上海中心城区地表能量平衡的观测与模拟研究

论文摘要

城市地—气之间的能量、物质交换过程是研究城市气候效应的关键问题之一。开展城市地表能量平衡的观测有助于提高模式在城市地区的预报水平。然而由于城市下垫面的极度非均匀性使其研究难度增大,目前在城市地区特别是建筑物鳞次栉比的超大城市区域开展地表能量平衡的观测依然比较少见且富有挑战性。本文利用上海中心城区（建筑高度8-150m）徐家汇（XJH）通量站一整年（2012.12-2013.11）的观测资料,分析了观测站通量源区的代表性、地表能量平衡的季节、日变化、空间分布特征以及关键参数如大气透射率、反照率、波文比的变化特征。结合云量、PM2.5、能见度、相对湿度、降水观测资料,研究不同天空状况（晴天、多云、雨天、灰霾天）对辐射特征的影响。本文重点关注于城市下垫面非均匀性对通量的影响以及在复杂环境下开展通量观测面临的挑战。论文选取城市地表能量/水分平衡模式SUEWS,利用观测资料评估了它在上海的适用性,研究了利用本地能耗和交通流量数据提取的人为热季节和日变化廓线以及灌溉对地表能量平衡过程模拟的敏感性和影响机制。得到主要结论如下:（1）多云条件相比晴天条件向下短波辐射削弱约25.8%,而灰霾使得逐时整层大气透射率中位值降低约11.3%,可以达到云量衰减效应的将近一半。云量对向下长波辐射的影响与向下短波辐射相反,向下长波辐射在多云条件下得到增强,从而使夜间辐射冷却减弱。云量和云类对辐射通量均有显著影响,多云条件相比晴天条件向下短波辐射削弱约25.8%,特别是在蔽光云频繁出现的6月梅雨期,向下短波辐射显著降低约350 W m-2。云量对向下长波辐射通量的影响与向下短波辐射相反,在多云和雨天条件下强于晴天条件,减弱了夜间辐射冷却效应。净辐射通量日变化形态与入射短波辐射通量接近,日峰值变化范围约400（冬季）-640 W m-2（春季）。晴天条件下整层大气透射率在冬、春季大于夏、秋季节,这一季节差异主要归因于夏秋季大气中更多的水分增强了对入射短波辐射的吸收。多云和雨天条件的大气透射率明显小于晴天条件。空气质量对入射短波辐射的影响也很显著,有霾条件下使得晴天大气透射率冬季降低约12.9%,而夏季降低约11.2%,接近云量衰减效应的一半。（2）建筑物三维几何形态对地表反照率具有明显影响,建筑物阴影及城市冠层对短波辐射的多次截获使地表反照率明显减小。各季节地表反照率日变化曲线表现出典型的U型分布。由于下垫面的非均匀性导致地表反照率随太阳高度和方位角而变化。通过分析晴天条件地表反照率随太阳几何位置的变化趋势,结合鱼眼相机采集的辐射观测源区内高大建筑物分布,反映出建筑物阴影对地表反照率明显的削弱效应。雨天条件散射辐射占主导地位,反照率几乎不受太阳位置的影响。XJH站地表反照率平均值为0.14,代表了该站总体的辐射特性,这一值与以往中心城区结果接近,而低于典型郊区值,体现出城市三维街谷对辐射的多次截获效应。（3）基于建筑物高度与一系列湍流参数随风向变化高相关性这一特征,同时考虑建筑物空间稠密度确定了不同流型的常通量层高度,提出了一种将湍流通量资料识别为局地尺度和微尺度的分析方法。表明两种尺度的通量特征相近,最大区别在于微尺度感热通量大于局地尺度,这主要是由于更强的垂直湍流和大量高耸干燥墙面的热释放。拖曳系数和一系列湍流参数随风向的变化显示出与建筑高度、风向标准差及掺混高度的高相关性。基于这一特征,同时考虑建筑物空间稠密度确定了不同流型的常通量层高度,提出了一种将湍流通量资料识别为局地尺度和微尺度的分析方法。对于局地尺度,感热通量日峰值出现在午后,潜热通量小于感热通量。冬季潜热通量较小,春、夏和秋季较大。感热和潜热通量日变化中位值始终维持正值,体现出夜间城市街谷的热存储能力。微尺度通量的变化形态与局地尺度类似,但感热通量量级更大,这主要是由于微尺度更强的垂直湍流以及大量高耸垂直墙面热释放造成。