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热天气条件下城市热岛与边界层结构：中国苏州市案例研究

ZHANG Ninglowast; 1(张宁), ZHU Lianfang*2(朱莲芳), and ZHU Yan2(朱焱)

1．School of Atmospheric Sciences, Nanjing University, Nanjing 210093

2．Suzhou Meteorological Bureau, Suzhou 215201

(Received 8 July 2010; revised 19 October 2010)

摘要

2007年7月25日至8月1日期间，苏州市炎热的天气事件

中出现了强大的城市热岛（UHI）。本文分析了这个炎热的天气情况下苏州市的城市热岛特征。气象台观测和MODIS卫星观测都显示了这一地区强大的城市热岛。在这个炎热的天气事件中，最大的UHI强度是2.2℃，远高于今年的夏季平均值1.0℃，而37年（从1970年到2006年）平均为0.35℃。天气研究与预报（WRF）模型模拟结果表明，这一领域的快速城市化进程将增强UHI水平分布和垂直延伸的强度。城市空间分布随城市规模的增加而扩大。城市热岛的午后垂直延伸增加2006年度城镇土地覆盖比1986年城市土地掩护下大约50m。从农村土地利用转为城市土地类型，也加强了当地的这一地区的湖面微风循环，改变了垂直风速。

关键词：城市热岛；炎热天气；数值模拟；城市边界层

引用：Zhang, N., L. F. Zhu, and Y. Zhu, 2011: Urban heat island and boundary layer structures under hot weather synoptic conditions: A case study of Suzhou City, China. Adv.Atmos. Sci., 28(4), 855–865,doi: 10.1007/s00376-010-0040-1.

1. 引言

世界各地的城市化进程迅速扩大，生活在城市地区的人口百分比在全球范围内持续增长。联合国的一项研究发现，到2050年，世界人口的69.6％将居住在城市，2005年为48.6％，而在中国，总人口的72.9％将居住在城市，而2005年为40.4％ （世界城市化展望，联合国，2007年，可在http://esa.un.org/unup获得）。快速的城市化进程造成了全球社会面临的一个关键问题：城市环境对人类健康的影响。增加城市化和环境危害导致更多直接或直接与天气相关事故和死亡以及重大的经济损失（Changnon，1992）。例如，热浪在1995年在芝加哥发生了毁灭性的影响（Changnon，1996; Semenza，1996）。不幸的是，未来热浪的频率和强度可能会增加（Meehl和Tebaldi，2004），城市化可能是引起城市热浪增加的原因之一（Tan et al.，2008; Meng et al. ，2010）。许多城市已经制定了热观察预警技术来减轻热浪的影响（Ebi et al.，2004）。

城市化改变了地表辐射和动力特征，改变了地表和大气之间的热量和湿度交换，然后通过扰乱风，温度，水分和 湍流来改变城市以外的大气特性，特别是行星边界层（PBL）结构。城市热岛（UHI）现象是通过城市与周边农村之间的较高温度对比而命名，是城市知名度最高的城市效应之一。Roth和Oke（1995）对早期的UHI的特征，原因和效果进行了观察性研究，进行了全面的回顾。Grimmond（2006）和Souch and Grimmond（2006）回顾了最近的大型城市气候研究。城市结构（材料和形态），排放量以及当前的气象和气候条件的差异导致在城市内部和城市之间的空间差异都得到显着提升。

通常，在城市内测得的温度比农村温度高时，UHI在夜间最大。此外，UHI的大小取决于城市内的位置。例如，由于人造建筑与本地植被的热容量增加，城市核心对温度的影响比郊区影响更大（Martilli et al。，2002; Martilli，2007）。张等人 （2005）报道，城市化和其他土地覆被变化可能导致，在中国地区，日均温度增加0.12k/(10yr)，日最低气温增加0.20k/(10yr)，以及日最高地表温度增加0.03K/(10yr)。无论是大风，云层或二者都会破坏城市和农村之间的冷却差距，并减少UHI效应（Kidder和Essenwanger，1995），而具有干净天空的平静条件对于大型UHI效应是最佳的（Lu et al.，1997a， b; Menut等人，1999; Unger等人，2001）。UHI在夜间和天气高压系统下最为显着。城市热岛已经在世界范围内进行了测量，如墨西哥城（Oke et al.，1999），Tuscon（Comrie，2000），Pheonix（Fast et al.，2005），纽约市（Childs and Raman，2005; Gaffi n et al.，2008），北京（Ji et al.，2006），Shang-hai（Chen et al.，2003）。此外，大都市以及相对较小的城市也发现了UHI现象。

