Numerical Simulation of the Impact of Urban Non-uniformity on Precipitation

To evaluate the influence of urban non-uniformity on precipitation, the area of a city was divided into three categories （commercial, high-density residential, and low-density residential） according to the building density data from Landsat satel- lites. Numerical simulations of three corresponding scenarios （urban non-uniformity, urban uniformity, and non-urban） were performed in Nanjing using the WRF model. The results demonstrate that the existence of the city results in more precip- itation, and that urban heterogeneity enhances this phenomenon. For the urban non-uniformity, uniformity, and non-urban experiments, the mean cumulative summer precipitation was 423.09 mm, 407.40 mm, and 389.67 mm, respectively. Urban non-uniformity has a significant effect on the amount of heavy rainfall in summer. The cumulative precipitation from heavy rain in the summer for the three numerical experiments was 278.2 mm, 250.6 mm, and 236.5 mm, respectively. In the non- uniformity experiments, the amount of precipitation between 1500 and 2200 （LST） increased significantly. Furthermore, the adoption of urban non-uniformity into the WRF model could improve the numerical simulation of summer rain and its daily variation.

耦合不同陆面方案的WRF模式对2007年7月江淮强降水过程的模拟

利用WRF模式,分别选用不同陆面参数化方案（SLAB、RUC、NOAH、UCM）对2007年7月7-8日的江淮暴雨进行数值模拟试验,模拟结果的对比分析表明：虽然主要雨带的基本位置和大致走向受陆面方案的影响并不大,但是降水强度的分布对陆面物理过程是敏感的,耦合陆面方案比不耦合陆面方案的模拟效果更接近实况;不同陆面方案模拟的降水量均较实况偏小,然而由于考虑的要素和物理过程存在一定差异,它们对降水的中心落点、雨量值、降水日变化、降水类型以及降水条件的模拟各有所长;特别值得指出,TRMM资料与4种方案的模拟结果均反映出本次降水日变化过程中夜间的峰值特征,这是短时降水（1-3 h）和持续性降水（≥6 h）的综合反映,而凌晨后的降水则主要由持续性降水造成;在各种试验的综合比较中,NOAH方案较其他方案的模拟结果显得更稳定与合理,UCM方案针对城市下垫面的模拟有一定优越性。

Impacts of Roof/Ground Mitigation Strategies on Improving the Urban Thermal Environment and Human Comfort over the Yangtze River Delta, China

The combined effects of global warming and the urban heat islands exacerbate the risk of urban heat stress. It is crucial to implement effective cooling measures in urban areas to improve the comfort of the thermal environment. In this study, the Weather Research and Forecasting Model(WRF), coupled with a single-layer Urban Canopy Model(UCM), was used to study the impact of heat mitigation strategies. In addition, a 5-km resolution land-cover dataset for China(ChinaLC), which is based on satellite remote sensing data, was adjusted and used, and 18 groups of numerical experiments were designed, to increase the albedo and vegetation fraction of roof/ground parameters. The experiments were conducted for four heatwave events that occurred in the summer of 2013 in the Yangtze River Delta urban agglomeration of China. The simulated results demonstrated that, for the single roof/ground schemes, the mitigation effects were directly proportional to the albedo and greening. Among all the experimental schemes, the superposed schemes presented better cooling effects. For the ground greening scheme, with similar net radiation flux and latent heat flux, its storage heat was lower than that of the roof greening scheme, resulting in more energy flux into the atmosphere, and its daytime cooling effect was not as good as that of the roof greening scheme. In terms of human thermal comfort(HTC), the improvement achieved by the ground greening scheme was better than any other single roof/ground schemes, because the increase in the relative humidity was small. The comprehensive evaluation of the mitigation effects of different schemes on the thermal environment presented in this paper provides a theoretical basis for improving the urban environment through rational urban planning and construction.

WRF模式在城市生态系统的应用进展

综述了近年来的城市生态系统研究中，WRF模式在揭示观测事实、模拟各种现象的深层机制、诊断分析预报实验等方面取得的最新成果。分类探讨了对于快速发展和人口聚集的城市，WRF模式是否可以在环境保护、污染控制、城市生态安全、新能源开发、城市规划等方面提供高质量的数值模式支撑。总结了针对不同问题，模式应用过程中误差产生的原因和需要进行的方法改进，以及存在的不足和今后的研究方向。

