杭州城市多级通风廊道体系构建初探

随着小城镇建设及城市总体规划修编的实施,基于城市通风廊道构建的生态环境效应成为当前城市生态规划研究的热点。以杭州为例,研究构建了集合城市气候观测、多尺度数值模拟、城市形态控制为一体的城市多级通风廊道系统,综合考虑能够表达或影响城市通风环境的多源评价指标,如分区风玫瑰、近地面风流场、城市风功能区及风流通潜力等。结论表明:杭州城市主导风空间差异明显,可划分为15个截然不同的风玫瑰分区。利用区域边界层模式(RBLM)耦合多层城市冠层模型提取多种地面风流场信息,并结合主导风观测综合划定杭州城市一级通风廊道。结合建筑覆盖率、迎风面系数和地表粗糙度综合评价城市风流通潜力,并将其作为杭州城市二、三级风道划定的辅助依据。同时,利用RNGκ-ε湍流模型验证风道对局部通风环境改善的有效性。最终,基于多源信息的空间叠置分析,综合构建了由6条一级风道、11条二级风道和12条三级城市绿廊构成的杭州城市多级通风廊道体系,为其他城市开展通风廊道研究提供了通用的技术方法,从而科学有效的服务于城市生态规划及管理。     

基于高分辨率数值模拟的杭州市通风廊道气象效应研究

城市通风廊道能增加城市空气流通能力,缓解城市热岛,为了定量评估城市通风廊道的气象效应,本文采用区域边界层化学模式(RBLM-Chem),利用杭州市高分辨率地表类型、城市建筑等资料,开展了杭州市通风廊道影响的模拟研究,模式水平分辨率为250 m。本文针对冬季和夏季两个典型个例进行数值模拟和敏感性试验,夏季个例时间为2013年8月12日,盛行南风,风向顺着通风廊道;冬季个例时间为2014年1月28日,盛行东风,风向垂直于通风廊道。主要结论如下:城市绿色通风廊道有增加风速、降低气温、提高湿度的作用,与没有通风廊道的情况相比,夏季风顺着廊道方向时,廊道区域风速平均增加可达1.4 m/s,廊道区域内60 m高度风速平均增加可达1 m/s。而冬季风垂直于廊道时,廊道区域风速增加较小,仅有0.5 m/s左右。通风廊道夏季降温幅度平均可达2.7°C,冬季降温幅度较小,仅有0.6°C左右。通风廊道对气象场的影响随风向向下游延伸,夏季在通风廊道下游250 m处,风速增加、气温下降、相对湿度增加最大值分别为1.5 m/s、2.9°C、3.1%,即使在通风廊道下游1500 m处,最大降温仍有1.2°C。     

基于气象研究的城市通风廊道构建初探——以南京江北新区为例

利用南京江北新区的气象观测数据、NCEP全球再分析资料和卫星遥感数据,采用统计分析、数值模拟以及地表温度反演技术,综合分析了江北新区的背景风场特征和城市热岛分布状况;并结合江北新区土地利用现状及未来规划资料,构建了其核心规划区域的通风廊道系统。结果表明:(1)江北新区主导风向为偏东风,局地存在山谷风和水陆风,风速主要集中在2~4 m·s~(-1)风速段,且近10年呈下降趋势;(2)在空间分布上,城镇、工业园区风速较小,同时是强热岛区域且有热岛连片发展趋势;长江、老山和林地等冷岛区风速较大,空气较为清新,可利用其与城镇进行空气交换;(3)结合当地气候条件、地形特征、用地类型及未来规划,以山体地势为脊骨,以顺势输引主导风向为基本,以沟通冷源和弱风区为目的,构建了东北—西南走向的1条主通风廊道和3条次通风廊道,以及东南—西北、东—西走向的8条局部通风廊道;并对通风廊道的走向、宽度、布局等提出控制指标和构建策略。     

