苏州—无锡—常州城市带热岛效应个例研究

2014-09-09 07:30康汉青朱彬朱彤高晋徽孙佳丽苏继峰
大气科学学报 2014年4期
关键词:城市热岛热岛边界层

康汉青,朱彬,朱彤,高晋徽,孙佳丽,苏继峰

(1.南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044;2.南京信息工程大学 中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室,江苏 南京 210044;3.科罗拉多州立大学,美国 科罗拉多州 80523-1375;4.NOAA/NESDIS/STAR/JCSDA,美国 马里兰州 20746;5.江苏省气候中心,江苏 南京 210009;6.中国人民解放军94857部队61分队,安徽 芜湖 241000)

苏州—无锡—常州城市带热岛效应个例研究

康汉青1,2,朱彬1,2,朱彤3,4,高晋徽1,2,孙佳丽5,苏继峰6

(1.南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044;2.南京信息工程大学 中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室,江苏 南京 210044;3.科罗拉多州立大学,美国 科罗拉多州 80523-1375;4.NOAA/NESDIS/STAR/JCSDA,美国 马里兰州 20746;5.江苏省气候中心,江苏 南京 210009;6.中国人民解放军94857部队61分队,安徽 芜湖 241000)

应用WRF(weather research and forecasting)及其耦合的多层城市冠层模式BEP(building energy parameterization),对2013年8月13日长江三角洲地区一次高温天气过程进行了模拟。此次过程盛行东南风,风向与苏州—无锡—常州城市带走向一致。模拟结果表明:苏州—无锡—常州城市带热岛效应明显,热岛强度向下游城市逐渐增加;在东南风作用下,三座城市的热岛连成一片,形成了一个更强大的热岛环流。夜晚,边界层逐渐趋于稳定,热岛环流减弱,有利于热岛温度向下游地区输送。热岛效应导致城市边界层高度明显上升。白天太湖产生强盛的湖风对其周边城市影响显著,来自太湖的冷气团导致无锡和常州边界层内热岛强度明显下降,抑制城市热岛向上发展,削弱了无锡与常州两城市热岛间的联系。白天太湖使得无锡和常州边界层高度明显下降。

城市热岛;数值模拟;太湖;大气边界层

0 引言

20世纪以来,随着经济发展和城市人口迅速上升,城市化进入了高速发展阶段。城市化过程不仅能通过建筑物和公路等设施改变地表的几何结构,而且能通过建筑材料的不同热力特性以及人类活动改变地表的热力结构。这种改变会使地表的反照率减小,热容量增大,吸收存储更多的热量,进而导致城市地区增温显著,气温明显高于周围郊区,这种现象就是城市热岛效应(Oke,1982;Allwine et al.,2002;Rotach et al.,2005)。

虽然城市热岛对全球气温变化的影响并不明显(Houghton et al.,2001),但它会影响用于气候变化评估的局地气温(Peterson,2003;Van Weverberg et al.,2008)。在夏季,城市热岛引起的升温会影响居民的生活环境和生活质量。有些城市热岛效应是正面的,如延长植物生长季节等,但是大多数城市热岛效应是负面的,包括加剧能源消耗、增加污染物和温室气体的排放、危害人类健康、影响舒适度、造成水质恶化等。

数值模式由于能够提供城市热岛的时空分布特征,一直是研究城市热岛最重要的工具之一。Masson(2000)、Kusaka et al.(2001)及Kusaka and Kimura(2004)提出并建立了单层城市冠层模式。单层城市冠层模式考虑了城市的几何特征,考虑了建筑物对长短波辐射收支的影响,能够较好地反映出城市热力学和动力学过程(Rozoff et al.,2003;Chin et al.,2005;Niyogi et al.,2006;寿亦萱和张大林,2012)。多层城市冠层模式由Martilli et al.(2002)和Dupont et al.(2004)提出,相比于单层城市冠层模式,多层城市冠层模式将城市冠层划分为若干层,分层次计算墙壁、道路、屋顶的能量收支,它考虑了更多的因素,对城市特征的描述更加准确。

