城市扩张和未来气候变化对区域大气热环境影响的数值模拟研究

作     者：赵漾 

作者单位：中国科学技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：仲雷

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 070601[理学-气象学] 0706[理学-大气科学] 

主      题：城市扩张 下垫面变化 人为热排放 气候变化 大气热环境 WRF-UCM 

摘      要：城市扩张和气候变化是影响大气热环境的两个最重要的因素,量化城市化进程所产生的影响和对全球气候强迫进行区域尺度的评估,可为城市发展规划提供基础数据以及为缓解气候变化提供决策依据。城市扩张主要体现在两个方面,即下垫面属性的改变和大量人为热的排放,它们可以通过调节地表和大气间的能量交换过程从而对城市生态环境和公众健康产生影响。同时,在全球持续增温的背景下,城市大气热环境对温室气体排放的响应也是一个热点问题。在进行区域尺度的城市扩张和气候变化研究时,高精度的本地化数据对研究结果的准确性至关重要。尽管前人已展开了一系列探索,但是由于对下垫面参数考虑的不充分和人为热排放计算困难,现有的研究在对地表植被的更新和高分辨率人为热数据的耦合方面还存在一定不足。此外,当前对未来城市化气候效应的研究都未能考虑到大气热环境在不同热浪天气下的响应过程。本文以中国东部城市—合肥为例,采用 WRF-UCM(Weather Research and Forecasting Model coupled with the Single-Layer Urban Canopy Model)模式对该区域过去城市扩张、未来城市扩张以及未来气候变化对大气热环境的影响进行了定量研究。首先,基于高精度卫星观测资料,制作了过去城市扩张过程中的土地覆盖类型、绿色植被覆盖度和叶面积指数的WRF静态地理数据集,同时耦合了 1 km空间分辨率的格点人为热排放数据,从老城区和新城区的角度,对城市化发展导致的下垫面变化和人为热排放对大气热环境的贡献分别进行了讨论。结果表明,下垫面变化对7月城市热岛的贡献约为0.76℃,人为热排放的贡献约为0.17℃,与长三角其他特大城市相比略小。下垫面变化对日均2 m气温和2 m相对湿度的影响分别为0.71℃和-4.78%,其中在白天其对新城区的影响要大于老城区,而在夜间其对新老城区的影响相当。人为热排放则对新城区大气热环境的影响非常小,对老城区日均2 m气温、2 m相对湿度和热指数的影响分别可达0.41℃、-1.78%和1.14℃,其中对夜晚的影响约为白天的2倍。其次,利用由夜间灯光数据训练出的1 km空间分辨率的未来城市下垫面预测数据,选取了发生在合肥地区的两个热浪事件,以探究未来城市扩张在不同天气背景下的影响及其与平均态之间的差异。结果表明,未来城市扩张会导致扩张区域的地表感热通量最高升高约100 W/m2,白天增加的地表热储量最高可达140 W/m2,夜晚地表释放的能量也显著增加,增加量可高达105 W/m2。在热浪事件1背景下,城市扩张和热浪天气存在协同作用,而热浪事件2会减弱城市扩张带来的升温效应,这可能与事件2的风速较大导致城区热量散失有关,说明气温对城市扩张的响应程度在不同的热浪天气下是有区别的。最后,讨论了未来不同排放情景下的气候变化对合肥地区大气热环境的影响,揭示了合肥城区在RCP4.5和RCP 8.5情景下的日均2 m气温会分别高达29.9℃和32.2℃,比当前高0.7℃和3℃,并且全球变暖对近地表气温的影响并无明显的城郊差异。未来2m相对湿度并没有随着气温的升高而降低,这是由大气水汽含量的增加导致的。未来增加的温室气体在夜晚对地表的加热作用会增大地气温差,从而导致行星边界层高度升高,而白天的行星边界层高度会降低,这可能与未来增加的大气气溶胶会散射更多的太阳短波辐射,从而减小到达地表的太阳辐射能有关。未来合肥市区白天和夜晚高温的强度和频率均会增加,尤其是在下午14时,38.0℃以上的2 m气温出现的概率可达26.5%。