南京復(fù)雜下墊面條件下的三維城市熱環(huán)境模擬

王詠薇,任俠,翟雪飛,劉壽東,王成剛

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南京復(fù)雜下墊面條件下的三維城市熱環(huán)境模擬

王詠薇①②*,任俠①②,翟雪飛①②,劉壽東①,王成剛②

① 耶魯—南京信息工程大學(xué)大氣環(huán)境中心,江蘇 南京210044;

② 南京信息工程大學(xué) 大氣物理學(xué)院,江蘇 南京 210044

2011-06-08收稿，2014-05-28接受

國家自然科學(xué)基金資助項目(41005012);江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項目(PAPD);長江學(xué)者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃

摘要運用WRF模式,選取考慮城市冠層結(jié)構(gòu)(UCM算例)及不考慮城市冠層(NOUCM算例)兩種城市下墊面參數(shù)化方案,對南京2010年夏季晴天小風(fēng)典型天氣條件下的城市熱環(huán)境以及不同下墊面的邊界層特征進行了模擬研究。結(jié)果表明:1)UCM方案模擬結(jié)果與實際情況較為吻合。其中2 m氣溫的模擬有較大的改進,模擬結(jié)果明顯高于NOUCM方案,與觀測更為吻合,同時更好地模擬出了冠層建筑物對于近地層風(fēng)速的拖曳,10 m風(fēng)速的模擬有非常明顯地提高。2)UCM方案較好地模擬出了城市的三維熱島分布。由于建筑物地表對輻射的截留,白天14時(北京時間,下同)熱島較強,地面2 m高度處熱島范圍較大,熱島面積大約為120 km2,強度為2 ℃。同時建筑物的存在使得城市湍流動能更大,向上的垂直擴散增加,距地面20 m時,依然能看出明顯的熱島效應(yīng),熱島強度為1.5 ℃。距地面55 m處,UCM模擬所得的熱島范圍縮小,熱島強度為1.1 ℃。UCM模擬所得的白天地表熱量的擴散影響可達143 m,02:00 2 m處熱島最強為2 ℃,熱島影響也可達70 m以上。3)不同下墊面呈現(xiàn)出了不同的邊界層特征,城市冠層結(jié)構(gòu)對周邊下墊面邊界層結(jié)構(gòu)存在程度不等的影響,14:00城市區(qū)域的湍流混合更強,城市邊界層高度升高100 m左右,02:00,城市冠層結(jié)構(gòu)的存在,導(dǎo)致近郊莊稼下墊面及紫金山植被下墊面的穩(wěn)定逆溫層結(jié)明顯減弱。

關(guān)鍵詞

WRF模式

城市冠層結(jié)構(gòu)

三維熱島

復(fù)雜下墊面

城市化進程的加劇,對城市氣候有著深遠的影響(Grimm et al.,2008),由其引起的城市熱島現(xiàn)象已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注(蔣維楣等,2010)。近年來,不斷有各國學(xué)者投入到這一研究領(lǐng)域中,如Bornstein and Lin(2000)對美國亞特蘭大的城市熱島效應(yīng)研究,Yoshikada(1992)對日本東京的城市熱環(huán)境研究,劉紅年等(2008)、倪敏莉等(2009)、司鵬等(2010)、趙小艷等(2009)、董良鵬等(2014)對我國城市熱島效應(yīng)的研究。該研究領(lǐng)域的一個重要進展是將城市冠層引入陸面過程進行城市熱環(huán)境的氣象研究。Oke(1987)首次提出城市冠層(Urban Canopy Layer)的概念,將城市冠層與城市邊界層劃分開。根據(jù)Oke的定義,城市冠層為從地面到建筑物屋頂?shù)倪@一層,它與建筑物高度、幾何形狀、密度、建筑材料、街道寬度和走向等關(guān)系密切;城市邊界層則是從建筑物屋頂?shù)椒e云中部高度這一層,它與城市冠層存在著物質(zhì)、能量交換。城市冠層的存在會影響到城市大氣熱力過程和動力過程,從而影響城市邊界層結(jié)構(gòu)。