长江三角洲地区是我国经济发展最迅速的地区之一,同时也是城市化进程最快的地区之一。城市化进程导致该地区城市大气温度呈逐年上升的趋势,1999—2005年,城市平均气温每年上升0.047 ℃,最高气温每年上升0.162 ℃(Du et al.,2007;Zhang et al.,2010)。虽然针对长江三角地区城市热岛效应的研究有很多(朱家其等,2006;邱新法等,2008;谈建国等,2008;江志红和叶丽梅,2010),但是多以单个城市为主要研究对象,而城市热岛之间以及城市热岛与海陆风、湖陆风之间相互影响的研究相对较少。李维亮等(2003)利用MM5V2研究了长江三角洲城市热岛与太湖对局地环流的影响以及海风与湖风的相互作用。然而该研究没有采用城市冠层,模式对热岛强度和热岛环流的表征可能存在一定误差,且该研究讨论的是1995年个例,经过十几年的发展,长江三角洲城市热岛面积和热岛强度均发生了显著变化。目前仅N. Zhang et al.(2011)讨论过苏州的城市化进程对太湖湖陆风的作用。苏锡常地区是长江三角洲内经济发展迅速、城市化进程较快、城市集中且邻近太湖的区域,其城市之间热岛效应的相互影响以及太湖对城市热岛环流的作用值得研究。本文利用WRF3.3.1耦合一个多层城市冠层模式BEP(building energy parameterization),对2013年8月13日长江三角洲地区一次持续高温天气过程进行模拟,以讨论苏锡常的城市热岛效应及其受太湖的影响。

1 数值模式和实验方案设计

本研究采用的数值模式为中尺度天气预报模式WRF3.3.1,并耦合一个多层城市冠层模式BEP。模拟区域如图1a所示,区域中心纬度为32.5°N、经度为118.0°E。模式采用双向反馈四重嵌套,水平网格数分别为180×150、180×150、180×180、240×270,水平网格距分别为13.5、4.5、1.5和0.5 km。模式最外层覆盖了大半个中国以及部分日本岛和太平洋地区,最内层涵盖了苏州、无锡、常州和太湖地区。模式垂直方向分为30个σ层,其中约20层位于2 km高度以下。模式顶气压为50 hPa。模式第一层积分步长为27 s,最内层为1 s。模拟起始时间为2013年8月12日00时(北京时间,下同),结束时间为2013年8月14日00时。

图1 WRF模拟区域 a.水平分辨率分别为13.5、4.5、1.5和0.5 km的四重嵌套;b.模拟区域最内层下垫面类型(图1b中AB线为图5和图8垂直剖面所在位置)Fig.1 The WRF model domain a.the four nested meshes with horizontal resolution of 13.5,4.5,1.5 and 0.5 km;b.the land-use categories over the innermost domain(The line AB denotes the location of vertical cross-section in Fig.5 and Fig.8)

需要注意的是,近十几年来长江三角洲地区经济发展迅速,土地覆盖变化显著,尤以城市扩展为主。而WRF默认使用的USGS数据为20世纪90年代的产品,已经不能准确地表示当前的土地类型,尤其是城市区域。WRF提供的2005年30 s水平分辨率MODIS土地覆盖产品能基本代表当前城市化现状,因此采用2005 MODIS土地覆盖资料作为本研究下垫面类型的输入。

无云或少云天气,风速较小,有利于城市热岛的发生和发展。虽然在各个季节城市热岛效应均会发生,但是只有夏季的极端高温天气过程会产生严重危害,且夏季盛行东南季风,风向与苏锡常城市带走向一致,有利于讨论城市间热岛高温的输送。因此,综合考虑上述因素,本文选取2013年8月13日一次高温过程进行模拟试验。由MICAPS天气图(图略)可以发现,长江三角洲地区位于入发副热带高压后部,在高压系统影响下,苏锡常地区天气晴朗,盛行东南风,有利于城市热岛的形成及其沿苏州—无锡—常州城市带的输送。为了评估城市下垫面和太湖对城市热岛效应的影响,本研究的数值试验设计如下:

1)参照试验(CTL),采用2005 MODIS土地覆盖资料(图1b);

