0577-6619/2012/70(3)-0338-53 Acta Meteorologica Sinica气象学报 城市热岛效应的研究进展与展望 寿亦萱12张大林23 SHOU Yixuan. 2 ZHANG Da-Lin23 1.中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室,国家卫星气象中心,北京,100081 2.南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室,南京,210044 3.美国马里兰大学大气海洋科学系,2074 1. Key laboratory of Radiometric Calibration and validation for Environmental Satellites, China meteorologica Administration(LRCVES/CMA) National Satellite Meteorological Center, Beijing 100081, china 2. Key laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of education, NUISt, Nanjing 210044, China 3. De partment of Atmos pheric and Oceanic Science, University of Maryland, College Park, Maryland 20742, USA 2010-03-04收稿,2010-09-27改回 in,Zhang Da-Lin. 2012. Recent advances in understanding urban heat island effects with some future prospects. Acta Meteorologica Sinica, 70(3): 338-353 Abstract With the rapid urbanization around the globe. the urban heat island (UHI effects have become an interdisciplinary issue and were received considerable attention during the past 2-3 decades by scientists from different disciplines. In this arti- cle, the state of our knowledge on this subject is assessed in order to help guide future research in this rapidly growing field First, we summarize the latest advances in observing various UHI effects through field experiments and remote sensing technol- ogy, and in developing the urban canopy models as well as computational fluid dynamical models. Then, we review recent hievements in understanding the UHI effects with more focuses on the urban boundary layer, their interactions with topo- graphical driven circulations, and the urban surface energy budget. Finally, future prospects for several UHI research avenues are speculated, which include the UHI effects on regional climate, air pollution, precipitation, fog and lightning production the improvement of urban weather forecasts, and the development of UHI mitigation measures Key words Urban heat island, Urban boundary layer, Energy balance, Research prospects 摘要随着世界各国城市化的进展,城市热岛效应已经成为一个跨学科领域的问题,受到包括大气环境、区域气候、水文和 生态等多学科科学家的关注。在过去半个多世纪中,城市热岛问题的研究获得了相当丰富的硏究成果,通过对这些成果的综 合分析,归纳出城市热岛研究中采用的3类主要方法——观测(外场试验和遥感技术)、数值模拟以及实验室仿真法。系统地 回顾了城市热岛效应的研究历史,重点对与城市热岛关系最密切的城市边界层、热岛环流与复杂地形的相互作用以及能量平 衡研究所取得的成果进行了总结和评述。最后对城市热岛问題未来8个可能的研究方向进行了探讨,其中,包括沿海和复杂 地形附近的城市热岛冋题、城市群间热岛环流的相互作用、城市化与空气污染问题、城市热岛效应对平均降水的影响、城市化 对雾和闪电的影响、城市天气预报的精细化、城市气候变化预测以及城市热岛效应减缓方案的制定,并对其发展前景进行了 粗略的展望。 关键词城市热岛,城市边界层,能量平衡,研究展望 中图法分类号P404 资助课題:国家高新技术研究发展计划(863计划)项目(2009AA12Z150)、2010年人力资源与社会保障部留学人员科技活动项目择优 资助(优秀)“长三角城市群热岛与海风环流相互作用的卫星观测和数值模拟研究”、国家自然科学基金项目(41005027 41175023)、气象灾害省部共建教育部重点实验室开放课题(KLME0905) 作者简介:寿亦萓,主要从事卫星气象、城市气象和中尺度数值模拟研究。E-mal:shouyi@cma.gov.cn