中国高分辨率地表粗糙度分布研究

利用2010年欧洲空间局(ESA)最新发布的高分辨率全球土地覆盖卫星观测数据,研究中国地区的地表粗糙度分布。参考两个常用气象模式CALMET和WRF中有关土地覆盖类型与地表粗糙度的分配方案,分别建立ESA土地覆盖类型数据与地表粗糙度的映射关系,编制了水平分辨率约300 m的中国地表粗糙度分布,并与实际观测数据进行比较分析。结果表明:(1)使用ESA土地覆盖类型数据有利于反映地表粗糙度更细致的空间分布,但无法反映城市区域内部的粗糙度变化;(2)基于CALMET模式的映射关系给出的地表粗糙度数值系统偏高;(3)基于WRF模式的映射关系能够给出更合理的地表粗糙度,与实际观测更相符,并可部分反映地表粗糙度的季节变化。     

城市近地面高分辨率快速风场模型构建与应用

介绍了城市近地面高分辨率快速风场模型的构建,以中尺度模式结果作为背景驱动场,5m分辨率建筑物资料作为模型数据输入,通过区块处理、分区函数插值和质量守恒约束,实现了在较短时间(2～3 h)内获得可覆盖城市尺度的高分辨率(10 m左右)的近地面风场。基于该模型对北京四环内主城区(20 km×19 km)在8个典型时刻的10 m分辨率风场进行了模拟和检验,结果如下:(1)在风速方面,模拟值与观测值相比往往会偏大些,夏季4个时刻模拟的准确率在90%以上,冬季4个时刻模拟的准确率在60%以上;在风向方面,8个时刻的准确率均在40%以上。(2)基于该风场模型模拟得到的高分辨率风场能够反映出北京主城区风的山谷风日变化特征;明显的风速大值区往往对应着粗糙度较小的下垫面,而一些密集高层建筑区域始终是流场凌乱的风速小值区。(3)以东二环某一区块为例,该高分辨率风场模型还可对重点街区的精细化风场特征进行展示,可以清晰地反映出流场因建筑物分布产生的分流、汇合、局部环流,以及尾流。综上所述,该城市风场模型为实现短时间内获得覆盖城市尺度的高分辨率近地面风场提供了有效途径。掌握城市尺度的精细化风环境特征,有助于识别亟需改善或限制开发的关键区域,辅助城市通风廊道的合理构建和实施,从而达到优化城市内部通风性能、缓解城市热岛、增加风环境舒适度的最终目标。     

城市陆面模式设计及检验

针对城市冠层模式(Urban Canopy Model,UCM)的各种局限性,本文首次提出整体城市陆面模式(Bulk Urbanized Land Surface Model,BULSM)的概念,即在现有先进的陆面模式的基础上直接构建城市陆面模式。本文在通用陆面模式(Common Land Model,CoLM)基础上构建整体城市陆面模式,根据城市的特点对CoLM进行了发展和重新参数化。模式采用高分辨率地表分类数据;改进了模式的地表能量平衡方程与水分平衡方程;对反照率、城市地表粗糙度、城市大气廓线、城市人为热、不透水面水分蒸发及积水深度等进行了重新参数化。模式保留了CoLM在自然下垫面的全部特性,加强了CoLM在城市或人为下垫面的模拟和预报能力。区域验证以及与CoLM对比结果表明整体城市陆面模式模拟结果能够显示出北京城区各参数的空间精细化分布情况,能够反映出地表分类对模拟结果的影响。单站点验证以及与CoLM和高分辨率城市陆面同化系统(u-HRLDAS)对比结果表明整体城市陆面模式地表温度模拟结果与CoLM相比有很大提高;和u-HRLDAS相比大部分站点地表温度模拟结果也有一定的改进。     

CMIP5全球气候模式对1981—2005年东北地表温度的模拟分析

利用中国东北1981—2005年173个气象台站观测的月平均地表(0 cm)温度资料和参加IPCC第五次评估报告的43个全球气候模式模拟结果,对比分析了CMIP5耦合气候模式对中国东北地区地表温度的模拟性能。结果表明：大部分气候模式模拟结果都能较好的再现研究区域的地表温度时空变化,与月观测的时间相关系数均高于095,对年际变化模拟能力稍差,大部分模式模拟结果在整个研究时段均表现出冷偏差。空间分布显示,CMIP5模式能够模拟出中国东北地区地表温度南高北低的空间分布特征,但不同模式模拟结果之间差异较大,模拟能力较优模式能够较好的模拟出研究区域的冷暖中心,较优模式组和较差模式组在夏季的差距达到最大,较差模式组不能再现地表温度的分布特征。通过模式优选发现FGOALS_s2模式表现最优。总的来说,CMIP5耦合气候模式对中国东北区域地表温度的时空变化特征的模拟性能较好,对气候态年变化的模拟性能好于对年际变化的模拟。     

