文摘

未来城市化的气候影响在珠江三角洲(PRD)在中国地区与土地系统的动力学模拟(DLS)模型和天气的研究和预测(WRF)模型。在2000年和2020年土地利用和土地覆盖数据模拟与DLS模型基于区域发展规划。然后表面空气温度的时空变化,地面热通量和区域降水在2020年被WRF量化和分析通过比较仿真结果。结果表明,该组合的土地将成为主要的土地利用类型在2020年珠江三角洲。此外,近地表空气温度显示了一个增加的趋势在整个地区在夏季和冬季,但一些季节性变化。城市气温上升是在夏天比冬天更明显。此外,还有一些区别的空间模式在2020年夏季和冬季降水;降水的空间变化有点大在夏天比在冬天。结果可以为土地利用管理提供重要参考,缓解气候变化。

1。介绍

城市化会导致巨大损失的耕地,森林地区,草地和威胁国家粮食安全和生态安全(1]。更重要的是,它可以改变土地的表面性质,从而影响区域气候(2,3]。城市有更高的蓄热能力,波文比,表面粗糙度相比,农村地区(4]。这些差异导致的变化动态过程在大气边界层和表面能预算,最终影响区域气候在城市地区(5]。

应该更多的关注以来城市化对气候的影响超过一半的世界人口居住在城市地区,预计将继续增加(6- - - - - -8]。研究城市化对气候的影响可以帮助预测和解决由气候变化导致的问题更加科学和有效。例如,濑户和牧羊人9)表示,城市的土地利用和土地覆盖变化对气候区域施加巨大的影响。小石头。10]表明,气候变化可以通过调节更有效地减轻土地利用变化比只控制温室气体排放。此外,石头等。11]建议市政府和州政府应该扩大气候行动计划包括城市规模热管理策略除了实施温室气体排放控制。

仍然有非常有限的知识快速城市化对未来区域气候的影响(3]。虽然已经容易检测的区域影响城市化的帮助下一系列的区域气候模型,这些行为对未来气候的影响还远未清楚自人为影响地球表面继续增加(11,12]。盛典现象的气候效应的城市化是城市热岛效应(热岛),它的特点是温度对比城市及其周边地区(13]。热岛会影响当地的流通模式,这可能会进一步有一些对降水的影响(14]。

有必要实施有效的预测未来城市化的变化趋势来预测未来的气候影响城市化更合理。换句话说,有必要考虑拟议的框架的一个特定地区的发展规划。因此,本研究分析了潜在的气候影响未来的土地利用决策的假设基于区域发展规划。城市化的合理预测的气候效应可以提供土地利用结构优化的基础和指导方针,这是具有重要意义的确定合理的城市规模。

本文的其余部分组织如下。部分2介绍了研究区域的背景,特别是城市化的特征。部分3描述了在这项研究中,使用的两个主要模型动力土地系统(DLS)和天气的研究和预测(WRF)模型,并解释了模型试验在本研究中进行。部分4显示了结果模型的性能,并概述了未来城市化对区域气候的影响预计的高分辨率模拟。最后,部分5显示了讨论和结论。

2。研究区域

珠江三角洲(PRD),位于中国广东省的南部(111.5 - -115.5°E, 21.5 -25°N),一直是世界上最快的发展中地区1980年代以来(图1)。有非凡的经济和工业发展以来珠江三角洲经济改革在1970年代末在中国和本地区一直是世界上最大的制造业和工业基地。它占广东省的人口的30%,但它创建全省GDP的77%。这个地区正在经历快速城市化(图2),并在该地区有很多大城市,也就是说,香港,广州,深圳,东莞,中山,佛山,和澳门。根据中国国家统计局发布的数据,城市人口的比例由珠江三角洲的城市常住人口是2010年71.59%,2000年为82.72%。

作为中国三大经济走廊之一,珠江三角洲已经收到了伟大的城市气候学家的关注。先前的研究表明,该地区城市化导致表面温度的增加,由于土地利用变化(15,16]。一些城市土地变化的研究还发现,珠江三角洲城市热岛效应(热岛)之间的空气温度梯度增加市区和附近的海洋,导致增强的陆海风循环17]。珠江三角洲的经历更大的降水但不轻微沉淀相比nonurban周围地区(13]。此外,还有一些城市土地利用之间的关系和城市地区的降雨量减少干燥的冬季,但不是在夏天18]。换句话说,有季节性变化在城市化的影响降雨量珠三角地区。