书 城市热岛效应的研究进展与展望 寿亦萱１，２ 张大林２，３ ＳＨＯＵ Ｙｉｘｕａｎ１，２ ＺＨＡＮＧＤａＬｉｎ２，３ １．中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室，国家卫星气象中心，北京，１０００８１ ２．南京信息工程大学 气象灾害省部共建教育部重点实验室，南京，２１００４４ ３．美国马里兰大学大气海洋科学系，２０７４２ １．犓犲狔犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅犳犚犪犱犻狅犿犲狋狉犻犮犆犪犾犻犫狉犪狋犻狅狀犪狀犱犞犪犾犻犱犪狋犻狅狀犳狅狉犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犪犾犛犪狋犲犾犾犻狋犲狊，犆犺犻狀犪犕犲狋犲狅狉狅犾狅犵犻犮犪犾 犃犱犿犻狀犻狊狋狉犪狋犻狅狀 （犔犚犆犞犈犛／犆犕犃）犖犪狋犻狅狀犪犾犛犪狋犲犾犾犻狋犲犕犲狋犲狅狉狅犾狅犵犻犮犪犾犆犲狀狋犲狉，犅犲犻犼犻狀犵１０００８１，犆犺犻狀犪 ２．犓犲狔犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅犳犕犲狋犲狅狉狅犾狅犵犻犮犪犾犇犻狊犪狊狋犲狉狅犳犕犻狀犻狊狋狉狔狅犳犈犱狌犮犪狋犻狅狀，犖犝犐犛犜，犖犪狀犼犻狀犵２１００４４，犆犺犻狀犪 ３．犇犲狆犪狉狋犿犲狀狋狅犳犃狋犿狅狊狆犺犲狉犻犮犪狀犱犗犮犲犪狀犻犮犛犮犻犲狀犮犲，犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犕犪狉狔犾犪狀犱，犆狅犾犾犲犵犲犘犪狉犽，犕犪狉狔犾犪狀犱２０７４２，犝犛犃 ２０１００３０４收稿，２０１００９２７改回． 犛犺狅狌犢犻狓狌犪狀，犣犺犪狀犵犇犪犔犻狀．２０１２．犚犲犮犲狀狋犪犱狏犪狀犮犲狊犻狀狌狀犱犲狉狊狋犪狀犱犻狀犵狌狉犫犪狀犺犲犪狋犻狊犾犪狀犱犲犳犳犲犮狋狊狑犻狋犺狊狅犿犲犳狌狋狌狉犲狆狉狅狊狆犲犮狋狊．犃犮狋犪 犕犲狋犲狅狉狅犾狅犵犻犮犪犛犻狀犻犮犪，７０（３）：３３８３５３ 犃犫狊狋狉犪犮狋 Ｗｉｔｈｔｈｅｒａｐｉｄｕｒｂａｎｉｚａｔｉｏｎａｒｏｕｎｄｔｈｅｇｌｏｂｅ，ｔｈｅｕｒｂａｎｈｅａｔｉｓｌａｎｄ（ＵＨＩ）ｅｆｆｅｃｔｓｈａｖｅｂｅｃｏｍｅａｎｉｎｔｅｒｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙ ｉｓｓｕｅａｎｄｗｅｒｅｒｅｃｅｉｖｅｄｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅａｔｔｅｎｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇｔｈｅｐａｓｔ２－３ｄｅｃａｄｅｓｂｙｓｃｉｅｎｔｉｓｔｓｆｒｏｍｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉｓｃｉｐｌｉｎｅｓ．Ｉｎｔｈｉｓａｒｔｉ ｃｌｅ，ｔｈｅｓｔａｔｅｏｆｏｕｒｋｎｏｗｌｅｄｇｅｏｎｔｈｉｓｓｕｂｊｅｃｔｉｓａｓｓｅｓｓｅｄｉｎｏｒｄｅｒｔｏｈｅｌｐｇｕｉｄｅｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｈｉｓｒａｐｉｄｌｙｇｒｏｗｉｎｇｆｉｅｌｄ． Ｆｉｒｓｔ，ｗｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｔｈｅｌａｔｅｓｔａｄｖａｎｃｅｓｉｎｏｂｓｅｒｖｉｎｇｖａｒｉｏｕｓＵＨＩｅｆｆｅｃｔｓｔｈｒｏｕｇｈｆｉｅｌｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｎｄｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌ ｏｇｙ，ａｎｄｉｎｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｔｈｅｕｒｂａｎｃａｎｏｐｙｍｏｄｅｌｓａｓｗｅｌｌａｓｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃａｌｍｏｄｅｌｓ．Ｔｈｅｎ，ｗｅｒｅｖｉｅｗｒｅｃｅｎｔａ ｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓｉｎｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇｔｈｅＵＨＩｅｆｆｅｃｔｓｗｉｔｈ ｍｏｒｅｆｏｃｕｓｅｓｏｎｔｈｅｕｒｂａｎｂｏｕｎｄａｒｙｌａｙｅｒ，ｔｈｅｉｒｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓｗｉｔｈｔｏｐｏ ｇｒａｐｈｉｃａｌｄｒｉｖｅｎｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎｓ，ａｎｄｔｈｅｕｒｂａｎｓｕｒｆａｃｅｅｎｅｒｇｙｂｕｄｇｅｔ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｆｕｔｕｒｅｐｒｏｓｐｅｃｔｓｆｏｒｓｅｖｅｒａｌＵＨＩｒｅｓｅａｒｃｈａｖｅｎｕｅｓ ａｒｅｓｐｅｃｕｌａｔｅｄ，ｗｈｉｃｈｉｎｃｌｕｄｅｔｈｅＵＨＩｅｆｆｅｃｔｓｏｎｒｅｇｉｏｎａｌｃｌｉｍａｔｅ，ａｉｒｐｏｌｌｕｔｉｏｎ，ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ，ｆｏｇａｎｄｌｉｇｈｔｎｉｎｇｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ， ｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｕｒｂａｎｗｅａｔｈｅｒｆｏｒｅｃａｓｔｓ，ａｎｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＵＨＩｍｉｔｉｇａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｓ． 