文摘
城镇能源预算(TEB)模型加上区域大气建模系统(公)应用于模拟城市热岛现象(热岛)在北京的市区。这个新模型具有复杂和详细的表面条件,称为TEB-RAMS,来自科罗拉多州立大学(CSU)和ASTER任务分工研究公司。日常的意思是2 m气温的时空分布由TEB-RAMS模拟0000 UTC 01年至0000年期间UTC 02 2003年7月在面积116°E ~ 116.8°E, 39.6°N ~ 40.2°N在北京。TEB-RAMS运行四个水平的双向嵌套网格,和最好的网格是1公里网格增量。一个人为热(啊)引入TEB-RAMS来源。土地Ecosystem-Atmosphere反馈模型之间的比较(叶)和详细TEB参数化方案。每日2 m空气温度的变化和空间分布北京地区的观测结果吻合较好。每天平均2米气温模拟通过TEB-RAMS啊源0.6 K高于没有指定TEB啊在北京的市区。城市底层表面的存在热岛的形成起着重要的作用。城市区域的几何形态特征,屋顶,墙也似乎对热岛强度有显著的影响。 Furthermore, the land-use dataset from USGS is replaced in the model by a new land-use map for the year 2010 which is produced by the Institute of Remote Sensing and Digital Earth (RADI), Chinese Academy of Sciences (CAS). The simulated regional mean 2 m air temperature is 0.68 K higher from 01 to 02 July 2003 with the new land cover map.
1。介绍
城市气候变暖更迅速和明显比全球变暖1- - - - - -3]。啊排放也扮演着重要的角色在决定热岛强度。热岛现象被观察到在纽约(4]。波恩斯坦发现,表面附近的平均热岛强度是最大但逐渐下降到零,海拔300米。Myrup [5)开发了一个通用的能源预算模型探讨竞争减少蒸发的物理过程在城市中心和城市的热来供暖建筑和铺路材料。好的(6测量空气的温度和周围附近的温哥华提供比较实证模型的观测证据和理论对流模型模拟植被树冠和热岛。理论模型未能重现在温哥华热岛的观察,而经验模型表现很好。金姆和Baik [7)验证最大平均热岛强度的变化在不同的季节在首尔,韩国。他们发现,平均最大夏季热岛强度弱,但是强烈的冬天。此外,分析表明,最大热岛与前一天最大热岛呈正相关,但与风速负相关,朦胧,相对湿度。详细评论热岛效应和城市气候可以找到Arnfield [8]和Grimmond [9]。Arnfield评估城市气候研究的进展与大气湍流和交换过程的能量和水在不同的尺度上。Grimmond总结观察城市地区的重要性理解城市气候和提高模型的性能。最近,研究人员已经观察到越来越多的城市的气候变化之间的关系和热岛效应(10- - - - - -12]。
北京,一个重要的国际大都市,蔓延迅速,明显修改区域和当地的天气和气候特征。任等。13]研究了热岛强度的时间变化在许多气象站,发现重大urbanization-induced变暖季节和年度时间尺度。苗族et al。14]分析了热岛特征和边界层结构在北京使用天气研究和预测(WRF)模型加上一个单层城市树冠模型。结果表明,WRF能够重现热岛强度的日变化和空间分布的昼夜循环风速和风向和小规模的边界层对流细胞。此外,Zhang et al。15)调查了城市对夏季降水的影响利用中尺度数值模型在一个更大的北京市区。他们透露,快速的城市扩张是统计相关的在北京的东北地区夏季降水减少。此外,没有明确的长期趋势在夏天在北京气溶胶光学深度。中尺度气象模式与不同的土地利用数据还用于分析两个选择夏季特大降雨在北京。城市扩张产生更少的蒸发、更高的表面温度,较大的显热通量和更深的边界层。在当前的研究中,我们应用TEB-RAMS城市参数化方案的详细研究北京市区热岛现象。
