中国夏季长三角城市群区城市热岛和地表能量平衡的数值模拟

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利用包含城市冠层效应的区域模式(WRF/NCAR)对长三角特大城市群的夏季气候效应进行的5年(2003-2007)高分辨数值模拟结果,通过对比长三角地区有无城市的试验,重点分析了城市群所造成的多城市热岛和地表能量平衡及其日变化特征。进一步地,利用已有的模拟结果以及WRF中包含的单层城市冠层模式,讨论了城市下垫面各参数对城市表面温度和能量平衡的影响。主要结论如下:  (1)城市化会引起地表温度的升高以及近地面风速的降低,夜间升温程度更强而白天增温的范围较广,昼夜增温幅度的差异又导致城市地表温度日较差的减弱以及周边地区日较差的增强。城市温度的增加造成海陆热力对比的变化,会在白天的海面上产生更强的海风而降低夜间的陆风。夜间城市上空风速下降幅度比白天弱,但影响范围更大,同时城市群大范围热岛的形成能够降低低层气压,导致向城市辐合的风场以及在东部海陆交界区域产生气旋性环流,并在东北方的海面上增强盛行的东南风。  (2)城市化可以改变地表能量平衡,城市下垫面的“截陷”效应能够降低反照率,而表面不可渗透的特性也减少了向上的潜热通量,同时大的热传导率和热容量也会增加热存储以及夜间的热量释放。  (3)城市地表温差热岛在白天不断增强,并在在日落前达最强(超过4℃),而在夜间则维持在3℃左右,于日出后迅速降低到1℃左右。  (4)不同的辐射强迫会造成城市热岛不同的日变化特征。较大的入射短波辐射、较低的入射长波辐射以及较弱的近地面风速会导致白天的热岛减弱,晚上的热岛增强,其变幅在1℃左右,热岛峰值从17点延后到晚上20点;反之亦然。  (5)城市下垫面上的蒸发对热岛的影响最为明显,蒸发造成巨大的潜热释放以及地表温度的降低在全天均十分显著,它们的变化趋势和温度有很好的对应关系。在白天下垫面的辐射特性参数(反照率和放射率)以及热力特性参数(热传导率和热容量)对地表温度有较大的影响,在减弱50%时能够造出最大1℃的增温,而几何形状参数(高宽比和屋顶宽度)的作用几乎可以忽略不计。在夜间各参数对地表温度均有较大的影响,但是其中热力特性参数作用更加明显,能造成超过0.5℃的降温而其余四种参数的变温均低于0.5℃。  (6)在白天城市较小的蒸发以及夜间高的热存储以及复杂的几何形状是形成热岛的主要原因。蒸发、热容量和几何形状造成的变温基本呈现对称的日变化特征,而热传导率的作用在上午更大。几种参数影响的叠加可能是造成城市热岛出现白天增加、夜晚维持并且在日出前后迅速减弱这种日变化特征的原因。
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