犓犲狔狑狅狉犱狊 Ｕｒｂａｎｈｅａｔｉｓｌａｎｄ，Ｕｒｂａｎｂｏｕｎｄａｒｙｌａｙｅｒ，Ｅｎｅｒｇｙｂａｌａｎｃｅ，Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｓｐｅｃｔｓ 摘 要 随着世界各国城市化的进展，城市热岛效应已经成为一个跨学科领域的问题，受到包括大气环境、区域气候、水文和 生态等多学科科学家的关注。在过去半个多世纪中，城市热岛问题的研究获得了相当丰富的研究成果，通过对这些成果的综 合分析，归纳出城市热岛研究中采用的３类主要方法———观测（外场试验和遥感技术）、数值模拟以及实验室仿真法。系统地 回顾了城市热岛效应的研究历史，重点对与城市热岛关系最密切的城市边界层、热岛环流与复杂地形的相互作用以及能量平 衡研究所取得的成果进行了总结和评述。最后对城市热岛问题未来８个可能的研究方向进行了探讨，其中，包括沿海和复杂 地形附近的城市热岛问题、城市群间热岛环流的相互作用、城市化与空气污染问题、城市热岛效应对平均降水的影响、城市化 对雾和闪电的影响、城市天气预报的精细化、城市气候变化预测以及城市热岛效应减缓方案的制定，并对其发展前景进行了 粗略的展望。 关键词 城市热岛，城市边界层，能量平衡，研究展望 中图法分类号 Ｐ４０４ ０５７７６６１９／２０１２／７０（３）０３３８５３犃犮狋犪犕犲狋犲狅狉狅犾狅犵犻犮犪犛犻狀犻犮犪 气象学报 资助课题：国家高新技术研究发展计划（８６３计划）项目（２００９ＡＡ１２Ｚ１５０）、２０１０年人力资源与社会保障部留学人员科技活动项目择优 资助（优秀）“长三角城市群热岛与海风环流相互作用的卫星观测和数值模拟研究”、国家自然科学基金项目（４１００５０２７、 ４１１７５０２３）、气象灾害省部共建教育部重点实验室开放课题（ＫＬＭＥ０９０５）。 作者简介：寿亦萱，主要从事卫星气象、城市气象和中尺度数值模拟研究。Ｅｍａｉｌ：ｓｈｏｕｙｘ＠ｃｍａ．ｇｏｖ．ｃｎ
寿亦萱等:城市热岛效应的研究进展与展望 蓬勃发展,城市热岛效应给环境造成的各种问题才 1引言 引起科学家们的广泛关注和政府的高度重视。为全 从20世纪开始,随着全球经济发展,城市化也面地了解国际上城市热岛(UHI的研究现状,疏理 进入了空前发展的阶段。据联合国人口组织的统计了城市热岛的研究成果以供研究国内城市热岛效应 资料显示,到20世纪末,世界上城市人口占总人口参考。此外, Armfield2003)和 Rizwan等(2008)先 数的45%,其中,发达国家中城市人口比例高达后从区域气候和工程角度对城市热岛效应的相关研 75%( United Nations,2001)。城市化给自然环境究进行了不同程度的总结。 所带来的影响是多方面的,其中,下垫面类型的改变2观测手段和模式发展 是其造成的最直接的变化之一。城市的下垫面通常 是由混凝土、沥青等构成的(三维)建筑物和(二维) 和大气科学中的其他学科一样,城市热岛效应 道路组成,相对于由水、土和植被构成的自然表面 的研究进展离不开观测、数值模拟以及实验室仿真 这些人造表面一般具有较小的反照率、较大的热容 手段的进步 性以及很小的蒸发和蒸腾,从而能够更有效地将入 2.1外场试验和观测手段 射太阳辐射转换为热量并储存。因此,受这种复杂 由于观测能最直接、客观地揭示城市热岛效应 的特征,自20世纪70年代以来,国际上已组织了多 表面的影响,加之工业、交通和商业等人类活动产生 次大型的外场观测实验。如以研究边界层内不同尺 的热量,城市气温要比其周围的环境气温高,这种现 度污染物的扩散为目的,在美国犹他州盐湖城举行 象就是城市热岛效应( Chandler,etal,1976;Oke,的 URBAN2000观测实验( Allwine,etal,2002), 1982)。过去人们习惯用(2m高度)百叶箱内的空以研究城市边界层结构为目的在瑞士巴塞尔举行的 气温度(即地面气温)来表示城市热岛效应。后来随历时一年的 BUBBLE201实验( Roach,etal 着卫星遥感资料的广泛使用,地表温度也常被用来2005)和在美国俄克拉荷马进行的主要针对城市边 研究城市热岛效应 界层、城市街谷中气流扰动(Pol,etal,2006)等5 据统计,到目前为止,世界上在1000多个不同个方面的科学问题的JU2003示踪气体实验。 规模的城市中发现了城市热岛现象,范围遍及南、北 近年来,中国也先后组织过多次大型的城市观 半球各纬度地区( Magee,etal,199; Arnfield,测实验,如2001-2002年受中国科学技术部“973 2003)。虽然城市热岛效应本身不会像热带气旋、暴项目”支持,由中国气象局气象科学研究院以及北京 雨等强烈天气那样直接造成重大的自然灾害,但往城市气象研究所等多家单位联合完成的 BECAPEX 往会通过改变局地的能量平衡、水循环过程、大气边观测实验,着重研究了京津冀地区城市的边界层结 界层结构、污染物传播和扩散规律,而对人类生产、构和大气化学成分的分布(Xu,etal,2005)。2004 生活产生间接的危害。一方面伴随着经济发展,城年进行的 BUBLEX实验,在 BECAPEX基础上对 市化进程加快,而另一方面随着人类文明的进步,人城市边界层结构进行了重点观测。此外还有2007 类对生存环境的要求也是有增无减,这两者的矛盾年被WMO接收并正式启动的上海城市气象和环 使城市热岛效应成为一亟待解决的课题。从目前的境研究示范项目。该项目旨在通过观测以及数值模 研究现状来看,城市热岛效应已经成为一个跨学科拟,重点研究上海地区及其周边的不均匀下垫面对 领域的问题,不仅是大气科学研究关注的焦点,而城市热岛的形成和城市环境的影响以及空气污染的 且,还受到环境、地理、水文、生态、卫生和城镇规划物理和化学过程等问题(WMO,2007)。 等学科学者的关注,有关的研究论文也相当丰富 上述外场观测试验中既采用了传统的局地观测 虽然中国关于城市热岛效应的研究已开展多年(桑仪器,也利用了高科技的遥感技术。前者包括地面 建国等,2000;胡非等,2003;李维亮等,2003;徐祥观测站、风廓线仪、飞机机载仪器等,这些都是研究 德等,2004;佟华等,2004;何晓凤等,2007;蒋维楣城市热岛所使用的重要观测工具。利用这些工具通 等,2007;王迎春等,2009),并也取得不少成果。过对城市中某一个站点进行时序观测( Tereshchen 但直至近几年由于中国经济迅速上升带来各城市的ko,etal,2001),或对多个城乡站点进行对比观测
