中的应用，这两者都是对城市小气候的精确建模的关键。在2006年7月中旬（16-18）和另一个在8月初（1-3）的两股热浪集进行检查。在此期间，平均每天空气温度从28.8增加到35°，由于自然原因的死亡率增加了8%。分析将集中在天气尺度热浪集与城市热岛如何互动，同时检查城市热岛效应的物理机制和气候因素。
2.建模框架
该WRF-ARW（ARW代表高级研究WRF）模型是用于这项研究。WRF是非静力原始方程模式，对各种参数的多个选项。图1显示了三个单向嵌套域热浪事件的高分辨率仿真随着9、3水平分辨率的网格，1公里和60个垂直层次集中在纽约。模拟是由北美地区再分析（NARR）在6小时的时间间隔的数据和2006北美的土地利用分类数据（NLCD）用来确定土地利用类型和表面性质。下面的物理参数化方案进行研究：（1）的快速辐射传输模型方案的长波辐射，（2）杜西亚的短波辐射方案，（3）横向扩散二维司马格林斯基方案，（4）非城市表面镶嵌的诺亚土地表面模型，（5） Mellor-Yamada-Janjic PBL 方案和修改后的zilitinkevich关系热粗糙度的参数，(6) PUCM 美国东北部城市材料代表的热表面性能及其校准。参数化方案在模拟中不使用，因为在这里不需要采用高分辨率。实验开始于7月12日当地时间0时，和一个24小时的热身期之前的数据收集分析。
如上表示是模拟利用城市参数表征方法。在WRF中默认的单层城市冠层模型（SL-UCM)被PUCM替代。PUCM类似于SL-UCM，基于日下等人开发的能量交换框架。然而，PUC每个面（墙，屋顶，或道路）可以进一步细分为多个层。例如，用户可以指定白色/黑色/绿色屋顶部分，砖或混凝土墙，混凝土/沥青/植被的地面。多个层面可以具有不同的物理和热性能模拟。在PCUM的另一个重要的改进是通过更现实表达的水文过程，包括了峡谷植被土壤和水防渗材料的存储容量。PUCM加上WRF先前已经测试，并产生更好的结果相比于默认的UCM（我们也应该注意到，在WRF的许多PUCM功能的最新版本是包含在默认SL-UCM现在可供使用的代码公开发布）。
除了替换默认的UCM，WRF模拟使用拼接方法计算地表通量作为反对使用默认WRF-ARW模型主导的分类方法。使用拼接方案，而不是固定一个单一的占主导地位的土地使用类别中的网格单元中作为唯一类别，从最常见的n（n可以从1到15，并增加作为一个在WRF名单文件输入），网格求解然后分数相加计算总排放到大气中的土地利用类型。拼接方法是城市建模在大多数城市地区的土地利用类型，即使在1公里的网格间距，是高度可变的，也可能不一定是一个占主导地位的土地类型。在NLCD 2006，城市分为三类：低强度（50%建盖），中等强度（90%建盖）和高强度（95%建盖）。例如，在曼哈顿市一个网格单元的土地利用类型如下：39%高强度的城市，22%个中等强度的城市，20%低强度的城市，绿化覆盖率10%和9%水。在默认的方法，WRF将承担所有的网格单元的面积由高强度的城市。在拼接的方法，WRF将解决所有五个土地使用类别，保持上方的空气中，均匀网格单元，并将分部添加计算通量。而默认的方法是适当的区域尺度建模（36公里- 10公里），拼接的方法更适合于更精细的决议，集中在城市的变异长度尺度的表面急剧减少。拼接方法也提高了从不同的土地使用类别的通量，而不需要进一步提高模型的分辨率，它模型的表面参数，如温度，通量和土壤水分的高分辨率的土地利用图，从而降低了计算成本。
3.模型评价
