城市化进程中城市"五岛效应"的形成机制与模拟

Based on the urban land use information retrieved from remote sensing data, this study will analyze the warming effect and the statistical characteristics of its spatial differences. Data assimilation and numeric simulation methods are used to analyze the formation mechanisms of "five-island" effect and the interactions among each factor. The whole experiment will be carried out with the coupled WRF-UCM and WRF-Chem, the former one has physical characteristics of urban canopy while the later one contains chemical modules...First, the physical processes of urban heat flux and vapor exchange will be described better in mesoscale models. Then, idealized single layer urban module is adopted to calculate heat and momentum exchange between atmosphere and urban surface. .Second, urban air pollutants' diffusion rules and their transformation are considered in models. To finish above work, this study includes:.(1).Acquire basic data of land use from urban surface..(2).Warming effect and statistical characteristics of five-island effect in urbanization. .(3).Real time monitoring of urban meteorological elements and sensible heat flux. .(4).Anthropogenic heat data processing in surface energy balance model..(5).Sensible heat data assimilation in surface energy balance model. It mainly includes:.①.Least square method..②.Variational (target function) method..③.Sequence assimilation and scalar Kalman filtering..④.Three-dimensional variational assimilation (3D-var)..(6).Establish pollutants emission inventory in near surface. It mainly includes:.①.Point, area and mobile sources all over Shanghai..②.Make grid interpolation on above emission inventory with GIS. .(7).Numeric simulation of urban five-island effect and its evolution mechanisms..①.The formation rules, temporal and spatial variations and error checking of urban. five-island effect..②.The impacts of urbanization on temporal and spatial distribution of local. precipitation..③.The positive and negative feedback mechanisms among each factor during the. formation of five-island effect.

应用历史数据和实时监测数据，分析城市化进程的增温效应和"五岛效应"统计特征。通过遥感和观测计算等手段，确定城市冠层内地面粗糙度与零平面位移数据；建立包括不同来源的近地层污染因子排放清单：对地面能量平衡模式中显热通量进行数据同化；考察人为热和土地利用等对于"热岛效应"等要素的贡献。通过对热通量资料的数据同化，模拟城市气候"五岛效应"的形成规律、时空变化及误差检验；分析城、郊不同站点所代表区域的城市化倾向；刻画海陆风对沿海城市五岛效应形成的影响；认识城市化进程中对局地降水时空分布的影响；分析城市下垫面对不同天气系统过境的阻障作用；研究沿海城市海、陆（城市化地区）摩擦对局地降水变化的综合效应。进而认识城市"五岛效应"形成过程中，各要素之间的互馈机制；城市热岛与干岛、湿岛的相互关系；城市大气污染的扩散规律与辐射强迫机制；城市浑浊岛对"热岛"的形成作用。从理论上分析城市化进程中"五岛效应"形成机制。

本研究以上海为例，全面分析了城市化进程的增温效应以及空间差异的统计特征，对城市主要下垫面类型的温度和显热通量等进行连续观测试验，引入数据同化，应用数值模拟方法，以上海为例，统计和分析了城市气候中“五岛效应”的形成机制以及各要素场的相互作用。所得结论如下：. 城市发展导致下垫面的改变和人为热的增加，温度和高温强度对人为热最为敏感，而比湿和高温范围对土地利用变化最为敏感。更新了土地利用和人为热的城市模块，改善了对热岛和干岛强度的模拟效果；而贮热量对夜间城市热岛的形成有关键作用；考虑了土地利用和人为热的排放，可以加强夜间边界层的湍流交换而导致边界高度升高。. 城市土地利用的改变和城市热岛的存在改变了城市地区的热力状况，在一定的环流背景下，可以增强海风辐合以及在城市地区的辐合上升运动，降水中心更为明显。尽管城市中的水汽条件不足，但是城市造成的辐合效应增强了海风的水汽输送，使得过程雨量更大。. 对上海市PM2.5的外来污染分析表明，受周边省份的外来短距离输送的影响较大；区域的集成模式预报可以通过获取更为准确的信息而减少了系统误差，降低污染过程中决策失败的风险.比较分析表明, PM2.5的多元线性回归集成模式整体预报显示出更高的精度和稳定性。. 基于计算流体力学（CFD）的模式模拟表明，在城市近地层街区内，建筑群下风方向产生风速低值涡旋区，并可聚集大量污染物；在街区主干道风速入口处附近，可形成风速最大值区，污染物浓度最低；在高宽比为1:1的街道峡谷内，可产生顺时针涡旋，污染物主要聚集在背风面底层；在高湍流区域和风速较大的迎风面污染物浓度较低，反之则较高。. 上述发现可为城市防治高温灾害和对流性天气提供重要的参考价值，也为城市空气质量预报、城市布局的合理规划和优化住宅小区的建筑设计，提供重要的理论依据。