１ 引 言 从２０世纪开始，随着全球经济发展，城市化也 进入了空前发展的阶段。据联合国人口组织的统计 资料显示，到２０世纪末，世界上城市人口占总人口 数的 ４５％，其 中，发 达 国 家 中 城 市 人 口 比 例 高 达 ７５％ （ＵｎｉｔｅｄＮａｔｉｏｎｓ，２００１）。城市化给自然环境 所带来的影响是多方面的，其中，下垫面类型的改变 是其造成的最直接的变化之一。城市的下垫面通常 是由混凝土、沥青等构成的（三维）建筑物和（二维） 道路组成，相对于由水、土和植被构成的自然表面， 这些人造表面一般具有较小的反照率、较大的热容 性以及很小的蒸发和蒸腾，从而能够更有效地将入 射太阳辐射转换为热量并储存。因此，受这种复杂 表面的影响，加之工业、交通和商业等人类活动产生 的热量，城市气温要比其周围的环境气温高，这种现 象就是城市热岛效应 （Ｃｈａｎｄｌｅｒ，ｅｔａｌ，１９７６；Ｏｋｅ， １９８２）。过去人们习惯用（２ｍ 高度）百叶箱内的空 气温度（即地面气温）来表示城市热岛效应。后来随 着卫星遥感资料的广泛使用，地表温度也常被用来 研究城市热岛效应。 据统计，到目前为止，世界上在１０００多个不同 规模的城市中发现了城市热岛现象，范围遍及南、北 半球 各 纬 度 地 区 （Ｍａｇｅｅ，ｅｔａｌ，１９９９；Ａｒｎｆｉｅｌｄ， ２００３）。虽然城市热岛效应本身不会像热带气旋、暴 雨等强烈天气那样直接造成重大的自然灾害，但往 往会通过改变局地的能量平衡、水循环过程、大气边 界层结构、污染物传播和扩散规律，而对人类生产、 生活产生间接的危害。一方面伴随着经济发展，城 市化进程加快，而另一方面随着人类文明的进步，人 类对生存环境的要求也是有增无减，这两者的矛盾 使城市热岛效应成为一亟待解决的课题。从目前的 研究现状来看，城市热岛效应已经成为一个跨学科 领域的问题，不仅是大气科学研究关注的焦点，而 且，还受到环境、地理、水文、生态、卫生和城镇规划 等学科学者的关注，有关的研究论文也相当丰富。 虽然中国关于城市热岛效应的研究已开展多年（桑 建国等，２０００；胡非等，２００３；李维亮等，２００３；徐祥 德等，２００４；佟华等，２００４；何晓凤等，２００７；蒋维楣 等，２００７；王 迎 春 等，２００９），并 也 取 得 不 少 成 果。 但直至近几年由于中国经济迅速上升带来各城市的 蓬勃发展，城市热岛效应给环境造成的各种问题才 引起科学家们的广泛关注和政府的高度重视。为全 面地了解国际上城市热岛（ＵＨＩ）的研究现状，疏理 了城市热岛的研究成果以供研究国内城市热岛效应 参考。此外，Ａｒｎｆｉｅｌｄ（２００３）和 Ｒｉｚｗａｎ等（２００８）先 后从区域气候和工程角度对城市热岛效应的相关研 究进行了不同程度的总结。 ２ 观测手段和模式发展 和大气科学中的其他学科一样，城市热岛效应 的研究进展离不开观测、数值模拟以及实验室仿真 手段的进步。 ２．１ 外场试验和观测手段 由于观测能最直接、客观地揭示城市热岛效应 的特征，自２０世纪７０年代以来，国际上已组织了多 次大型的外场观测实验。如以研究边界层内不同尺 度污染物的扩散为目的，在美国犹他州盐湖城举行 的 ＵＲＢＡＮ２０００观测实验（Ａｌｌｗｉｎｅ，ｅｔａｌ，２００２）， 以研究城市边界层结构为目的在瑞士巴塞尔举行的 历时 一 年 的 ＢＵＢＢＬＥ２００１ 实 验 （Ｒｏｔａｃｈ，ｅｔａｌ， ２００５）和在美国俄克拉荷马进行的主要针对城市边 界层、城市街谷中气流扰动（Ｐｏｌ，ｅｔａｌ，２００６）等５ 个方面的科学问题的ＪＵ２００３示踪气体实验。 近年来，中国也先后组织过多次大型的城市观 测实验，如 ２００１—２００２ 年受中国科学技术部“９７３ 项目”支持，由中国气象局气象科学研究院以及北京 城市气象研究所等多家单位联合完成的 ＢＥＣＡＰＥＸ 观测实验，着重研究了京津冀地区城市的边界层结 构和大气化学成分的分布（Ｘｕ，ｅｔａｌ，２００５）。２００４ 年进行的 ＢＵＢＬＥＸ 实验，在 ＢＥＣＡＰＥＸ 基础上对 城市边界层结构进行了重点观测。此外还有２００７ 年被 ＷＭＯ 接收并正式启动的上海城市气象和环 境研究示范项目。该项目旨在通过观测以及数值模 拟，重点研究上海地区及其周边的不均匀下垫面对 城市热岛的形成和城市环境的影响以及空气污染的 物理和化学过程等问题（ＷＭＯ，２００７）。 上述外场观测试验中既采用了传统的局地观测 仪器，也利用了高科技的遥感技术。前者包括地面 观测站、风廓线仪、飞机机载仪器等，这些都是研究 城市热岛所使用的重要观测工具。利用这些工具通 过对城市中某一个站点进行时序观测（Ｔｅｒｅｓｈｃｈｅｎ ｋｏ，ｅｔａｌ，２００１），或对多个城乡站点进行对比观测 寿亦萱等：城市热岛效应的研究进展与展望 ３３９
