文摘

使用一个高分辨率区域气候模型加上城市树冠模型,目前的研究提供了量化的影响的首次尝试metropolitan-scale城市规划场景在潮湿的热环境全球变暖。东京都市圈被选中作为一个测试用例。三个城市规划场景是:现状、分散的城市,和紧凑的城市。对潮湿的热环境的影响评估使用湿球温度的全球温度(WBGT)。未来预测2070年代显示2 - 4°C增加白天意味着WBGT相对于当前的气候。城市场景影响小,显示−0.4 + 0.4°C。相对温度和湿度的变化作为给定的城市场景的结果证明是关键在确定的符号WBGT变化;然而,这样的变化并不一定取决于当地城市地表参数的变化。这些发现表明,城市地表变化可能改善或恶化的地方潮湿的热环境和metropolitan-scale城市规划在减轻因高温引发的健康风险是低效的成熟像东京这样的城市。

1。介绍

世界各地的气候在城市化地区近年来发生了实质性的变化,与热环境的一般趋势恶化由于全球变暖以及城市化的综合效应。观察性研究表明,城市化地区经历了较大的温度增加率比其周围的农村地区。这一趋势报道在世界各地多个城市化地区,包括美国(1],中国东南部[2),日本(3,4]。今天有超过一半的世界人口居住在城市地区,这一比例预计将增长在未来5]。除了预期的进一步变暖的地球由于人为温室气体排放6城市化),因此被认为是一个重要因素的增加与气候相关的健康风险由于余热接触(7]。

这些观察和预期的变化在城市化地区动机气候科学家检查结合城市化和气候变化对城市热环境的影响。高分辨率区域气候模型(rcm)都是很好的工具在这个努力,尤其是加上城市树冠方案(UCM) (8,9]。使用UCM耦合RCM Georgescu等人,足立等人研究了城市扩张的影响在未来气候亚利桑那州和东京,分别为(10,11]。讨厌工作由Argueso等人还研究了悉尼城市扩张的影响使用UCM耦合的RCM [12]。虽然这些研究假设简单的城市扩张,影响的替代使用rcm城市场景已经开发和测试。例如,胫骨和Baigorria检查未来替代为佛罗里达州中部城市规划的影响(13],柯等人研究了三个城市规划场景武汉,中国14]。东京都市圈,足立等人使用UCM耦合的RCM分析的影响城市场景由山形等人在当前气候和显示,紧凑城市场景(假定人口收敛于东京市中心)可以减轻市区的意思是夜间温度0.1°C (15,16]。Kusaka等人还分析了山形场景未来气候条件下和报道,得到了类似的结果足立等人的(17]。

以上提到的研究集中在城市形成空气表面温度的影响。因高温引发的健康风险的更全面的评估,然而,包容的湿度和太阳辐射是至关重要的。WBGT是一种广泛使用热指数将温度、湿度、太阳辐射、风速(18]。少数研究评估未来的变化WBGT使用UCM耦合rcm [9,19,20.),但这些研究都没有考虑城市未来的变化。

本研究旨在提供一个定量评估的影响metropolitan-scale夏季潮湿的城市规划在热环境下全球变暖。研究区是大东京地区,是世界上最大的都会区人口3800万(5]。动力降尺度模拟是进行当前和未来的气候。对于后者,我们认为未来城市规划场景:现状情况和两个可选场景(紧凑和分散的城市场景)。将特别关注全球变暖影响的比较与选择城市规划对夏季潮湿热环境的影响。为此,我们使用WBGT综合热指标,将温度和湿度。作者最好的知识,本研究是第一次评估的影响未来城市规划metropolitan-scale场景使用动力降尺度方法在潮湿的热环境。

2。数据和方法

2.1。RCM模拟

天气预测和研究(WRF)模型版本3.1.1用于区域气候模拟(21]。模型域设置为单向嵌套的三个领域。最外层的域(D01)覆盖整个日本27公里水平网格间距。中间域(D02)是嵌套在D01 9公里水平网格间距,和最内层的域(D03)覆盖东京都市圈是嵌套在D02水平网格间距(图3公里1(一))。随后的分析将基于D03的结果。所选择的物理方案,主要基于Kusaka et al。9,如下:RRTMg辐射方案(22),WSM6云粒子物理学计划(23),YSU行星边界层方案(24]。Kain-Fritch积云参数化方案(25D01和D02)激活。的表面,我们使用诺亚地表模型26)与单层城市树冠模型耦合(UCM)由Kusaka et al。27]。UCM在这项研究中的应用是一个修改版的一个足立等人将城市地图,一部分网格以及网格地图明智,潜伏,和人为排热通量15]。人为热释放被允许在白天不同,大致观察后由Kikegawa et al。28]。