2)无城市敏感性试验(NUB),将苏州、无锡、常州的城市下垫面替换为周围覆盖面积最广的农田,其他保持不变;

3)无太湖敏感性试验(NTL),将太湖替换为农田,其他保持不变。

2 模拟结果评估

通过比较模拟与观测结果来验证耦合的WRF-Noah-BEP模式对城市气温和风场的模拟效果。图2为2013年8月13日苏州、无锡、常州三个城市气温、风速和风向模拟值与观测值的比较。模拟的气温日变化与实况较一致,但是夜间模拟结果偏低,可能与模式没有考虑人为热释放有关。研究表明,人为热可导致近地面气温上升1~3 ℃(Ichinose et al.,1999;Ohashi et al.,2007;Ryu et al.,2013)。虽然白天人为热释放量大于夜晚,但人为热对夜晚的增温效应显著高于白天(Fan and Sailor,2005;Chen et al.,2009)。模式对早晚风速的模拟值与观测值较一致,中午模拟值略微偏高。模拟的风向与观测值吻合得很好,整个试验期间盛行东南风,无锡和常州中午受太湖湖风的影响,风向向南风转变。

图2 8月13日苏州(SZ;a,b,c)、无锡(WX;d,e,f)和常州(CZ;g,h,i)近地面气温(a,d,g;单位:℃)、风速(b,e,h;单位:m·s-1)和风向(c,f,i;单位:(°))模拟结果(实线)与观测值(+)的对比Fig.2 Comparison of simulated(solid lines) near surface (a,d,g)temperature(units:℃),(b,e,h)wind speed(units:m·s-1) and (c,f,i)wind direction(units:(°)) with the observed results(+) at (a,b,c)Suzhou(SZ),(d,e,f)Wuxi(WX) and (g,h,i)Changzhou(CZ) stations on 13 Auguest

为了定量描述模型结果的准确性,本研究利用均方根误差(RMSE,ERMS)、平均标准化偏差(MNB,BMN)和平均标准误差(MNGE,EMNG)等统计方法对模拟结果做进一步的量化验证。计算方法如下:

(1)

(2)

(3)

其中:pi表示模式预测值;oi表示观测值;N为样本数。

气温、风速和风向的ERMS分别为1.8 ℃、1.1 m·s-1和17°。三者的BMN分别为-3%、14%和5%,满足美国国家环保局(EPA)提出的±15%的标准。Tesche et al.(2001)提出了一系列评价模式对气象场模拟效果的指标:气温的EMNG≤2.0 ℃、风速的EMNG≤2.0 m·s-1、风向的EMNG≤30°,如果满足该条件则说明模式对气象场的模拟较为精确。本次试验气温、风速和风向的EMNG分别为1.5 ℃、0.9 m·s-1和15°。总体来说,模式对于气象场的模拟效果较好,能够真实反映实况气象场的时空分布。

3 结果与讨论

当下垫面土地利用类型发生变化时,其对短波、长波辐射的吸收和反射作用都会随之改变,从而引起地表感热通量和潜热通量的变化,进而影响大气边界层结构。本文通过控制试验与敏感性试验之间的对比,分析城市化水平和太湖的湖风效应对城市热岛的影响。为了研究城市化和湖陆风对城市边界层结构的影响以及不同城市热岛之间的相互作用,本文沿图1b中直线AB做垂直剖面,剖面贯穿常州(CZ)、无锡(WX)和苏州(SZ)三座城市。

3.1 城市化对城市热岛效应的影响

图4 CTL试验与NUB试验白天(a)和夜晚(b)近地面温度(阴影:单位:℃)和风场(箭矢;单位:m·s-1)的差值Fig.4 Differences in averaged near surface temperature(shadings;units:℃) and wind field(arrows;units:m·s-1) between CTL and NUB experiments during (a)daytime and (b)nighttime

