2003年北京夏季強(qiáng)熱島特征及其氣象影響因子

2003年北京夏季強(qiáng)熱島特征及其氣象影響因子

城市熱島的日變化城市熱島是指城市溫度高于郊區(qū)，溫度高的城市周?chē)粶囟鹊偷慕紖^(qū)包圍。19世紀(jì)初,英國(guó)氣象學(xué)家Howard對(duì)倫敦城區(qū)及其郊區(qū)的氣溫進(jìn)行了觀測(cè)研究,發(fā)現(xiàn)城區(qū)氣溫比郊區(qū)高。此后,各國(guó)學(xué)者對(duì)城市熱島的存在性、變化特征、垂直結(jié)構(gòu)、影響因子、形成原因以及城市熱島的數(shù)值模擬等開(kāi)展了大量研究工作。如Park發(fā)現(xiàn)熱島強(qiáng)度隨風(fēng)速的增大而減弱;Ackerman發(fā)現(xiàn)熱島強(qiáng)度隨著云量的增加而減弱;Magee等指出費(fèi)爾班克斯市熱島強(qiáng)度隨風(fēng)速的增大而減弱;Morris等指出墨爾本市夜間熱島強(qiáng)度隨著云量覆蓋的增加而減弱;Tumanov等指出布加勒斯特市熱島在反氣旋控制下最強(qiáng);Tapper發(fā)現(xiàn)新西蘭基督堂市上空大約290m高度以上鄉(xiāng)村氣溫大于城區(qū)氣溫。我國(guó)從上世紀(jì)80年代起對(duì)城市熱島現(xiàn)象進(jìn)行了大量研究工作。有學(xué)者分別研究了北京、上海、福州、哈爾濱、景洪等城市的熱島現(xiàn)象。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,城市熱島的數(shù)值模擬也開(kāi)展了起來(lái),并取得了許多成果,如楊玉華等成功地對(duì)北京冬季城市邊界層熱島的日變化進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。北京城區(qū)面積、人口和能源消耗在最近20年都有很大的增長(zhǎng)。隨著城市的發(fā)展、人口的增加和能源的大量消耗,城市人為熱和下墊面熱儲(chǔ)存也大量增加,城市熱島效應(yīng)也將發(fā)生變化。對(duì)于城市化發(fā)展情況下北京夏季城市熱島近況,所進(jìn)行的研究工作不多。北京夏季最近幾年有否出現(xiàn)強(qiáng)熱島?強(qiáng)熱島存在時(shí)各種氣象要素特征是什么樣的?如何對(duì)夏季的強(qiáng)熱島進(jìn)行數(shù)值模擬研究?這些問(wèn)題在全球變暖的大背景下,具有特別重要的意義。在夏季高溫天氣條件下,如果再出現(xiàn)強(qiáng)熱島而使城市地面氣溫顯著高于郊區(qū),勢(shì)必嚴(yán)重影響到城市居民的舒適度,甚至影響他們的健康。本文重點(diǎn)分析了城市化大發(fā)展的情況下北京城區(qū)2003年7月一個(gè)強(qiáng)熱島個(gè)例的特征及其氣象影響因子,初步研究了強(qiáng)熱島數(shù)值模擬的方法。1氣象漢王的經(jīng)緯度、高度資料來(lái)源于北京20個(gè)常規(guī)地面氣象觀測(cè)站和2個(gè)自動(dòng)氣象站以及中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所325m氣象鐵塔。氣象鐵塔的經(jīng)緯度是39.967°N,116.367°E。氣象鐵塔分為15層,各層高度是8m、15m、32m、47m、63m、80m、102m、120m、140m、160m、180m、200m、240m、280m、320m。常規(guī)地面觀測(cè)站和自動(dòng)站的經(jīng)緯度、海拔高度等從略。2分析北京城市熱島效應(yīng)及其氣候影響的因素2.12天氣熱島強(qiáng)度城區(qū)氣溫以海淀、天安門(mén)和白家莊3站氣溫平均值表示,郊區(qū)氣溫以順義和大興兩站氣溫平均值表示,熱島強(qiáng)度定義為兩者之差,即Tu-s=Tu-Ts。