Acta Meteorologica sinica气象学报2012,70(3) (Mage,etal,1999)和统计分析( Ackerman,精度的问题,需要依赖传统观测数据进行交叉验证 1985),再或利用网点和特殊线路观测( Morris,et因此,在很多观测分析中常常采用传统观测和遥感 al,2001; Yamashita,etal,1986; Unger,etal,观测方法并用的手段 2001)可得到城市热岛的日变化、分布和强度等信2.2实验室仿真试验 息。应该承认这些观测手段在最初发现和认识城市 在实验室利用实物模型来进行城市热岛效应仿 热岛现象中发挥了重要作用,城市热岛的日变化特真试验是近几年才开始的一种有效手段。如 征就是根据这些观测数据获得的。但是,由于气象 Cenedese等(2000,2003)曾设计了一套温控水箱系 站点的分布通常较为稀疏,很难满足研究城市尺度统用于研究热岛环流与海风环流的相互作用冋题 的各类热岛问题的需要,因此,日前在城市热岛效应实验中用一装满水的矩形水槽来代表整个大气环 研究中单纯依赖传统观测的研究已经越来越少 境。为了模拟海陆分布,将水箱划分为两个区域,左 近年来,随着遥感技术的飞速发展,研制出大量侧为恒温区(代表海区),右侧温度由一个温度可控 先进的遥感仪器和设备,使遥感观测方法在城市热装置控制,用于代表陆地。与观测试验以及数值模 岛的观测研究中逐渐占有一席之地。虽然用于城市式相比,仿真试验的优势在于它易于控制边界条件, 气象研究的遥感观测工具很多,卫星和雷达仍是最并且,能够准确地分析出那些无量纲量在控制流场 常用的两类。卫星主要用于监测城市热岛的温度场中的作用。但是,它的缺点也是很明显的,最重要的 变化特征。与常规观测中的地面气温不同,卫星探一点就是试验中很难构建一套与真实条件下完全 测的是地表温度。它与地面气温不同在于其所表示致的参数。比如城市中植被、街道和建筑的细节参 的是陆地水、植被、土壤、岩石等的表面温度,即地-数就很难在一个水箱系统中被完全模拟出来,因此, 气界面上的温度。目前,大部分气象/环境资源卫星实验室仿真试验在城市热岛效应的研究中目前只能 均搭载了高分辨率的热红外传感器。如美国的作为观测试验和数值模式的一个补充 GOES静止气象卫星上的热红外通道(星下点分辨2.3数值模式的发展 率为4km),NOAA极轨气象卫星上的甚高分辨率 Ooka(2007)和 Martelli(2007)在回顾中尺度模 辐射计( AVHRR)和EOS卫星上的中分辨率成像式发展及其在城市热岛效应研究中的应用现状后指 光谱仪(MODS)(星下点分辨率为1km),以及出,高分辨率中尺度模式的使用和发展使很多城市 L- landsat-7上的增强型专题绘图仪(ETM+)(星下尺度的天气问题得以发现并被认识。近20年来使 点分辨率为60m)。借助热红外数据可以得到辐射用模式研究城市效应的文章有很多( Masson, 亮温,结合地表比辐射率和无线电探空数据,就可以2006),不仅有力地支持了观测分析,也加深了人们 反演出比较真实的地表温度。自Rao(1972)首次对具体物理过程的理解。目前与中尺度模式嵌套的 使用卫星反演的地表温度讨论城市热岛效应至今,城市模式主要有两种:城市冠层模式(UCM)和计算 这种定量信息已被广泛用于城市热岛强度、日变化流体力学模式(CFD)。 特征等与城市热岛相关的研究中( Johnson,etal, 城市冠层模式是一种基于城市冠层理论建立的 1994;Hu,etal,2009) 物理参数化方案,是日前城市大气问题数值模拟研 雷达则主要用于对边界层结构的探测。除了普究的主流。过去由于计算机资源的限制以及认识的 通的天气雷达以外,声纳雷达、后向散射激光雷达和不足,大部分的城市冠层模拟研究普遍采用的是传 多普勒激光雷达是目前城市热岛观测研究中较多使统中尺度模式中对植物冠层的模拟方法,因此,不可 用的几类雷达。特别是多普勒激光雷达,能有效地避免地忽略了城市冠层的几何结构以及人类活动对 观测边界层内风的扰动( Davies,etal,2004;Coll-局地大气活动产生的影响。随着认识的深入,先后 er,etal,2005)、边界层顶的位置( Davies,etal,建立和发展出数十种城市冠层模式,有些已经与中 2004; Collier,etal,2005),并能反演得到城市感热尺度天气模式进行了耦合,并取得了较好的效果。 通量的分布情况( Davis,etl,2008) 如,RAMS城市能量平衡模式( RAMS-TEB)(Lem- 尽管遥感观测相对于传统观测,具有空间覆盖onsu,etal,2004)、MM5/WRF城市冠层模式 范围大、时空分辨率高的特点,却始终存在一个反演MM5/ WRF-UCM)( Kusaka,etal,2004;Chen
（Ｍａｇｅｅ，ｅｔａｌ，１９９９）和 统 计 分 析 （Ａｃｋｅｒｍａｎ， １９８５），再或利用网点和特殊线路观测（Ｍｏｒｒｉｓ，ｅｔ ａｌ，２００１；Ｙａｍａｓｈｉｔａ，ｅｔａｌ，１９８６；Ｕｎｇｅｒ，ｅｔａｌ， ２００１）可得到城市热岛的日变化、分布和强度等信 息。应该承认这些观测手段在最初发现和认识城市 热岛现象中发挥了重要作用，城市热岛的日变化特 征就是根据这些观测数据获得的。但是，由于气象 站点的分布通常较为稀疏，很难满足研究城市尺度 的各类热岛问题的需要，因此，目前在城市热岛效应 研究中单纯依赖传统观测的研究已经越来越少。 近年来，随着遥感技术的飞速发展，研制出大量 先进的遥感仪器和设备，使遥感观测方法在城市热 岛的观测研究中逐渐占有一席之地。虽然用于城市 气象研究的遥感观测工具很多，卫星和雷达仍是最 常用的两类。卫星主要用于监测城市热岛的温度场 变化特征。与常规观测中的地面气温不同，卫星探 测的是地表温度。它与地面气温不同在于其所表示 的是陆地水、植被、土壤、岩石等的表面温度，即地 气界面上的温度。目前，大部分气象／环境资源卫星 均搭 载 了 高 分 辨 率 的 热 红 外 传 感 器。如 美 国 的 ＧＯＥＳ静止气象卫星上的热红外通道（星下点分辨 率为４ｋｍ），ＮＯＡＡ 极轨气象卫星上的甚高分辨率 辐射计（ＡＶＨＲＲ）和 ＥＯＳ卫星上的中分辨率成像 光谱仪 （ＭＯＤＩＳ）（星 下 点 分 辨 率 为 １ｋｍ），以 及 Ｌａｎｄｓａｔ７上的增强型专题绘图仪（ＥＴＭ＋）（星下 点分辨率为６０ｍ）。借助热红外数据可以得到辐射 亮温，结合地表比辐射率和无线电探空数据，就可以 反演出比较真实的地表温度。自 Ｒａｏ （１９７２）首次 使用卫星反演的地表温度讨论城市热岛效应至今， 这种定量信息已被广泛用于城市热岛强度、日变化 特征等与城市热岛相关的研究中（Ｊｏｈｎｓｏｎ，ｅｔａｌ， １９９４；Ｈｕ，ｅｔａｌ，２００９）。 