文摘
本文依据影响未来城市扩张的区域气候在东北部的大都会,美国。基于模型的分析表明,未来的城市扩张会明显导致区域气候变化。年均气温上升2°C到新的城市地区5°C和年平均温度降低0.40°C到1.20°C的南方大都市将是未来城市扩张引起的。模拟区域的平均年降水量将减少由于未来城市扩张到5.75毫米,7.10毫米和8.35毫米的时期2010 - 2020,2040 - 2050,和2090 - 2100。未来城市扩张的温室效应在原始和新城市地区和干旱影响nonurban地区将在夏天比冬天更严重。冷却效果会出现在原来的城市在冬天。本研究进一步表明,在大都市的规模的研究有助于理解相结合的综合效应和交互的多个城市及其周边地区可能至关重要的是确定区域气候模式在未来,应该高度重视。
1。介绍
城市扩张被认为是其中一个最明显的人类活动的影响,地球陆地表面只有很小一部分,但明显影响气候。通常删除和替换作物和自然植被nonevaporating和nontranspiring表面如金属、沥青、混凝土(1,2]。这些人造表面具有特定的热性能(反照率、热导率和发射率),不同于那些nonurban地区(3- - - - - -5]。区域热性能的改变随着城市扩张将不可避免地导致太阳辐射,影响表面的再分配能源预算6,7]。因此,风速,混合层深度、边界层和热结构,以及地方和区域大气发行量,改变(8- - - - - -11]。
最广泛关注的现象之一urban-induced气候变化是城市热岛的影响(热岛),它描述了城市环境空气温度之间的差异区域及其周边农村地区。实现了很多研究关注一个城市的热岛[12- - - - - -14]。尽管忽视组合的综合效应和交互的多个城市在区域范围内,这些研究有助于极大地理解城市扩张对气候的影响。早在1960年代末,波恩斯坦指出城市地表温度反演更强烈和更频繁的比周围nonurban地区(15]。之后,大量的实证研究证明,城市扩张必然会导致当地的温度变化。例如,Kalnay和Cai的研究表明,一半的观察减少昼夜温度范围是由于土地利用变化(尤其是城市扩张16]。根据罗森茨维格等人利用全球气候模型的估计(GCMs),平均差异在城市和nonurban纽瓦克地区的最低气温为3.0°C和1.5°C卡姆登(17]。元统计分析和鲍尔明尼苏达使用遥感数据表明有一种强烈的地表温度之间的线性关系和不透水表面百分比季节(18]。加芬等,分析了纽约的历史年度数据,发现热岛强度增加和城市扩张负责变暖总数的1/3,这座城市经历了自1900年以来19]。英霍夫等人发现,城市扩张的主要驱动温度的增加,70%的总方差解释内陆表面温度在洛杉矶20.]。Kleerekoper等人表明,严重的城市环境温度上升是由热应力引起的热岛现象的加剧和城市扩张(21]。田等人发现昼夜温度范围与城市紧密关联在深圳他们的研究,中国22]。除了加强热岛效应,人们已经发现,城市扩张明显会导致当地降水变化。例如,马歇尔·谢泼德等人的研究说明城市的积极作用在人工增雨西西北休斯顿地区,建议未来城市扩张可能导致时间和空间降水变化在沿海城市小气候(23]。和郭等人表明,总累计降水减少特别是在城市化地区,在北京及其分布趋向于变得更加集中和加强城市之间的界线和nonurban地区(24]。以上研究表明,明确的是,城市扩张会导致当地的气候变化。
除了研究规模小,单一城市,有证据表明,城市扩张的影响区域范围内气候变化意义重大。林等人发现,城市扩张对台湾西部平原扰乱热的位置和动态过程,从而影响雷暴和降水在西部平原(25]。Trusilova等人指出,欧洲的城市冬天导致城市降水的增加(0.09±0.16毫米/天)和夏季降水减少(−0.05±0.22毫米/天)26]。雅各布森和十Hoeve指出,城市建模20多年来增加全球变暖总值0.06 - -0.11 K和热岛效应可能导致全球变暖生产总值(gdp)的-4% (2%27]。和唱歌等人的研究表明,在长江三角洲城市扩张,中国,导致明显的波动区域降雨强度和更多的不确定性的日常降水变化(28]。这些研究充分和无可争辩地证明,城市扩张影响当地和地区气候变化。但对于大城市的城市仍在扩大,如纽约、北京、首尔、芝加哥和莫斯科,仍然没有足够的证据之间的关系未来城市扩张和区域气候在大都市的规模。和参数的影响城市扩张对大尺度气候仍然存在(13]。在本文中,我们目前的一些依据未来城市扩张对区域气候的影响的基础上,模拟降水和温度在东北人口稠密的美利坚合众国(美国)。