大量研究工作隨著冠層概念的提出而展開,Masson(2000)提出了一個較復(fù)雜的能夠預(yù)報城市路面,墻面和屋頂溫度的城市能量收支參數(shù)化方案TEB(Town Energy Balance Sheme),隨后Kusaka et al.(2004)等學(xué)者將此方案進行了優(yōu)化和完善。Kondo and Liu(1998)、Kondo and Kikegawa(2003)、Kondo et al.(2005)、Martilli et al.(2002)、王詠薇和蔣維楣(2009)建立了多層冠層模式,考慮引入了三維建筑物分布,提高了城市區(qū)域氣候模擬性能。Martilli(2009)則在建立多層冠層模式的工作中,提出了引入實際城市的建筑物形態(tài)學(xué)的技術(shù)方案,進一步促進了城市冠層參數(shù)化研究進展。

圖1　模擬區(qū)域地形高度分布及下墊面類型(下墊面類型圖例說明:1城市;2干旱農(nóng)作物和牧場;3草地;4灌木;5混合灌木草地;6熱帶稀疏大草原;7落葉闊葉森林;8落葉針葉森林;9常綠闊葉林;10常綠針葉林;11混合森林;12水體;13草本濕地;14木本濕地;15冰雪)　　a.地形高度(單位:m);b.MODIS下墊面類型Fig.1　The (a)terrain height(units:m) and (b)MODIS land surfaces types of the simulation region (land surfaces categories:1,urban and built-up land；2,dryland cropland and pasture；3,grassland；4,shrubland；5,mixed shrubland/grassland；6,savanna；7,deciduous broadleaf forest；8,deciduous needleleaf forest；9,evergreen broadleaf forest；10,evergreen needleleaf forest；11,mixed forest；12,water body；13,herbaceous wetland；14,wooded wetland；15,snow or ice)

雖然當(dāng)前城市冠層模式研究尚處于冠層模式建立及驗證的階段,但有一個普適性的結(jié)論:城市冠層是影響城市環(huán)境及大氣運動數(shù)值模擬研究的一個不可或缺的物理過程(王詠薇等,2008)。因此,很多的學(xué)者將引入建筑物冠層熱儲影響的中尺度模式運用于城市熱環(huán)境的研究,如Zhang et al.(2008)用RAMS模式對中國重慶地區(qū)的城市熱島現(xiàn)象進行了模擬,Miao et al.(2009)用WRF模式對北京的城市熱島現(xiàn)象進行了模擬,蒙偉光等(2010)用WRF模式對廣州地區(qū)的城市熱島現(xiàn)象進行了模擬,宋靜等(2009)、宋迅殊等(2011)、葉麗梅等(2014)同樣利用WRF模式對南京地區(qū)的城市熱島現(xiàn)象進行了模擬。

目前,對城市熱環(huán)境的數(shù)值模擬研究工作已廣泛開展,然而對城市三維熱環(huán)境模擬分析還較少,本文選取我國長江三角洲地區(qū)典型城市南京作為研究對象,采用WRF-UCM進行了2010年8月1日20時—3日08時(北京時間下同)共36 h的數(shù)值模擬試驗,對南京城市三維熱島分布特征,及不同下墊面邊界層結(jié)構(gòu)等要素及其形成機理進行了詳細的分析,以研究復(fù)雜下墊面對氣象環(huán)境的影響機理。

1　模式及算例

采用WRF中尺度天氣數(shù)值模式,三層嵌套網(wǎng)格,網(wǎng)格距分別為9 km,3 km,1 km。最里層格點數(shù)100×100。模擬區(qū)域中心經(jīng)緯度為(118.46°E,32.02°N)。垂直方向按照σ位面分成不等距的43層,其中1 km以下14層。模擬采用MODIS高分辨的下墊面數(shù)據(jù),圖1所示為南京模擬區(qū)域地形高度及下墊面類型分布。

為了更合理地模擬城市三維熱環(huán)境,模擬中選用了MYJ邊界層方案及Noah陸面過程。城市冠層方案的選擇對于熱島的模擬至關(guān)重要,由于多層冠層過程能夠更好地結(jié)合冠層影響的動力及熱力過程,機理清晰等優(yōu)點,本研究算例之一選用WRF模式中多層冠層方案BEP方案,稱之為UCM算例,其中BEP方案的介紹參見Martilli et al.(2002)對多層冠層模式的研究。為了對比WRF模式中城市冠層方案的影響,另外進行NOUCM方案的模擬,即將城市考慮為平坦水泥平板,通過提高水泥平板的粗糙度以及改變熱屬性等進行城市下墊面的考慮。