合理有序的区域发展严重依赖于发展规划。国家发展和改革委员会发布了“骨架珠三角改革发展规划(2008 - 2020)”4月4日,2010年,已实现的很好。旁边,广东省政府发布了广东省“领土计划”(2006 - 2020)2013年4月18日,为了制定合理规划区域建设用地的扩张。根据这一计划,广东省建设用地在2020年将达到200.6万公顷,比2010年增加了10%,土地利用强度的优化和改善珠江三角洲地区将达到40.52%。此外,土地利用强度的优化发展的珠江三角洲地区(边缘地区),沿海主要发展地区,Shaoguan-Shanwei-Yangjiang适度发展地区将达到12.94%,19.12%和10.59%,分别,这将导致土地利用强度的层次分明的梯度。

城市扩张的步伐,这是城市化进程的重要指标之一,在该研究领域将继续增加,因此这个区域是一个理想的区域分析城市化和其在中国的气候影响。在这项研究中,未来在珠江三角洲城市化首先是根据区域发展规划,预测和随后的区域气候影响城市化进一步分析,这是重视研究城市化对气候的影响。为了充分考虑区域发展的完整性,本研究模拟城市土地的变化在整个广东省与DLS模型。鉴于潜在的变化面积和土地利用强度在珠江三角洲建设用地,我们发起了一项研究,调查的潜在影响的实现广东省“领土规划(2006 - 2020)”战略通过检查表面能量平衡当地气候在一系列城市居住密度。

3所示。数据和方法

3.1。城市扩张的动态模拟

预测未来城市化、土地制度(DLS)的动力学模型是用在这项研究中,它是能够解决目前存在的问题的方法和集成多个数据源的模拟土地系统的动力学(19]。DLS模型中有两个特点。一方面,它达到一个平衡,通过融合一个双级策略:土地需求的场景分析在区域层面的土地使用和空间废除一个详细的像素级。另一方面,它考虑土地利用影响因素之间的相互作用和邻居像素对这些影响因素之间的互动。

DLS模型中的四个主要模块,包括情景分析模块,空间分析模块、转换模块、规则和空间分析模块。在这项研究中,场景分析模块是用来表达城市土地变化以及其他土地类型需要在区域规划中。空间分析模块是用来计算的概率值在每个网格单元各土地利用类型空间回归分析对驱动因素是强调在接下来的段落。转移规则模块是用来表达某种类型的土地转让的可能性在每个网格城市土地。空间分配模块实现空间分布模式下的各种土地利用类型特别是城市土地在网格区域规划。空间分配模块考虑了土地使用部门和像素规模。在这项研究中,我们第一次分配区域需求不同的土地类型不同行业根据供需情况下不同行业在陆地上的区域规划。然后,我们预测土地利用的空间分布在网格规模通过供需平衡分析(图3)。

土地制度的动力实际上是受几个因素的影响。在这项研究中,影响因素一般可以分为四类:地球物理、气候、接近,社会经济变量(表1)。在这项研究中,2020年土地使用派生的场景一个插值的过程基于参考条件广东省“领土规划(2006 - 2020)”和广东省政府《珠江三角洲地区改革发展规划(2008 - 2020)”的国家发展和改革委员会。

这个地区的总体目标主要是保护农田,以保证基本耕地的面积,调整土地利用结构和布局,实现最优和集约用地。两个计划管制土地利用的主要指标(表2)。广东省城市化水平将达到71%到2020年的-73%。此外,广东省的人口将从一百一十增加到一百二十,到2020年,其中在珠江三角洲人口将占全省总人口的-50%,45%,约8000万人将居住在城市和城镇。

的目标的调整土地利用结构和布局,优化土地集约利用和如下:提高矿业和工业用地的比例在建设用地;促进区域协调发展,使新增建设用地的比例在珠江三角洲的平原地区新增建设用地总量从1996 - 2005年的74.1%减少47.46%在2006 - 2020年,推动珠三角产业升级和转移;严格控制矿业和工业用地的无序扩张,并使矿业和工业用地的面积在规划期间人均减少从119²2005年118 /人²2020年/人;使总建设用地面积显示显著的区域异质性(图4)。

3.2。数值模拟模型

WRF下一代,数值预报、nonhydrostatic和中尺度与地形跟踪埃塔坐标建模系统(20.]。WRF的最新版本已经加上诺亚地表和UCM。UCM是一个单层模型用于参数化城市的影响树冠表面几何能量平衡和低水平风切变21]。估计表面温度和热流从三个表面类型:屋顶,墙壁,和道路,准确地再现了周日和夜间冷却率范围的特征表面空气温度(22]。许多研究已经证实,WRF模式加上简单的城市树冠模型具有良好的捕捉能力城市热岛,边界层结构和城市羽几个大城市(23- - - - - -25]。