太原城市下垫面扩张对边界层特征影响的个例研究

通过高分辨率卫星夜间灯光数据获取最新的城市地表分布,并利用高分辨率数值模式对2013年8月14~16日太原区域的一次高温过程进行研究,探讨城市下垫面扩张对大气边界层的影响。结果表明：基于DMSP/OLS夜间灯光数据对模式中地表参数修正后,能够更准确地反映太原主城区和高速公路沿线小规模建筑群的扩张,有效改善了模式的预报性能,显著提高对近地面气温、地表温度的预报能力。城市下垫面的扩张,使城区夜间升温明显,热岛强度增强。与1992年的城市化状况相比,晴空天气条件下,2012年太原城区夜间气温上升5℃,热岛强度升高2~3℃。城市下垫面扩张,改变了地表能量分配关系,使得地表感热传输明显加强,潜热通量明显减弱,城市冠层作用下的储热能力增强。边界层内部湍流交换、水汽输送等的进一步研究表明：城市地表水汽输送减弱,边界层水汽含量减少,2~4 km高度的水汽含量增加,湍流动能的影响高度增高,湍流混合加剧;14：00,城区边界层高度抬高了800 m,城市上空混合层加深,持续时间更长。     

黑河中上游不同下垫面动量总体输送系数和地表粗糙度对比分析

利用廓线法计算了黑河中上游地区盈科农田站、冰沟稀疏草地站、阿柔牧场站和大冬树山垭口积雪观测站的总体输送系数和地表粗糙度。结果表明,地表粗糙度与植被覆盖度和高度以及下垫面的性质有关,夏季地表粗糙度大小是农田站最大,其次是牧场站和稀疏草地站,高寒草甸站最小。下垫面状况还影响动量总体输送系数对稳定度的依赖程度,地表粗糙度大的地区强于地表粗糙度小的地区。     

深圳不同发展程度地区的舒适度特征分析

利用广东省深圳市22个气象站2013-2017年共5年的逐时气象观测数据, 计算了舒适度指数并分析其空间分布特征, 结合天空开阔度和社会人口、经济数据对深圳各区分类, 对比分析不同发展进程的3种典型区域的舒适度指数以及舒适、不舒适日数和日变化等特征。结果表明深圳舒适度指数分布具有较明显空间差异, 舒适日数最多的地区是生态环境保护最好的东部。深圳的天空开阔度(Sky View Factor, SVF)空间分布与夏季舒适度指数的空间分布存在显著关联, 夏季SVF数值较小的地区通常更趋向热不舒适。发达地区的舒适度指数明显大于新兴发展地区和未发展地区, 5年的舒适度指数时间序列表明, 新兴发展地区的夏季舒适度指数变化幅度最大, 这与近5年新兴发展地区发展迅速有关。3种典型区域的舒适度指数总体上均呈上升趋势, 这与全球变暖和珠三角区域的快速发展进程关系密切。此外, 发达地区和新兴发展地区的舒适度指数日变化幅度明显大于未发展地区。      

起伏地形下浙江省散射辐射时空分异规律模拟

结合影响起伏地形下太阳散射辐射的天空因素与地面因素,通过基于数字高程模型（DEM）数据的起伏地形下天文辐射模型和地形开阔度模型,综合考虑地面因素对散射辐射的影响;基于常规地面气象站观测资料建立的水平面散射辐射模型,考虑天空因素对散射辐射的影响;建立了起伏地形下浙江省散射辐射分布式估算模型;逐月计算了浙江省散射辐射（100m×100m）的空间分布。结果表明：散射分量分布与地理地形因子、季风影响、大气透明程度有关,由高纬向低纬逐渐增加;季节分布特点为,夏季〉春季〉秋季〉冬季;坡度、坡向对散射辐射的分布影响小,但辐射值与开阔度呈正相关,各季辐射最大值分布在开阔度大处,最小值在开阔度最小处,不同季节有所伸缩。计算结果可以为气候变化和环境资源研究提供基础数据。     