2010年8月1—3日期間,南京進入三伏天,受副熱帶高壓影響,以晴到多云天氣為主,風(fēng)速較小,盛行下沉氣流,正午最高溫度達到了38 ℃以上。本文進行2010年8月1日20時—3日08時共36 h的數(shù)值試驗,對南京城市三維熱島分布特征進行模擬。

圖2　近地面溫度(2 m)及風(fēng)速(10 m)模擬結(jié)果與觀測值的對比　　a.光華東街站2 m氣溫;b.光華東街站10 m風(fēng)速；c.九中站2 m氣溫;d.九中站10 m風(fēng)速；e.瑞金小區(qū)站2 m氣溫;f.瑞金小區(qū)站10 m風(fēng)速Fig.2　Comparison of simulated and observed (a,c,e)2-m temperature and (b,d,e)10-m wind speed at (a,b) Guanghuadongjie station,(c,d)Jiuzhong station,and (e,f)Ruijinxiaoqu station

2　模擬結(jié)果驗證

首先應(yīng)用南京市自動氣象站觀測的逐時風(fēng)速、溫度以及熱島強度對模擬結(jié)果進行檢驗。分別選取南京光華東街站(118.80°E,32.03°N)、南京九中站(118.79°E,32.05°N)和南京瑞金小區(qū)站(118.80°E,32.03°N)作為代表站。

圖2為模擬與觀測的近地面氣溫(2 m)和風(fēng)速(10 m)的對比。將南京光華東街站、南京九中站、南京瑞金小區(qū)站觀測的氣溫與兩種方案模擬結(jié)果進行對比。從圖2a、c、e中可以看出,兩種方案模擬所得的2 m氣溫與觀測值趨勢變化基本吻合,最大誤差為2～4 ℃。進一步對比兩種方案模擬結(jié)果,UCM 方案的模擬結(jié)果與觀測更接近。在凈輻射收入最大時間10:00—16:00,UCM模擬的氣溫比NOUCM高2 ℃左右,主要是因為冠層方案考慮了建筑物對太陽短波輻射的多重反射作用,導(dǎo)致入射的短波輻射截陷在冠層以內(nèi),具有更多的輻射熱加熱大氣,近地層氣溫更高。夜間凈輻射支出在00:00—06:00時最大,UCM模擬所得的溫度同樣更高,與觀測較為吻合,其原因也是因為當(dāng)夜間城市地表凈輻射主要為長波支出時,冠層的多重反射作用使支出的長波盡可能地停留在冠層內(nèi),冠層內(nèi)輻射熱量的損失不至于太快,近地層的降溫幅度也較小,與模擬結(jié)果更為吻合。南京光華東街站,九中站,瑞金小區(qū)站三站的觀測氣溫與兩種模擬方案的對比結(jié)果都呈現(xiàn)出了上述相同的變化趨勢。

南京光華東街站,九中站,瑞金小區(qū)站三個站風(fēng)速觀測與兩種方案模擬結(jié)果的對比也呈現(xiàn)近乎相同的趨勢。UCM方案更加合理地考慮了建筑物對氣流運動的拖曳影響,在湍能方程及動量方程中都引入了考慮建筑物形態(tài)的影響項,同時近地層地氣交換計算過程中,奧布霍夫長的計算中也引入了城市冠層的影響,計算所得的風(fēng)速明顯優(yōu)于NOUCM方案。UCM模擬所得風(fēng)速大小和觀測較為一致,而NOUCM模擬結(jié)果在白天明顯大于觀測。由此可知,UCM 方案合理考慮了冠層結(jié)構(gòu)的動力及熱力效應(yīng),模擬結(jié)果更為合理。

圖3所示為兩種方案模擬及觀測所得熱島強度日變化分布。所得到的熱島強度是城市測站和郊區(qū)測站取平均作差得到的結(jié)果。由圖可見,觀測數(shù)據(jù)分析出的熱島強度夜間21:00達到極大值4 ℃,UCM方案模擬的為3 ℃左右,而NOUCM方案模擬的僅為1.5 ℃左右。從熱島強度變化趨勢來看,UCM模擬的城市熱島強度日變化趨勢平緩,與觀測比較吻合。NOUCM方案模擬的熱島強度存在明顯的日變化,且幅度較大,15:00—19:00熱島強度較大。夜間由于NOUCM方案中城市地表為平坦水泥板,白天吸收的熱量迅速釋放,熱島強度明顯降低。而UCM方案中考慮了建筑物對輻射的截陷效應(yīng),城市熱量損失速度較慢,熱島強度變化趨勢也較緩,與實際情況更吻合。在觀測數(shù)據(jù)中,16:00—18:00熱島強度較小,這可能與高大建筑物的遮陽作用以及氣溶膠有關(guān),蒙偉光等(2007)研究結(jié)果也有類似的過程。而在WRF模式的模擬中,由于冠層方案假設(shè)城市內(nèi)建筑物高度為統(tǒng)一高度,因此在輻射陰影遮蔽的考慮并不能完全和實際情況一樣,因此UCM模擬結(jié)果并無16:00—18:00的減小過程。