WRF-ARW模式在北京城市热岛模拟研究中的应用

为了分析城市化对北京城市热岛效应的影响程度,利用NCEP 1℃×1℃逐日再分析资料、Landsat遥感产品数据以及中尺度WRF模式,对北京城市下垫面因子的变化进行模拟。分析城市化对北京城市热岛强度的影响。结果表明:白天北京的城市、近郊、远郊存在气温的逐级递减趋势,而夜间热岛分布广且城郊温差小,城市热岛强度总体维持在1℃以上。下垫面由郊区变为城市会使当地的气温升高;并且这种升温效果在夜间比较显著。城区面积的扩张,会进一步增加城市中心区的温度。从不同年份小风区面积的变化看出,城市化在夜晚不断的加剧城市热岛效应,而白天则先增强后减弱。

应用WRF-UCM模型分析城市绿色廊道对热岛效应的影响——以上海市为例

城市发展带来下垫面性质的变化﹑空气污染和人为废热的大量排放,使得城市热岛效应作为全球性的环境问题逐渐受到重视.城市中的绿色廊道是城市生态基础设施的组成部分,对城市小气候起着重要的调节作用,通过这种线性的绿色空间保护城市生态环境的做法已经被广泛实践于许多城市中.利用气象预报软件WRF及其耦合的城市冠层模式(UCM,Urban Canopy Model)对上海市夏﹑冬两季(7月和12月上旬)的城市温度及规划中的市域性绿色廊道对城市温度的影响进行了数值模拟.研究表明绿色廊道对缓解夏季上海市内陆地区城市热岛效应有明显的作用.研究同时证明了气象预报软件WRF-UCM可对城市尺度下的温度进行有效模拟,今后可应用于对城市土地利用规划﹑建设规划﹑生态保护规划等相关规划的环境影响评估中,提高规划和决策的科学性.

上海市土地利用资料优化方案对WRF模式模拟高温过程的影响

在WRF模拟中,默认的土地利用数据与实际土地利用情况差异较大,因此会影响模式的模拟效果。为此,许多学者提出了更新城市土地利用数据的方案。最简单的方法是仅就城市建成区面积进行修正。但因城市地表具有非均匀性,进而又提出了将建成区进一步精细化分类。然而,在研究土地利用资料对WRF模式影响的文献中,绝大多数研究仅是就某种资料更新前后的模拟效果进行比较,并未将城市面积改变、城市非均匀性这两个因子进行区分。本文综合考虑了面积修正与精细化分类这两个因子,根据面积修正方案和两种精细化方案生成了3种土地利用的优化数据,并结合默认土地数据共设置了4个算例对上海市2018年8月和2019年8月两次高温天气过程进行了模拟,通过对结果进行比较分析发现:1)对WRF土地利用数据进行优化后,改善了温度、相对湿度和风速的模拟效果。2)城市建成区面积是影响温度最关键的因子,面积修正使温度的平均均方根误差(RMSE)降低了0.86℃,在此基础上的精细化分类使平均RMSE最多降低了0.04℃。3)城市的精细化分类是影响风速和相对湿度的主要因子,面积修正使风速的平均RMSE仅降低0.04 m/s,而精细化分类可使其RMSE再进一步降低最多0.19 m/s;面积修正使相对湿度的平均RMSE仅降低0.23%,而精细化分类可使其RMSE再进一步降低最多2.25%。4)总体说来,精细化分类方案在一定程度上考虑了城市的非均匀性,因此对于温度、相对湿度和风速模拟结果的改善程度更大,且分类越细致,效果越好。

WRF/CHEM modeling of impacts of weather conditions modified by urban expansion on secondary organic aerosol formation over Pearl River Delta

In this paper, the online Weather Research and Forecasting and Chemistry （WRF/CHEM） model, coupled with urban canopy （UCM） and biogenic-emission models, is used to explore impacts of urban expansion on secondary organic aerosols （SOA） formation. Two scenarios of urban maps are used in WRF/CHEM to represent early 1990s （pre-urbanization） and current urban distribution in the Pearl River Delta （PRD）. Month-long simulation results using the above land-use scenarios for March 2001 show： （1） urbanization can increase monthly averaged temperatures by about 0.63 ℃, decrease monthly averaged 10-m wind speeds by 38%, increase monthly averaged boundary-layer depths by 80 m, and decrease monthly aver- aged water mixing ratio by 0.2g/kg. （2） Changes in meteorological conditions can result in detectable concentration changes of NOx, VOC, O3 and NO3 radicals. Urbanization decreases surface NOx and VOC concentrations by a maximum of 4 ppbv and 1.5 ppbv, respectively. Surface O3 and NO3 radical concentrations over major cities increase by about 2-4 ppbv and 4-12 pptv, respectively; areas with increasing O3 and NO3 radical concentrations generally coincide with the areas of temperature increase and wind speed reduction where NOx and VOC decrease. （3） Urbanization can induce 9% increase of SOA in Foshan, Zhongshan and west Guangzhou and 3% decrease in Shenzhen and Dongguan. Over PRD major cities, SOA from Aitken mode reduces by 30% but with more than 70% SOA from accumulate mode. Urbanization has stronger influence on SOA formation from Aitken mode. （4） Over the PRD, 55-65% SOA comes from aromatics precursors. Urbanization has strongest influence on aromatics precursors to produce SOA （14% increase）, while there is less influence on alkane precursors. Alkene precursors have negative contribution to SOA formation under urbanization situation.