WRF-PUCM对地面自动气象观测系统（ASOS）原位地观测和中分辨率成像光谱仪（MODIS）卫星数据模拟评估。图2比较了MODIS地表温度的模拟与美国东部时间7月24日11点30的皮肤温度形成的模型，以及在捕捉白天的表面温度。在商业和高强度的城市地区为主的区域发生的热点（长的岛，下曼哈顿和新泽西东部）是复制的模型（在布朗克斯的热点似乎低估了）。该模型还捕捉到冷点，在落叶植被占主导地位的西北地区的一部分。在地表温度梯度，我们从城市到郊区和在农村地区，模拟发现，纽约市中心到农村地区地表温度下降从313 K到297 K。模型的结果与在纽约的ASOS气象站数据进行比较。图3和图4的对比模拟和ASOS测量2米的空气温度和在中央公园（曼哈顿）和约翰甘乃迪（JFK）机场（布鲁克林）ASOS位置的相对湿度。该模型捕捉到的整体趋势，在空气温度和相对湿度非常好（参见图中的根均方误差）。特别是在热浪事件中，该模型遵循的观测非常密切。这部分原因是由于热浪发生在晴朗的天空没有任何云层或正面干扰。当天气系统扰动时，通过正面通道或其他非局部影响，预测值与观测值之间的差异会增加。根为2米的空气温度和相对湿度对整个时期在中央公园站均方误差分别为2 K和10%，，而在肯尼迪站均方根误差分别为2 K和12%。在众多的参数化和城市地区的异质性和复杂的形式，PUCM-WRF模拟很好地再现城市气候，可以用来进一步对城市极端高温动态的认识。我们还想指出，这些模型评价结果与数值模拟研究，在纽约地区进行了大量的改进。
图2比较MODIS卫星观察到WRF模拟（1公里分辨率）。黑盒指农村参考我们稍后将用于计算城市热岛效应，这是约70公里从市中心纽约和落叶阔叶植被为主。农村的参考平均海拔100–海拔150米
4.结果与讨论
我们在此讨论了两个热浪事件对纽约热环境的作用，也扩大了对热岛效应的影响。4.1和4.2小节分析热浪事件中的表面条件。在4.1子节热岛作为量化指标显示热浪的影响。第4.3节分析如储热能力，次级环流的各种因素，以及土壤水分亏缺影响城市热岛效应。
4.1城市热岛和热浪
2006年7月和八月，纽约城经历了两个主要的热浪事件：一个在7月17日到7月19日，一个在8月1日到8月3日。一个热浪的定义是不明确的和位置模糊的。它也与人类健康影响和热相关的疾病密切相关。在这篇文章中，热浪被定义为长期（三天以上）时，日最高温度再超过306K（超过华氏90°）。七月热浪期间，美国大部分大陆是一个巨大的高压区，导致在纽约地区形成一个高压脊。结果，该地区也经历了比正常较低的风速。在8月的热浪小插曲中，一个占主导地位的优势面和上一级高压脊导致在城市上空出现晴朗的天空和温暖的天气。在这期间，7月13日和8月9日之间，平均通用电气（全天）在纽约最高和最低温度，分别为304 K（87°F）和296 K（73°F）。这些值在正常的2K以上，在2个热波期间的温度更高，如图3所示。在第二次热浪期间，拉瓜迪亚机场站连续三天的最高温度达到311K（100°F）。在这个总的时期，在纽约总降水量小于6毫米，而正常的平均值约为80 mm。
图3模拟评估基因2米的空气温度对ASOS的观察。前面板（一）中央公园站，底部面板（B）JFK机场站
图4模拟评估基因2米空气相对湿度对ASOS的观察。前面板（一）中央公园站，底部面板（B）JFK机场
可视化的表面条件，2米温度轮廓和域3米风矢量如图5所示。快照的系列描绘表面条件的演化过程中的F热浪从2006年7月16日标准时间4时，到2006年7月18日标准时间19时。2016年7月16日4时（夏时0时）热浪开始前，在纽约平均约为24°C和降低2米温度作为一个远离城市的中心。当时该地区周围的城市平均约22°C；在域
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