圖3　熱島強度模擬結(jié)果與觀測值的對比Fig.3　Comparison of simulated and observed UHI strength

通過以上模擬結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)的比較可知,采用WRF模式,選取UCM對南京近地層氣象環(huán)境的模擬性能良好,可以利用其結(jié)果進行南京三維熱環(huán)境特征的模擬分析。

3　南京復(fù)雜下墊面條件下的城市三維熱環(huán)境特征

3.1三維熱環(huán)境特征

圖4所示為NOUCM和UCM兩種方案模擬所得14:00三維氣溫分布。由圖4可見,UCM方案較好模擬出了14:00城市熱島分布,熱島結(jié)構(gòu)清晰,近地面2 m高度處熱島范圍較大,熱島面積大約為120 km2,強度較強,為 2 ℃。2 m高度上UCM模擬所得熱島面積明顯大于NOCUM方案,大約是其3倍,而由于NOUCM方案中不考慮建筑拖曳作用,水平風(fēng)速較大,將城市熱量水平輸送,模擬所得郊區(qū)溫度較UCM方案稍高,熱島效應(yīng)較弱,NOUCM模擬出的熱島強度為1 ℃。距地面20 m時,UCM方案中依然能看出明顯的熱島效應(yīng),熱島強度為1.5 ℃,NOUCM方案中的熱島范圍已明顯減小,熱島強度明顯減弱,為0.8 ℃。距地面55 m處,兩種方案中的熱島面積繼續(xù)減小,但UCM的熱島范圍縮小較慢,UCM熱島強度1.1 ℃,而NOUCM僅為0.4 ℃。到143 m高度處時,UCM仍有微弱熱島效應(yīng),NOUCM方案熱島效應(yīng)基本消失。白天南京城市熱島垂直延伸到高度140 m左右,地面熱島范圍大約為120 km2,熱島最強2 ℃。

圖5所示為NOUCM和UCM兩種方案模擬所得夜間02:00三維氣溫分布。02:00由于存在輻射逆溫層的影響,模擬所得三維溫度分布中,模擬區(qū)域在一定范圍內(nèi)溫度隨高度增加而增加。觀察距地面2 m處,UCM方案模擬所得熱島強度為2 ℃,具有較明顯的城市熱島現(xiàn)象,這是由于受城市建筑物冠層結(jié)構(gòu)的影響,白天城市區(qū)域吸收更多的熱量儲存于地表,在夜間建筑物冠層對于地氣長波輻射的截陷使白天儲存的能量無法完全釋放,從而導(dǎo)致夜間城市降溫較緩,城市區(qū)域始終處于高溫區(qū)域。而NOUCM方案中,由于只是把城市看成水泥地面,導(dǎo)致城市夜間降溫很快,到02:00熱島效應(yīng)已不再明顯,同時由于降溫快,城市某些區(qū)域(118.85°E,31.95°N)溫度甚至低于周圍的林地。隨著高度的增加,UCM方案中的熱島面積縮小較慢,到距地面20 m處熱島仍有一定的影響,50 m處逐漸減弱,一直擴散到70 m以上,然而UCM方案中的城市區(qū)域受冠層作用影響,大量熱量儲存在冠層內(nèi),沒有明顯逆溫現(xiàn)象,而NOUCM方案中熱島面積隨高度迅速縮小,在20 m處就已沒有熱島現(xiàn)象,并且有明顯的逆溫現(xiàn)象。

圖4　兩種方案模擬所得14:00三維溫度(單位:℃)　　a.UCM方案;b.NOUCM方案Fig.4　Three-dimensional temperature(units:℃) of the (a)UCM scheme and (b)NOUCM scheme,at 14:00 BST