基于WRF模式的长株潭城市群绿心通风廊道规划策略研究

在全球气候变暖和快速城镇化背景下,城郊自然开放空间在被城市空间替代的过程中,城市绿地面积的减少引发了一系列的气候和环境问题。而构建通风廊道可以通过提升城市通风能力有效缓解热岛效应和雾霾现象,近年来已成为各领域的研究热点。作为风景园林师,从改善城市风环境角度出发,在宏观层面的空间规划中考虑通风廊道构建方案,提升城市在发展过程中应对气候变化的能力,为创造健康舒适的人居环境创造有利条件。以长株潭城市群绿心为研究对象,采用WRF模式定量分析典型天气条件下绿心空间布局变化对城市群风场产生的影响,在此基础上分析绿心的自然通风潜力并提出相应的规划策略。研究成果可为充分挖掘城市开放空间的通风性能和城市通风廊道规划提供科学指引。

未来土地利用情景下城市地表径流变化模拟预测研究

【目的】在快速城市化背景下,土地利用格局发生改变,建筑用地等不透水面比例增大,导致地表径流深度增加。因此,理解土地利用变化与地表径流的相互关系在城市防灾减灾工作中具有重要作用。【方法】以杭州市为例,利用CLUMondo模型,得到2030年土地利用情景模拟结果,并在此基础上,利用SCS模型模拟预测了未来地表径流深度信息,探讨了土地利用变化对地表径流的影响。【结果】结果显示:(1)到2030年,耕地面积减少到2070.72 km^(2),共减少283.55 km^(2);建筑用地增加到1227.74 km^(2),共增加了528.19 km^(2),林地和草地均出现了不同程度的减少。(2)在同等降水条件情景下,随着土地利用格局的变化,研究区平均地表径流深度呈逐年增加趋势,但增幅存在差异。在研究区西部的林地地区地表径流增加不明显,在研究区东北部的中心城区,地表径流的范围与深度显著增加。其中杭州主城区径流深度增加最为明显。【结论】2005年到2030年杭州的土地利用结构变化中,耕地与建筑用地变化最为明显,耕地面积不断减少,建筑用地面积不断增加;地表径流深度整体呈增加趋势,但在不同时段和区域都存在一定的差异性,其中杭州主城区径流深度增加最为明显。2005—2030年间杭州降水径流变化的原因与杭州城市化过程中的土地利用转化特别是耕地向建筑用地的转化密切相关。研究成果可为优化城市土地利用政策、缓解洪涝灾害提供理论依据。

Effects of Land Use Changes Across Different Urbanization Periods on Summer Rainfall in the Pearl River Delta Core Area

The Pearl River Delta(PRD)is one of the three urban agglomerations in China that have experienced rapid development.For this study,a core area of the PRD was identified,comprising the highly urbanized areas of Guangzhou,Foshan,Zhongshan,Zhuhai,Shenzhen,and Dongguan Cities.The expansion of these urban areas was tracked across three time periods—the year population urbanization rate exceeded 70%(2000),18 years before(1982),and 18 years after(2018).This study used the Weather Research and Forecasting(WRF)model to explore summer rainfall changes across different urbanization periods in the PRD core area.The results show that urban land expansion mainly occurred in the post urbanization period.Rainfall changes acros s different urbanization periods were roughly consistent with previously observed spatial and temporal changes accompanying urban expansion in the PRD core area.Extreme rainfall mainly increased in the post urbanization period,shifting rainstorm center towards the PRD core area.Further causal analysis revealed that land use changes affected rainfall by altering thermodynamics and water vapor transfer.The urban expansion changed the surface energy balance,resulting in increased surface heating and heat island effects.The heat island effects thickened the planetary boundary layer and increased vertical wind speeds,which initiated dry island effects,thereby causing more water vapor transportation to the atmosphere.Consequently,rainstorms and extreme rainfall events have become concentrated in urban areas.

