文摘
自1978年以来,中国经历了快速的城市化和土地覆盖的戏剧性的变化将对气候变化有显著影响。一些模型被用来模拟土地利用和土地覆盖变化之间的关系和气候变化;然而,仍然没有足够的证据对城市化对区域气候的影响。本研究旨在确定城市土地利用变化对区域的影响,温度和降水在夏天在Beijing-Tianjin-Tangshan市区2030 - 2040基于WRF模式的仿真结果的分析。首先,我们分析了1995 - 2005年间土地利用变化和气候变化的研究领域。未来的城市化对区域气候变化的影响的模拟。结果表明,城市化在这一领域的影响区域气候和有潜力增加温度和降水在2030 - 2040年的夏天。这些研究结果可以提供决策支持信息与未来城市环境规划策略在考虑地区气候变化。
1。介绍
超过50%的世界人口生活在城市,和城市人口增长以更快的速度比地球的人口作为一个整体和较大的比以往年度增量(1]。预计,61%的世界人口将居住在城市定居在2030年(2),中国目前的计划是让城市人口的比例在2030年达到67%,2.8亿人转移到城市二十年(3]。一些研究表明,中国的人口规模将达到峰值2030 - 2040左右,此后逐渐下降,从低增长阶段转向负增长阶段。气候系统涉及到地表、大气、海洋等水体,冰冻圈和生物圈和城市化,这是最重要的人类活动影响气候系统(4]。城市气候温暖和更多的污染比农村同行(5]。这些差异在一定程度上是由于城市扩张,通常移除和替换作物和自然植被nonevaporating和nontranspiring表面如金属、沥青和混凝土(6]。地表反照率普遍偏低,在城市地区植被和水分可用性。这些因素,加上高水平的人为的存在加热,与这一现象被称为城市热岛(热岛),它描述了环境空气温度之间的差异市区及周边农村地区(5]。热岛通常发生在大部分自然土地覆盖的面积被建立表面吸收的太阳辐射白天晚上然后再辐射(7,8]。热岛一直最集中的城市的气候特点,量化研究通过计算空气或表面温度附近的城市和农村地区之间的差异(9- - - - - -12]。
大量的研究表明,有一些城市化和气候变化之间的关系。例如,发现有少强烈和频繁的波恩斯坦在纽约城市地表温度反演比周围nonurban地区(13]。Kalnay和Cai的研究表明,一半的观察昼夜温度下降是由于城市扩张和其他土地利用变化(14]。Sertel等人表示,城市化增加了平均温度在土耳其根据仿真结果与天气研究和预测(WRF)区域气候模型(15]。事实上,WRF模式已广泛应用于先前的研究,关注未来城市化对气候变化的影响(16,17]。更重要的是,城市化也可以影响区域降水(18]。例如,傅高义极其不满,沃格尔和赫夫发现城市表面的主要因素影响的空间和时间模式和强度短期降雨在圣路易斯,密苏里州,美国19,20.]。牧羊人等人表明,降雨是修改主要城市地区根据观测数据从太空雨雷达TRMM-satellite [21]。许多建模研究也表明,城市化增加了表面收敛背风一侧的城市地区,因此导致[降水增加22- - - - - -24]。例如,Rozoff等人,西瓦等人表明urban-enhanced气溶胶可以施加重大影响的动力学,微观物理学,对流和降水一旦启动,顺风风暴减少城市气溶胶的影响与背景气溶胶浓度(24,25]。
先前的研究分析了城市地表变化的影响在微尺度;然而,它也是很有必要研究过去和未来的城市化进程可能如何影响天气和气候。特别是,它是非常必要的分析这些影响如何超越,影响气候的区域范围内(26]。迫在眉睫的是开发一个指标来量化城市化如何影响区域气候自无视这些影响将导致气候变化的分析结果不准确4]。除此之外,中国的城市已经显示“传播”和“积极”扩张伴随着区域城市发展和人口稠密地带形成自改革开放(27- - - - - -29日),导致增加对气候变化的影响(30.- - - - - -33]。Beijing-Tianjin-Tangshan大都会地区是中国北方的经济中心,它发挥着重要战略作用在中国的政治和经济发展作为一个整体(34]。因此,本研究的主要目标是(1)之间的关系来分析城市化和气候Beijing-Tianjin-Tangshan大都会地区1995 - 2005年期间,(2)确定城市化对温度和降水的影响在夏天基于两个场景模拟的区别在2030 - 2040。部分2介绍了研究区和仿真过程,还包括数据资源。结果和讨论部分所示3和部分4总结道。