圖5　兩種方案模擬所得02:00三維溫度(單位:℃)　　a.UCM方案;b.NOUCM方案Fig.5　Three-dimensional temperature(units:℃) of the (a)UCM scheme and (b)NOUCM scheme,at 02:00 BST

圖6　兩種方案模擬所得14:00垂直風(fēng)速剖面(單位:m/s)　　a.UCM方案;b.NOUCM方案Fig.6　Two schemes’ ertical velocity profiles(units:m·s-1)of the (a)UCM scheme and (b)NOUCM scheme,at 14:00 BST

圖7　兩種方案模擬所得14:00湍流動能剖面(單位:m2/s2)　　a.UCM方案;b.NOUCM方案Fig.7　Two schemes’ turbulent kinetic energy profiles(units:m2·s-2) of the (a)UCM scheme and (b)NOUCM scheme,at 14:00 BST

由上面的分析可以看出UCM方案中,無論是白天還是夜晚,城市熱島都較強,且其在垂直方向上能影響到更高的位置。究其原因,建筑物冠層使城市區(qū)域更多的能量被截留的同時,建筑物對氣流的拖曳影響使城市區(qū)域風(fēng)速減小,更多的動能轉(zhuǎn)化為切變湍能,這兩項作用使城市區(qū)域機械湍能及熱力湍能同時增加,城市區(qū)域的湍能擴散更大,使得熱量向上的擴散較強。 圖6為沿著一點(118.55°E,32.03°N)與另一點(119.10°E,32.03°N)連線的垂直剖面,等值線為垂直風(fēng)速。其中黑色實線118.7～118.8°E的范圍為城市。由圖可見UCM方案中,城市內(nèi)部存在更大更明顯的湍渦。UCM中的最大上升速度達到1.5 m/s,而NOUCM方案中僅為1 m/s。這是由于建筑物拖曳影響使城市下墊面風(fēng)速減小,從而使正午時大氣中更多的動能轉(zhuǎn)變?yōu)橥哪?湍能擴散運動旺盛,UCM方案計算的城市冠層內(nèi)的湍能通量更大,從而更好地模擬出城市熱島環(huán)流的基本特征。在118.6°E與118.9°E附近的地區(qū),分別處于長江與城市交界處以及城市與寶華山交界處,兩種方案都有一定的湍渦存在。圖7為兩種方案模擬所得湍流動能垂直剖面分布。由圖可見,在118.7～118.8°E的城市區(qū)域,UCM方案模擬的湍流動能明顯大于NOUCM方案,其湍流動能最大值達到3 m2/s2,而NOUCM方案僅為1 m2/s2。同時UCM方案中的湍渦明顯較大。這都說明,建筑物的存在使得更多的能量截留在冠層內(nèi),同時也將動能更多地轉(zhuǎn)化為湍能,從而使得UCM模擬的湍流動能較大,也就使得熱島現(xiàn)象隨高度減弱的程度較慢,熱量能擴散到更高的高度。

綜上,UCM方案較好地模擬出了南京非均勻下墊面的城市三維熱島分布。日間14:00,近地層2 m熱島強度最大為2 ℃,最大影響范圍達到120 km2,垂直方向上熱島范圍可達到143 m。夜間02:00近地層2 m熱島強度最大為2 ℃,垂直影響范圍可達55 m左右,由于熱島的影響,城市區(qū)域上空并未出現(xiàn)逆溫層結(jié)。

3.2不同下墊面條件下的熱環(huán)境及邊界層結(jié)構(gòu)特征

3.2.1垂直位溫廓線

南京地區(qū)下墊面復(fù)雜,包括長江水域,大范圍城市下墊面,以及郊區(qū)莊稼下墊面,也包括城東紫金山的樹木植被下墊面。進一步分析選取城市,近郊,遠郊,緊靠城市的長江以及被城市環(huán)繞的紫金山等五種下墊面,對不同下墊面的熱環(huán)境及邊界層結(jié)構(gòu)特征進行分析。五種下墊面在模擬區(qū)域中對應(yīng)點經(jīng)緯度為城市(118.84°E,32.07°N)、近郊點莊稼下墊面(118.55°E,32.16°N)、遠郊點莊稼下墊面(118.42°E,32.46°N)、長江水域下墊面(118.757 8°E,32.137 9°N)、紫金山植被下墊面(118.842 9 °E,32.074 4°N)。