雷达则主要用于对边界层结构的探测。除了普 通的天气雷达以外，声纳雷达、后向散射激光雷达和 多普勒激光雷达是目前城市热岛观测研究中较多使 用的几类雷达。特别是多普勒激光雷达，能有效地 观测边界层内风的扰动（Ｄａｖｉｅｓ，ｅｔａｌ，２００４；Ｃｏｌｌｉ ｅｒ，ｅｔａｌ，２００５）、边 界 层 顶 的 位 置 （Ｄａｖｉｅｓ，ｅｔａｌ， ２００４；Ｃｏｌｌｉｅｒ，ｅｔａｌ，２００５），并能反演得到城市感热 通量的分布情况（Ｄａｖｉｓ，ｅｔａｌ，２００８）。 尽管遥感观测相对于传统观测，具有空间覆盖 范围大、时空分辨率高的特点，却始终存在一个反演 精度的问题，需要依赖传统观测数据进行交叉验证。 因此，在很多观测分析中常常采用传统观测和遥感 观测方法并用的手段。 ２．２ 实验室仿真试验 在实验室利用实物模型来进行城市热岛效应仿 真 试 验 是 近 几 年 才 开 始 的 一 种 有 效 手 段。 如 Ｃｅｎｅｄｅｓｅ等（２０００，２００３）曾设计了一套温控水箱系 统用于研究热岛环流与海风环流的相互作用问题。 实验中用一装满水的矩形水槽来代表整个大气环 境。为了模拟海陆分布，将水箱划分为两个区域，左 侧为恒温区（代表海区），右侧温度由一个温度可控 装置控制，用于代表陆地。与观测试验以及数值模 式相比，仿真试验的优势在于它易于控制边界条件， 并且，能够准确地分析出那些无量纲量在控制流场 中的作用。但是，它的缺点也是很明显的，最重要的 一点就是试验中很难构建一套与真实条件下完全一 致的参数。比如城市中植被、街道和建筑的细节参 数就很难在一个水箱系统中被完全模拟出来，因此， 实验室仿真试验在城市热岛效应的研究中目前只能 作为观测试验和数值模式的一个补充。 ２．３ 数值模式的发展 Ｏｏｋａ（２００７）和 Ｍａｒｔｉｌｌｉ（２００７）在回顾中尺度模 式发展及其在城市热岛效应研究中的应用现状后指 出，高分辨率中尺度模式的使用和发展使很多城市 尺度的天气问题得以发现并被认识。近２０年来使 用模 式 研 究 城 市 效 应 的 文 章 有 很 多 （Ｍａｓｓｏｎ， ２００６），不仅有力地支持了观测分析，也加深了人们 对具体物理过程的理解。目前与中尺度模式嵌套的 城市模式主要有两种：城市冠层模式（ＵＣＭ）和计算 流体力学模式（ＣＦＤ）。 城市冠层模式是一种基于城市冠层理论建立的 物理参数化方案，是目前城市大气问题数值模拟研 究的主流。过去由于计算机资源的限制以及认识的 不足，大部分的城市冠层模拟研究普遍采用的是传 统中尺度模式中对植物冠层的模拟方法，因此，不可 避免地忽略了城市冠层的几何结构以及人类活动对 局地大气活动产生的影响。随着认识的深入，先后 建立和发展出数十种城市冠层模式，有些已经与中 尺度天气模式进行了耦合，并取得了较好的效果。 如，ＲＡＭＳ城市能量平衡模式（ＲＡＭＳＴＥＢ）（Ｌｅｍ ｏｎｓｕ，ｅｔａｌ，２００４）、ＭＭ５／ＷＲＦ 城 市 冠 层 模 式 （ＭＭ５／ＷＲＦＵＣＭ）（Ｋｕｓａｋａ，ｅｔａｌ，２００４；Ｃｈｅｎ， ３４０ 犃犮狋犪犕犲狋犲狅狉狅犾狅犵犻犮犪犛犻狀犻犮犪 气象学报 ２０１２，７０（３）
寿亦萱等:城市热岛效应的研究进展与展望 etal,2004)、WRF建筑环境参数化模式(wRF-计算代价比单层模式要高很多。尽管如此,随着计 BEP( Martelli,etal,2002; Dupont,etl,2004)算机条件的进一步改善,将会出现更多采用多层模 等。虽然上述模式各有特点,但是按照它们的垂直式模拟的研究。(3)模式在设置时,允许模式第1层 结构特点来划分,大致可以归为两类,即单层和多层高度接近于路面,而在单层模式中,模式第1层高度 城市冠层模式 般须高于建筑物的房顶。 单层城市冠层模式(UCM)最早是由 Masson 目前计算流体力学(CFD)模式主要用于研究城 (2000)、 Kusaka等(2001,2004)提出并建立,后由市大气中气流扰动和污染物扩散问题。与传统的污 Chen等(2004)以及Miao等(2009)将其嵌套到染物扩散模式相比,计算流体力学模式的特点在于水 MM5、WRF等中尺度模式并进行了改进。单层城平分辨率高,通常为1—10m。另外,模式中还需要 市冠层模式的特点在于:(1)计算代价小,效率高。考虑城市内建筑物的三维信息,因此它在研究城市街 (2)相对于陆面模式,单层城市冠层模式中对城市下区气流的小(微)尺度扩散方面更具优势( Hanna,et 垫面进行比较细致的划分,分别根据人口密度和功al,2006)。虽然计算流体力学模式发展历史并不长, 能区分为低密度人口居住区、高密度人口居住区、工但也产生了很多种计算流体力学模式。其中有5种 商业和交通区三类。目前一般中尺度模式中使用的较具代表性:即 CFD Urban( Courier,etal,2005)、 全球24类土地利用类型数据是由美国地理调查署 FLACSOHanna,etal,2004)、 FLUENT-EPA( Huber (USGS)提供的,其最高空间分辨率为0.925km。etal,2005)、FEM3MP( Calhoun,etal,2005)、FE 由于该数据库中没有对城市区域进行具体区分, FLO-Urban( Camelli. et al,2004)。这些模式大多采 此,不能直接用于单层城市冠层模式。目前国际上用雷诺平均模拟法(除 FEFLO-Urban采用的是大涡 还没有一套完整的全球范围包含3类城市类型的土模拟法),网格则多使用有限体积元或松散结构。在 地利用类型数据,仅美国建立了一套覆盖美国大陆最初使用时,由于这些模式一般使用基于单个探空站 的分辨率为30m的土地利用类型数据库(NLCD) 观测的大气廓线对模式进行初始化,因此模式的初始 现在最新版本是NICD201。(3)模式中细致考虑和边界条件具有很大的不确定性( Tewari,etal 了房屋、道路的朝向、几何特性以及人类活动的影2010)。为解决这一问题,目前比较受推崇的做法是 响。(4)一般单层城市冠层模式直接与陆面模式嵌将计算流体力学模式与中尺度模式进行耦合。