苏州市城市热岛与边界层结构的研究外文翻译资料

 2022-12-09 10:52:50

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苏州市城市热岛与边界层结构的研究

张宁，朱莲方，朱焱

南京大学大气科学学院，江苏 南京210093

摘要:从2007年8月1号到7月25号，在一次苏州市高温天气事件中出现了一次强烈的城市热岛（UHI）过程。出现本文分析了在这次高温事件中苏州市的城市热岛特征。该地区的气象站观测和卫星观测显示一个强大的城市热岛。在这次高温事件的最大热岛强度是2.2℃，远远大于今年夏季的平均1.0℃以及37年(从1970年至2006年)平均0.35℃，天气研究和（WRF）预报模型的仿真结果表明该地区快速城市化过程中将会增加城市热岛强度，水平分布和垂直延伸，热岛空间分布扩大随着城市规模的增加。在下午时段，2006年度城市土地覆盖比1986城市土地覆盖在这个城市热岛的纵向延伸增加约50米，从农村土地利用到城市土地类型的转换加强本地区的湖陆风环流，也改变了垂直风场。

关键词：城市热岛；高温天气；数值模拟；城市边界层

1 引言

世界各地的城市化迅速蔓延，居住在城市地区的人口的比例继续增长。联合国的一项研究发现，到2050年,在全球，相比2005年的48.6%，居住在城市的人口将达到69.6％,在中国,相比2005年的40.4%，居住在城市的人口将达到72.9％，(2007年世界城市化前景,联合国出版社,可以在http://esa.un.org / unup查找到)。。

快速城市化进程引发了全球社会面临的一个关键问题:城市环境对人体健康的影响。加速的城市化和环境的危害，导致更多的直接和间接的与天气有关的事故和死亡以及重大的经济损失（Changnon，1992）。例如，1995年在芝加哥发生的热浪具有破坏性影响（Changnon，1996；等，1996）。不幸的是，热浪的频率和强度可能在未来会增长（Meehl andTebaldi，2004），城市化进程可能导致市区热浪频发（Tanet al.，2008；Meng et al.,2010）。许多城市已经实行热表预警技术，用来缓解热浪的影响（EBI et al,2004）。

城市化通过对风的扰动、温度、湿度、和湍流，改变了表面辐射和动力学特性，对地表与大气之间的热量和水分交换产生影响，进而改变城市地区的大气属性，尤其是行星边界层（PBL）结构。城市热岛（UHI）现象表现为在一个城市及其周边农村地区有明显的温度对比,，是一种突出的城市效应。Roth andOke（1995）提出一个全面的早期的研究，观察城市热岛效应的特点、原因和影响。Grimmond（2006）和Souch，Grimmond（2006）回顾了最近几年的具有代表意义的城市气候研究的成果。这些作品在对城市结构差异的识别（材料和形态），排放，和当时的气象和气候条件有明显的空间差异,城市之间的内部结构。

通常情况下，当在夜晚，城市热岛更明显，表现为城市测量的温度比农村的温度要高。此外，城市热岛效应的大小取决于在一个城市的位置。例如，人造建筑与天然植被的导致的热容量的差异，导致城市核心区的温度高于郊区，（martilli et al.，2002；martilli（2007）张，等人（2005）报告说，在中国，城市化和土地覆盖的变化导致可观察到日平均温度增加了0.12 K（10yr）-1，日最低温度增加了0.20K（10yr）-1，和日最高温度增加了0.03 K（10yr）-1。大风，云，或破坏冷却城乡之间的温度差异会减少城市热岛效应（Kidder and Essenwanger，1995）而在风和日丽的天气，城市热岛效应最优（Luet a，1997a，B；menut et al.，1999；Ungeret al.，2001）。在高压系统控制下的夜间，城市热岛表现的最明显。城市热岛效应已在世界范围内得以证实，如墨西哥市（okeet al.，1999），图森市（Comrie 2000），凤凰（Fas等，2005）、纽约市（Childs and IZaman，2005；Gaffinet al.，2008），北京（Jiet al.，2006），和上海（Chen et al.，2003）。除在大城市，在相对较小的城市，城市热岛现象也已经被观察到的。

