文摘

本研究利用天气研究和预测(WRF)模型版本3.5.1评价城市化对夏季降水的影响在大阪,日本。评估是由比较WRF模拟与目前的土地利用,没有一种城镇土地利用(用“稻田”代替“城市”)从2006年到2010年8月。城市化意味着空气温度增加了2.1°C在城市因为显热通量的增加,平均湿度降低了0.8 g公斤⁻¹因为潜热通量下降。此外,城市化的持续时间增加西南海风。城市化在城市地区降水增加和减少在周围的地区。城市平均降水增加了20毫米⁻¹(没有天气尺度降水总量的27%)。增强的降水增加一般是由于对流云团的形成和发展显热通量的增加在下午和晚上的时间。城市化在大阪降水和蒸发的空间和时间分布模式的变化,因此它大大影响水循环在大阪的城市地区。

1。介绍

自上个世纪以来,快速城市化在世界各地传播。相关的土地覆盖变化导致地表能量收支的变化和当地气候在城市地区。城市化是城市热岛的公认影响(热岛)效应表现为更高的温度相对于周边地区在城市地区。热岛效应可能会影响当地的流通模式和降水事件(1]。

一些研究调查了城市化对降水的影响基于观测数据的分析。Changnon和发怒2]分析了降水模式在城市气象实验(METROMEX)在圣路易斯,美国,表明城市地区极端降水事件影响了下午和夜间。牧羊人(3]分析了108年的干旱城市地区的降水数据,凤凰城,美国,显示显著增加降水在季风季节从preurban posturban(1895 - 1949)(1950 - 2003)时期。Fujibe et al。4]分析了观测降水的长期趋势在东京,日本,均呈增长趋势的降水在下午温暖的季节由于热岛效应。

利用气象模型数值研究还调查了城市化的影响。闪和牧羊人5)模拟对流降水对两例在亚特兰大,美国,表明城市地区降水增加引起的顺风城市10到13%。Zhang et al。6)评估城市化影响在中国的长江三角洲和显示,在城市或背风区域降水增加约15%在夏天和冬天发生了微妙的变化。赵et al。7)模拟未来城市化的影响在中国的珠江三角洲,城区的一个重要的作用在增强对流循环。

尽管有许多研究城市化对降水的影响如上所述,urban-induced降水的机制是理解而urban-induced更高的温度。因此,仍需要进一步的研究来改善urban-induced降水的基本理解。

本研究评估了城市化对夏季降水的影响在大阪使用天气研究和预测(WRF)模型(83.5.1)版本。今年8月,在大阪,平均地面气温达到近30°C和每日最大价值往往超过35°C。大阪地区包括日本的第三大大城市和特点是一小部分森林地区和城市地区分数特别高。因为大阪最大的大型亚洲城市热岛强度(9),本研究有助于更好的理解城市化对降水的影响。

2。材料和方法

2.1。研究区域

这项研究集中在城市化对夏季降水的影响在大阪,日本。图1显示了WRF建模域的兰伯特正形圆锥投影地图。域1 (D1)和域2 (D2)覆盖日本近畿地区和大阪府及其周边的区域,分别。WRF性能评估与日本气象厅观测数据(日本)大阪气象台,位于135.518°E和34.682°N的中心地区。地形和土地利用建模域的30秒分辨率数据来自美国地质调查局(USGS)和国家土地100分辨率数字信息数据地理空间信息权威的日本(GIAJ),分别。虽然大部分地区的土地区域的近畿地区山覆盖着“森林”的土地使用,一些沿海低地居多的“城市”土地利用覆盖着。从大阪有分数特别高的“城市”土地使用、大阪地区适合本研究。

2.2。WRF配置

WRF模拟与在线进行单向嵌套在两个域(图1)。水平网格分辨率和域网格细胞的数量是3和1公里和90×90、90×90 D1和D2,分别。垂直层由30 sigma-pressure协调层表面与中间100 hPa高度的第一层约28米。土地使用相关参数的“城市”,“稻田”,“耕地”,“草原”,“森林”和“水”类别(图1 (b))来自WRF-default参数”城市和建设用地”,“灌溉农田和牧场,”“农田/草原镶嵌,”“草原”,“混合森林”和“水体”类别在美国地质调查局24-category土地利用数据,分别。