2。数据和方法
2.1。研究区域
Beijing-Tianjin-Tangshan市区位于华北平原东北部在38°25′-41°5′N 25 25′′-119°和115°E。它涵盖北京市,天津市的城市唐山、廊坊、河北省秦皇岛(TLQ),面积共55000公里2和一个常驻人口29368600。这个地区主要是山区和平原和丘陵面积是1.98公里2。该地区属于大陆季风气候。平均温度是10°C和12°C之间,与−1.9°C的平均温度在1月和7月26.4°C。平均年降水量75至500毫米时间分布不均匀,主要发生在夏天,年总降水量的72%。
由于自然条件优越,Beijing-Tianjin-Tangshan市区的重要战略位置,它被定义为政治、文化和经济中心。国家“十一五”规划总结本地区的发展。Beijing-Tianjin-Tangshan市区快速开发与土地使用强度高,特别是在大型科技园区、经济特区、工业园区以及其他新开发区。因此,城市的快速增长和水土资源之间的冲突变得越来越明显(35],目前这是最强调的领域在中国这样的问题。
2.2。模拟方案
天气研究和预测基于欧拉质量(WRF)模型解算器是用于本研究探讨温度和降水变化由研究区域未来城市扩张。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) [34],它已广泛应用在全球气候和区域气候研究,并取得了很好的结果(36- - - - - -40]。
本研究模拟了气候变化在Beijing-Tianjin-Tangshan市区2030 - 2040年期间与WRF模式基于两个测试。两个模拟测试是进行夏季(6)2030 - 2040(表1)与WRF模式在同等条件下除了底层表面为了表明城市化对温度和降水的影响。首先,1992 - 1993年的底层表面数据WRF模式取代,因为它不能完全反映了地表条件在2000年之后。2010年土地覆盖数据用作控制底层表面数据测试,和2030年的土地覆盖数据预测的基础上,社会经济的趋势模拟用于敏感性测试。然后,控制试验和敏感性试验的仿真结果比较,和城市化的影响夏季气温和降水量终于检查。未来城市扩张对气候的影响可以解释。考虑以下: 在哪里是指降水和温度,是未来城市化对气候的影响,模拟的结果与预测潜在的表面,然后呢模拟的结果与基线下垫面。
参数化方案表列出在这个研究2。Grell-Devenyi合奏方案采用的积云参数化方案,YSU是边界层过程方案,和凸轮方案长波辐射和短波辐射方案,而陆地表面工艺方案是诺亚地表模型。边界缓冲区设置为4层的网格点,和放松计划采用边界条件。模型集成的时间间隔设置为5分钟,辐射过程和积云对流的30分钟和5分钟,分别。有27层在垂直方向,顶层是50 hPa的大气压力。
外侧边界强迫数据从国家环境预测(NCEP)运营中心全球决赛(新兵)分析(NCEP /光》),每6个小时更新一次。数据集的基础上成立的同化几乎所有种类的观测数据(例如,遥感数据和地面观测数据的空间分辨率1°×1°嘲骂和垂直高度的27层,它已经更新到现在自7月以来,1999年。与NCEP的数据集相比,NCEP II, NCEP /新兵EAR40,不仅具有较高的精度和空间分辨率也涉及到更多种类的环境变量。未来力量提出的数据来自第五阶段的耦合模型相互比较项目(CMIP5)产生一个先进的multimodel数据集。分析的模型输出研究形成了第五次评估报告的基础的政府间气候变化专门委员会41),和两个时间尺度预测未来的气候变化。第一个是短期内(约2035),另一个是长期(2100年及以后)。模型输出的RCP 6.0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2040年的大气强迫数据集被用来作为WRF模式。