基于不同土地利用产品的华东地区夏季陆气相互作用模拟研究

土地利用和土地覆盖变化(Land Use and Land Cover Chang,LUCC)通过影响局地陆面过程及陆气相互作用进而影响局地天气和气候。为探究LUCC产品对陆气相互作用的影响,本文采用了三套LUCC产品,包括USGS、Landsat和MODIS,模拟研究不同LUCC产品对华东地区土壤和近地面温度、湿度的影响。结果表明,不同LUCC产品的土地利用类型差异主要在城市、农田和以草地、森林为主的自然植被。与USGS产品相比,Landsat和MODIS产品的城市和森林面积分别增加了2%和15%以上,农田面积则减少了17%左右。模拟结果表明,Landsat和MODIS产品的城市面积增加导致该区域的土壤温度和湿度增加,感热通量分别增加了28.1 W·m^(-2)、68.3 W·m^(-2),潜热通量分别减少了28.3 W·m^(-2)、81 W·m^(-2),这使得2 m气温增加了1.5℃左右,相对湿度减小了约9%。USGS产品中的农田和草地在Landsat和MODIS中改变为森林也使得土壤温度、湿度和近地面能量通量、温度和湿度的空间分布随之产生变化,但相比于城市面积改变导致的变化较为复杂。此外,不同LUCC产品之间的城市面积变化对土壤温度、湿度和近地面能量通量、温度和湿度的影响要大于农田和自然植被变化产生的影响。最后,对比三个试验模拟的土壤温度、土壤湿度、2 m气温和相对湿度结果与GLDAS(the Global Land Data Assimilation System)或站点观测资料的相关性、均方根误差、平均偏差和认同指数可以发现,使用更准确、细致的Landsat产品的模式对近地面气象条件的模拟性能要优于USGS和MODIS产品模拟结果。

老旧城区雨水系统应对未来降雨变化思路研究

为探究老旧城区雨水系统应对未来降雨变化的方法,以北方某城市的老旧城区排水分区为例,利用未来天气发生器对该城市2022年以后的100年间日降雨数据进行预测,结合小波变化分析和统计学方法,总结该市未来降雨变化规律和极端降雨事件发生频率,推算该市未来3年设计降雨量及雨型,利用Infoworks ICM水力模拟该市老旧城区雨水系统应对未来降雨变化的能力并探索应对思路。

城市内涝预警系统研究——以开封市“7·20”特大暴雨应用效果为例

基于城市基础信息资料精细化程度和模型模拟不精准影响风险预报效果的问题,提出将多元时间序列ARIMAX模型应用于积水监测站的内涝预报,以便更精准地预测积水深度及变化过程;用多普勒雷达降水临近预报和数值模式降水预报产品,驱动积涝预报模型,建立城市内涝风险预警系统.结果表明,该系统在河南开封“7·20”特大暴雨临近时段(0~2 h)内涝风险预报效果较好,短时段(3~12 h)仍有较高的参考价值,能够为城市防汛和应急提供较好的技术支撑.

人工增雨对城市雾霾的缓解效果建模研究

雾霾污染问题始终是影响人体健康与生态环境的隐患之一,为尝试缓解雾霾情况,建模分析人工增雨对城市雾霾的缓解效果。以广义线性降尺度模型分析人工增雨效果,得到人工增雨量;利用多层回归理论构建雾霾成因模型,在此基础上通过空气质量指数计算雾霾污染指数,将人工增雨量作为自变量,雾霾污染指数作为因变量,构建反映二者关系的元线性回归模型,并计算二者的关系系数,确定人工增雨对城市雾霾的缓解效果。试验结果表明人工增雨量越大,雾霾缓解效果越好,两者呈现负相关关系,且人工增雨具有持续性,能够长时间缓解城市雾霾。

北京夏季晴天边界层特征及城市下垫面对海风影响的数值模拟

对耦合了Noah陆面模式和单层城市冠层模式的WRF(Weather Research and Forecasting)模式系统进行了改进和优化,通过对2010年8月6-7日北京地区晴天个例的模拟试验,检验了优化前后模式系统的模拟能力,分析研究了该个例中城市边界层的特征及日变化.另外,使用优化后的模拟系统通过两组敏感性试验研究了京津城市下垫面对海风的影响.结果表明,优化方案能够显著提高模式系统对该个例的模拟性能,模式系统基本能够模拟出北京夏季边界层的日变化特征,精确的地表使用类型分类等地理信息数据对提高模式预报的准确度有着至关重要的作用,京津城市对海风的发展和推进过程有明显影响,能够阻碍海风的推进、加强风场的水平辐合和垂直上升气流,北京城市下垫面还能在海风到达前增加其强度和推进速度,并在海风经过后延缓其消亡、增加其推进距离.