由于DDS所需的广泛的计算成本,模拟是针对8月,因高温引发的健康风险是在本月最大化。模拟是进行7月27日00 z每年8月31日18 z的当前和未来的气候模拟目标年。当前和未来的气候模拟使用进行pseudo-global-warming(产气井)方法(9,29日]。初始和边界迫使当前气候(2000 - 2009年8月)提供的模拟NCEP-FNL(国家环境预报中心的最终分析)的数据。为未来的模拟,针对2070年代达到此场景下的政府间气候变化专门委员会的第三份评估报告的初始和边界迫使由结合NCEP-FNL数据和预测的未来变化意味着MRI-CGCM2.3.2(表1)。温室气体浓度辐射方案修改中指定的值达到此场景。

2.2。城市规划方案

对未来的气候模拟,我们考虑三种类型的metropolitan-scale城市场景由山形et al。16):(1)现状的情况下,未来的城市结构被认为是改变从今天开始;(2)紧凑的城市场景中,东京市中心的人口集中居住在高楼大厦;(3)分散的城市场景,在东京人口扩散到周围的农村,取决于汽车上下班。这些场景反映在UCM通过修改城市分数和人为热释放如图2。在这里,增加/减少在城市中增加/减少抵消了一部分绿色部分。这里的重点是评估的影响地表的修改。因此,总人口在东京市区(因此人为热释放)的总量保持相同的当前和未来的场景,但其空间变化改变根据城市场景。在部分简要提及了1山形的影响城市场景表面空气温度以前分析足立et al。15]。Kusaka等人还研究了山形场景在未来气候的影响和比较他们之间的差异两个区域气候模型(17]。

2.3。观测数据

WBGT计算需要的空气温度、湿度、风速、太阳辐射;和这群完整的气象要素的测量只能在五个地点在我们分析域,如图1 (b)。因此,每小时的数据收集从这五个站和用作WBGT验证数据。在空气温度的情况下观察,自动气象数据采集系统(AMeDAS)为测量提供了更好的空间分布;因此AMeDAS数据用于空气温度验证。当前气候模拟的观测数据收集期间,2000年8月- 2009。

2.4。WBGT

WBGT热指数是一种广泛使用,尤其是在劳动环境的规定(30.]。WBGT之间的热量交换是基于人体表面和周围的空气,通过湿润、辐射、热力学和干燥,湿球温度的,全球,和干球温度代表每一个组件,分别。WBGT (°C)的户外环境制定如下: 在哪里(°C),(°C),(°C)湿球温度,全球温度(以黑球温度计),分别和空气温度。在这里,是一个函数的空气温度、湿度和空气压力。在这项研究中,获得使用双线性搜索算法结合Teten(见公式(2))和簧上的公式(见(3)): 在这里是饱和蒸汽压在空气温度(hPa)吗(°C),蒸汽压(hPa),是大气压力(hPa)。取决于空气温度、太阳辐射、风速。在这项研究中,使用经验公式计算由Tonouchi和村上教授31日]: 在哪里太阳辐射(W / m²),风速(米/秒)。

3所示。结果

随后的分析集中在白天(当地时间6:00-18:00)鉴于热应力在此时间内最大化。白天的气候平均温度和WBGT白天每小时值并计算了平均超过10个月(即。,2000 - 2009年8月)。

3.1。当前气候再现性

如上所述,全组的观测数据所需的气象要素WBGT计算只在五个不同的地方在我们的分析领域。先前的研究表明,空间变化的气候WBGT往往是与空气温度变化密切相关(20.]。因此,我们首先验证模拟空间空气温度的变化对观测值从AMeDAS数据;图3显示了一个模拟的比较和观察到的空间变化的白天平均气温为当前的气候。WRF模式成功地抓住了观察温度的空间变化。最高温度在东京市中心,这表明城市热岛效应的一个明确的表示。此外,模拟之间的空间相关性和观察到的温度很高,为0.97。然而,WRF低温偏见,−0.5作为分析域平均。

接下来,我们检查WBGT的再现性,利用气象观测站的数据(图4)。模拟白天通常意味着WBGT同意观测值,相对较小的偏见,对Choshi−0.54, + 0.22 Maebachi,筑波−0.07,0.22−宇都宫。东京的偏见是相对较高,在+ 0.68;然而,在整个这些偏见的标准偏差范围内。