城市土地利用数据,从1995年的陆地卫星TM图像提取和陆地卫星ETM图像从中巴地球资源卫星(CBERS)在2005年[42,43从数据中心),收购中国科学院。在1995年到2005年土地利用变化被描述在表3。预测2030年土地利用和土地覆盖数据的数据库中提取出来的具有代表性的浓度通路(RCP 6.0)。新城市区域像素在2010 - 2030年来自RCP 6.0被覆盖的地图基线基础表面;然后2030年底层表面数据转换为网格数据30公里* 30公里的美国地质调查局的数据重采样。
3所示。结果与讨论
3.1。自1995年以来城市扩张的时空模式
城市扩张的一个关键特点Beijing-Tianjin-Tangshan市区土地利用变化从1995年到2005年,时空模式的分析根据遥感数据(表3)。在1995年和2005年,耕地和森林的面积减少了0.98%和2.15%,分别在城市土地面积增加了3.34%,平均年增长率为0.33%。城市扩张的主要驱动因素是耕地和森林的收缩。城市扩张的中心已经从北京大城市的周边城市,如天津和唐山由于区域发展战略和population-resource-environment压力(34]。社会经济发展和地理因素,如人口增长,政策,和经济发展,影响城市扩张和随后的景观变化。
3.2。温度和降水的时空变化Beijing-Tianjin-Tangshan市区期间1995 - 2005
有轻微的温度变化在Beijing-Tianjin-Tangshan市区从1995年到2005年(图1)。总的来说,大部分地区气温均呈增长趋势的研究领域,特别是在大城市北京和天津和唐山的肋大都会区,平均增长率为0.023°C /年。然而,温度将下降到一定程度研究的东北部和西北部地区。从其他土地利用类型转换的区域城市显示相对更高的温度上升,表明城市化对温度有影响Beijing-Tianjin-Tangshan市区。同时,降水表现出上升趋势在北京大都市城市唐山和东北部地区,虽然它显示下降趋势在北京的西部和南部部分。根据上述结果,可以得出结论,该地区城市化进程中影响区域气温和降水量在一定程度上在Beijing-Tianjin-Tangshan市区。
(一)
(b)
3.3。城市变化从2010年到2030年
会有明显的从其他土地利用类型转换到市区在Beijing-Tianjin-Tangshan市区2010 - 2030(图2)。研究区域的城市地区将继续增加在2010 - 2030年期间,和新增加的城市土地将主要集中在北京和天津城市的市中心周围的地区。主要土地利用转换结果的共同影响的内部因素和外部因素如地形、交通、和经济因素,政府的行为,和文化传统44]。在2010年和2030年的土地覆盖数据被放入WRF模式和两个单独的进行数值试验,仿真结果进行了比较,然后对气候城市扩张的城市化影响检查。
3.4。数值模拟的结果
图3描绘未来城市扩张的影响模拟在研究区年平均温度在2030 - 2040。在夏季会有明显的变暖效应,主要是发生在北京的市区,东部大都市。植物的土地到城市的转型导致近地表温度的显著差异。结果,温度会增加明显的区域与城市扩张,主要拥有城市热岛效应,这与先前的研究结果是一致的(16,45,46]。
地表温度与地表能量平衡方程确定。考虑以下: 在第一项指的潜热通量,第二项是指净辐射通量,第三项是指土壤热通量和第四项指的是显热通量。
净辐射通量的一部分是被地球表面吸收,进而影响潜热通量和显热通量,剩下的被转化为土壤和土壤热通量。土壤中的传热符合热扩散方程。考虑以下: 在哪里土层温度,指的是土壤含水量,意味着土层的比热容,是热传导系统。