初始和侧边界条件来自中尺度模式网格点值日本气象厅(二甲基砜世)的数据。来自于高分辨率海洋表面温度,实时,全球海洋表面温度分析数据(RTG_SST_HR)由美国国家环境预报中心(NCEP)。变量在地面和土壤层来自最后操作全球分析数据摘要(摘要光》)。二甲基砜世数据空间分辨率为0.0625°(经度)×0.05°(纬度)表面数据和0.125°(经度)×0.1°(纬度)压力水平数据和3个小时的时间分辨率。RTG_SST_HR数据空间分辨率为0.0833°和24小时的时间分辨率。NCEP新兵数据1°的空间分辨率和时间分辨率的6个小时。四维数据同化技术没有应用WRF模拟。

在这项研究中所使用的物理选项包括延世大学计划(10)的行星边界层(PBL)参数化,WRF一次性的6级的粒子物理学计划(11],诺亚地表模型[12),快速辐射传输模型(13对长波辐射,Dudhia方案(14短波辐射)。积云参数化没有激活,因为细水平网格分辨率。城市树冠模型(UCM)并不是根据我们的初步测试中使用UCM造成可疑结果等更强的表面风速比运行没有UCM(没有显示)。

2.3。方法评估城市化所带来的影响

城市化的影响是评价通过对比以下两个仿真例:基线情况目前的土地利用数据,如图1 (b)和修改后的土地利用数据的情况,“城市”土地利用土地的“稻田”取代了在D2中使用。前者和后者的情况下,分别称为城市和U2PAD病例。这两个模拟病例进行五年从2006年到2010年的8月三天向上期从7月29日到31日。

评估目标地区城市化定义为“城市”的影响占主导地位的城市网格细胞在D2除了横向边界附近(6个网格细胞的距离)。因为本研究专注于当地范围内城市化对降水的影响,天天气前和/或热带气旋控制在目标地区气象条件被排除在目标期间为了减少天气尺度降水的影响。的是那些排除天天气呆在前面或通过D1根据日本气象厅发布的天气地图之间的最小距离和/或热带气旋的中心和外侧边界D1不到300公里。根据定义,目标周期包括22日,21日,19日,22日和29天2006年8月,2007年,2008年,2009年和2010年,分别为155(总113天)。

3所示。结果与讨论

3.1。模型的性能

WRF模拟结果与观测数据在城市的情况下比较在大阪气象台。模型性能评估使用皮尔逊相关系数()、均值偏移误差(MBE),平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)和协议(IA)的索引。金刚砂et al。15)设置基准统计气象模型的性能措施:MBE≤±0.5°C,梅≤2°C,空气温度和IA≥0.8;MBE≤±1 g公斤⁻¹,梅≤2 g公斤⁻¹湿度,IA≥0.6;MBE≤±0.5年代⁻¹,RMSE≤2 m s⁻¹,对风速和IA≥0.6。表1总结统计值WRF性能在大阪气象台从2006年到2010年8月。空气温度的模型倾向于高估,但符合美和IA的基准在所有的五年。湿度,该模型满足所有基准的五年。风速的模型符合所有指标在所有五年除了2009 MB。这些结果和良好的观察和模拟值之间的相关系数表明,WRF模拟气象领域在研究期间,因此适合城市化影响的评估。WRF性能研究中与气象模型的性能一到2个月的模拟在日本早期的研究(16,17]。

图2显示每小时时间序列比较观察和模拟地面气象变量的2010年8月,在这一目标的天数评估城市化的影响是最大的五年。模拟时间变化的空气温度、湿度、风速、方向的城市情况相当好同意观察。在夏天,日本主岛的气象条件通常由太平洋高压控制系统在西北太平洋盛行。当地的海洋和陆风发行量非常发达的条件下。今年8月,在大阪,气温一直很高,常常超过35°C。此外,湿度也一直高,因为从海洋带来了大量的水分供应。如数据所示2 (c)和2 (d),而白天西南海风一般在大阪,在夜间向东北陆风通常是弱,有时平静。尽管WRF模拟温度、湿度、风场、模型很难准确模拟降水在大阪气象台8月。结果表明,夏季降水数值有很大的不确定性评估只在特定的时间点和/或。因此,本研究评价城市化的影响为目标地区和时期中定义部分2。3。

3.2。城市化的影响

图3显示了模拟意味着地面气象变量的空间分布在城市和城市之间的差异和U2PAD病例在目标时间。的差异表明城市化所带来的影响。城市化造成明显的增加空气温度在目标地区和周边地区轻微增加。平均城市化对气温的影响,相当于热岛强度、+ 2.1°C在目标地区和时期。同时,城市化引起明显的减少目标地区的湿度和轻微的减少在周边地区。平均城市化对湿度的影响是−0.8 g公斤⁻¹在目标地区和时期。城市化对平均风速的影响还不清楚相比,空气温度和湿度。城市化对风速的影响是+ 0.1年代⁻¹在目标地区和时期。城市化引起的降水增加目标区域,减少周围的区域。城市化对降水的影响是+ 20毫米⁻¹,相当于没有天气尺度降水总量的27%,在目标地区和时期。