依此定義計(jì)算出2003年7月逐日夜間02時(shí)熱島強(qiáng)度,并根據(jù)周明煜等對(duì)熱島等級(jí)的分類(lèi)(夏季城郊溫差≥2.0℃時(shí)為強(qiáng)熱島,2.0℃>城郊溫差≥0.5℃為弱熱島,而城郊溫差<0.5℃時(shí)為無(wú)熱島),得到2003年7月,有11天強(qiáng)熱島,14天弱熱島,6天無(wú)熱島,強(qiáng)熱島占到了大約1313,強(qiáng)弱熱島之和占到了大約4545。可見(jiàn),北京夏季夜間大多數(shù)天氣都存在熱島。7月1日02時(shí)城市熱島強(qiáng)度達(dá)到3.4℃,是典型的強(qiáng)熱島,為了方便論述,把這一天稱(chēng)為強(qiáng)熱島日,下文以這個(gè)強(qiáng)熱島日作為研究對(duì)象,就其特征及氣象影響因子等作進(jìn)一步分析和初步數(shù)值模擬研究。2.2地面氣溫分布6月30日14時(shí)和7月1日14時(shí),郊區(qū)昌平、順義、懷柔等站的地面氣溫高于城區(qū)天安門(mén)、白家莊地面氣溫,城市熱島不存在。6月30日20時(shí)和7月1日08時(shí),城區(qū)地面氣溫比郊區(qū)略高,熱島強(qiáng)度分別為1.1℃、0.5℃,均是弱熱島。7月1日02時(shí),城區(qū)地面氣溫比四周所有郊區(qū)站的地面氣溫都高,熱島強(qiáng)度是3.4℃,為強(qiáng)熱島。夜間02時(shí)的地面氣溫分布如圖1所示,其它時(shí)次地面氣溫分布圖從略。對(duì)于夜間城市弱熱島和強(qiáng)熱島的出現(xiàn),城市人為熱和人工構(gòu)筑的城市下墊面的熱儲(chǔ)存無(wú)疑起著重要作用,它們是城市熱島得以形成的熱量來(lái)源。強(qiáng)熱島日夜間地面氣溫分布特征:北京主城區(qū)的地面氣溫比周邊所有郊區(qū)測(cè)站的地面氣溫都高,在地面氣溫分布圖上出現(xiàn)以天安門(mén)和白家莊為中心,以0.5℃為間隔的多條閉合線。2.3城區(qū)地面氣溫的變化為了更精細(xì)地研究城市熱島的特征,進(jìn)一步分析城市熱島強(qiáng)度的逐時(shí)變化特征。選取密云站做郊區(qū)站的代表,天安門(mén)站做城區(qū)站的代表,以它們的地面氣溫差表示城市熱島強(qiáng)度,來(lái)分析城市熱島強(qiáng)度的逐時(shí)變化。6月30日14時(shí)至7月1日20時(shí)城郊?xì)鉁丶俺鞘袩釐u強(qiáng)度逐時(shí)變化可見(jiàn)圖2。30日14—19時(shí),天安門(mén)和密云之間的地面氣溫差不大于0℃,城郊之間無(wú)熱島。30日20時(shí),天安門(mén)和密云之間的地面氣溫差為0.8℃,出現(xiàn)弱熱島。6月30日23時(shí)至7月1日04時(shí),天安門(mén)和密云之間的城市熱島強(qiáng)度均大于3.0℃,7月1日03時(shí)起,城市熱島逐步減弱,至11時(shí)為0.8℃,12時(shí)僅為0.2℃,14時(shí)后城區(qū)地面氣溫低于郊區(qū)。夜間30日19時(shí)至1日凌晨02時(shí),城區(qū)地面氣溫下降速率(-0.6℃/h)明顯小于郊區(qū)(-1.26℃/h),且下降幅度(6.0℃)也要小于郊區(qū)(8.7℃),這種溫度變化的顯著差異直接導(dǎo)致了強(qiáng)熱島的出現(xiàn)。7月1日06—13時(shí),城區(qū)地面氣溫上升速率(1.39℃/h)小于郊區(qū)(1.67℃/h),且上升幅度(7.7℃)也要小于郊區(qū)(9.7℃),熱島因此減弱和消失。2.4天氣能量的來(lái)源6月30日白天天空晴朗,無(wú)降水,日照充足,整個(gè)北京地區(qū)日照時(shí)數(shù)在9.4小時(shí)以上。