当城市热岛空间尺寸足够大的，城市热岛效应也可以触发中尺度环流（城市热岛环流）。Tang and Miao（1998））已经在长江三角洲的模拟城市热岛效应和记录城市热岛和城市热岛环流的相互作用。在LES（大涡模拟）的理想城市模式中，王（2009）比较了流动结构和由城市热岛效应引起的中尺度环流特征，尤其是在零风条件，城市热岛的空间大小对气流和湍流特征明显的影响。。

城市化将有植物覆盖的表面变成有起伏的建筑物的表面，造成城市地表粗糙度的增加，在城市地区。建筑物的摩擦和阻力会降低城市地区的近地表风速。这个areodynamical禁令涵盖由起义建筑物表面粗糙度增加，在城市地区。建筑物的摩擦和阻力会降低城市地区的近地表风速。这种空气动力学效应已经在许多城市的观察被发现(e.g., Gao and Bian, 2004; Xu et al., 2009, Zhang etal., 2009). Miao et al. (2009)模拟北京的建筑物对城市边界层结构，和边界层模式的形态特征的影响。 Zhang et al. (2010)发现，在长江三角洲流域的城市化地区，城市化可能不仅在城市地区而且在区域尺度上会导致超过50%的风速损失。

在我国，随着经济的快速发展，城市化进程加快。城市热岛效应已在许多城市中被发现，但大部分的研究都集中在大城市如北京、上海等地，许多新开发的在中国城市化进程和经济发展中发挥巨大的作用城市，如苏州、的城市热岛效应的研究正在开展。IZong et al. (2009) andZhu and Zhu (2009)从气象站观测资料和卫星遥感卫星观测分析了苏州市城区热岛效应，发现了城市热岛的频繁出现在这个区域。目前的工作目标是在2007年夏天的炎热天气，利用常规观测资料和卫星遥感量化苏州市城区热岛强度，以及利用wizf模拟城市土地利用变化对城市热岛的影响（天气研究与预报）模型。

2研究领域和天气背景

2.1苏州市

苏州市位于长江三角洲中部，是中国最发达、最快速发展的地区之一（图1），苏州属于受东亚季风的影响下典型的潮湿的亚热带海洋性气候。苏州地区的年平均温度17℃；年降水量约1000毫米。

在过去的30年里，苏州市经历了快速的城市化发展。人口从1970年的468万，增加到2007年的624万，GDP（国内生产总值）从1970年的15亿元增加到2007年的5700亿元。城市面积也随着经济的快速发展而增加。图2显示了城市建成区的苏州市在1986年、1995年、2006年Landsat5卫星观测。快速的城市化进程也提高城市热岛效应。

图1。苏州市的位置和研究区域。

（a）3层嵌套的WRF模式。

（b）在WRF模拟域内，正如如图2所示，数据是根据Landsat卫星观测更新，点线框是土地覆盖变化的范围，圆代表苏州市的位置。

图2 从卫星观测来看苏州市的土地覆盖变化（a）1986年；（b）1995年，和（c）2006年（红色代表城市建成区；蓝代表水；黄代表农村土地）

2.2天气背景

在2007年7月底8月初,在苏州发生炎热的天气事件，持续了大约二十天。苏州气象台观察到2007年7月平均气温为30.3℃,然而7月平均温度在正常年份只有27.9℃;在2007年8月,月平均气温29.8℃相比正常的年每月平均值为27.6℃。7月28日和29日和8月的头两天在苏州车站观察到的最高温度达到39.3℃,这是历史上观测到的最高温度。

这炎热的天气是由一个副热带高压区的持续影响造成的。利用NCEP再分析资料，图3显示了500 hPa天气背景在2007年7月25号1200 LST和 2007 年8月1号1400LST。两个典型的天气条件，引起了长江三角洲地区的炎热天气。（1）在七月末，长江三角洲受到一个稳定的副热带高压和暖中心（在500 hPa气压场温度ge;-3℃）出现在这个区域。（2）在八月初由于台风天兔的影响炎热的天气持续。副热带高压区分为2个部分，西部控制长江三角洲，使得炎热的天气继续。

图3.NCEP再分析资料的天气背景条件（a）2007年7月25号的1400LST（b）2007年8月1号的1400LST。点线显示的是500 hP高度场，灰色阴影显示的是500 hPa温度场。