城市由于其热力特性和几何特性,能吸收和储存更多的热量,加上城市人类活动频繁,释放出大量的人为热,造成了城市升温明显高于郊区。图3给出了CTL试验8月13日白天平均(12:00—17:00)的近地面温度和风场。市区平均气温比郊区高约2 ℃,区域盛行东南风。风场遭遇城市粗糙下垫面阻挡,风速下降明显,且在城市周围形成绕流。白天,太湖与周围陆地之间巨大的温差导致湖风效应明显,一定程度上改变了无锡和常州的风场结构,进而对这两座城市的热岛强度和热岛环流产生影响。图4a、4b分别为白天和夜晚(18:00—23:00)CTL试验与NUB试验近地面温度和风场的差值,它反映了由城市化引起的温度和风场变化,即城市热岛强度和热岛环流。可见,常州热岛强度最强,达3 ℃,无锡次之,苏州最弱,不足2 ℃。受城市热岛的影响,三座城市下风向均出现不同程度增温,增温幅度与上游城市的热岛强度有关,城市热岛强度越强,下游增温越显著。D. L. Zhang et al.(2009,2011)提出,上游地区城市化过程会使下游城市的热岛强度加剧。由图4a可见,白天CTL-NUB的风场差值呈现向市区辐合趋势,与城市热岛环流特征一致。市区的风场差值呈现为西北风,说明剔除城市后盛行的东南风得到了显著加强。风场的辐合以及粗糙的城市地表会严重削弱城市地区的风速,进而抑制城市热岛的高温向下游地区的输送。夜间,由于大气层结趋于稳定,热岛环流减弱,风场向市区的辐合被削弱。

图3 CTL试验白天平均地表气温(阴影:单位:℃)和10 m处风场(箭矢;单位:m·s-1)Fig.3 Daytime averaged near surface temperature(shadings;units:℃) and 10 m wind fields(arrows;units:m·s-1) from CTL experiment

图5 AB剖面上CTL试验与NUB试验白天(a)和夜晚(b)平均气温(彩色阴影;单位:℃)及风场(箭矢;单位:m·s-1)的差值(CZ、WX和SZ分别代表常州、无锡和苏州)Fig.5 Vertical cross-sections of differences in averaged temperature(color shadings;units:℃) and in-plane flow vectors(arrows;units:m·s-1) between CTL and NUB experiments alone line AB during (a)daytime and (b)nighttime(CZ,WX and SZ represent Changzhou,Wuxi and Suzhou,respectively)

为了更直观地反映出城市热岛的垂直结构以及城市之间热岛效应的相互影响,本文沿苏州—无锡—常州这一城市带(直线AB)做垂直剖面。图5a、5b分别为白天和夜晚剖面AB上CTL试验与NUB试验气温以及风场的差值,它反映出城市热岛强度和热岛环流的垂直结构。可见,白天常州热岛强度最强,无锡次之,苏州最弱,但是苏州城市热岛的垂直发展高度明显高于无锡和常州。白天上游城市的热岛效应对下游城市近地面温度影响较小,但是在混合层中上层,上游城市的热岛对下游城市影响显著。白天的风场差值表明,在东南风作用下,苏州、无锡和常州的城市热岛连成一片,构成了一个更强大的热岛环流。在近地层,风场的强度受两个因素的影响:城市下垫面粗糙度和城市热岛环流特征。一方面,城市地区建筑物密布,粗糙度明显高于郊区,风场受城市地形的阻挡,风速下降明显;另一方面,城市热岛使得风场在近地层向市区辐合,从而抑制热岛高温向城市下游的输送。受这两种因素的共同影响,近地层的东南风被显著削弱。而在高空1.5 km上下,风场强度受热岛环流的影响较大,热岛环流在高空表现为向城市周围辐散,从而加剧了高空的东南风。夜晚近地面城市热岛强度及其对城市下游的温度平流作用均明显强于白天,但夜晚大气层结趋于稳定,城市热岛平均高度不足200 m。夜间风场差值表明,城市下垫面使近地面风速显著下降,热岛环流特征不明显。白天,苏州和常州城市热岛的上方均出现一个明显的高空冷层,即城市化过程在导致近地面气温上升的同时还引起了高空气温的下降。刘寿东等(2014)在对南京市区和郊区同步进行的边界层探测中也发现了这种高空冷层现象。夜晚这种高空冷层特征不明显。