兰伯特正形圆锥投影用于模型的水平坐标。包括使用的主要物理参数化快速辐射传输模型的新版本(RRTMG) [26WRF一次性的三级计划),微观物理学的参数化(WSM3) [27),新Kain-Fritsch对流参数化(取)28)、延世大学(YSU)行星边界层(PBL)方案29日]。

4所示。结果

4.1。城市扩张到2020年

城市扩张的仿真结果表明,组合区域将不断扩大随着时间的流逝,但增长速度会逐渐减慢(图5)。建设用地扩张的区域异质性表明,新增建设用地主要集中在城市化水平相对较高的地区,例如,珠三角,湛江,潮汕。建设用地将大约在2020年珠江三角洲的主要土地利用类型。也有一些增加城市土地的其他地区,但增量相对较小。这表明,大城市有更好的经济基础,可以吸引更多的外国投资和劳动力,从而进一步加速了这些城市的发展。

4.2。实验设计

本研究的主要目的是探索未来城市扩张对区域气候的影响,和两个实验不同的土地覆盖数据被用来评估未来城市化的影响。敏感性实验(例FUTURB)代表着未来城市扩张,和FUTURB土地覆盖数据更新与DLS的输出模型。控制实验(例CURURB)表示当前土地覆盖条件下,与土地覆盖数据更新与数据提取2000年MODIS卫星观测。实验设计和运行全年为了确定未来城市化对区域气候的影响在不同的季节和几个月。这两个实验进行了在夏季(6月至8月,环流和冬季(12月至2月,DJF)为了确定未来城市化对区域气候的影响在不同的季节。此外,第一个月被认为是向上的时期,初始条件的影响最小化。最后,仿真结果综合了20年从2001年1月1日至2020年12月31日(表3),仿真结果差异FUTURB和CURURB用于分析城市化对气候的影响。

4.3。模型验证

WRF模式的模拟能力研究区域的气候变化是通过比较仿真结果验证的情况下2005年CURURB观测数据从国家标准中国气象局提供的气象观测数据集(http://www.cma.gov.cn/2011qxfw/2011qsjcx/)。表4展示了模拟之间的比较和观察到的年平均气温和降水量。的模拟和观测结果之间的误差均值2 m温度()小于1.0°C的研究区域除了几站。月平均降水的模拟结果同意观察结果很好,相对误差小于10%。模拟温度呈现积极的偏见在所有观测站点除了韶关,广宁,泰山。总的来说,WRF模式模拟温度的季节性变化在珠江三角洲的很好。然而,观测数据相比,模拟温度大约一个小正偏压和几个月的降水是高估了。除了固有的局限性WRF模式,模拟错误可能缺乏相关参数化的人为热释放,气溶胶的影响,和理想的和统一的城市参数(30.]。虽然有一些错误的仿真结果,模拟和观测结果之间的偏差仍然是可以接受的,因为这项研究集中在两个实验之间的区别。

4.4。城市化对表面温度和能量收支的影响

仿真结果表明将显示一个增加的趋势在夏季和冬季,一些季节性变化(图6)。结果,以防CURURB相比,夏季温度增量在整个模拟域平均约0.012°C,以防FUTURB。夏天城市温度将增加更明显(平均0.014°C)比在冬天(平均0.010°C),这与先前的研究结果是一致的。例如,陈和陈发现时空特征的城市化对温度和降水的影响是不同的夏季和冬季之间自1980年代(31日]。它可以发现,与先前的研究虽然变暖趋势是一致的温度增量低于历史时期。原因之一是,本研究涉及整个珠江三角洲,而不是城市。珠江三角洲的另一个原因是城市化率较低的下一个十年比过去30年。

季节性温度的空间格局表明,有更重要的空间异质性的影响地表温度变化在冬天比夏天(图6)。总的来说,气温上升由于城市化显示一些明显的空间异质性在夏天,在冬天时显示没有明显的空间异质性。此外,温度上升更明显的内陆珠三角比沿海地区在冬季(图6)。这种趋势是一致的模拟结果在图中所示的区域规划城市扩张5自内陆地区在2020年将经历更多的快速城市化。城市化水平越高,温度越明显增加,尤其是在夏天。此外,城市化可以施加影响在夏天在两个方面。首先,不会有明显的城市扩张在沿海地区城市覆盖整个地区和造林可能更好,而城市扩张将主要发生在靠近内陆地区。第二,海水的比热影响内陆施加低于沿海地区。结果同意先前的研究的结论,温度上升在珠三角地区以及长江三角洲,这也是一个亚热带气候地区位于中国东南部,由于城市化的历史31日,32]。

