上海市城市热岛的时间多尺度分析与数值试验

发布时间：2020-06-10 23:03

【摘要】：人类活动对气候的影响是气候学研究中的重要课题。城市气候便是在区域气候的背景下,在人类活动和城市化的共同影响下形成的特殊局地气候。城市居民和各项设施在每天的生活和生产中消耗大量能源,排放越来越多的人为热。上海作为国际金融中心,快速发展的主要特征之一便是原有的土地利用方式的改变。其密集的人口、交错的道路、林立的建筑物等共同形成了性质特殊的下垫面,并且随着城市化进程日益加速,城市热岛现象愈发严重。 文章正是从这一角度出发,在对大量气象数据进行小波和EMD经验模态多尺度分析的基础上,发现问题,探讨城市下垫面在城市气候中所起的作用。通过使用ENVI、IDL和ARCGIS等软件,数字化上海市航片得到完整下垫面建筑信息；在此基础上定量定性的分析计算城市人为热排放与城市气温及都市空调使用之间的关系；最后修正新一代中尺度模式系统(ARWWRF)中下垫面土地利用类型数据,并耦合城市冠层模型(UCM)的进行数值模拟研究和对比试验,探讨下垫面数据、城市覆盖层模型UCM和人为热各自对城市气候要素的影响。主要工作及结论如下： (1)研究发现上海近136年来的气温变化总体处于一个持续增暖的过程中,近30年来的增温速度超过了以往任何一个时期。其次存在着准70a周期振荡,该时间尺度上气温主要表现为冷-暖-冷-暖四个阶段,40年代的暖期和60年代的冷期构成了上海20世纪气温变化的主要特征。此外还存在着准2a的周期震荡。在不同的时间尺度上,在1920’s后期和1959’s后期有较为明显的温度突变点。 (2)上海近136年来的降水量变化以短时间尺度的周期振荡为其主要变化规律,分别是2-3a、5a、8-10a和40a。其中以40a的周期振荡最为显著,特别是在20世纪初到中后期振荡变化清晰。在更长的时间尺度上,这一地区的降水量正处于上升阶段,而20a以下的时间尺度则相反。 (3)对2004年和2009年上海冬季和夏季的城市热岛分别进行小波和EMD的多尺度分析,小波中心的正负振荡形式很好的与热岛形成对应关系,在不同尺度下冬夏两季均呈现出明显的日变化周期。冬季热岛主要发生于傍晚及夜间,而夏季热岛主要在午后发展强盛,符合春夏较弱,秋冬强的特性。同时由于城市化的影响,2009年热岛强度较之2004年总体上升0.4-0.5℃,并且表现出夏季热岛强度增大更快的特征。 (4)在ENVI、IDL和ARCGIS的辅助下,利用上海市航片进行了上海市下垫面建筑信息数字化。得到相对完整的上海市建筑物分布、高度数据,为研究都市人为排热奠定了基础,并由此对ARWWRF模式中的土地利用数据做了修正,扩大城区面积,使其更准确的反应实际情况。 (5)利用上海市近50年各区县月均温数据,统计分析了各区与崇明夏季每五年均温差,发现热岛效应由市区中心向郊区延伸,范围越来越大,特别是20世纪80年代开始温差呈较大幅增加,城市热岛现象显著；绘制人为热排放流程图,并将城市人为热源进行分类,分析所有可能成为人为热排放源的设施以便定性及控制研究；对供给,消费和排出三种阶段的计算方法进行对比归纳,根据目的不同分别使用；估算上海近30年燃油排热、燃煤排热以及人为热排放总量；统计上海市区和郊区的年均温及年均温差随时间变化及其与人为热排放之间的关系,发现两者之间有很好的相关性；并根据上海工业区、建筑物以及道路的空间分布,得出上海人为热的空间分布。 (6)就上海市夏季空调使用排热对上海市温度影响进行了定性研究,在数字化航片得到的建筑物信息基础上假设楼层和空调密度之间存在相关性,发现空调排热与地面温度反演有着非常良好的一致性,同时也是造成上海城市高温的主要因素之一。 (7)耦合城市冠层模型UCM,利用ARWWRF模式对上海地区春季大气边界层的风场、温度场以及边界层高度等特征值分别进行了土地利用数据修正前后的数值模拟研究,对比结果,发现下垫面土地利用类型由耕地等类型变为城市后,水平风速显著减小,呈现明显城市拖曳作用；垂直速度增大,并由于白天陆面加温作用更为显著,在地面风场的作用下高温中心出现偏于下风方向；近地面气温和边界层高度均更贴近实测值。 (8)为进一步说明城市化对城市气候的影响,设计不同实验,结果显示,使用修正后数据、启动城市冠层模式并加入人为热得出的温度模拟结果最为接近观测值,对于分别代表市区、郊区及快速城市化地区的冬、夏季模拟结果与实测值相关系数R均达到0.9以上。各因子对城市气温的影响根据其所占百分比不同依次为UCM城市模块下垫面土地利用类型人为热排放。城市下垫面较之非城市下垫面的增温作用显著,海风登陆后通过相同距离不同性质下垫面后,经过上海市区的增温幅度可达4.61℃,远远大于经过非市区的1.81℃。 基于以上工作,我们对城市化有了更为直观的理解,也对城市气候的特殊性、复杂性有了更深刻的认识。城市作为我们人类生活聚居的区域,其内部机制、时空分布规律、能量交换都极为复杂。快速的城市化正成为城市气候学者们研究的主要方向之一,而统计方法、数值模拟则发挥着无可取代的作用。怎样合理的利用模式、修改模式也成了我们工作中重要的科学问题。
【图文】：

1873一2008年年均气温趾平和趋势Figure.1ThedePartureandtrendofyearIyaveragetemPeratureinShanghaiduring1873一2008图1中为1873一2008年上海市年平均气温序列的距平及趋势线。由图1可得，19405以前气温总体相对较低，，呈现出振荡变化状态;19405到19605气温较之前略微升高;19605到19805后期气温变化相对平缓，但在19905之后呈急剧振荡上升。从趋势线可知，上海市近136年气温升温率趋向1.48℃八00a。4.2.2小波变换结果分析对于墨西哥帽小波变换结果，尤其值得注意的是小波变换系数对某一时间尺度过零点的位置，即对应于该时间尺度下的气候突变点。……鬓馨馨馨 馨馨馨馨 薰 薰 薰薰 薰

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本文编号：2706989