圖8　五種不同下墊面模擬所得14:00垂直位溫廓線　　a.城市點;b.近郊點;c.遠郊點;d.長江水域;e.紫金山植被點Fig.8　Vertical profiles of potential temperature over five different underlying surfaces at 14:00 BST:(a)urban；(b)suburban；(c)outer suburbs；(d)Yangtze River;(e)Purple Mountain

圖8為兩種方案模擬所得不同下墊面14:00位溫垂直廓線。由圖8a可見,在城市下墊面,UCM方案模擬所得地表溫度高達35.4 ℃,NOUCM為35 ℃。城市區(qū)域混合層高度達900 m,UCM方案模擬結(jié)果所得位溫在混合層高度內(nèi)垂直分布,表明強的垂直混合作用,而NOUCM 方案模擬結(jié)果中位溫廓線略傾斜,垂直混合作用稍弱,表明冠層結(jié)構(gòu)的考慮使動力湍流以及熱力湍流均加強,使邊界層內(nèi)的垂直混合作用加強。在近郊點(圖8b),UCM模擬溫度略小于NOUCM方案,而UCM方案中湍流垂直混合作用明顯要大于NOUCM方案。主要原因在于受冠層的影響,水平風(fēng)速減小,城市區(qū)域平均動能轉(zhuǎn)化為湍流動能,使得垂直方向上的混合更為充分,而NOUCM近地層的水平輸送作用更強,熱量向城市區(qū)域四周輸送,從而導(dǎo)致在近郊點,NOUCM的近地層氣溫更高。在遠郊點(圖8c)顯示出了同樣的趨勢,隨著離城市距離的增加,城市的影響逐漸減小,兩種方案近地層溫度的差異減小。如圖8d是緊靠城市的長江水體,由圖可見,受水體的影響,14:00長江近地層位溫明顯小于其他下墊面類型,由于水體表面光滑,粗糙度較小,在水體上空并未形成明顯的湍流交換,因此沒有形成明顯的混合層。同時因水體熱容較大,白天靠近水體的近地層升溫緩慢,水體上方近地層形成明顯的逆溫層結(jié)。比較兩種方案模擬結(jié)果,NOUCM方案模擬長江水體溫度較高,主要是因為NOUCM模擬方案中,水平風(fēng)速較大,當(dāng)日盛行偏南氣流,長江位于城市下風(fēng)方,因此城市熱量向下風(fēng)方水平輸送,而UCM方案城市風(fēng)速小,湍能將熱量向上傳輸,對下風(fēng)方長江水體影響不大。如圖8e是被城市環(huán)繞的紫金山植被下墊面的垂直位溫分布,從圖中看出,其垂直位溫廓線受城市冠層影響,UCM方案模擬的混合層位溫更為垂直,湍流混合更為充分,而NOUCM方案位溫廓線相對較為傾斜,湍流混合略弱,由于地形高度為近200 m,紫金山植被下墊面邊界層高度達到1 100 m。對于緊靠城市的不同下墊面類型來說,城市冠層對不同的下墊面產(chǎn)生了不同程度的影響。

3.2.2垂直氣溫廓線

圖9　五種不同下墊面模擬所得02:00垂直氣溫廓線　　a.城市點;b.近郊點;c.遠郊點;d.長江水域;e.紫金山植被點Fig.9　Vertical profiles of potential temperature over five different underlying surfaces at 02:00 BST:(a)urban;(b)suburban;(c)outer suburbs;(d)Yangtze River;(e)Purple Mountain

圖9為兩種方案模擬所得不同下墊面02:00氣溫垂直廓線。下墊面分別為城市、近郊、遠郊、緊靠城市的長江以及被城市環(huán)繞的紫金山。由圖9a可見,在城市,UCM方案中輻射逆溫的現(xiàn)象沒有NOUCM明顯,近地表溫度明顯高于NOUCM方案,這是由于在夜間冠層內(nèi)各表面白天儲存的熱量都向大氣釋放,輻射方案考慮了各個面對輻射能量的多重反射作用,因此,與NOUCM的計算相比,UCM 方案夜間有相對更多的能量留存在城市冠層內(nèi),使冠層內(nèi)的氣溫不會迅速降低。而NOUCM方案將城市作為平坦水泥板,因此在夜間近地面溫度迅速降低,輻射逆溫層現(xiàn)象更加明顯。在近郊點(圖9b),UCM方案中,近郊的垂直氣溫廓線受到城市的影響,仍然能體現(xiàn)出城市建筑物的冠層作用,而在遠郊(圖9c)這種差別進一步減小。對于下墊面較為靠近城市的水體(圖9d),近地面主要受水體影響,長江的溫度小于城市溫度。其垂直氣溫分布在100 m以下主要受水體的影響,UCM和NOUCM方案模擬的氣溫都存在逆溫現(xiàn)象,然而到了100～250 m,水體對氣溫的影響減弱,由于受城市影響,UCM方案模擬的氣溫的逆溫明顯低于NOUCM方案。對于被城市環(huán)繞的紫金山植被下墊面(圖9e),城市對其影響更加明顯,100 m以下為山體,100 m以上,UCM方案模擬的氣溫幾乎沒有逆溫現(xiàn)象,溫度隨著高度增加而減小,而NOUCM方案模擬的氣溫在100 m以上仍然有明顯的逆溫現(xiàn)象,直到250 m以上才消失。