本研究的主要目的是确定未来城市扩张对区域气候的影响在不同的时间尺度在发达的大都市。本文的主要贡献在于它提供了依据未来城市扩张对区域气候的影响,在大都市的规模,有助于理解相结合的综合效应和交互的多个城市及其周边地区。仿真结果表明,未来城市扩张会导致气候变化显著。其中一个令人惊讶的发现是,将会有一个冷却效果在原来的城市在冬天由城市扩张引起的。未来城市扩张将导致年均气温上升2°C到5°C新城市地区,年平均温度降低0.40°C到1.20°C南部的大都市。平均年降水量减少5.75毫米,7.10毫米,8.35毫米的时期2010 - 2020,2040 - 2050,和2090 - 2100年由于未来城市扩张,分别。和温室效应的大小和干旱影响未来城市扩张会随着季节而变化。我们的模拟方案中描述的部分2。大气强迫数据集和预测城市扩展数据集用于我们的模拟也介绍了在这一节中。提供的结果和讨论部分3并在最后一部分得出结论。
2。数据和方法
2.1。研究区域
东北部的大都会是最多的,主要是美国发达的大都市。它是由许多城市包括巴尔的摩、波士顿、纽瓦克,纽约,费城,哈里斯堡波特兰,普罗维登斯,里士满,哈特福德,华盛顿的斯普林菲尔德(29日]。大都市的人口预计将增长到六千万年的2025。这个大都市是选为案例研究区域,因为它是最典型的大都市之一,在全球范围内可被视为未来大都市发展的例子。
2.2。模拟方案
天气的研究和预测基于欧拉质量(WRF-ARW)模型解算器是用于本研究探讨温度和降水的变化受研究区未来城市扩张。这种中尺度模式是一种先进的大气模拟系统的基础上,第五代宾夕法尼亚州立大学/ NCAR中尺度模式(MM5) [30.]。模拟从2010年到2100年以一个恒定下垫面(市区的模式以及其他土地利用和覆盖类型的研究区域是固定的,1993年,即基线下垫面)首先,实施的结果被认为是基线。未来城市扩张的影响气候的差异可以测量仿真结果与预测潜在的表面和基线下垫面(图1): 在哪里是指年度和月度平均温度和平均年度和月度降雨雪,是未来城市扩张对气候的影响,然后呢和WRF-ARW模型的仿真结果与预测潜在的表面和基线基础表面,分别。
2.3。数据和过程
一个先进的高分辨率辐射计(AVHRR)网格数据1公里×1公里的美国地质调查局(USGS)分类系统跨越12个月期间(1992年4月- 1993年3月,从今以后,1993)作为基线下垫面本研究(图中的数据1)。和预测土地利用和覆盖网格数据0.5°×0.5°从2010年到2100年来自代表集中的数据库路径(RCP) 6.0。这个数据库是由亚太综合模型(AIM)建模团队在国家环境研究所(NIES),日本。我们选择RCP 6.0的原因是因为这是一个稳定情况总辐射强迫是稳定就业无超调2100年之后的一系列技术和策略来减少温室气体的排放31日,32]。探讨未来城市扩张对气候的影响,我们只使用的城市扩张信息数据库,尽管各类土地利用变化信息和求职是可用的。假设其他类型的土地利用和覆盖常数,新的城市区域像素的数据库中提取出来的RCP 6.0覆盖基线底层表面的地图。因此,两个主要的底层表面数据,基线底层表面数据直接来源于AVHRR数据和1993年预测通过覆盖城市扩张底层表面数据信息基线底层表面的地图,终于获得(图1)。和这两个两个底层表面数据转化为50公里×50公里的网格数据重采样(图2)。RCP 6.0的数据显示,在东北部的大都会城市迅速扩大在1993 - 2010年期间,将继续在2010 - 2100年期间扩张。
(一)
(b)
(c)
(d)
第五阶段的耦合模型相互比较项目(CMIP5)产生一种先进的multimodel数据集,用来促进我们的气候变化和气候变化的知识。模型的输出被分析的全球研究人员构成的第五次评估报告政府间气候变化专门委员会(33,34]。它提供的预测未来气候变化对两个时间尺度,短期内(大约2035年)和长期(2100年及以后)。后者的模型输出6.0 RCP如空气温度、含湿量,海平面气压,向东风,风,向北和位势高度从2010年到2100年被用作WRF-ARW模型(图的大气强迫数据集1)。
3所示。结果与讨论