如 套,例如在WRF模式中,单层城市冠层模式嵌套在 Tewari等(2010)发展的 WRF-EULAG/CFD- urban NOAH陆面过程内。在计算城市区域上空的气象模式就是将WRF-Noah-UCM模式与 Courier等 场时,单层城市冠层模式主要计算城市人造表面即(2005)设计的CFD- Urban模式进行耦合。他们在 房顶、墙和道路产生的热通量,而陆面模式主要计算模式中利用降尺度法将 WRF-UCM模拟得到的中 城市内自然表面产生的热量和水汽交换,城市区域尺度气象场的分辨率提高到CFD- Urban模式可用 单个格点值为两者得到的次网格值的加权平均的微尺度(1-10m),为后者提供初始和边界条件 ( Chen, et al, 2004: Kimura, 1989) 从它与观测结果的比较来看,这个改进比较有效地 多层城市冠层模式相对于单层模式较为复杂,解决了计算流体力学模式初始化问题。另外, 考虑的因素也较多。该模式是由 Martelli等(2002)WRF- EULAG/ CFD-urban模式中还设计了借助 和 Dupont等(2004)提出的。与单层城市冠层模式升尺度法将CFD- Urban得到的微尺度流场粗化重 相同,它也对城市下垫面进行了比较细致地划分,并新输入WRF的功能,以提高WRF模式对城市及其 直接与陆面模式嵌套。除此之外,它还具有以下3下游区域中尺度预报的准确性。由于计算流体力学 个特点:(1)模式中将地面到房顶层之间(冠层)划分模式发展时间较短,因此,有关它的科学和技术问题 为若干层,并按这些层次分层计算房顶层、墙面、道仍然很多。但是,可以预见的是,该模式在未来城市 路的能量收支。(2)它对城市特征的描述更准确,更边界层研究中的前景会非常广阔。 接近真实(Holt,etal,2007)。模式中甚至考虑了 总之,无论是观测分析或是数值模拟或实验室 各个格点上建筑物的高度和分布密度的不同。但彷真试验,都在城市热岛效应理论发展的各个阶段 是,由于模式中考虑的因素较多,因此,多层模式的中起到了很大的推动作用,为研究城市热岛效应取
ｅｔａｌ，２００４）、ＷＲＦ 建 筑 环 境 参 数 化 模 式 （ＷＲＦ ＢＥＰ）（Ｍａｒｔｉｌｌｉ，ｅｔａｌ，２００２；Ｄｕｐｏｎｔ，ｅｔａｌ，２００４） 等。虽然上述模式各有特点，但是按照它们的垂直 结构特点来划分，大致可以归为两类，即单层和多层 城市冠层模式。 单层城 市 冠 层 模 式 （ＵＣＭ）最 早 是 由 Ｍａｓｓｏｎ （２０００）、Ｋｕｓａｋａ等（２００１，２００４）提出并建立，后由 Ｃｈｅｎ等 （２００４）以 及 Ｍｉａｏ 等 （２００９）将 其 嵌 套 到 ＭＭ５、ＷＲＦ等中尺度模式并进行了改进。单层城 市冠层模式的特点在于：（１）计算代价小，效率高。 （２）相对于陆面模式，单层城市冠层模式中对城市下 垫面进行比较细致的划分，分别根据人口密度和功 能区分为低密度人口居住区、高密度人口居住区、工 商业和交通区三类。目前一般中尺度模式中使用的 全球２４类土地利用类型数据是由美国地理调查署 （ＵＳＧＳ）提供的，其最高空间分辨率为 ０．９２５ｋｍ。 由于该数据库中没有对城市区域进行具体区分，因 此，不能直接用于单层城市冠层模式。目前国际上 还没有一套完整的全球范围包含３类城市类型的土 地利用类型数据，仅美国建立了一套覆盖美国大陆 的分辨率为３０ｍ 的土地利用类型数据库（ＮＬＣＤ）， 现在最新版本是 ＮＬＣＤ２００１。（３）模式中细致考虑 了房屋、道路的朝向、几何特性以及人类活动的影 响。（４）一般单层城市冠层模式直接与陆面模式嵌 套，例如在 ＷＲＦ模式中，单层城市冠层模式嵌套在 ＮＯＡＨ 陆面过程内。在计算城市区域上空的气象 场时，单层城市冠层模式主要计算城市人造表面即 房顶、墙和道路产生的热通量，而陆面模式主要计算 城市内自然表面产生的热量和水汽交换，城市区域 单个格 点 值 为 两 者 得 到 的 次 网 格 值 的 加 权 平 均 （Ｃｈｅｎ，ｅｔａｌ，２００４；Ｋｉｍｕｒａ，１９８９）。 多层城市冠层模式相对于单层模式较为复杂， 考虑的因素也较多。该模式是由 Ｍａｒｔｉｌｌｉ等（２００２） 和 Ｄｕｐｏｎｔ等（２００４）提出的。与单层城市冠层模式 相同，它也对城市下垫面进行了比较细致地划分，并 直接与陆面模式嵌套。除此之外，它还具有以下３ 个特点：（１）模式中将地面到房顶层之间（冠层）划分 为若干层，并按这些层次分层计算房顶层、墙面、道 路的能量收支。（２）它对城市特征的描述更准确，更 接近真实（Ｈｏｌｔ，ｅｔａｌ，２００７）。模式中甚至考虑了 各个格点上建筑物的高度和分布密度的不同。但 是，由于模式中考虑的因素较多，因此，多层模式的 计算代价比单层模式要高很多。尽管如此，随着计 算机条件的进一步改善，将会出现更多采用多层模 式模拟的研究。（３）模式在设置时，允许模式第１层 高度接近于路面，而在单层模式中，模式第１层高度 一般须高于建筑物的房顶。 目前计算流体力学（ＣＦＤ）模式主要用于研究城 市大气中气流扰动和污染物扩散问题。与传统的污 染物扩散模式相比，计算流体力学模式的特点在于水 平分辨率高，通常为１—１０ｍ。另外，模式中还需要 考虑城市内建筑物的三维信息，因此它在研究城市街 区气流的小（微）尺度扩散方面更具优势（Ｈａｎｎａ，ｅｔ ａｌ，２００６）。虽然计算流体力学模式发展历史并不长， 但也产生了很多种计算流体力学模式。其中有５种 较具 代 表 性：即 ＣＦＤＵｒｂａｎ（Ｃｏｉｒｉｅｒ，ｅｔａｌ，２００５）、 ＦＬＡＣＳ（Ｈａｎｎａ，ｅｔａｌ，２００４）、ＦＬＵＥＮＴＥＰＡ（Ｈｕｂｅｒ， ｅｔａｌ，２００５）、ＦＥＭ３ＭＰ（Ｃａｌｈｏｕｎ，ｅｔａｌ，２００５）、ＦＥ ＦＬＯＵｒｂａｎ（Ｃａｍｅｌｌｉ，ｅｔａｌ，２００４）。这些模式大多采 用雷诺平均模拟法（除 ＦＥＦＬＯＵｒｂａｎ采用的是大涡 模拟法），网格则多使用有限体积元或松散结构。在 最初使用时，由于这些模式一般使用基于单个探空站 观测的大气廓线对模式进行初始化，因此模式的初始 和边 界 条 件 具 有 很 大 的 不 确 定 性 （Ｔｅｗａｒｉ，ｅｔａｌ， ２０１０）。