图4显示了模拟的昼夜变化意味着在城市地面气象变量和U2PAD病例在目标地区和时期。城市化增加空气温度,因为显热通量的增加。从午夜到黎明是显著增加(3.1°C 0500当地时间),因为大部分的显热被运送到了高空垂直混合在白天。此外,热量累积在土壤层次的一部分在白天被释放到大气中的显热日落之后。城市化降低湿度,因为从表面蒸发减少,也就是说,潜热通量(在“城市”的土地使用几乎为零)。增加表面阻力在“城市”的土地使用一般减少地面风速。另一方面,增加地面空气温度海风环流增强,导致长期的西南海风在目标区域。上述两种作用相互补偿,因此城市化对平均风速的影响显然是相对较小的,如图3 (c)。显热通量的增加导致显著增加所学高度从中午到晚上(多达449 1700当地时间)。这表明大气中的“城市”土地利用相对更加不稳定的时期,因此对流云团更容易形成和发展。因此,城市化引起明显的降水增加从下午到晚上。结果表明,在目标地区,大量的水分供应来自海洋,显热通量在当地夏季降水中扮演更重要的角色比从地面蒸发。

图5显示垂直截面模拟意味着潜在的温度与风能领域的城市和U2PAD病例在1400年,1700年和2000年当地时间的目标。垂直对流高出一般强和PBL一直在城市比U2PAD案件在目标地区。不同城市之间的潜在高空温度和U2PAD病例中非凡的下午,这表明增加的显热的表面(图4 (e))是通过增强高效地运送到高空垂直混合土地利用“城市”。而夜间逆温层表面的形成在目标区域模拟U2PAD情况下,积累的显热释放白天避免形成稳定层的城市情况。总的来说,城市化引起的不稳定大气中的条件从下午到晚上。

图6显示降水的水平分布和垂直截面的云与风场模拟水混合比城市和U2PAD案件在当地时间1700年8月9日,2008年,作为一个例子代表两种情况之间的差异。在这两种情况下,向上对流发生水平收敛的风在大阪北中部地区。然而,大气对目标地区更加不稳定的城市比U2PAD案件,因此对流在前者更深。结果,云的形成和发展在目标地区增强对流降水增加。还有其他类似的情况下,城市化引起的局部范围降水与对流云团在目标区域从下午到晚上。

图7显示了每小时降水强度的频率分布在城市中的每个网格单元和U2PAD病例在目标地区和时期。城市情况的频率高于U2PAD情况在每个降水强度类。平均频率在网格单元在目标地区和时期降水≥0.5和≥10毫米h⁻¹0.36%和2.68在城市案例和U2PAD 0.25%和2.17的情况下,分别。因此,城市化不仅降水强度也增加降水持续时间。

4所示。结论

本研究评估城市化对夏季降水的影响在大阪,日本,通过对比WRF模拟五年从2006年到2010年的8月。城市化影响评估通过比较城市目前的土地利用和U2PAD情况修改土地利用数据的“城市”取代了“水稻。“目标地区的评价是“城市”占主导地位的城市网格细胞的情况。目标时期WRF模拟时期除了天天气尺度降水。城市案例模拟气象领域在大阪,特点是高温度和湿度和相对强劲的西南海风和弱东北陆风发行量。

城市化意味着目标地区的空气温度和时间增加了2.1°C,因为显热通量的增加。与此同时,城市化意味着目标地区的湿度和时间降低了0.8 g公斤⁻¹因为潜热通量下降。城市化对平均风速的影响还不清楚相比,空气温度和湿度。这是因为表面阻力增加的作用被增强的海风环流补偿。城市化引起的降水增加目标区域,减少周围的区域。平均降水在目标地区和时期增加了20毫米⁻¹,相当于没有天气尺度降水总量的27%。此外,城市的频率高于U2PAD的案件在每个降水强度类,不仅表明城市化增加降水强度也在目标地区降水持续时间。降水增加一般是由于增强对流云团的形成和发展从下午到晚上的显热通量增加。结果表明,在目标地区,大量的水分供应来自海洋,显热通量在当地夏季降水中扮演更重要的角色比从地面蒸发。本研究表明,大阪市区大大影响夏季降水时空分布模式和蒸发,因此水循环在和周围的地区。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突的出版。

承认

这项研究受到了jsp KAKENHI批准号。26420581和26420581。