（4）由于观测站以不透水面为主导,降水对蒸发的加强效应仅持续约12小时。与其他城市比较发现归一化感热通量处于上限值,而归一化潜热通量是高密度城区站点的典型值。CO2通量日变化为双峰形态,体现出交通排放为主要贡献。由于该站点植被覆盖度小其对CO2的吸收作用较弱。波文比的变化特征表明XJH站感热通量占主导地位,白天月平均波文比在2-4.7之间。基于该站点下垫面以不透水面为主导（85%建筑/路面,14%植被）,降水对蒸发的加强效应大约持续12小时。微尺度的波文比一致大于局地尺度,这主要归因于更大的湍流强度以及大量高耸的垂直墙面。归一化感热通量与其他城市站点对比时处于上限值,而归一化潜热通量是高密度城区站点的典型值。XJH高密度城区站点全年为CO2净排放源,且日变化表现为双峰形态,两个峰值出现时间正好对应上下班高峰时段,傍晚峰值大于早上,体现出以交通排放为主。植被的光合吸收作用部分抵消了 CO2排放,但由于植被覆盖度较小吸收作用相对较弱。通量随方位的变化特征再次体现出下垫面覆盖对湍流感热和潜热之间的分配以及CO2通量的重要影响。（5）基于地表通量观测资料和GIS调查对SUEWS模式进行参数本地化后,模式对上海城区地表能量平衡各分量的模拟具有较好适用性。通过综合收集上海高时间分辨率的电力负荷、交通流量数据、高空间分辨率的人口密度数据,改进了人为热通量模型的能耗一温度响应函数,提高了模式对人为热季节变率的估计;结合工业/电力能耗占比和人口密度昼夜差异,构建了适合超大城市的人为热日变化廓线;揭示了人为热和灌溉对地表能量平衡模拟的高度敏感性。基于XJH中心城区一整年观测资料对SUEW城市陆面模式进行了评估,重点分析了人为热通量（QF）的估算、灌溉过程对地表能量平衡模拟的敏感性和影响机制。QF日变化廓线依据上海市域逐时电力负荷数据、逐时交通流量数据及动态人口密度获得。将人为热模型采用单个临界温度的能耗-气温响应函数改进为采用制热/制冷两个临界温度,提高了人为热季节变化的模拟。工作日、双休日和节假日的建筑人为热排放日变化廓线相似,均在1 1时有一峰值,而节假日在傍晚19时有一更强峰值。工作日交通人为热排放日变化曲线具有与上下班高峰时间对应的双峰形态,且早上峰值强于傍晚。双休日无明显日峰值。估算的QF在夏季最大,平均日峰值为236 W m-2。敏感性试验表明忽略QF时,SUEWS总体较好模拟了各季节感热通量（QH）日变化形态,但量级均被低估;考虑QF时,QH在春季、夏季和秋季的模拟得以提高,但冬季模拟效果反而有所降低,反映出冬季QF可能被高估。加入QF对潜热通量（QE）的模拟影响很小,但提高了除冬季之外储热通量的模拟。灌溉的量级和频率对QE均有显著影响。当不考虑灌溉时,所有季节的QE均被低估。当为连续灌溉情形时,模拟的夏季白天平均QE相比于观测被严重高估。灌溉频率调整为三天一次时,QE的模拟效果特别是在夏季得以提高,模拟的逐月灌溉量与观测的户外供水量也更为接近。这些发现强调了在城市陆面模式中合理考虑人为热和灌溉的重要性,这在以往研究中往往被忽略或简化对待。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 敖翔宇

导师: 杨修群,张宁

关键词: 城市地表能量平衡,涡动相关,辐射通量,湍流热通量,城市陆面模式,人为热通量,灌溉

来源: 南京大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学

单位: 南京大学

分类号: P412

DOI: 10.27235/d.cnki.gnjiu.2019.000087

总页数: 146

文件大小: 12821k

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