图6为苏州、无锡和常州区域平均温度垂直廓线差值(CTL-NUB)及平均边界层高度的日变化,反映了这三座城市热岛强度的演变过程。热岛强度在早晨最弱,午后和傍晚较强,热岛的垂直发展高度在午后可达1 km以上。在无锡和常州的傍晚均出现了热岛强度和垂直发展高度突然增加的现象,这显然不是受当地热岛强度日变化的影响,而是与上游地区城市热岛的温度输送有关。通过比较CTL试验与NUB试验平均城市边界层高度可以发现:城市热岛效应会引起城市边界层高度的显著增加,城市热岛造成苏州、无锡和常州的平均边界层高度分别上升115、155和168 m,上升幅度与热岛强度有关,热岛越强则边界层高度增加越明显。

图6 苏州(a)、无锡(b)和常州(c)区域平均CTL试验与NUB试验边界层高度(实线:CTL,虚线:NUB;单位:km)及其温度垂直廓线差值(阴影;单位:℃)的时间变化Fig.6 Variations of area-averaged PBL height(solid line:CTL,dashed line:NUB;units:km) from CTL and NUB experiments,and profiles of area-averaged temperature difference(shadings;units:℃) between CTL and NUB experiments over (a)Suzhou,(b)Wuxi and (c)Changzhou

3.2 太湖对其周围城市热岛的影响

图7 白天CTL试验与NTL试验近地面温度(阴影;单位:℃)和风场(箭矢;单位:m·s-1)的差值Fig.7 Differences in averaged near surface temperature(shadings;units:℃) and wind field(arrows;units:m·s-1) between CTL and NTL experiments during daytime

由于水体比陆地具有更大的比热容,升温较慢,在水体与陆地之间形成较大温差,进而引起局地气流的变化。苏州、无锡和常州均位于太湖沿岸,本研究通过敏感性试验讨论太湖的湖风效应对这三座城市热岛强度和热岛环流结构的影响。图7为CTL试验与NTL试验白天近地面气温以及风场的差值,它反映了太湖对局地温度和风场结构的影响。白天太湖表面气温比周围陆地低5~8 ℃,巨大的温差会引起强烈的湖风效应,风速差值(即湖风强度)可达5 m·s-1。在背景风场和湖风的共同作用下,太湖对其周边和下风向地区的气温产生显著影响,导致下游地区气温下降约2 ℃,其影响范围可达40 km左右。苏州位于太湖上风向,背景风与湖风相互抵消,使得太湖对苏州影响很小。而无锡和常州均位于下风向,太湖使得这两座城市白天平均近地面气温分别下降了0.49 ℃和0.52 ℃。

图8a为AB剖面上NTL试验与NUB试验白天平均温度和风场的差值。可见,将太湖替换为农田后,无锡和常州白天城市热岛强度明显增加。太湖消失使得无锡与常州的城市热岛连成一片;而太湖存在时,其白天强盛的湖风会削弱无锡与常州之间近地面城市热岛的联系(图5a)。图8b同图8a,但为CTL试验与NTL试验的差值,反映了太湖对苏州—无锡—常州城市带上气温和风场垂直结构的影响。白天,湖风带来的冷气团会导致无锡和常州近地面温度低于NTL试验。两座城市上空的风场差值以下沉运动为主,这是因为冷气团进入城市上空产生下沉,削弱了城市热岛效应所引起的上升运动。总而言之,太湖的存在削弱了附近城市的热岛强度以及城市之间热岛效应的相互作用,抑制了城市热岛的垂直发展。

由无锡与常州区域平均温度廓线差值日变化(图9a、9b)可见,太湖引起这两座城市白天边界层内热岛强度明显降低,最大下降幅度接近1 ℃。该过程主要发生在中午前后,因为此时太湖湖风最为强盛。由图9b可见,太湖导致傍晚常州边界层内出现第二次热岛强度下降过程。前述提及,傍晚该温度变化特征主要受上游地区城市热岛温度平流的影响。太湖削弱了无锡的城市热岛强度,且湖风的风向与主导风向不一致,抑制了无锡对常州的温度平流,从而导致傍晚时分CTL试验的热岛温度平流强度弱于NTL试验。由无锡和常州CTL试验与NTL试验边界层高度日变化(图9a、9b)可以发现,太湖消失会使无锡和常州白天边界层高度显著上升,无锡的边界层高度最大增加约450 m,常州最大增加约670 m。NTL试验引起白天无锡和常州城市边界层高度的增加甚至超过了城市热岛效应所引起的边界层高度增加。