当UHI空间大小足够大时，城市热岛也可以触发中尺度循环（城市热岛环流）。唐和苗（1998）模拟了长江三角洲的UHI，并记录了UHI与UHI循环之间的相互作用。王（2009）通过LES（大涡模拟）模拟比较了理想城市地区UHI诱导的中尺度循环的流动结构和湍流特征，并表明UHI空间尺寸对风流和湍流特征具有明显的影响，特别是在零风速的情况下。

城市化将覆盖面转化为由高凸建筑组成的城市覆盖物，并增加城市的表面粗糙度。建筑物的摩擦和阻力将降低市区近地面风速。许多城市的观察发现这种动态效应（例如，高和卞，2004; Xu等，2009，Zhang等，2009）。苗等 （2009a）通过一种城市边界层模型对北京市城市边界层结构的建筑形态特征的影响进行模拟。张等人 （2010）认为，城市化可能导致长江三角洲城市化区域风速下降超过50％，同时风速下降可能不仅发生在城市地区，而且也发生在区域尺度上。

在中国，随着经济的快速发展，城市化进程加快。 许多城市已经报道了城市热岛，但大部分研究集中在北京，上海等大城市。许多新兴城市正在进行更多的研究，例如在中国城市化进程和经济发展中发挥重要作用的苏州。Rong et al. (2009) and Zhu and Zhu (2009)从气象站观测和Landsat5卫星观测分析了苏州市城市热岛，发现城市热岛在这一地区频繁出现。目前的工作目标是通过常规观测和MODIS卫星遥感来量化2007年夏季炎热天气情况下苏州市城市热岛的强度，并通过使用WRF（气象研究与预测）模型模拟城市化土地利用变化对其UHI的影响。

2、研究领域和天气背景

2.1 苏州市

苏州市位于长江三角洲中部，是中国发展最快，发展最快的地区之一（图1）。苏州区是东亚季风影响下典型的湿亚热带海洋气候。苏州区年平均气温约17℃; 年降水约1000毫米。30年来，苏州市经济快速发展，城市化进程加快。人口从1970年的468万增加到2007年的624万，GDP（国内生产总值）从1970年的15亿元增加到2007年的570亿元。随着经济的快速发展，城市也在增加。 Landsat5卫星观测(图2)显示了苏州市1986年，1995年和2006年城市建成区。这个快速的城市化进程也加强了这一地区的城市热岛现象。

2.2天气背景

2007年7月下旬至8月初，苏州热闹剧烈，持续了约二十天。2007年7月，苏州气象台观测到的平均气温为30.3℃，正常年份7月平均气温仅为27.9℃; 8月份，平均气温2007年每月平均气温为29.8℃，而平均气温为27.6℃。7月28日和29日，8月2日，苏州站观测到的最高气温达到39.3℃，是历史上观测到的最高气温。

这个炎热的天气是由亚热带高压区的持续影响引起的。图3显示了从NCEP再分析数据的2007年7月25日1200 LST和2007年8月1日1400 LST的500 hPa概要背景。这个炎热的天气事件包括引起长江三角洲炎热天气的两个典型的天气条件。（1）7月下旬，长江三角洲受到亚热带高原的影响，在这个地区出现了一个温暖的中心（500 hPa的气温大于等于-3℃）。（2）8月初，由于台风Usagi的影响，炎热的天气继续下去。
副热带高原分为两部分，西部控制长三角。这使得炎热的天气继续下去。

图1. 苏州市研究域名和地点。（a）三层嵌套WRF模型配置。（b）WRF模拟的内部领域，土地覆被是用Landsat卫星观测更新的点线框，如图2所示，圆圈表示苏州市的位置。

图2.来自Landsat5的观察的苏州市周边土地覆被变化（a）1986; （b）1995年和（c）2006年（红色：城市建成区;绿色：森林;蓝色：水;黄色：农田）。

图4. 1970-2007年苏州站与昆山、常熟站2m高处温度差异

图3.从NCEP再分析数据得到的天气背景条件（a）2007年7月25日至14日，（b）2007年8月1日1400 LST。点轮廓线显示500 hPa的地质高度，灰色阴影显示500 hPa时的温度。

