城市地表特征数值模拟研究

Comparing with natural land surface, the characteristics of urban land surface are fragmentation, diversity, three-dimensional, complicated, heterogeneity and imperviousness. This application project studies urban land surface characteristics by using a bulk urban land surface model (BULSM) which was developed directly based on the common land model (CoLM). All the characteristics in natural land surface of CoLM is reserved in BULSM, and the simulation and prediction ability in urban or unnatural land surface is strengthened. This application project improves and develops the BULSM. The snow data retrieved from FY satellite will be assimilated in BULSM; the temporal and spatial variation of anthropogenic heat will be parameterized by the combined method of nighttime light imagery and statistics; urban land surface energy and water balance will be studied in different seasons and weather conditions; the parallel computing method of the model will also be optimized. In order to test the relationship of model scale and complexity, an intercomparison will be progressed. The BULSM will be compared with the urbanized high resolution land data assimilation system (u-HRLDAS).The bulk urban land surface model can not only be coupled with weather and climate model, but applied in urban transportation, urban hydrology and urban heat environment etc.

和自然下垫面相比，城市地表的主要特征是人类活动影响导致的地表破碎性、多样性、立体化、复杂化、异质性以及大面积的不透水面的出现。本申请项目采用整体城市陆面模式对城市地表特征进行模拟，整体城市陆面模式在通用陆面模式基础上构建，模式保留了通用陆面模式在自然下垫面的全部特性，加强了模式在城市或人为下垫面的模拟和预报能力。本申请项目对整体城市陆面模式进行发展，引入风云气象卫星积雪资料，采用夜灯亮度与统计方法结合对城市人为热时空变化进行参数化，开展不同季节、不同天气条件下城市地表能量、水分平衡研究以及优化模式并行算法等。为了确定模式尺度与复杂程度间的关系，本申请项目将整体城市陆面模式与高分辨率城市陆面资料同化系统进行详细的比较。整体城市陆面模式可以和天气气候耦合，在城市交通、城市水文水资源以及城市热环境等领域也有着广泛的应用。

城镇化是我国的一项基本国策。我国正处于城镇化快速发展阶段，城市规模逐步扩大，城市人口比例不断提高。城市化影响气候的途径主要有两个：一是改变了下垫面属性，产生了人为热源；二是温室气体、气溶胶的排放。其中，城市地表特征是城市区别于乡村的关键所在，是导致城市气候变化的关键因子。. 本项目的主要研究内容包括以下几部分：1）机理研究。主要包括：土壤蒸发、不透水面蒸发机理研究参数化以及城市水文模型发展；城市人为热机理分析及空间拓展；人为热对地表能量及水分平衡影响研究；城市热岛形成机理及缓解措施定量研究；降水发生时城市地表能量、水分平衡研究。2）模式同化。主要包括：积雪覆盖率与雪水当量同化研究；叶面积指数及植被覆盖率同化研究。3）模式发展。主要包括：道路气象模式构建及集成陆面模式发展。4）模式验证及比较。5）模式并行算法优化。. 本项目取得的主要成果如下：1）发展了城市水文模式；发展及优化了集成城市陆面模式；基于集成陆面模式发展了道路气象模式。2）弄清了土壤蒸发、不透水面蒸发、人为热以及城市热岛机理，并且进行了参数化，提出了缓解措施。3）发展了积雪及植被参数同化算法。4）优化了模式并行算法。5）发表文章10篇，其中SCI文章6篇。6）一人获得研究员任职资格；培养副教授一名，副研究员一名；联合培养研究生3名，其中一人获优秀毕业生荣誉称号。. 本项目研究具有重要意义。集成陆面模式可以与中尺度天气模式耦合用于数值天气预报，为城市精细化气象预报研究提供较准确的城市复杂下垫面初始场；集成陆面模式可以和较大尺度区域及全球气候模式耦合，用于气候变化及城市化气候效应研究；集成陆面模式可以和地球系统模式耦合，基于集成陆面模式的集合陆面资料同化系统可以生成长时间序列、多参数、高分辨率的陆面数据集，用于全球变化研究；集成陆面模式可以模拟城市及自然下垫面地表过程，在交通、水文、城市规划以及城市热环境等领域也有着广泛的应用。