图8 AB剖面上NTL试验与NUB试验(a)以及CTL试验与NTL试验(b)白天平均气温(阴影;单位:℃)和风场(箭矢;单位:m·s-1)的差值(CZ、WX和SZ分别代表常州、无锡和苏州)Fig.8 Vertical cross-sections of differences in averaged temperature(color shadings;units:℃) and in-plane flow vectors(arrows;units:m·s-1) (a)between NTL and NUB experiments,and (b)between CTL and NTL experiments alone line AB during daytime(CZ,WX and SZ represent Changzhou,Wuxi and Suzhou,respectively)

图9 无锡(a)和常州(b)区域平均CTL试验与NTL试验边界层高度(实线:CTL,虚线:NTL;单位:km)及温度垂直廓线差值(阴影;单位:℃)的时间变化Fig.9 Variations of area-averaged PBL height(solid line:CTL,dashed line:NTL;units:km) from CTL and NTL experiments,and profiles of area-averaged temperature difference(shadings;units:℃) between CTL and NTL experiments over (a)Wuxi and (b)Changzhou

4 结论

本文采用中尺度气象模式WRF耦合一个多层城市冠层模式BEP,针对2013年8月13日一次高温过程进行模拟;设计3套试验方案(CTL、NUB、NTL),讨论城市化过程及太湖的湖风效应对苏州—无锡—常州这一城市带热岛效应的影响,得到如下结论:

苏州—无锡—常州城市带热岛效应明显,部分地区热岛强度达3 ℃。在东南风作用下,城市热岛强度向下游逐渐增加,苏州热岛强度最弱,常州最强。城市热岛对其下风向地区有显著增温效应。通过比较AB剖面上CTL试验与NUB试验气温以及风场的差值发现,白天,在东南风影响下,这三座城市的热岛效应连成一片,形成了一个更强大的热岛环流;夜晚,边界层逐渐趋于稳定,热岛环流减弱,有利于热岛高温向下游地区的输送。受上游城市的影响,无锡和常州傍晚的城市热岛强度和垂直发展高度都有显著增加。城市化使得苏州、无锡和常州的平均边界层高度分别升高了115、155和168 m。

白天太湖表面气温比周围陆地低5~8 ℃,形成强盛的湖风,进而影响周边城市白天的热岛效应。太湖导致无锡和常州白天近地面平均气温分别下降0.49和0.52 ℃,削弱了其白天城市热岛强度以及这两座城市之间城市热岛的联系,且抑制了城市热岛的发展高度。太湖使无锡白天边界层高度最多下降约450 m,常州下降约670 m。

江志红,叶丽梅.2010.近十年南京城市热岛演变的遥感研究[J].南京信息工程大学学报:自然科学版,2(2):148-154.

李维亮,刘洪利,周秀骥,等.2003.长江三角洲城市热岛与太湖对局地环流影响的分析研究[J].中国科学D辑,33(2):97-104.

刘寿东,姜润,王成刚,等.2014.南京夏季城市热岛时空分布特征的观测分析[J].大气科学学报,37(1):19-27.

邱新法,顾丽华,曾燕,等.2008.南京城市热岛效应研究[J].气候与环境研究,13(6):807-814.

寿亦萱,张大林.2012.城市热岛效应的研究进展与展望[J].气象学报,70(3):338-353.

谈建国,郑有飞,彭丽,等.2008.城市热岛对上海夏季高温热浪的影响[J].高原气象,27(增刊):144-149.

朱家其,汤绪,江灏.2006.上海市城区气温变化及城市热岛[J].高原气象,25(6):1154-1160.

Allwine K J,Shinn J H,Streit G E,et al.2002.Overview of URBAN 2000:A multiscale field study of dispersion through an urban environment[J].Bull Amer Meteor Soc,83:521-536.

