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毕业论文
英文翻译
高温天气条件下城市热岛的WRF模拟：
中国杭州市案例研究
陈锋a，杨续超b,a,*，祝炜平c,d
a浙江省气象科学研究所，杭州 310008
b浙江大学海洋学院，杭州 310058
c杭州师范大学科学学院遥感与地球科学研究所，杭州 311121
d浙江省城市湿地与区域变化重点实验室，杭州 311121
摘要：通过天气研究与预测（WRF）模型和城市冠层模型（UCM）以1km的水平分辨率模拟受长时间热浪影响下的位于华东地区的杭州的城市热岛（UHI）效应。基于卫星测量的夜间灯光数据和归一化差异植被指数，采用人类定居点指数表示当前城市土地覆盖，并在UCM中定义三个城市土地子类别。进行了三个代表不同城市化情景的数值模拟，和一个用农田替代了所有城市地表的理想模拟。采用最新的城市土地利用数据，结合WRF / UCM模型合理地再现了模拟时段内杭州2m温度场已观测到的大部分时空特征。在实际测量和模拟中都观察到可以引起经历极端热应激的区域的强化和扩张的强UHI效应。在模拟中，观察到在高度城市化条件下市中心的平均气温上升0.74°C。在当地时间19时大概日落时，UHI峰值达到最大值1.6°C。地表能量平衡分析表明，UHI主要是由于城市建筑物白天大量储热，晚上释放出这些热量。四项敏感性评估结果的比较表明，城市土地利用，三类城市土地类别分类和人为热释放量分别为模拟的UHI效应贡献了56.8%(0.42°C)，13.5%(0.10°C)和29.7%(0.22°C)。
关键词：城市热岛；数值模拟；WRF / UCM建模系统；杭州
1. 介绍
与城市化有关的土地利用和土地覆被变化对气候有重大影响（Seto and Shepherd, 2009）。当地气候的城市变化的表现中被研究得最多的是城市热岛（UHI）。城市地区的气温往往高于自然环境，在夜间尤其如此（Arnfield, 2003; Landsberg, 1981; Oke, 1987）。UHI在无风晴朗的夜晚最为明显（Parker, 2010），其主要影响因素包括：（1）地面物理特性的变化，如反照率，辐射率或热导率，由非渗透性表面取代天然植被导致地表能量平衡变化而引起；（2）更高的人为热释放（AHR）；（3）城市地表蒸发量减少；和（4）归因于街道和高层建筑的复杂几何形状的近地表流动的变化。
本文的第一个目的是为了证明WRF / UCM模型系统用最新的城市土地利用数据可以准确模拟杭州处在热浪中时城市温度最新的城市土地使用数据。通过模拟杭州UHI的案例分析，比较了高密度自动气象站（AWS）网络对城市进行测量的2米空气温度，证明了这一主张。高密度网络确保高分辨率观测2米温度场，以匹配高分辨率WRF / UCM模拟。据我们所知，这项研究是第一个使用这种密集观测站点来描述UHI的空间特征，并用中国观测结果对建模结果验证。本文的第二个目的是调查城市发展在多大程度上导致以极端温度为特征的地区的扩张和加剧。第三个目的是评估更新的城市土地利用数据和AHR对模拟UHI效应的相对贡献。本文的结果可以揭示城市化对城市极端热浪的影响。了解城市化对近地表气温和相关过程的影响在杭州特别重要，以改善高温预报，提高城市经常在夏季经历热浪的适应能力。
2. 数据来源和方法
2.1研究区域
杭州位于长江三角洲的中南部。杭州是亚热带湿润气候，四季分明，夏季长，非常炎热，潮湿，冬季寒冷，多云，干燥，偶尔有雪。这个城市的年平均气温是16.5°C，各月日平均气温最低从1月的4.3°C到最高7月的28.4°C。全市平均年降雨量1450毫米。
作为长江三角洲城市群的重要组成部分，自1970年代末经济改革以来，杭州城市化快速发展。全市非农业人口从1978年的116万增加到2011年的376万，同期的GDP从人民币28亿元增加到了7909亿元。快速而广泛的城市化发生在经济增长和工业化方面，特别是在过去十年（Liu et al., 2011）。如此巨大的城市扩张伴随着建筑面积的增加和人的活动的不断增加，引起下垫面性质的显著改变，从而显著增强了UHI的效果。
2.2 天气背景
本研究选择2009年7月8日至7月22日的典型持续热浪。这种热浪是由西太平洋副热带高压的持续性影响引起的，西太平洋副热带高压通常是通过500 hPa的588dgpm等高线确定的（Wang et al., 2002）。图1显示了500 hPa地势高度和850 hPa风场和相对湿度下研究期间确定的平均天气条件。这个时期的特点是天气稳静，低风速，以及云量有限，没有降水这有利于UHI的发展。因此，所选择的周期适合于测试WRF / UCM模型系统用于再现预期UHI现象的的能力。
图1 来自FNL再分析数据的研究期间平均天气模式，在500 hPa地势潜力高度（实线）处850 hPa下的风速（箭头）和相对湿度（阴影）。588-dgpm的红色廓线表示西太平洋副热带高压西部边界。十字表示杭州的位置
2.3 模型调试