3.观察城市热岛强度

3.1 UHI强度日变化

城市热岛强度通常定义为城市和农村之间的近地表气温差异。对于气象站观测，重要的是选择可共振站来计算UHI强度（Rong et al。，2009）。特别是对于历史的UHI估计，由于市区观测总是太少，所以确定真正的UHI强度有些困难。如图4所示苏州站（作为城市站，这是距离长久观察的苏州市区最近的站，但代表城市气象条件还不够好）与常熟和昆山（作为农村车站）之间的年平均近地表温度差异，时间为1970年至2007年。即使这些车站对于UHI监控来说还不够好，但是过去37年来，随着城市化进程的加剧，温度的下降也有弱sup1;的增长趋势。 增加比例约为0.004℃/yr。温度下降急剧下降，出现在1990年左右。 可能的原因是当时由于周边的观察环境变化，常熟观测站搬迁。对30年长期监测的分析表明，空气温度差异非常弱; 早晨只有0.1℃，下午0.35°C（图5）。随着2007年苏州市自动气象观测网络的建立，苏州市区已建成了越来越多的自动化气象台站（图6）。这些车站在市区提供更多更好的观测资料。 在本文中，UHI被定义为城市所有车站观测（如图2c所示）与其他站点之间的温度差异。如上所述，城市热岛在晴空的条件下更为明显。在这个炎热的天气（2007年7月25日至8月5日），苏州地区也发现了一个强大的城市热岛。由于城市

1. 弱：原文为week，应该是weak的错误拼写。

化进程快速，城市观测增多，2007年夏季的UHI强度比苏州站与常熟站和库山站平均气温37年均高。在这个炎热的天气情况下，UHI比2007年的整个夏季平均水平要强得多，而且UHI强度有较大的昼夜范围。在这个炎热的天气事件中，这个强度在整个夏季平均值从零下0.14摄氏度到0.4摄氏度到1.0摄氏度不等。在炎热的天气事件中，平均UHI强度为1.2℃，最高为2.2℃，最小为0.1℃，日偏差为0.7℃。对于2007年的整个夏季平均值，平均强度UHI为0.7℃，最大值为1.0℃，最小值为0.4℃，日偏差为0.15℃。

这个炎热的天气事件中，UHI强度的日变化和2007年夏季的平均日变化都有类似的变化趋势。最大值出现在下午晚些时候，最弱的UHI出现在清晨。第二个峰出现在日出之前（约0500 LST）。

3.2 UHI空间分布

图6显示了这个炎热天气事件的平均近地表温度（2米高处的温度）。数据来自该地区41个气象站，地点显示为点。近表面温度场在苏州市中心有一个温暖的中心，农村气温下降。城市观测站的平均气温高于33℃; 农村电站的观测值约为29℃〜31℃。最近的温度出现在泰山附近的东山站，只有28.5℃左右。UHI高中也出现在苏州市中心。平均UHI强度为1.1℃，最大UHI为2.2℃，UHI的空间偏差为0.6℃。MODIS卫星观测到的地表温度也显示了较高的城市中心。图7说明了在这个炎热天气发生期间白天平均MODIS观测到的表面温度（在这一时期，只有白天，MODIS观测可用）。MODIS表面温度分布与城市建成区域分布非常接近，如图2所示。最高表面温度出现在苏州市中心，高于45℃。 农村地地表肤温度为35℃-30℃，水面面积温度低于33℃。UHI分布与表皮温度分布趋势相似。5.6°C的最大偏离出现在市中心，地表温度偏离的空间偏差为2.9°C。UHI和表面温度偏差的空间分布在集中的城市建成区域有峰值; 市区分布最高，东南偏高。气象观测站和MODIS卫星观测表明，这个炎热的天气事件可能在城市中心发生炎热的天气。

4. WRF模拟城市化对城市气象的影响

4.1案例设计

第3节的结果显示，在这个炎热的天气事件中，城市地区出现了强烈的UHI，这意味着城市的空气温度远远高于农村地区。苏州市过去二十年经历了快速的城市化进程，如图2所示。这将加强城市热岛，并可能增加消极后果。在本节中，WRF模型用于模拟1986年，1995年和2006年Land Sat5卫星观测中使用不同城市化状况的炎热天气情况，研究当地气象环境对城市化的影响。WRF模型被配置为三个嵌套运行

在这个地区。 模型域如图1所示。 所有层为101times;101格，分辨率为21公里times;21公里，3公里times;3公里，1公里times;1公里。NCEP 1°times;1°分析数据用于初始化并支持21公里巢的侧向边界条件。NOAH

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