表面能量平衡中扮演着重要角色在影响地表上方的动力学和热力学,和表面能量平衡的变化提供了一个显式的解释城市化对气候造成的影响(33]。仿真结果表明,表面的城市化影响变量在夏季和冬季是一致的。仿真结果表明,显热通量略有增加,潜热通量减少整个2020年。显热及潜热的变化主要是由于增加短波吸收和减少在城市地区长波发射。此外,地面热通量显示略有增加的趋势,没有明显的季节变化(图7)。夏天较强影响热力学领域主要是更大的修改造成的城市土地利用的表面辐射参数。

地面热通量会增加总体上在整个模拟域在夏季和冬季相比,在2000年。底层表面将从灌溉农田或草地转化为防水表面大部分是由城市化过程中水泥。表面水的供应量有限由于土地表面性质的变化将减少蒸发冷却在城市地区,这限制了热量从表面释放到大气中,使地面热通量增加。此外,地面热通量较高的变化和变化范围更广泛的在夏天比冬天(图7 (b))。可能是因为这一事件短波辐射,占陆地表面的能源预算,在夏天是最高的。

4.5。城市化对降水的影响

降水是一个关键因素在全球水循环和气候变化的代理人。评估城市化对降水的影响越来越重要的气候变化研究和它对人类生活的影响。另一方面,当地迫使以及天气迫使对降雨有着复杂的影响,可以提高未来降雨预测的不确定性。

有一些区别的空间模式降水在2020年夏季和冬季;降水的空间变化是略在夏天比冬天(图8)。例如,会有轻微增加降水的内陆城市在2020年的夏天,而降水将显著增加在珠三角的西部沿海地区(图8(一个))。然而,降水变化的空间格局是一致的在整个珠江三角洲地区在2020年冬天。换句话说,有轻微的增加的降雨在内陆城市和沿海地区(图8 (b))。在夏季,盛行风提高湿度,扮演着一个重要的角色在城市地区的降雨量增加。特别是,强阳性水分平流降雨量的增加做出了很大贡献在夏天沿海地区。低级垂直速度的增加在城市地区增加对流,从而导致更多的降雨在城市地区。此外,增加了收敛和/或气旋异常由于城市粗糙度可以增加这些地区的降水,即使没有改变在低对流层水汽。有一个类似的机制,有助于降水的轻微增加整个珠江三角洲在冬天。

城市化对降水的影响机制还可以有助于解释降水的季节性变化。首先,当地迫使对降水的影响,例如,盛行南风带来更多的水分从大海到市区在夏天,导致降雨量的增加在夏天沿海地区。此外,城市化有更大的表面影响变量在夏天比冬天。例如,上述结果表明,有一个积极的改变在城市地区在夏季和冬季;以来的城市将成为一个低压区,土地覆盖变化增加了表面温度在城市地区。城市化增加了表面粗糙度,从而降低了风速在城市地区,这将导致收敛性和上升运动的空气在城市地区。事实上,这项研究的仿真结果以及其他数值实验表明,城区的表面压力由于城市化和热岛有下降趋势。此外,减少表面压力和城市化地区的表面粗糙度的增加导致更高的表面融合在城市地区,这就增加了在城市化地区上升运动。显然更重要的是,城市植被,减少密切相关的高表面显热,起着重要的作用在提高珠三角对流循环。

5。讨论和结论

本研究分析了未来城市化对区域气候的影响在中国的珠江三角洲。主要结论可以总结如下。城市扩张的步伐,这是城市化进程的重要指标之一,在珠江三角洲将继续增加。随着城市化的继续,在城市地表能量收支将会改变,而在影响城市气候中扮演一个重要的角色。除此之外,还有各种因素影响区域降水、和当地和地区影响因素的复杂影响,降水导致一些降雨预测的不确定性。

对珠江三角洲地区城市显然有更少的植被,这是密切相关的更大的表面显热,将增强对流循环。另一方面,越少植被可以减少地表潜热通量,可以减少水分用于云的形成。此外,应该进行进一步的分析,揭示出其潜在的过程与城市化的影响在不同季节的降雨。

本研究只分析了城市扩张的物理影响,但城市化进程是一个非常复杂的过程受到很多因素的影响,它有各种对气候的影响。污染物释放辐射过程是另一个重要的因素,影响城市(34]。有必要进行更多的研究,利用多种场景的气候变化,土地利用变化和现实的城市参数量化不同因素对区域气候的影响。此外,增加可用的计算资源,长期模拟将是一个最佳的方法来评估城市化的大规模的气候影响。

确认

这项研究是国家重点支持的财务计划开发中国基础科学(批准号2010 cb950900)。此外,作者感谢编辑和三个匿名评论者的建设性的意见,帮助我们改进。