新城市将会有更多的人口,需要消耗很多热量/电源由于其活动(交通、空调、和行业),因此施加重大影响表面能量的平衡。据报道,表面温度是由辐射通量、显热通量、潜热通量,土层的比热和热传导系统,而表面温度也影响显热通量和潜热通量47,48]。在城市化地区,表面温度,放大了显热通量和土壤热通量,将上升由于增加净表面的短波辐射和潜热通量的减少。所有这些变化以及人为热排放的增加将导致气温上升(49]。
城市扩张对夏季降水有显著影响研究区2030 - 2040年期间(见图4)。一般来说,当地的降水变化存在明显的异质性,而且会有一些城市地区降水增加,这可能是由于扩展的城市边界和二级流出活动增加。牧羊人也显示,未来城市土地覆盖的扩张可能导致一个更昂贵的降雨区域(50]。城市化会增加大气污染物的排放,导致热岛效应,导致土地利用变化。空气不稳定层很容易导致热对流由于城市热岛效应,可以增加热对流,对流降水。此外,不同高度的建筑不仅可以引起机械湍流也阻碍移动缓慢的降水系统,从而导致降水的增加。同时,有密集的城市地区的人类活动,导致大量温室气体的排放,气溶胶和其他微粒。一方面,这些材料增加降水凝结核;另一方面,这些材料加剧城市热岛效应在城市地区。条件下足够的水分,还会有更多降水,由于增加了凝结核以上市政领域和底层表面温度相对较高,这可能占了该地区降水量的增加在夏天。总之,水面气候将直接和间接地影响城市土地覆盖变化(51)和城市扩张将施加更大的影响当地气候的城市发展仍在继续。
4所示。结论
城市气候变化的人类活动相互作用的结果和当地气候变化在本质上。下垫面性质的改变,人为热排放,等等会导致城乡之间的差异的温度,这将进一步改变当地气候迫使字段,因此导致气候等因素的再分配风,云、降水。本研究调查了城市土地利用变化的贡献在Beijing-Tianjin-Tangshan市区气温和降水量的变化与WRF模式基于2030 - 2040年期间最新的实际城市土地覆盖数据从1995年到2005年。
城市化对区域气候变化的影响是一个非常复杂和具有挑战性的问题,它仍然需要进行更深入的研究,因为仍有一些不确定性在这项研究的结果。例如,更应努力全面调查城市化的贡献每年的气温和降水量的变化,极端气候,地表潜热通量,波在地表通量,等等。与此同时,有必要进行进一步的研究对如何定量衡量城市发展和气候因素之间的内在联系,这种内在联系将如何改变气候变化的因素。例如,这项研究表明城市扩张是最重要的土地利用和土地覆盖变化研究区域1995 - 2005年期间,这在一定程度上影响区域的温度和降水。有一个明显的变暖效应在城市化地区及其周边地区,降水的数量在一定程度上也增加了。这个地区的城市不断增加,和城市扩张导致当地气温的不断上升,将使夏季降水表现出增加的趋势在2030 - 2040。这些变化都是由于地表和城市之间的复杂的相互作用的过程。
这项研究的结果表明,人类活动引起的土地覆盖变化具有重要影响的区域气候Beijing-Tianjin-Tangshan大都市,可以为未来的优化提供科学参考土地利用在考虑地区气候变化。政府可以采取一些有用的措施根据本研究的结果来缓解气候变化。例如,政府有必要增加城市绿地的比例在城市土地利用规划和考虑城市森林生态基础设施的重要组成部分,促进城市适应气候变化的能力自城市化将继续下去。此外,迫在眉睫的是调节水资源的供需平衡和加强城市应对洪水灾害的能力因为未来气候变化可能减少供水系统的稳定性,从而威胁供水安全的水源Beijing-Tianjin-Tangshan市区。例如,政府应该调整基础设施的设计标准,如水库、防洪设施,排水系统和集成的排水功能雨水收集系统和自然景观,以提高城市应对暴雨的能力。此外,有必要实现地区容易受到洪水的撤退计划或将这些区域设置为公园,洪水的损失减少到最小的程度。与此同时,迫在眉睫的是提高监控的能力,预测和应对极端天气事件。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项研究得到了美国国家计划在中国发展基础科学(批准号2010 cb950900)。数据支持的国家自然科学基金项目资助的中国也赞赏(批准号41171434,批准号70503025,批准号70873118)。