图4从1970年-2007年在苏州台和昆山，常熟站之间在2m高度的温度差

3观测城市热岛强度

3.1强度的日变化

城市热岛强度通常被定义为城市地区和农村地区的近地表温度差。选择合理的站来计算的热岛强度对气象站的观测是十分重要的（izong et al.，2009）。特别是估计历史上城市热岛效应，因为在城市地区太少的观测，确定真正的热岛强度是困难的。在苏州站（作为城市站，这是有着长期的观察历史并且离苏州最近的的测站，但这并不能够的代表城市气象条件）和常熟站和昆山站（作为农村站）之间的年平均表面温度差

从1970年到2007年，如图4所示。尽管监测城市热岛的台站的代表性不够好，随着城市化的进程，过去的37年里在这个地区的温差也有明显增加的趋势，。增长率约为0.004℃yr-1。在1990年附近出现急剧降低的温度差，可能的原因是，常熟观测站搬迁，当时由于观测环境的变化。30年的长期观测分析表明，空气温度差很弱；只有在早上的0.1℃和下午的0.35℃（图5）。

随着2007年在苏州市自动气象观测网成立以来，在苏州市越来越多的自动气象站已建成（气象站位置图6所示）。这些台站在城市地区提供更多更好的观测。本文中的城市热岛效应是指在城市地区的所有站和其他站的观测之间的温度差（如图2所示）。如上所述，在晴朗的天空条件下，城市热岛效应更加明显。在这个高温时段（2007年的7月25至8月5日 ），苏州地区观测到一个强大的城市热岛。由于快速的城市化进程和在城市地区更多的观察研究，2007夏季在苏州站和常熟站，昆山站之间的热岛强度的年平均温差比37年平均温差更强。在这次高温事件，城市热岛效应比2007年的整个夏季平均热岛强多了，城市热岛强度有更大的变化。在这次高温事件中的热岛强度变化幅度从0.1℃~2.2℃相比整个夏季的平均温差变化0.4℃~1℃，在这次高温事件，平均热岛强度为1.2℃，最大为2.2℃，最低是0.1℃和日常的偏差为0.7℃。整个2007年夏季平均的平均热岛强度为0.7℃，最大为1℃，最低是0.4℃和日常的偏差为0.15℃。

高温天气事件时期和2007年夏季平均的热岛强度日变化具有相似的变化趋势。最大值出现在傍晚，和最小值在清晨出现。第二峰值出现在日出前后（约0500 LST）。

图（5） 图（6）

图5。城市热岛强度日变化。点代表从1977到2007年平均30年值；实线（高温）代表在城市和乡村站空气之间的182天（2007年的六月，七月，八月）平均温差值，点线（2007年的夏季）代表这次高温事件发生的10天（2007年7月25到8月5号）在城市和乡村站空气之间平均温差值。

图6。从2007年7月25号到8月5号的常规气象站和自动气象站（点代表站的位置）观测到城市热岛的平均空间分布情况。

图7。从2007年7月25号到8月5号，MODIS观测白天平均表层温度（空白表示缺失值）。

3.2城市热岛的空间分布

图6显示的是这次高温事件的平均近地表温度（在2米的温度），数据来自41个气象站，图中的点代表这些台站的位置。近地表温度场在苏州市中心有一个暖中心，在农村地区的温度下降。在城市观测站的平均气温高于33℃；农村观测约29℃ - 31℃。最低的温度，出现在靠近的太湖的东山站，约28.5℃。城市热岛中心也出现在苏州的市中心。平均热岛强度在1.1℃，最大热岛强度2.2℃，城市热岛的空间偏差为0.6℃。

从MODIS卫星观测到的地表温度也显示在暖中心在城区。图7显示了高温时期在白天MODIS观测到的平均表面温度（在这一时期，只有白天MODIS观测是有用的）。MODIS地表温度分布非常接近城市建成区的分布如图2所示。在苏州市的中心表面最高温度超过45℃。农村地区的表面温度在35℃- 30℃，水域的表面温度均低于33℃。城市热岛分布和表面的温度分布趋势相似。最大偏差出现在市中心为5.6℃；表面温度偏离空间差为2.9℃。

城市热岛效应和地表温度的空间分布在城市的建筑集中区有高峰值区分布；高值区分布在城区的西北向和东南方向。气象站观测和MODIS卫星观测都表明，在这次高温天气事件中，更炎热的天气发生在城市中心。

图8 图9

图8. 从2007年7月25号到8月5号WRF模拟高度为2m的平均温度。

图9.从2007年7月25号到8月5号WRF模拟白天平均表层温度。

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