通用的数值预测模型公羊已经成功地应用于中尺度模拟气象特征(16- - - - - -18]。Rozoff et al。19]用storm-resolving版的公羊模拟城市的气氛,他们发现热岛特征起着重要的作用在启动深,湿对流顺风的城市圣路易斯,密苏里州。模型可以成功地模拟了大气环流的行星边界层hemisphere-scale湍流尺度,它通常用于天气预报和气候模拟[对地区级的核20.- - - - - -23]。Zhang et al。24公羊)用于研究重庆地区的热岛效应,他们发现,原来的公羊模型,没有单层城市树冠模型,不能准确模拟热岛特征,而精度明显改善RAMS-Urban林冠时使用。
最近,考虑城市树冠和啊排放热岛研究吸引了更多的关注。然而,传统的中尺度大气模型处理城市树冠具有相同参数化方案用于植被树冠[25,26]。一些地表参数,如土壤常数,是改变传统的模型来描述城市的特性,而远非现实。城市峡谷几何和不占啊发射这样的模型。在过去的十年中,一些城市提出了林冠参数化方案和发展调查地表能量平衡和城市气候特征等(27,28]。特别是,马森(29日]提出tep模型考虑峡谷几何结构,包括三种类型的表面:屋顶,墙,和道路。模型部分修改了Kusaka et al。30.)和Lemonsu et al。31日]。修改模型包括峡谷方向和太阳方位角的昼夜变化。此外,陆地表面由街道峡谷有不同的取向。tep模型已经成功地用于各种各样的应用程序,从空气质量模拟城市地表能量平衡模型(32- - - - - -35]。城市树冠模型已经被耦合到不同区域中尺度大气模型,用于改善城市边界层气象学的表示(14,36]。tep模型占人为明智和潜热通量的影响在所有人工表面似乎能够导致热岛现象的更精确的评估。在这部作品中,TEB-RAMS模型用于研究和评估在北京热岛强度。
2。研究领域、数据和方法
我们整合的高级版本TEB-RAMS在北京市区四水平的双向嵌套网格,如图1(a),网格间距和网格点数字在这四个领域的纬度和经度方向36公里(80×80),9公里(82×82),3公里(80×80),1公里(83×83)。垂直网格包含25个完整σ水平。垂直网格拉伸比率是1.1和垂直网格间距为120米到15公里高度大气中。仿真开始7月0000 UTC 01年,2003年和0000年结束在UTC时间7月15日,2003年。提供的初始和侧边界条件ERA-40再分析数据产品(37]。图1(b)显示了网格的空间分布的植被类型4,最好的网格,其中红色光栅表示北京的市区。十字路口的位置字里行间AB和CD是天安门塔的位置,北京的中心。
每日气象观测数据集从1951年至今,被用于评价模型。的ERA-40再分析数据集1°×1°空间分辨率被用来提供TEB-RAMS包括声压级空气温度、风速和风向,位势高度,相对湿度在6小时间隔。模型使用海表面温度(SST)每月1°的全球气候海洋表面温度数据来自美国国家海洋和大气管理局(NOAA)。覆盖地图从1992 - 1993年期间美国地质调查局38,39),在2010年从x射线检验是用来评估城市化影响热岛强度在北京。
本研究的总体目标是描述北京地区热岛的一般特征。由于有限的计算资源,一天的实验,从0000 UTC 01至0000 UTC 02 2003年7月,执行和分析。这一天是选择,因为它是一个晴朗的日子,和热岛效应更容易被察觉。列出了具体的模型参数表1。
土地Ecosystem-Atmosphere反馈(叶)已经连同公羊通过过去的二十年里26,40,41]。LEAF-3代表精细表面特征的变化用叶面积指数、植被部分覆盖,反照率,和粗糙长度等。传统方法治疗城市树冠类似于植物树冠,尽管不同的城市之间的几何特性和热动力学特征表面和植被表面相关的空间尺度上。因此,一个新的城市开发的参数化方案马森(29日]介绍了耦合的公羊,叫TEB-RAMS。当地城市TEB-RAMS模型中的几何定义,而通常的裸土配方用于表示城市旧LEAF3-RAMS模型。占主导地位的土地使用类别在北京城市土地和作物/混合饲养。