日照充足必然增加城市人工構(gòu)筑物的熱儲(chǔ)存,加上城區(qū)人為熱,使夜間城區(qū)近地大氣比郊區(qū)近地大氣有更多的熱量來(lái)源,這是城市強(qiáng)熱島得以形成的能量來(lái)源。7月1日也是晴天,8時(shí)之前總?cè)照諘r(shí)數(shù),北部郊區(qū)的日照時(shí)數(shù)大于城區(qū);14時(shí)之前,北部郊區(qū)的日照時(shí)數(shù)也大于城區(qū)。北部郊區(qū)日照比城區(qū)多,與白天密云站地面大氣的升溫率和幅度大于城區(qū)天安門(mén)站是一致的,城郊得到太陽(yáng)輻射的差異是城市熱島減弱的重要原因。2.5強(qiáng)熱島日城區(qū)風(fēng)速分布強(qiáng)熱島日地面風(fēng)場(chǎng)分布分析:比較6月30日14時(shí)至7月1日14時(shí)北京地面風(fēng)速的分布,發(fā)現(xiàn)從30日日落后,風(fēng)速在逐步變小,從30日22時(shí)至7月1日8時(shí),大多數(shù)測(cè)站的風(fēng)速都小于2.5m·s-1,尤其是6月30日23時(shí)至7月1日6時(shí),絕大多數(shù)測(cè)站觀測(cè)到的風(fēng)速都小于1.0m·s-1,有的測(cè)站甚至觀測(cè)到靜風(fēng)。此外,觀測(cè)到夜間2時(shí)北京近郊有向城區(qū)的弱的地面風(fēng)場(chǎng)輻合(圖略)。強(qiáng)熱島日城區(qū)風(fēng)速垂直分布分析:據(jù)325m氣象鐵塔的風(fēng)速資料,發(fā)現(xiàn)7月1日0時(shí)至6時(shí),地面上47m(大約是城市冠層高度)以下風(fēng)速都小于2m·s-1,8m以下風(fēng)速小于1.0m·s-1,有時(shí)甚至為靜風(fēng)。夜間的這段時(shí)間,風(fēng)場(chǎng)很弱,城區(qū)地面大氣的熱量不容易擴(kuò)散出去,出現(xiàn)強(qiáng)熱島,表明近地面風(fēng)速弱,有利于強(qiáng)熱島的形成。2.6逆溫存在和消失的時(shí)段應(yīng)用325m氣象塔資料分析城區(qū)大氣的溫度廓線,得到北京城區(qū)6月30日14時(shí)至7月1日12時(shí)氣溫垂直分布(參見(jiàn)圖3a、b、c)。6月30日18時(shí)至7月1日06時(shí),320m以下總有逆溫存在。07時(shí),320m以下逆溫消失。8m到320m存在逆溫的時(shí)間為30日18時(shí)至1日06時(shí),而熱島存在的時(shí)間為30日20時(shí)至1日10時(shí)。逆溫存在和消失的時(shí)間分別早于熱島形成和消失的時(shí)間。熱島最強(qiáng)的時(shí)段(23時(shí)至04時(shí)),也正是8m至320m之間逆溫最強(qiáng)的時(shí)段。夜間存在逆溫,大氣層結(jié)穩(wěn)定,湍流減弱,熱量不易擴(kuò)散出城區(qū),有利于強(qiáng)熱島的形成,而白天伴隨城市近地大氣逆溫的減弱、消失,強(qiáng)熱島也逐步減弱、消失,這表明夜間城區(qū)低層大氣逆溫與城市熱島關(guān)系密切。3中尺度非靜力所用的數(shù)值模式是MM5,它是PSU/NCAR聯(lián)合研制的中尺度非靜力模式。這個(gè)模式的控制方程組、差分方程組等等,MM5技術(shù)報(bào)告Georg有詳盡敘述,這里不再贅述。3.1垂直網(wǎng)格模擬模擬采用三重嵌套,三重嵌套的三個(gè)模式區(qū)域的中心點(diǎn)都選在天安門(mén)站(39°54′N(xiāo)、116°23′E)。三個(gè)區(qū)域的水平網(wǎng)格分別是55×73、49×55和49×55,格距分別是18km、6km和2km。模式在垂直方向采用sigma坐標(biāo)系。模擬從下到上分為24個(gè)sigma層。