綜上所述,不同下墊面的三維溫度及邊界層結(jié)構(gòu)存在明顯差異,而城市建筑物的存在,對周邊不同下墊面的氣象環(huán)境及邊界層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著的影響,在城市,由于城市建筑物的多重反射作用,將更多熱量保留在城市內(nèi),近地面UCM方案模擬的城市溫度較高,同時,由于建筑物的阻擋作用,使得夜間地表輻射熱量儲存在城市內(nèi)部,阻礙其擴散到高空,因此在城市沒有明顯的逆溫現(xiàn)象。這種影響可以延伸到郊區(qū)以及被城市環(huán)繞的不同下墊面,減小了近郊以及水體、山體等不同下墊面的夜間逆溫程度。而對于城市附近的不同下墊面類型來說,其受城市冠層影響的程度各不同。在陸地,越靠近城市的地區(qū)受城市冠層影響越大,在近郊,可以看出明顯的混合層高度抬升;下墊面為水體時,水體本身對邊界層的影響很大,其受城市冠層的影響相對不明顯;而對于城市中山體植被下墊面,城市冠層對其邊界層影響較為明顯。

4　結(jié)論

采用WRF模式,考慮UCM以及NOUCM兩種城市下墊面參數(shù)化方案,對南京2010年夏季晴天小風(fēng)典型天氣條件下的城市三維熱環(huán)境以及不同下墊面的邊界層特征進行了模擬研究。主要結(jié)論如下:

1)UCM方案合理考慮了建筑物的動力及熱力效應(yīng),模擬結(jié)果與近地面2 m氣溫、10 m風(fēng)速以及熱島強度的變化趨勢一致,量級吻合,表明本次模擬結(jié)果與實際情況吻合。

2)UCM方案較好地模擬出了城市的三維熱島分布,由于UCM方案中考慮了建筑物地表對輻射的多重反射效應(yīng),從而白天截留更多的熱量,白天熱島較強,地面2 m高度處熱島范圍較大,熱島面積大約為120 km2,強度為 2 ℃。同時近地層建筑物的存在使得城市湍流動能更大,向上的垂直擴散增加,距地面20 m時,UCM方案中依然能看出明顯的熱島效應(yīng),熱島強度為1.5 ℃。距地面55 m處,UCM模擬所得的熱島范圍縮小,UCM熱島強度為1.1 ℃,白天地表熱量的擴散影響可達143 m,夜間2 m高度處熱島強度為2 ℃,熱島效應(yīng)可達70 m以上。白天及夜間,UCM方案模擬熱島范圍隨高度縮小以及強度減小的趨勢相對NOUCM方案較緩,表現(xiàn)出更明顯的三維熱島特征。

3)不同下墊面呈現(xiàn)出了不同的邊界層特征,同時城市冠層作用對周邊不同下墊面的邊界層結(jié)構(gòu)存在程度不等的影響。由于城市三維立體下墊面的持熱作用,白天及夜間對輻射能量的截陷,使得白天混合層更強,夜間沒有逆溫現(xiàn)象,并進而影響城市近郊,使得夜間逆溫不明顯,而對于遠郊,這種影響相對減小;對于水體,近地面位溫及氣溫主要受水的影響,因而基本看不出城市所產(chǎn)生的作用,而達到一定高度時,城市對水體的影響逐漸顯現(xiàn);而對于城市內(nèi)部的紫金山,城市所產(chǎn)生的作用相對明顯,采用UCM方案,夜間并無明顯逆溫現(xiàn)象。

