长江三角洲地区城市群热岛效应及其对臭氧影响的研究

发布时间：2020-03-24 17:30

【摘要】：近几十年来,长江三角洲地区城市化进程迅速,城市热岛效应显著,城市间距离不断缩短,城市之间热岛效应以及大气污染物的相互影响不断增强。因此,本研究利用长三角近十几年人口和城市面积统计年鉴资料以及多年气象资料统计了长三角的城市化进程对长三角气温和湿度的影响以及城市之间热岛高温的相互输送。并利用WRF耦合多层城市冠层模式BEP和空气质量模式CMAQ讨论城市下垫面对局地和下风向地区热岛效应及03浓度的影响。本文统计了1970—2009年长三角气象资料,发现2000年以后长三角城市化进程加剧,导致城市气温迅速增加,春夏季增温幅度高于秋冬季；同时城市湿度下降明显,夏季湿度下降最强,冬季最弱。当风向与城市排列方向一致时,上游城市对下游城市热岛温度的输送强度随风速增加先上升后下降。从观测角度证实了城市之间热岛效应的相互作用。利用WRF耦合多层城市冠层模式BEP计算了城市下垫面对苏锡常城市群热岛效应的影响以及太湖的湖风效应对苏锡常城市群热岛效应的作用。苏州-无锡-常州城市带热岛效应明显。在东南风的作用下,城市热岛强度向下游逐渐增加,苏州热岛强度最弱,常州最强。城市热岛对其下风向地区有显著增温效应。白天,在东南风的影响下,这三座城市的热岛效应连成一片,形成了一个更强大的热岛环流。夜晚,边界层逐渐趋于稳定,热岛环流减弱,有利于热岛高温向下游地区的输送。受上游城市的影响,无锡和常州傍晚的城市热岛强度和垂直发展高度都有显著增加。白天太湖表面气温比周围陆地低5-8℃,形成强盛的湖风,进而影响周边城市白天的热岛效应。太湖导致无锡和常州白天近地面平均气温分别下降0.49℃和0.52℃,削弱了其白天城市热岛强度以及这两座城市之间城市热岛的联系,且抑制了城市热岛的发展高度。城市下垫面导致苏锡常近地面城市干岛效应显著,受上游地区水汽输送的影响,苏州的干岛效应最弱,常州最强。城市热岛环流将近地层水汽向高空输送,导致城市上空比湿高于郊区,形成高空湿岛现象。太湖对苏锡常近地面湿度的影响较小,但对无锡和常州高空湿度影响较大。太湖使无锡和常州热岛效应减弱,边界层高度降低,近地面水汽向高空的输送减少,高空湿度明显下降。城市下垫面对局地向下短波辐射通量的影响很小,但它通过减小城市地表反照率,增加地表吸收面积等,增加了城市地表的净短波辐射通量,削弱了地表向上短波辐射通量。城市下垫面的增温效应导致局地向下长波辐射通量普遍增强,但向上长波辐射通量仅在中午前后增加,夜间和早晨表现为减少。地表净辐射通量在夜晚和早晨增加较为明显,约20～30 W m-2,午后的增加幅度较小,不足10 W m-2。城市下垫面导致城市地表感热通量明显增加,但潜热通量下降显著。城市下垫面使城市地表白天存储更多热量,夜晚释放更多热量。上海对昆山短波辐射通量的影响可以忽略,但使昆山地表向下和向上长波辐射通量均有所增加,向上长波辐射通量增加更明显。上海城市下垫面导致昆山地表感热通量略有下降,对潜热通量的影响很小,但使地表热存储量明显上升。上海的城市热岛会导致下风向城市昆山的气温升高,升温大小取决于上海的城市热岛强度和热岛环流结构。午后虽然上海的热岛强度较强,但强盛的热岛环流抑制了热岛高温向下游地区的输送。傍晚热岛强度虽然有所下降,但随着气温下降,热岛环流迅速削弱,上海对下游城市的热岛温度输送达到最强,使昆山平均气温上升了约2.5℃。城市下垫面导致上海白天近地面平均03浓度上升10 ppb左右,边界层顶附近03浓度上升尤为明显,最大可达40 ppb左右。由于城市下垫面使得上海的城市边界层高度上升,大气湍流运动增强,近地面排放的NOx向高空输送增强,使近地面NOx浓度下降,高空浓度上升。因此近地面NOx对O3的消耗减少,而高空03的光化学反应生成增加。城市下垫面使上海夜间边界层中下层03浓度略微上升,而边界层中上层和边界层顶以上03浓度下降。上海城市下垫面导致昆山白天边界层中下层03浓度有所下降,而边界层顶附近及边界层顶以上03浓度显著上升。城市下垫面造成的热岛环流削弱了上海边界层中下层污染物向昆山的输送,而NOx和VOC平流贡献的减少则削弱了03的光化学产生。热岛环流加剧了高空的东南风,导致上海高空03及其前体物对昆山的平流输送增强,进而促进了昆山高空03的光化学生成。上游地区城市化使昆山夜间近地面03浓度上升,高空03浓度下降。
【图文】：

双向嵌套,模式,格点,模拟区域

度、±地类型Ｗ及王壤类型等）插值到模拟区域Ｗ及将气象数据提取并插值到模拟区域。逡逑处理常规和非常规观测资料的资料同化模块（ＷＲＦ－ＶＡ：Ｒ）、理想试验模块、预报模式Ｗ逡逑及模式产品后处理模块（图２．２）。在程序结构设计上，ＷＲＦ模式采用三层结构，包括驱逡逑动层、中介层和模式层。逡逑２３逡逑

模式图,城市冠层,模式系统,模式

ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ邋ｇｒｉｄ逦ｖｅｒｔｉｃａｌ邋ｇｒｉｄ逡逑图２．１邋Ｗ民Ｆ水平和垂直格点示意图Ｗ逡逑该模式支持模巧区域的单向和双向嵌套。单向嵌套中，大尺度与小尺度大气运动被逡逑分开计算，，二者之间没有沟通；双向嵌套考虑了小尺度大气运动对大巧度运动的反馈，逡逑且同时考虑了不同波形在粗细边界中的数值震荡和反射带来的影响。模式包含高分辨率逡逑非静力应用的优先级设计、大量的物理参数化方案选项Ｗ及与模式本身相协调的先进的逡逑资料同化系统。目前ＷＲＦ模式在北美等许多地区取得了较好的预报效果，ＷＲＦ模式对逡逑各种天气和中小尺度系统都具有较强的模能力。逡逑ＷＲＦ邋Ａ民Ｗ模式系统的前处理模块（ＷＰ＾具有定义模拟区域、将地下数据（地形高逡逑度、±地类型Ｗ及王壤类型等）插值到模拟区域Ｗ及将气象数据提取并插值到模拟区域。逡逑处理常规和非常规观测资料的资料同化模块（ＷＲＦ－ＶＡ：Ｒ）、理想试验模块、预报模式Ｗ逡逑及模式产品后处理模块（图２．２）。在程序结构设计上，ＷＲＦ模式采用三层结构，包括驱逡逑动层、中介层和模式层。逡逑２３逡逑
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X16

【相似文献】