城市扩张对温度和降水的影响平均每段2010 - 2020,2040 - 2050和2090 - 2100计算。在仿真的三个时期,基线底层表面数据和预测潜在的表面数据。具体地说,每个时期的气温和降水量2010 - 2020,2040 - 2050和2090 - 2100年基线底层表面获得第一。然后模拟三个时期的气温和降水量2010 - 2020,2040 - 2050,和2090 - 2100年,不断实现通过使用2010年的预测下垫面,2040年和2090年,分别。如上所述,未来城市扩张的影响气候的差异测量仿真结果与基线和预测潜在的表面,也可减少仿真模拟不连续引起的偏差。原始的模拟结果每小时和聚合为年平均数据和月平均数据。
3.1。年平均温度效应
图3描述了模拟未来城市扩张对年平均气温的影响在东北部的大都会,美国。从年平均温度变化的变化,结果表明,温度将本地和地区影响未来城市扩张(图3)。最大的年平均气温变化将发生在新城市(1993 - 2100)期间扩大城市面积,可以肯定被称为热岛效应。最强的热岛将导致增加了5.73°C在一些新的城市地区年平均气温。对于大多数新城市地区,年平均温度将增加2°C到5°C由于城市扩张的时期从1993年到2090 - 2100。未来城市扩张的影响,年平均气温将加强与城市增长。从落叶阔叶林例如,转换到城市地区的年平均温度将导致像素(39°59′N, 75°50 W′)上升了3.15°C, 3.53°C,和3.76°C的时期2010 - 2020,2040 - 2050,和2090 - 2100。
(一)
(b)
(c)
会有一些nonurban像素经历年平均气温降低由于未来城市扩张而大多数nonurban地区的年平均气温将是稳定的。重要的年平均温度降低将主要发生在南部的东北部的大都会混交林(图3)。统计数据表明,该年平均气温下降将范围从0.40°C到1.20°C。随着城市扩张,这一领域的冷却效果会越来越显著。这也许是因为加强热岛由于城市扩张提高市区的上升流动,从而导致冷湿空气流流入大海。
3.2。年平均降水的影响
未来城市扩张平均年降水量的影响主要是负面的。平均年降水变化的空间格局将大约相反的年平均温度的变化(图4)。对于一些新的城市和大部分的像素在城市地区,年平均降雨量会减少10毫米到50毫米。平均年降水量将减少超过100毫米一些像素在南方地区东北部的大都会。减少可能是由于表面水文变化超出热岛效应。有很多研究,讨论城市扩张导致城市降水的增加(21,25,35- - - - - -37]。但是我们的模拟表明,对东北城市群未来城市扩张与大型城市降水有不同的规则。此仿真结果与郭等人的研究结果一致,和Zhang et al .,尽管他们的研究北京地区比我们的小得多的规模(6,24]。城市扩张会产生更少的蒸发,更高的表面温度,较大的显热通量。这将导致更少的水蒸气,因此对流可用势能(角)。结合这些因素引起的城市扩张导致地区降水减少。具体地说,将在东北部的大都会,城市扩张的平均年降水量模拟面积将减少5.75毫米,7.10毫米和8.35毫米的时期2010 - 2020,2040 - 2050,和2090 - 2100。
(一)
(b)
(c)
3.3。月平均温度的影响
图5描绘了月平均温度的变化改变由未来的城市扩张。东北部的大都会的城市扩张将导致原有城市地区月平均气温上升(市区1993年)4月,5月,6月,7月和8月,相反在其他个月期间2010 - 2020(图5(一个))。冬天的冷却效果可能是因为当地的循环变化引起的表面能量预算。和城市扩张的时期2040 - 2050和2090 - 2100年,冷却效果会减弱,这可以称为热岛效应的增强。这两个时期的城市扩张会导致从2月到10月,月平均气温上升相反的其他三个月。6月和7月的月平均温度增加原始城市地区将超过0.4°C 2090 - 2100年期间由于城市扩张。,总的来说,未来城市扩张会导致原始城市月平均温度增加。
(一)
(b)
未来城市扩张的温室效应在新城市会比原来更重要的城市,在夏天比冬天更严重(图5 (b))。特别是今年6月,城市扩张将导致一个月平均气温上升了1.92°C, 3.16°C,和3.59°C在新时期的城市2010 - 2020年,2040 - 2050,和2090 - 2100。也会有新的城市区域的冷却效果11月,12月和1月期间2010 - 2020。但它与著名的月平均温度增加另一个月。月平均温度变化的差异这三个仿真周期表明,新城市热岛效应随着城市扩张将增强。