本文采用WRF模式,對基于復(fù)雜地形地貌條件下的2010年夏季晴天小風(fēng)典型天氣條件下的南京城市三維熱環(huán)境特征及不同下墊面邊界層特征進行了分析,并得出了一定有意義的結(jié)論。但是本次模擬中,對城市影響較明顯的人為熱通量,以及實際的建筑物高度密度等資料并未引入,進一步的工作中,將引入時空變化的人為熱通量分布,以及實際的建筑物分布數(shù)據(jù)進行模擬。

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Mass and energy exchanges in the urban canopy directly affect urban atmospheric thermodynamic and dynamic processes,and thus affect the structure of the urban boundary layer.Urban canopy parameterization is an indispensable physical process in the numerical simulation of atmospheric motion.

In the present work,simulations were conducted for the urban thermal environment of Nanjing under typical summer weather conditions(sunny days with weak wind),for the period 1—3 August 2010,using the WRF model.By selecting a parameterization that considered the urban canopy structure(UCM experiment),and one that did not(NOUCM experiment),the boundary layer characteristics over different underlying surfaces were examined.The results showed that:

(1) The UCM simulation results agreed with the observational data very well.The simulation of 2-m temperature was improved considerably compared to that of NOUCM.Moreover,the drag of buildings to near ground wind speed was better reflected；the simulation of 10-m wind speed was substantially improved.According to observational data analyses,the heat island intensity reached its maximum at 2100 BST,and was about 4 ℃.The UCM scheme simulated a value of around 3 ℃,while the NOUCM scheme simulation yielded a value of around 1.5 ℃.

(2) The UCM experiment simulated the 3D heat island distribution favorably.Owing to the retention of radiation,the heat island at 1400 BST was relatively strong,and it covered a wide range at about 2 m above the ground (～120 km2),with an intensity of 2 ℃.The heat island intensity in the NOUCM scheme simulation was 1 ℃.Meanwhile,due to the existence of urban structures,the turbulent kinetic energy was greater and the upward vertical diffusion increased.At 20 m above the ground,an obvious heat island effect could still be found,and the intensity produced using the UCM scheme was 1.5 ℃.The heat island range in the NOUCM experiment was substantially narrower,and the intensity was 0.8 ℃.At around 55 m above the ground,the heat island range simulated using UCM narrowed,and the intensity was 1.1 ℃；meanwhile,the intensity of the NOUCM scheme was only 0.4 ℃.Based on the UCM simulation,the ground heat diffusion effect during the day reached 143 m,the heat island at 02:00 BST and 2 m above the ground reached a maximum of 2 ℃,and there was a detectable heat island impact above 70 m.Based on the NOUCM simulation,however,the range of the simulated heat island shrank rapidly with height,and a heat island effect could not be found with an obvious inversion phenomenon.

(3) Different underlying surfaces produce distinct boundary layer features,with cities having distinct impacts on surrounding underlying boundary structures.During the day,turbulent mixing was enhanced at 14:00 BST in urban areas,and the urban boundary layer height increased to about 100 m.At night,the stable inversion stratification of the suburbs cropped the underlying surface,and the Purple Mountain vegetation underlying surface decreased significantly at 02:00 BST because of the presence of the urban canopy structure.For water,near-surface potential temperature and air temperature were mainly affected by the water.Cities have a limited impact on near-surface water；however,they appear to gradually influence surface water after a certain height.

WRF model；urban canopy structure；3D UHI；complex underlying surface

(責(zé)任編輯：劉菲)

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20110608002

Numerical study of the three-dimensional thermal environment over a complex underlying surface in Nanjing

WANG Yongwei1,2,REN Xia1,2,ZHAI Xuefei1,2,LIU Shoudong1,WANG Chenggang2

1Yale-NuistCenteronAtmosphericEnvironment,Nanjing210044,China;2SchoolofAtmosphericPhysics,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China

引用格式：王詠薇,任俠,翟雪飛,等,2016.南京復(fù)雜下墊面條件下的三維城市熱環(huán)境模擬[J].大氣科學(xué)學(xué)報,39(4):525-535.

Wang Y W,Ren X,Zhai X F,et al.,2016.Numerical study of the three-dimensional thermal environment over a complex underlying surface in Nanjing[J].Trans Atmos Sci,39(4):525-535.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20110608002.(in Chinese).

*聯(lián)系人，E-mail:wyw@nuist.edu.cn