城市化对昆明一次强降水过程影响的数值模拟研究

为了探究昆明地区城市化对降水的影响,利用中尺度气象模式WRF(the weather research and forecasting model)耦合单层城市冠层模块,对2012年5月24日夜间发生在昆明城区西部的一次强降水过程进行数值模拟研究。通过与卫星观测得到的降水空间分布进行对比,发现WRF模式能较好地再现此次降水过程。城市的存在会较显著地改变城市地区的潜热和低层垂直运动,使得位于城区的降水中心降水强度略有减小,而城区下风向的降水有所增加,降水增加的区域与750 hPa高度上的水汽通量辐合加强的区域相对应。城区降水中心降水量减少可能是由于城市下垫面抑制了低层大气的水汽供给。城区下风向降水增加的可能原因是该区域相对较强的垂直运动使得更多的水汽被输送到高层大气中,有利于降水的增强。在目前的城市化水平上,若昆明地区的城市进一步扩张,城区下风向地区的垂直对流运动和大气不稳定度均会增强,但城市下垫面对低层水汽供给的抑制作用也会增强,这两种作用的同时存在会使得城市下风向地区降水的变化存在不确定性。

城市下垫面对河谷城市兰州冬季热岛效应及边界层结构的影响

利用中尺度数值模式WRF耦合单层城市冠层模块UCM,引入2005年MODIS土地利用类型资料,在对2005年1月25—28日兰州市热岛现象进行高分辨率数值模拟的基础上,设计了去除城市下垫面敏感性试验,探讨了城市下垫面对城市边界层的影响程度。结果表明,城市下垫面能使近地层大气温度升高而风速减小,并且,在夜间表现更明显。由城市热岛强度日变化分析可知,城市下垫面对兰州市热岛强度的贡献率为44%。夜间,城市上空200 m以下的近地层大气保持了白天的混合层特征,热岛环流的上升运动促进了山风环流,使得上升气流到达地面以上600 m左右;白天,由于山峰加热效应,城市上空400—600 m存在一个脱地逆温层,城市热岛环流使得11—15时(北京时)市区近地层出现弱上升气流,抑制了谷风环流的形成及发展。城市下垫面的低反照率特性和建筑物的多次反射作用导致城市下垫面的净辐射通量大于非城市下垫面;城市下垫面由于建筑材料的不透水性,导致潜热通量远小于感热通量,而储热项所占比重明显增大。

城市化对河南省极端降水空间分布的影响

针对城市化对极端降水空间分布的影响问题,利用城市冠层模型结合WRF(weather research and forecasting)中尺度天气预报模式对河南省2021年"7·20"特大暴雨进行数值模拟,并结合国家级地面观测站实测降水数据对该模型的模拟精度进行了验证。结果表明,考虑城市冠层影响的耦合模型能更好地模拟出区域极端降水的强度和落区,与实测降水的空间分布更为接近,耦合模拟得到的平均降水量比未考虑城市冠层影响的模拟结果高12.1 mm;人工耗水改变了区域的水热耦合平衡,促进了城市区域对流性降水的形成。

天津城市环境对一次局地降水过程影响的模拟研究

采用中尺度气象模式WRF结合自动站观测资料,对天津城区及附近发生的一次局地降水过程进行数值模拟和敏感性试验,研究了城市环境(城市地表、城市大气污染)对降水发生发展的影响。结果表明:城市地表引起的热岛环流,叠加海风环流后,改变了辐合线的位置和强度,直接影响了对流降水的发生及落区。城市大气污染状况可影响对流发展后的强度及降水量,敏感性试验结果显示气溶胶浓度增大后区域平均降水量增加约25%;气溶胶的增雨效应主要表现在可增进对流云中液态水和冰相物质含量,增多的液态水物质被强的上升气流抬升到较高处冻结形成冰晶,这一过程中增多的凝结潜热又可促进对流发展,最终导致地面总降水量增多,研究个例中气溶胶浓度增加可使潜热加热率最大增加110 K·h^-1。