本研究使用了WRF 3.2版模型（Skamarock et al., 2008）以及复杂的单层UCM（Kusaka et al., 2001; Kusaka and Kimura, 2004）。使用了三个单向嵌套域，分别为60times;60，101times;101，121times;121个网格点和对应的25，5和1 km的网格间距（图2a）。最里层的域充分覆盖了杭州及其周边郊区和农村地区，其中心坐标120.16°E / 30.25°N（图 2b）。垂直网格包含从表面到50-hPa的27个全sigma;水平。这些水平中大约八个低于1公里，从而在行星边界层内提供精细的垂直分辨率。
WRF / UCM建模系统初始化为2009年7月8日的0000 UTC（0800 LST），整合336小时，直到2009年7月22日的0000UTC。初始和侧向边界条件取6小时间隔的自国家环境预测中心（NCEP）全球预报系统最终分析（水平分辨率1°times;1°）。
2.4 更新城市土地使用数据
WRF模型中使用的默认土地利用数据（USGS 24类）基于从1992年至1993年获得的1公里先进超高分辨率辐射计数据。2004年获得的基于1公里中等分辨率成像光谱仪（MODIS 20类）数据被认为是过时的，因为它不能表现中国过去十年的快速城市扩张（Kuang et al., 2013）。此外，USGS 24类和MODIS 20类土地利用数据只考虑一个城市土地类别，因此不能再现城市地区的不均匀性造成的城市对当地气候的影响。在本研究中，使用HSI获得最新的城市土地利用数据，并在UCM（即CIT，HIR和LIR）中指定详细的城市土地利用类别。HIS数据来自于夜间灯光影像和归一化差异植被指数（NDVI）（Lu et al., 2008）的结合，如等式（1）。
其中，OLSnor是2009年的国防气象卫星计划/动态线扫描系统(DMSP/OLS)图像归一化的值(Elvidge et al., 1997, 1999, 2001)。选择20为临界值以最小化高光溢出效应，这种效应是DMSP/OLS夜间影像的一种现象。OLSnor是2009年DMSP/OLS夜间灯光影像的最大值。
图2 （a）用于数值模拟的三个嵌套域; 最内层的土地使用的运行方式：（b）URB1，（c）CROP和（d）URB2。（b - d）中的虚线矩形显示杭州的中心
HSI用于将杭州城市土地划分为以下子类别：（1）HSI值ge;第 80百分位数的像素代表CIT区域；（2）HSI值在30和80百分位数之间的像素表示HIR区域；和（3）HSI值le;30的像素表示LIR区域。MODIS 20类土地使用数据更新为新的城市土地覆盖数据，以代表杭州的最新的城市化情况。非城区土地利用分类没有做修订。
表1 实验设计
|
Cases |
Urban canopy |
Land use categories |
Anthropogenic heat release |
|
CROP |
No |
20 (MODIS) |
No |
|
URB1 |
Yes |
33 (MODIS LIR HIR CIT) |
Yes (90, 50, and 20 W/m2) |
|
URB2 |
Yes |
33 (MODIS LIR HIR CIT) |
No |
|
URB3 |
Yes |
31 (MODIS LIR) |
No |
2.5 数值实验
为了研究USCU和AHR对UHI的相对影响，我们设计了具有不同城市化情景的三个灵敏度模拟。还进行了用农田替代的整个城市地表的理想模拟，以估计当地气象学的城市增量（表1）。这种非城市的模拟使用MODIS土地利用数据，城市土地被附近的植被类别替代，在这种情况下主要是农田（以下简称CROP模拟）。进行的敏感性实验如下：（1）基于更新的城市土地覆盖数据与三个附加子类别和相应的AHR（以下简称URB1模拟）的实验; （2）基于更新的城市土地覆盖数据具有三个子类别，但没有AHR（以下简称URB2模拟）的实验; （3）基于更新的城市土地覆被数据的另一个实例，其中CIT和HIR被没有AHR的LIR替代（以下简称URB3模拟）。物理方案在所有模拟中保持不变。UCM采用默认配置。
2.6 观测数据
从2005年到2006年，杭州市区部署了一个密集的AWS网络。来自147个AWS的逐小时温度记录用于验证模型，其中56个AWS收集了第三域中的相对湿度观测值。所有数据均获自浙江省气象厅，并在广泛的自动化质量控制下进行了评估。水汽压基于2 m温度和相对湿度计算（Gu et al., 1994）。然后使用反向距离加权法将来自密集AWS网络的2米空气温度，相对湿度和水汽压插值到第三域。
3. 结果
3.1 模型验证
为了验证开发建模系统的性能，我们选择了最接近实际城市化条件的情况的URB1模拟的结果与来自AWS网络的实际观测结果进行比较了。从考察期间的平均和最低温度（图3 a1和c1）可以观察到，杭州城区UHI效应的发展到了东南方向的绍兴。这一观察结果与图2 b 所示的城市不同土地覆盖面非常一致，代表城市土地利用特征的印记。对于最大温度测量，没有发现明显的UHI信号（图3 b1）。
表2 Comparison of the simulated and observed 2-m temperatures and vapor pressures averaged over the 14-day period in Domain 3. OBS: observation, MEAN: mean value, STD D
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