TEB-RAMS仿真,详细峡谷TEB几何结构方案取代了通常的裸土配方或简单的单层植物树冠LEAF3模型。tep -计划,通常是用来代表城市地区,可以更好地代表了热岛效应比LEAF3方案,如图所示,Rozoff et al。19]。在目前的研究中,三个数值试验进行检查的个体模型设置性能代表热岛效应。第一个实验是通过默认LEAF3-RAMS模型,第二个实验是通过TEB-RAMS没有啊排放,第三个实验是通过TEB-RAMS-AH,啊介绍了发射。表2列出了北京TEB方案的输入参数。此外,最新的土地利用地图2010由x射线检验是用来取代早些时候从美国地质调查局1992年的土地利用图。热岛效应是由于土地利用/土地覆盖变化分析。
3所示。模型的评估和比较
尽管公羊已广泛应用于气候建模和天气预报在许多国家,它被使用在中国相对较少。因此,对观察评估其基线性能尤其重要。中国国家气象信息中心的观察(NMIC)包括2518个车站,国际数据交换的一部分。
图2(一个)显示了比较TEB-RAMS模拟每日平均2米的空气温度和观测的位置从2003年7月01 - 15 Guanxiangtai 116.47°E, 39.8°N。TEB-RAMS模型结果表明,成功捕获的日常变化观察2 m在仿真时间内空气温度。模拟结果与实际观测值的分散阴谋每日平均2米的空气温度记录的相关系数为0.81(图2 (b))。然后从18个自动气象观测数据集站在北京地区插值TEB-RAMS电网4评估模拟2 m气温的空间分布。网站的坐标提供了表2。热岛强度的空间分布的观测数据呈现在图3。结果表明,观察温度的空间分布模拟结果图相似5。因此,TEB-RAMS模型可以复制热岛强度。
(一)
(b)
Guanxiangtai站在116.47°E, 39.8°N是在市区,在密云站116.87°E, 40.38°N是在农村地区。图4情节的每日平均2米气温站从2003年7月01 - 15。的气温Guanxiangtai站发现始终高于密云站。每日平均2米气温0.85 K在城市高于农村。温度高2.5 K的最大差异的最小差异−0.9 K温度低,它与经典的热岛特征(表一致3)。
(一)
(b)
(c)
敏感性实验比较TEB-RAMS模型有或没有啊排放,以及默认LEAF3-RAMS模型,进行了评估这些模型的模拟电网4热岛现象,最好的网格,在网格间距是1公里×1公里。tep -的主要表面参数子模型是建筑高度,这对北京地区指定为60米。的空间分布模型模拟日常意味着从0000年的2 m气温UTC (1400 LST) 01 2003年7月到2003年7月0000 UTC 02年的不同模型显示在图中5。地区116.3°E ~ 116.5°E和39.85°N ~ 39.97°N代表城市下垫面。范围116.5°E ~ 116.7°E和39.85°N ~ 39.97°N代表郊区下垫面。2米的区域平均差温度在上面的区域被定义为热岛强度。热量释放到大气中由于人类活动的影响,特别是家庭取暖和工业燃烧。国内加热作为默认值是26°C(表2)。TEB模型中燃烧的两个主要来源是交通和工业。热通量直接释放到大气中平均在表面。表2列出了车辆和工业合理的热源。啊值高于文献中所示(14,24考虑到北京的快速城市化。2 m气温的空间分布使用TEB-RAMS-AH如图5(一个)。有一个明显的变暖效应的气温在2 m,尤其是在北京市中心。发现空气温度在2 m /北京的市区大约是2 K高于在北京的郊区。数据5 (b)和5 (c)也显示了类似的热岛现象在北京,城市地区的气温在1 K比周边地区的数字暖和。此外,热岛的空间分布特征与空间分布一致的市区地图如图1(b)。热岛现象的建模加热强度降低按照以下顺序:TEB-RAMS-AH TEB-RAMS, LEAF3-RAMS。
的空间分布模拟日常的差异意味着2 m气温不同的计划显示在图6。模拟从TEB-RAMS-AH是0.6 K温度高于没有啊,没有TEB (LEAF3-RAMS)图6 (c)。TEB-RAMS-AH之间的最大差异2 m温度和LEAF3-RAMS计划大约是1 K。此外,从TEB-RAMS温度略高于LEAF3-RAMS,如图6 (b)。详细的城市树冠参数化方案,称为TEB,使用一个泛化的当地峡谷几何表面有三个类型:屋顶,墙,和道路。tep模型产生更高的热岛强度相比,一个简单的基于LEAF3城市参数化模型对北京市中心仿真时间。