面向特大城市的风环境容量指标和区划初探——以北京为例

利用气象观测、高分辨率城市地理信息和卫星遥感数据,通过将气象类指标与城市类指标相结合,开展了北京地区风环境容量指标和区划的探索性研究。结果表明：水平风速和大气混合层厚度两个指标在空间上均呈北部和东部地区高、中心城区和西南地区低的特征;中心城核心区和卫星城的地表粗糙度长度较高,二环内老城区建筑多为平房,地表粗糙度长度小于二环外其他中心城区,形成较明显的空心环状结构;在中心城区外的植被地区,北部和西部山区粗糙度长度明显高于平原区;加权综合水平风速、大气混合层厚度和地表粗糙度长度3个指标,计算不同等级风环境容量指数阈值,在空间上西南地区的房山、门头沟、海淀、石景山、丰台以及中心城区的东城和西城等地风环境容量指数较低,其中二环至四环范围是风环境容量指数最低区域,这与北京经济、金融和商业中心空间分布一致;延庆、怀柔、密云的北部以及通州的绝大部分地区为风环境容量指数高值区,其他平原区多为中等风环境容量指数区。     

基于Landsat TM/ETM+数据的南昌城市热岛效应研究

利用Landsat TM/ETM+数据进行南昌市地表温度反演,得出1989年和2000年2个时相的南昌市热岛强度等级分布特征,结合下垫面土地覆盖类型图,选取样区对比分析了地表温度空间分布.结果表明:南昌市存在比较明显的热岛效应,主城区的地表温度由城区中心向近郊、远郊逐渐降低,城市地表温度与下垫面的性质紧密相关.研究结果对于改善南昌城市生态环境、减缓城市热岛效应具有重要的参考价值.     

农牧交错带植被演变对区域气候影响的模拟

利用中尺度模式WRF和1981年、1990年卫星遥感地表分类数据,模拟分析了典型年份农牧交错带内地表植被变化对2001-2010年中国区域气候的影响。结果表明:(1)相对于1981年,1990年交错带内38°N以北(南)植被覆盖增加(减小),地表粗糙度增加(减小)。(2)当植被覆盖度增加(减小)、地表粗糙度增加(减小)时,交错带相应地区及附近地区温度升高(降低)。(3)交错带植被演变导致我国降水量差值场存在自东向西的"正-负-正"分布,地表粗糙度增加(减小)对应降水量差值增加(减少),且降水量越大,水循环越充足,植被演变对降水量的影响表现越突出。(4)交错带的植被演变主要影响中高层风场,且存在明显的季节性差异。500 h Pa气旋状(反气旋状)偏差风场环流中心对应着降水量差值场的正值(负值)。     

基于卫星遥感的长江三角洲地表热环境人口暴露空间特征

研究城市地表热环境变化的时空演变规律对防灾减灾具有重要意义。本研究以卫星遥感的夜间灯光,植被指数,高程和坡度为自变量构建了适用于人口空间分布估算的随机森林模型,结合卫星遥感反演的地表温度数据,以2016年夏季为例,研究了1km分辨率的长江三角洲地区夏季地表热环境人口暴露分布特征。研究表明:(1)利用随机模型对长江三角洲2016年人口进行1000m格网空间化分布模拟,变量解释度达到80%,人口空间化结果接近实际。(2)人口密度高值区和夏季大部分月份内的地表热环境高温区和人口暴露高和极高风险区总体有较好的对应。6月皖北地区高温区面积增大导致地表热环境的人口暴露风险较高等级的面积比例高于其他月份。(3)在月和季节平均尺度上,地表高温热环境暴露极高和高风险区域面积极少,处于沿海地区、长江下游沿线以及各县区的中心城市;中等暴露风险区域主要分布在东部及中心城市周边地区;低暴露风险区分布在东北部内陆地区和东北部人口数量相对较少地区。     

