典型河谷型城市非均匀下垫面温湿场多尺度结构特征及其能量驱动机制研究

Observation and numerical simulation of land-atmosphere interaction for the complicated and heterogeneous urban surface layer have been an important problem of global climate change under the background of rapid urbanization. Lanzhou is a typical valley-city with complicated underlying surface environment, this project will studied the structure characteristics of temperature and humidity fields and their evolution over heterogeneous surface from the macro-scale, meso-scale and micro-scale, based on multi-source remote sensing data inversion, GIS spatial analysis and mobile observation, CTTC analytical model. Quantitative relationships between the evolution of temperature and humidity fields and land use/cover change are revealed. Using the observation data of Bowen ratio system, eddy covariance system and large aperture scintillometer and AUSSSM coupled model, radiation balance, energy balance and energy exchange characteristics of urban canopy under the typical underlying surface of urban and suburban are researched in different weather conditions. Then material and energy exchange process of temperature and humidity fields and their driving mechanism over heterogeneous surface are revealed. It will be explored how urbanization process affects the structure of the atmospheric boundary layer at the different spatial-temporal scales, thereby affects the local weather processes and urban climate. The research will provide theoretical foundation for air pollution control, urban eco-environment construction, urban planning, land use for valley-city.

快速城市化背景下的复杂、非均匀城市下垫面地—气相互作用过程的观测和模拟是目前全球变化研究中的一个难点问题。本项目以下垫面环境较为复杂的典型河谷型城市—兰州市为例，基于多源遥感数据反演、流动观测与GIS空间分析、CTTC解析模型等技术方法，从大尺度、中尺度和微观尺度来揭示河谷型城市非均匀下垫面温度场、湿度场的多尺度结构特征和演变过程。基于波文比系统、涡度相关系统和大孔径闪烁仪的多尺度联合观测试验，结合AUSSSM耦合模型，阐明不同天气条件下河谷型城市非均匀下垫面的辐射平衡特征、能量平衡特征及多尺度能量交换过程，揭示非均匀下垫面地—气能量交换过程对温度场、湿度场演变的驱动机制。探索城市化进程在不同时、空尺度上是如何影响大气边界层结构，进而影响局地天气过程和城市气候。为河谷型城市的大气污染治理、生态环境建设、土地利用和城市规划等提供科学依据和理论基础。

快速城市化使得土地利用方式及下垫面性质发生了剧烈变化，从而改变了原有地—气之间的物质、能量交换过程，进而影响局地气候和温湿场结构特征。本项目在下垫面环境较为复杂的典型河谷型城市—兰州市，首先，基于观测试验数据和气象站点数据，利用Mann-Kendall突变检验法，Morlet小波分析法、R/S分析和非周期循环分析等方法，进行了气候变暖和快速城市化双重作用下的典型河谷型城市气候变化和热岛效应研究，研究表明近60年兰州市气候变化具有明显的升温突变和不同尺度嵌套的振荡周期，与典型平原型城市和滨海型城市相比较，河谷型城市气候效应非常独特，热岛效应年际变化趋势达到0.24℃/10a，在最低气温上表现最为突出，热岛效应对兰州市增温的贡献率达到57.3%，综合城市发展指数与热岛强度关系可以用三次模型进行很好的拟合。基于一年四季的流动观测试验和定点观测试验，利用GIS空间分析方法和热红外遥感方法，获得城市尺度水平上的非均匀下垫面温湿场结构，发现兰州市温度场、湿度场分布具有多中心、多强度等级的特征，热中心主要分布在人口密度大、建筑密集、人为排热多、交通繁忙地带和工业区附近；水体和植被高覆盖区域存在着明显的湿度高值区、温度低值区。基于CFD技术进行了中尺度即街区尺度水平上的城市住宅小区风热环境模拟和评估。利用AUSSSM耦合模型，获得了微观尺度即建筑物尺度水平上的建筑物热环境特征及能量交换特征。基于地—气能量交换过程观测试验数据，获得了近地层能量交换过程和能量平衡各分量净辐射、显热通量、潜热通量、土壤热通量在不同天气条件下的变化特征。本项目的开展为系统认识河谷型城市的城市气候效应、复杂下垫面温湿场结构、近地层能量交换过程和大气边界层结构特征等方面提供了重要的理论支撑。