(一)
(b)
(c)
变化模拟每日平均2米空气温度沿经向和纬向分布检查两个横截面图7。图7(一)显示了2 m空气温度变化在39.91°N位置沿经向分布。点附近的2 m空气温度较高为116.18°E, 39.91°N和116.25°E, 39.91°N比其他地方在附近。此外,图7 (b)显示了2 m空气温度变化在39.91°N位置沿着带状分布。2米的空气在城市下垫面温度也高于附近,如图1(b)。我们还发现每天平均2米气温明显高于北京的中心区域比其他相邻的位置。此外,2 m空气温度变化的顺序从高到低是TEB-RAMS-AH TEB-RAMS, LEAF3-RAMS。1992年美国地质调查局的土地覆盖数据集用于模型(38,39),而北京经历了重大的发展在这一时期。因此,一个新的2010年土地利用数据集从x射线检验是为了获得更多的实际评估城市化效应。如图8是最新的在北京城市表面的面积,约1000公里2这是白人的两倍多,是由美国地质调查局定义覆盖数据集(图1(b)),这是约400公里2。
(一)
(b)
使用TEB-RAMS两个数值实验,用一个实验基于2010年的新土地覆盖数据集,使用土地覆盖的地图和其他美国地质调查局1992年。在图9,地区的差异意味着2 m空气温度之间的两种不同的土地覆盖地图绘制,和domain-averaged温度0.68 K温度与新土地覆盖地图。这表明城市下垫面决定热岛效应起着重要的作用。北京的快速城市化逐渐改变下垫面和大气环境的特点。
4所示。结论和讨论
摘要TEB-RAMS模型用于调查在北京市区热岛强度有四个层次的嵌套网格。发现TEB-RAMS模型能够代表城市地区的特定特性用于操作数值模型。的相关系数约为0.81每天观察和模仿的意思是2米的空气温度。模型的空间分布模式模拟2 m与TEB-RAMS空气温度也与观测一致。2 m气温模拟的时间序列使用TEB-RAMS同意与观察。
Guanxiangtai站之间的空气温度的差异和密云站代表热岛强度从2003年7月1日至15日期间。发现每天平均2 m市区气温是0.85 K高于农村。使用TEB-RAMS敏感性实验进行演示的差异2 m城市和农村地区之间的空气温度。结果表明,2 m气温模拟的TEB-RAMS和LEAF3-RAMS城市面积是1 K比农村的暖和。此外,每日平均2 m在市区空气温度始终高于在其他植被类型的面积沿经向和纬向截面所示。热岛的空间分布与城市土地利用的空间分布区域,表现出图1(b)。此外,敏感性的研究TEB-RAMS有无啊源和北京地区LEAF3方案比较。结果表明,城市区域的几何形态特征是路,屋顶,和墙似乎对热岛强度有显著影响,暗示TEB方案的必要性。也发现2 m在市区空气温度大约是2 K高于郊区啊是和TEB方案包括在公羊。TEB-RAMS-AH模拟温度在2 m 0.6 K高于LEAF3-RAMS在北京的市区第四嵌套网格。模拟2 m的顺序从高到低气温是TEB-RAMS-AH, TEB-RAMS和LEAF3-RAMS分别。此外,热岛强度是最大的TEB-RAMS-AH模型相比其他两个模型。最后,从美国地质调查局1992年的土地利用数据集替换模型中的新2010年的土地利用数据集从x射线检验。结果强调城市化提高了热岛强度。地区的差异意味着2米气温0.68 K温暖从01、02 2003年7月由于快速的城市扩张的影响。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
作者要感谢的支持中国国家基础研究计划(973计划,批准号2010 cb428502),中国国家自然科学基金(批准号40930530和40930530),和中国科学院的项目(Y1S02600CX)。卢博士要感谢NSF ags - 1219645的支持。