nonurban区域,未来城市扩张的影响平均每月的月度温度也不尽相同。我们计算像素的数量与月平均温度变化超过±0.5°C(图6(一))。这个数字表明该地区严重影响未来城市扩张每月平均温度。结果表明,未来城市扩张的影响区域每月平均温度将在7月至1月大。至少20像素,这意味着超过5.00×10的一个领域4公里2,将影响未来城市扩张和经验的月平均温度的变化在这些个月超过±0.5°C。特别是在2090年到2100年,城市扩张会导致平均每月超过±0.5°C的温度变化在一个巨大面积1.10×105公里2。和像素的增加平均温度变化超过±0.5°C随着时间表明,影响区域扩展以及未来城市扩张。总之,面积较大的城市扩张,更引人注目的未来城市扩张对月平均温度的影响。
(一)
(b)
3.4。月平均降水的影响
会有负面影响未来城市扩张的月平均降水在原城区虽然轻微。类似于月平均温度、月平均降水的变化造成原城区未来城市扩张会在夏天比冬天更重要(图7(一))。城市引入扩张月平均降水减少原来的城市将达到它的最大的0.49毫米,0.69毫米,7月和0.71毫米的时期2010 - 2020,2040 - 2050,和2090 - 2100。和它将降至最低的0.04毫米在2010 - 2020年的时间,12月和1月0.02毫米和0.01毫米的时期2040 - 2050,和2090 - 2100。未来城市扩张的影响平均每月从1月到7月,降雨将持续增加,然后下降到12月。这种改变原来的城市地区的月平均降水可能是因为当地的环流变化造成的表面能预算变化和可以很容易地发现越来越严重以及未来城市扩张。
(一)
(b)
干旱的影响未来城市扩张新城市将比原来更重要的城市区域(图7 (b))。减少最严重的月平均降水将发生在10月减少11.82毫米,9.23毫米和8.14毫米的时期2010 - 2020,2040 - 2050,和2090 - 2100。10月后,干旱影响未来城市扩张的新城市地区将开始减弱并逐渐降至最低(2毫米至3毫米)。然后,它将迅速翻转,变得越来越严重。相反的影响未来城市扩张在原始的城区,月平均降水大市区会比较新的城市地区干旱的影响。这可以从这种现象推导出平均降水减少的时期2040 - 2050,和2090 - 2100年的时间将小于2010 - 2020。这可能是因为在东北部的大都会,热岛效应的增强将引起潮湿的空气从大西洋的流入。
调查的影响未来城市扩张nonurban地区月平均降水,我们计算像素的数量与月平均降水变化超过±1毫米(图6 (b))。这个数字表明未来城市扩张的影响区域平均月降水在某种程度上。结果表明,未来城市扩张的影响区域平均每月降水将在夏季比冬季更大。快捷方便的城市扩张将导致更遥远的效果。例如,与月平均降水变化的像素数量超过±1毫米将7月35(占地面积8.75×104公里2在2090 - 2100期间),32(占地面积8.00×104公里2)24(占地面积6.00×104公里2在2040 - 2050和2090 - 2100时期,分别。这意味着该地区月平均降水变化超过±1毫米未来城市扩张引起的持续增加和城市扩张。
4所示。结论
仿真研究的内涵和范围影响未来城市扩张的发达大都市地区气候在不同时间尺度上实现。年度和月度平均气温和降水变化引起的城市扩张提出了从1993年到2100年在东北部的大都会,美国作为一个案例研究区域。一些结论如下。(我)从上面的分析可以看出,未来城市扩张将导致年均气温上升2°C到5°C的新城市,年平均温度降低0.40°C到1.20°C东北南部的大都市。我们的模拟区域的平均年降水量将减少5.75毫米,7.10毫米,8.35毫米,由于城市扩张的时期2010 - 2020,2040 - 2050,和2090 - 2100。这减少是特别严重的南部地区的东北部的大都会。(2)未来城市扩张的影响对月平均温度会有所不同从每月和越来越严重的城市扩张不仅在原始和新城市也在nonurban区域。未来城市扩张的温室效应在原始和新城市将在夏天比冬天更严重。冬天,会有一个冷却效果在原来的城市地区。(3)未来城市扩张对月平均降水的影响将是严重的新城市,但在原来的城市地区。新城市地区的干旱的影响随着城市扩张会削弱。未来城市扩张的影响区域平均每月nonurban地区降水将在夏季比冬季大,随着城市扩张将会增加。(iv)城市扩张对气候的影响规则显示在大都市的规模不同于那些在一个城市。大规模城市扩张对气候影响的研究有助于理解相结合的综合效应和交互的多个城市及其周边地区。和这种综合效应可能至关重要的是确定的气候模式。
确认
这项研究得到了国家重点项目在中国发展基础科学(没有。2010 cb950904),关键项目由中国科学院(没有。KZZD-EW-08)和中国科学院的外部合作项目(没有。GJHZ1312)。