Chen Y,Jiang W M,Zhang N,et al.2009.Numerical simulation of the anthropogenic heat effect on urban boundary layer structure[J].Theor Appl Climatol,97:123-134.

Chin H N S,Leach M J,Sugiyama G A.2005.Evaluation of an urban canopy parameterization in a mesoscale model using VTMX and URBAN 2000 Data[J].Mon Wea Rev,133(7):2043-2068.

Du Y,Xie Z Q,Zeng Y,et al.2007.Impact of urban expansion on regional temperature change in the Yangtze River Delta[J].J Geogr Sci,17(4):387-398.doi:10.1007/sll442-007-0387-0.

Dupont S,Otte T L,Ching J K S.2004.Simulation of meteorological fields within and above urban and rural canopies with a mesoscale model[J].Bound-Layer Meteor,113:111-158.

Fan H,Sailor D J.2005.Modeling the impacts of anthropogenic heating on the urban climate of Philadelphia:A comparison of implementations in two PBL schemes[J].Atmos Environ,39:73-84.

Houghton J T,Ding Y,Griggs D J,et al.2001.Climate change 2001:The scientific basis[M].Cambridge:Cambridge University Press.

Ichinose T,Shimodozono K,Hanaki K.1999.Impact of anthropogenic heat on urban climate in Tokyo[J].Atmos Environ,33:3897-3909.

Kusaka H,Kimura F.2004.Thermal effects of urban canyon structure on the nocturnal heat island:Numerical experiment using a mesoscale model coupled with an urban canopy model[J].J Appl Meteor,43:1899-1910.

Kusaka H,Kondo H,Kikegawa Y,et al.2001.A simple single layer urban canopy model for atmospheric models:Comparison with multi-layer and slab models[J].Bound-Layer Meteor,101:329-358.

Martilli A,Clappier A,Rotach M W.2002.An urban surface exchange parameterization for mesoscale models[J].Bound-Layer Meteor,104:261-304.

Masson V.2000.A physically-based scheme for the urban energy budget in atmospheric models[J].Bound-Layer Meteor,94:357-397.

Niyogi D,Holt T,Zhong S.2006.Urban and land surface effects on the 30 July 2003 MCS event observed in the Southern Great Plains[J].J Geophys Res,111,D19107.doi:10.1029/2005JD006746.

Ohashi Y,Genchi Y,Kondo H,et al.2007.Influence of air-conditioning waste heat on air temperature in Tokyo during summer:Numerical experiments using an urban canopy model coupled with a building energy model [J].J Appl Meteor Climatol,46:66-81.

Oke T A.1982.The energetic basis of the urban heat island[J].Quart J Roy Meteor Soc,108:1-24.

Peterson T C.2003.Assessment of urban versus rural in situ surface temperatures in the contiguous United States:No difference found[J].J Climate,16(18):2941-2959.

Rotach M W,Vogt R,Bernhofer C,et al.2005.BUBBLE——An urban boundary layer meteorology project[J].Theor Appl Climatol,81:231-261.

Rozoff C,Cotton W R,Adegoke J O.2003.Simulation of St Louis,Missouri,land use impacts on thunderstorms[J].J Appl Meteor,42:716-738.

Ryu Y H,Baik J J,Lee S H.2013.Effects of anthropogenic heat on ozone air quality in a megacity[J].Atmos Environ,80:20-30.

Tesche T W,Mcnally D E,Emery E T.2001.Evaluation of the MM5 model over the midwestern U.S. for three 8-hour oxidant episodes[R]//Prepared for the Kansas City ozone technical workgroup,by Alpine Geophysics,LLC,Ft. Wright,KY,and ENVIRON International Corp.,Novato,CA,USA.

Van Weverberg K,De Ridder K,Van Rompaey A.2008.Modeling the contribution of the Brussels heat island to a long temperature time series[J].J Climate Appl Meteor,47:976-990.

Zhang D L,Shou Y X,Dickerson R R.2009.Upstream urbanization exacerbates urban heat island effects[J].Geophys Res Lett,36,L24401.doi:10.1029/2009GL041082.