夏季通风气象指数预报

随着人们生活水平的提高,对室内污染越来越关注,应"中国室内环境监测委员会"提出的需求,通风气象指数于2006年6月首次向北京公众发布,文章就首先研发并投入业务使用的夏季通风指数给出了详细论述.通过对2005年夏季(6～8月)的各气象要素(气压、温、湿、风、能见度、天空状况等)资料共1790个数据做检验分析,最终选取体感温度为主要预报因子并综合考虑夏季特殊天气条件和风力以及污染的影响,得出夏季通风指数在一天中7个时段的预报公式,并划分出相应的指数等级.     

深圳市天空开阔度的计算及其对气象要素的影响

采用鱼眼相机实测法、RayMan软件计算了深圳市密集高耸建筑物区域、较密集中耸建筑物区域和临水且有低矮灌木丛区域3种不同类型城市建成区的天空开阔度(SVF),定量分析其被周围阻碍物遮挡情况;分析了SVF对2016年6—8月净辐射、温度、湿度、风速的影响,结果表明:净辐射与SVF的关系非常密切,3个站的净辐射最高值均出现在正午12:00,临水且有低矮灌木丛的开阔区域的净辐射最大,而有密集高耸建筑物区域的净辐射最小,与SVF变化一致;夏季中午温度和SVF呈正相关关系,说明SVF小的区域,建筑物密集,辐射遮蔽导致温度偏低,而SVF大的区域,遮蔽效果差,温度偏高,但早晚温度整体随SVF增大呈下降趋势;3个站的相对湿度均表现出显著的日变化,即午后低、早晚高;而午后风速达最大值、早晚风速偏小,建筑物密集区域的风速不如开阔区域的风速大。     

卫星遥感结合地面资料对区域表面动量粗糙度的估算

利用地面湍流观测资料估算了黑河实验区几个典型下垫面的局地地表动量粗糙度，与卫星观测Landsat TM资料相结合得到了由标准化差值植被指数(NDVI)计算地表动量粗糙度的经验关系式，进而估算了实验区夏季和近冬季的地表粗糙度的区域分布，并对所得关系式进行了合理性检验。     

北京地区地基辐射计与卫星云特性参数对比研究

利用2019年MODIS卫星数据、葵花-8卫星数据和天空辐射计观测数据分析北京城区云光学特性的时空分布特征。结果表明,北京地区的云光学厚度(Cloud optical depth,COD)和云滴有效半径(Cloud drop effective radius,CER)呈现明显的季节变化特征。北京地区COD主要分布特征为南部地区较高而北部地区较低,且夏季COD值明显高于其他季节,最高值为20左右。CER在春季和夏季呈现相反的区域分布特征,春季北京地区南低北高,夏季北京地区南高北低,而秋冬季CER明显低于春夏两季。通过将天空辐射计观测数据与卫星观测结果对比分析发现二者在COD方面一致性较高, r分别为0.69和0.66,MODIS对于CER数据的一致性较差,r值为0.053而葵花-8一致性较好r值为0.53。     

土地利用城市化对珠三角炎热天气的影响.

土地利用类型的变化对MM5模拟结果的准确性有着重要的影响。不同的土地利用类型,有着不同的地表粗糙度,反照率,热容量,有效湿度等,从而产生不同的模拟地面热通量及地面水汽通量,并通过垂直方向的湍流输送,影响到高空气象场的模拟结果。利用2001年卫星遥感土地类型等数据,对MM5系统旧的24类全球土地利用数据在珠三角区域进行了更新;通过把珠三角地区的土地利用设为常绿阔叶林和城市两种不同类型的敏感性模拟测试,可以看到土地利用的变化,对温度、风场等气象场的模拟结果影响较大;通过1993年和2001年土地利用情况下的模拟气象场及与观测数据的对比分析可以知道,采用新的土地利用类型可以较好地改进MM5气象场模拟结果的准确性,土地利用的城市化趋势会造成城市密集地区地表温度升高,水汽混合率降低。