3.2。未来的变化现状城市场景

未来差异现状模拟和当前气候模拟给2070年代的全球变暖的影响。图5(一个)显示了模拟未来8月日间平均WBGT变化现状城市场景。至少增加2°C WBGT预计整个分析领域,增加了更大的山区和平原地区的东京市中心的西北部。预计未来5个气象观测站的更改也显示在图4,预计增加从2.09 + 2.05 +。所有这些增加显著,根据双边学生的99%的水平以及。

模拟未来的变化在每个WBGT组件的数据所示5 (b)- - - - - -5 (d)。一般来说,显示了最高增加对整个分析领域,紧随其后和。最大的贡献的增加WBGT来源然而,因为它的系数是0.7 WBGT(见公式(1))。深刻的增加的WBGT山区似乎是相关的增加(数据5(一个)和5 (b)),而西北大WBGT增加平原地区的东京市中心似乎与增加有关和(数据5(一个),5 (c),5 (d))。

3.3。影响未来的替代WBGT城市场景

影响未来的替代城市场景(分散和紧凑的城市场景)评估。数据6(一)和6 (b)显示8月日间的差异意味着WBGT在每个替代城市场景的现状在未来气候情景模拟。选择城市场景的影响范围从−0.4 + 0.4°C。相比2°C的变暖WBGT由于全球变暖,替代城市场景的影响相当有限。然而,一些特定的影响显著(数字6 (c)和6 (d))。

在紧凑的城市场景中,WBGT现状情况的差异显示非常零星的性质。有一种普遍的东京市中心附近的减少和增加市区的郊区。南部地区显著异常发现千叶(以后SC,用黑圈的数字6 (c)和6 (d)沿着山脉以西)和东京。这些零星的性质WBGT差异和气候的统计学意义暗示响应意味着WBGT大都会城市结构的变化可能是非线性的。

在分散的城市场景中,WBGT异常大致遵循温度的影响,农村地区普遍增加,弱还原在东京市中心。然而,这些变化并不显著。相反,显著减少在SC在东京西部的山区,这些削减将预期相反温度的影响。部分4提供了一个详细的讨论可能的原因影响WBGT上述替代城市场景。

3.4。城市场景分解WBGT应对未来的替代

选择城市场景的影响在每个WBGT组件图所示7。的差异紧凑的场景显示增加东京市中心包围面积减少,而分散的情况下减少集中在东京市中心周围宽阔的面积增加(数据7 (e)和7 (f))。这些反应的空气温度替代城市场景按照先前的研究[15,17]。我们进一步注意到明显的地区反应是局限于陆地表面的面积替代城市场景(图修改2)。在这个领域,显示了类似的反应的。然而,反应也出现在土地表面改性与零星的性质(数字7 (c)和7 (d))。这被认为是与远程通过非线性影响云的形成的过程。的反应显示binary-like性质,反应都是在一系列−0.05 + 0.05°C,或大于±0.4°C(数字7(一)和7 (b))。领域的反应大于±0.4°C大致对应于显著WBGT变化(数据6 (c)和6 (d))。作为讨论的部分3所示。2,最大的系数WBGT配方。鉴于替代城市场景的反应所有WBGT组件从−0.5 + 0.5°C,最大的控制决定了WBGT变化的迹象。

4所示。讨论

4.1。城市土地表面修饰的影响

上述结果表明,8月日间变化意味着WBGT很大程度上控制变化,对全球变暖问题和选择未来的城市场景的影响。下面的讨论认为的行为在城市土地表面改性的上下文。这里我们使用模型网格点在SC地区用黑色圆圈的数字6 (c)和6 (d)相反,当他们表现出WBGT改变城市场景和显示(即相对更加连贯自然空间。统计上显著的变化,模型网格点集中在这个区域)。SC area-averaged反应,和湿度(蒸汽压,副总裁表示,为了消除任何的影响)如表所示2。如果增加和副总裁增加(2)和(3))。在SC,紧凑的城市场景中,几乎没有反应(−0.01°C)但Vp增加(+ 1.02 hPa)。产生的响应的因此增加(+ 0.39°C)。另一方面,对于分散的场景,增加(+ 0.16°C),但却降低了副总裁(−1.44 hPa);由此产生的反应是消极的(−0.52°C)。在这里,减少在分散的城市场景似乎是减少的结果超过增加的副总裁。图8显示的变化关于气候的意思是,在SC现状情况,作为一个函数的变化和副总裁。黑色的三角形表示下降的地方超过了副总裁,因此减少。分散的城市场景变化都位于这个区域。通过这种方式,相对变化和副总裁确定变化的迹象。值得注意的是,选择城市场景的影响在SC(图副相对更大9),与其他地区相比,而温度变化没有显示特性(数据7 (e)和7 (f))。一般来说,和副总裁增加增加城市和绿色的分数,分别。随着城市分数的增加/减少绿色分数的增加/减少,抵消了和副总裁通常是负相关,如图10。然而,有一些例外的负相关性,它们中的大多数都是在SC(用蓝色的点在图10);副总裁响应unproportionally大相比响应。