模擬采用NCEP1°×1°分析資料做初始場(chǎng)和側(cè)邊界條件,每6小時(shí)更新一次。模擬時(shí)間2003年6月30日20時(shí)至7月1日8時(shí)(北京時(shí)),模式輸出的時(shí)間間隔為6小時(shí)。3.2模型結(jié)果和分析3.2.1模擬結(jié)果與分析為了檢驗(yàn)中尺度模式對(duì)城市熱島的模擬效果,本文首先設(shè)計(jì)了試驗(yàn)一。在中尺度模式中,對(duì)于城市的影響,只考慮了下墊面物理特性的不同。下墊面物理特性包括粗糙度、反照率、水汽有效率、比輻射率、熱慣性。給出模式sigma為0.995高度的模擬結(jié)果如圖4。由圖4可知,本試驗(yàn)沒(méi)有模擬出城市熱島和弱的風(fēng)場(chǎng)輻合。另外,模擬所得溫度大小僅為291K,而實(shí)況是297K,模擬結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果差別較大。3.2.2模擬結(jié)果及分析為了改善模擬效果,試驗(yàn)二在模式中考慮城市人為熱和熱儲(chǔ)存等城市大氣熱量來(lái)源。北京城市化發(fā)展使建成區(qū)面積增加,這勢(shì)必增加建筑物熱儲(chǔ)存;生活和工業(yè)耗煤的大幅度增加以及空調(diào)等設(shè)備的使用則將大大增加人為熱。因此,在中尺度模式中,考慮人為熱和熱儲(chǔ)存的影響是必要的。人為熱的大小,根據(jù)佟華得來(lái)。設(shè)定人為熱是100W·m-2。城市熱儲(chǔ)存數(shù)值根據(jù)Asaeda設(shè)定為城區(qū)比郊區(qū)多100W·m-2。考慮城市人為熱和熱儲(chǔ)存后,給出模式地面上sigma為0.995高度的模擬結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可知,試驗(yàn)二模擬出了城市熱島和流向城區(qū)的地面風(fēng)場(chǎng)。此外,模擬所得1日02時(shí)城區(qū)氣溫是296K,與觀測(cè)得到的地面氣溫297K很接近,模擬效果得到改善。城市強(qiáng)熱島數(shù)值模擬小結(jié):(1)中尺度模式如果只考慮城市下墊面的物理特性,不能很好地模擬出城市熱島。(2)考慮了人為熱和城市熱儲(chǔ)存因素后,可以改善模式對(duì)夏季城市強(qiáng)熱島的模擬。需要指出,在模式中簡(jiǎn)單地考慮城市人為熱和熱儲(chǔ)存初步模擬城市熱島,在技術(shù)上相對(duì)簡(jiǎn)單。詳細(xì)地考慮建筑物對(duì)太陽(yáng)輻射的響應(yīng)及其對(duì)城區(qū)近地大氣的加熱作用以及人工構(gòu)筑物對(duì)近地風(fēng)場(chǎng)的影響,計(jì)算非常復(fù)雜,需要設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)膮?shù)化技術(shù),這有待更深入的研究。4天氣條件分析(1)北京城區(qū)夏季夜間存在城市強(qiáng)熱島。城市熱島是北京城區(qū)夏季夜間經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象。強(qiáng)熱島出現(xiàn)時(shí),郊區(qū)所有測(cè)站的地面氣溫都要低于城區(qū)地面氣溫,在地面氣溫分布圖上,出現(xiàn)以城區(qū)天安門(mén)和白家莊連線區(qū)域?yàn)楦邷刂行?以0.5℃為間隔的多條閉合曲線。(2)北京城區(qū)夏季夜間城市強(qiáng)熱島形成是多種因子相互作用的結(jié)果。白天日照充足的晴夜,水平方向城郊地面風(fēng)速極弱,甚至出現(xiàn)靜風(fēng);垂直方向城區(qū)近地大氣47m以下風(fēng)速小于2.0m·s-1,8m以下小于1.0m·s-1,甚至出現(xiàn)靜風(fēng);城