Zhang D L,Shou Y X,Dickerson R R,et al. 2011.Impact of upstream urbanization on the urban heat island effects along the Washington-Baltimore corridor[J].J Appl Meteor Climatol,50:2012-2029.

Zhang K X,Wang R,Shen C C,et al.2010.Temporal and spatial characteristics of the urban heat island during rapid urbanization in Shanghai,China[J].Environ Monit Assess,169:101-112.

Zhang N,Zhu L F,Zhu Y.2011.Urban heat island and boundary layer structures under hot weather synoptic conditions:A case study of Suzhou City,China[J].Adv Atmos Sci,28(4):855-865.

(责任编辑:张福颖)

InvestigationofanurbanheatislandepisodealongSuzhou-Wuxi-Changzhouurbancluster

KANG Han-qing1,2,ZHU Bin1,2,ZHU Tong3,4,GAO Jin-hui1,2,SUN Jia-li5,SU Ji-feng6

(1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,NUIST,Nanjing 210044,China;2.Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration,NUIST,Nanjing 210044,China;3.CIRA/Colorado State University,Fort Collins,CO,USA 80523-1375;4.NOAA/NESDIS/STAR/JCSDA,College Park,MD,USA 20746;5.Jiangsu Climate Center,Nanjing 210009,China;6.The 61 Squad of the 94857 Unit of People’s Liberation Army,Wuhu 241000,China)

The weather research and forecasting(WRF) model,coupled with a multi-layer urban canopy model BEP(building energy parameterization),is used to investigate a high temperature episode occurred in the Yangtze River Delta region on 13 August 2013.A southeasterly breeze,consistent with the direction of Suzhou-Wuxi-Changzhou urban cluster,is prevailed over the Yangtze River Delta region during the episode.Simulating results show that significant urban heat island(UHI) effects occur in the urban cluster,and the UHI intensity increases from Suzhou to Changzhou.Under the impact of the southeasterly breeze,the UHI effects of the three individual cities merge together,forming a stronger UHI circulation.In the night,the UHI circulation is weakened by the stable planetary boundary layer,which is favorable for the downstream transport of the UHI effect.The urban planetary boundary layer height is significantly increased by the UHI effect.During the daytime,a strong lake breeze between Lake Taihu and land has great impacts on the UHI of the nearby cities.Air temperature over Wuxi and Changzhou is significantly decreased by the cold air from Lake Taihu,and the upward extension of the UHIs over the two cities are suppressed.Connections of the UHIs between Wuxi and Changzhou are weakened by Lake Taihu.The planetary boundary layer height over Wuxi and Changzhou is more significantly decreased by the lake breeze during daytime.

urban heat island;numerical simulation;Lake Taihu;atmospheric boundary layer

2014-03-20;改回日期2014-05-28

国家自然科学基金资助项目(41275143);公益性行业(气象)科研专项(201206011);江苏省高校自然科学研究重大基础研究项目(12KJA170003);江苏省“333”高层次人才培养工程项目;江苏省“六大人才高峰”计划项目

朱彬,博士,教授,博士生导师,研究方向为大气物理学与大气环境,binzhu@nuist.edu.cn.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140320001.

1674-7097(2014)04-0432-09

P461.2

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140320001

康汉青,朱彬,朱彤,等.2014.苏州—无锡—常州城市带热岛效应个例研究[J].大气科学学报,37(4):432-440.

Kang Han-qing,Zhu Bin,Zhu Tong,et al.2014.Investigation of an urban heat island episode along Suzhou-Wuxi-Changzhou urban cluster[J].Trans Atmos Sci,37(4):432-440.(in Chinese)

猜你喜欢
城市热岛热岛边界层
一维摄动边界层在优化网格的一致收敛多尺度有限元计算
典型气象条件下城市热岛效应逐时变化特征
让城市“发烧”的热岛效应
基于CiteSpace的城市热岛研究进展与热点分析
Bakhvalov-Shishkin网格上求解边界层问题的差分进化算法
基于Modis数据的山东省夏季城市热岛效应时空变化分析
基于HIFiRE-2超燃发动机内流道的激波边界层干扰分析
死海不“死”等
热热岛真是个好地方
基于WRF模式的成都地区热岛效应的模拟研究