那么,导致副总裁在这一领域的特殊反应吗?城市的变化分数(因此绿色分数的变化)在这一领域不是那么突出,与东北千叶相比,例如,没有发现显著WBGT异常(图2)。这表明各自变化的大小城市和绿色分数不一定确定Vp反应的量。副总裁反应减少其他潜在原因包括整个市区循环模式的变化。以前的研究已经表明激烈的城市土地表面的变化调节海风发行量(32,33和降水34,35]。然而,我们的模拟并没有显示出显著的变化在行星边界层内的风,这将导致大量水分的变化可用性在SC(没有显示)。调查机构的副总裁调制在行星边界层内的城市土地表面修改留给未来的研究。

4.2。在热缓解Metropolitan-Scale城市规划的有效性

节中描述3所示。3,选择城市场景的影响(从−0.4 + 0.4°C)相比是相当小的全球变暖信号(WBGT 2°C变暖)。这些发现表明,至少在东京,metropolitan-scale城市规划不是特别有效的方法来缓解因高温引发的健康风险。有限的有效性部分归因于东京当前成熟的状态,哪里有小房间了大量城市地表的变化。此外,东京都市圈是海洋和山脉包围从而进一步城市化地区的扩张是不可能的。的一些研究报道热环境的重大变化,城市化假定横向扩张的城市化地区,取代现有的自然地表城市化的一个(10,12]。这种扩张并不认为在这项研究中。

4.3。未来的任务

在目前的研究中,我们关注的影响城市土地表面修改潮湿的热环境。然而,有很多因素可能大幅改变城市化地区的潮湿的热环境。例如,众所周知,气溶胶调制湿润过程(如雾、云、降水的形成)内外的城市化地区36];所以他们可以通过改变可能影响WBGT日晒到达地面。我们也注意到,在街道上,太阳日晒很大程度上是受到城市化区域的复杂的表面结构的影响,根据先前的研究已经证明(37,38]。明确治疗的个体建筑和路边的树是详细评估所需的辐射在街道上但不认为在目前的研究中由于有限的计算能力。这里不考虑其他关键因素包括人为热释放相关变量的日常变化天气条件和预期日本人口的减少。评估这些因素是留给未来的研究。

5。结论

东京都市圈为例,目前的研究评估metropolitan-scale城市规划方案的影响在一个潮湿的热环境在气候变化的背景下。特别注意给相对温度和湿度的影响。在这方面,WBGT被用作索引来评估综合热应力,考虑到这两个温度和湿度。动力降尺度模拟进行了基于三metropolitan-scale东京城市场景,由山形et al。15]:现状(未来的城市结构保持不变),分散城市(农村人口扩散),和紧凑的城市(在东京市中心人口收敛)。

未来现状场景投影显示2 - 2.4°C增加白天意味着WBGT。两个可选城市场景的整体影响估计从−0.4 + 0.4°C,这是全球变暖信号相比相对较小。这些发现表明metropolitan-scale城市规划可能不是有效的缓解,至少在东京。有限的城市规划方案的有效性部分被认为是东京的城市结构的成熟状态,哪里有小房间留给城市地表的实质性的修改。

虽然规模小,一些特定的城市场景影响显著。统计上显著的变化在本质上都是零星的,表明气候的响应意味着WBGT城市结构的变化可能是高度非线性的。一些替代的城市场景影响WBGT透露对温度的反应,尽管WBGT强烈依赖于温度。特别是,南部千叶显示显著减少WBGT分散的城市场景中,尽管温度增加;和各自的区域分析表明,这种减少是引起的更大的影响减少湿度超过温度增加。没有必要减少之间的相关性观察湿度和城市和绿色分数的变化,表明非局部变化可能减少因果作用。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

SOUSEI程序下进行这项研究教育部,文化,体育,科学和技术(下边了)的日本。部分的研究也由全球环境研究基金会(S-5)的环境,日本和适应气候变化的研究项目(RECCA)下边了。特别感谢将Sachiho a .足立博士提供的版本WRF这项研究以及城市场景中使用土地利用数据库。WRF模拟进行计算科学中心的超级计算机T2K筑波大学,跨学科的科学计算程序。