为解决这一问题，目前比较受推崇的做法是 将计算流体力学模式与中尺度模式进行耦合。如 Ｔｅｗａｒｉ等（２０１０）发展的 ＷＲＦＥＵＬＡＧ／ＣＦＤｕｒｂａｎ 模 式 就 是 将 ＷＲＦＮｏａｈＵＣＭ 模 式 与 Ｃｏｉｒｉｅｒ 等 （２００５）设计的 ＣＦＤＵｒｂａｎ模式进行耦合。他们在 模式中利用降尺度法将 ＷＲＦＵＣＭ 模拟得到的中 尺度气象场的分辨率提高到 ＣＦＤＵｒｂａｎ模式可用 的微尺度（１—１０ｍ），为后者提供初始和边界条件。 从它与观测结果的比较来看，这个改进比较有效地 解决了 计 算 流 体 力 学 模 式 初 始 化 问 题。 另 外， ＷＲＦＥＵＬＡＧ／ＣＦＤｕｒｂａｎ 模 式 中 还 设 计 了 借 助 升尺度法将 ＣＦＤＵｒｂａｎ得到的微尺度流场粗化重 新输入 ＷＲＦ的功能，以提高 ＷＲＦ模式对城市及其 下游区域中尺度预报的准确性。由于计算流体力学 模式发展时间较短，因此，有关它的科学和技术问题 仍然很多。但是，可以预见的是，该模式在未来城市 边界层研究中的前景会非常广阔。 总之，无论是观测分析或是数值模拟或实验室 仿真试验，都在城市热岛效应理论发展的各个阶段 中起到了很大的推动作用，为研究城市热岛效应取 寿亦萱等：城市热岛效应的研究进展与展望 ３４１
Acta Meteorologica sinica气象学报2012,70(3) 得理论突破奠定了基础 数化过程的描述仍然存在很多有待完善之处,但借 3历史回顾 助模式能够捕捉到许多高时、空分辨率的物理特征 这是目前观测手段所无法比拟的。如Mao等 城市热岛效应的研究最早可以追溯到19世纪(2009)通过敏感试验发现城市热岛效应对产生具有 上半叶。 Howard(1883)在研究中首次发现城市热较强水平涡度的对流卷涡的空间波长和深度都有影 岛现象,由于当时城市热岛还不是一个普遍现象,因响。再如 Ohashi等(2002)以及 Cenedese等(2003) 此,这个说法在提出后的很长时间都未受到重视。先后通过数值模式发现当存在海陆风、山谷风环流 直到20世纪50年代, Manley(1958)才将这种现象时,城市热岛环流可能与这些环流产生明显的相互 定义为城市热岛效应,也由此正式拉开了城市热岛作用。 Zhang等(2009,2011)以及Shou等(2010)使 效应研究的序幕 用耦合的WRF-UCM模式在研究华盛顿一巴尔的 由于观测资料的匮乏,早期城市热岛效应的研摩城市热岛问题时发现,在特定风向条件下,巴尔的 究主要是根据单站资料进行简单的分析。从20世摩市的城市热岛可能会受到上风方城市热岛的影响 纪70年代开始,为研究大气边界层的温、湿度变化,而加剧,即存在城市热岛的“上下游效应”。显然,这 国际上组织了多项大型观测实验。加之一些大型观些城市热岛效应的模式研究结果不仅对以往观测研 测网的建立,使城市热岛效应研究由点上升为面。究进行了很好的补充,而且,也进一步丰富了城市热 基于这些观测资料, Unwin(1980)、 Magee等(1999)岛效应的研究内容。 和Oke等(1987)总结并提出了城市热岛效应的日3.1城市边界层的研究现状 变化特征。如在弱风和无云条件下,相对于周围的 城市边界层(UBL)是行星边界层(PBL)的一种 乡村,城市具有较小的冷却率(夜间)和加热率(白类型,是气流由乡村流向城市过程中,在城市前沿的 天);城乡温差在日落后3-5h后达到最大值,之后下风方发展出来的一个内边界。一般来说,城市边 逐渐减弱,在日出后温差基本消失;热岛强度在午后界层内部的环流和能量交换过程属于中尺度现象 达到最强;而强度最强的时段通常出现在冬季夜间。其结构和特性直接依赖于城市下垫面和建筑物的分 以 Ackerman(1985)为代表的一批科学家又对影响布,因此,热岛效应对城市边界层的结构具有重要的 城市热岛强度的因素进行了统计分析,认为城市热影响( Martelli,2002;Miao,etal,2009)。目前城 岛强度除了受不均匀下垫面影响以外,还受到风、市边界层的研究也是城市热岛效应研究领域中的重 云、城市规模和人口数量的影响。平均而言,低层风要课题之 速( Zajic,etal,2004; Figuerola,etal,1998)和城 城市边界层的三维结构非常复杂( Roach 市上空云层覆盖会使城市热岛强度减弱( Magee,et2002)。根据Oke(1987)绘制的城市边界层三维结 al,1999; Morris,etal,2001);而城市规模扩大或构示意图(图1),在中尺度范围内,城市边界层可以 人口增多则会加剧城市热岛效应(Oke,1987),即划分为近地面层和混合层(图1a)。但从局地和微 风速和云量(城市规模和人口数量)与城市热岛强度尺度来看,城市边界层可包含城市冠层、粗糙次层、 呈反(正)相关关系。此外, Unwin(1980)和Mori惯性次层和混合层(图1b、c)。具体来说,从地面到 等(2001)通过对高空天气图分析,还发现了城市热房顶之间称之为城市冠层(UCL),这一层的气流和 岛效应通常出现在夏季高压系统控制下的天气条件能量的交换过程主要由微尺度过程控制。在城市冠 的特点,并指出高压或反气旋天气使边界层的发展层之上常出现建筑物的尾流现象,这个扰动尾流层 受到抑制,而有利于城市热岛效应的发展。需要指又称为粗糙次层。Roth(2000通过对很多试验结 出的是,尽管对上述观测现象都做出了仔细分析和果的总结发现,这个粗糙次层约为建筑物高度的 描述,但所涉及的各种物理过程及其之间的相互作2.5-3倍,而且,该层还有较强垂直切变、尾流扩散 用并未得到充分的科学理解 以及不均匀表面造成的局地平流现象。在粗糙次层 进入21世纪以后,中尺度数值模式的发展和应之上是城市近地层(USL),又称惯性次层,这层中扰 用对城市热岛效应和边界层的研究起到了极大的促动通量不随高度变化。城市冠层、粗糙次层和惯性 进作用。虽然目前数值模式中的城市边界层物理参次层共同构成了城市边界层的最低层即近地面层
得理论突破奠定了基础。 ３ 历史回顾 城市热岛效应的研究最早可以追溯到１９世纪 上半叶。Ｈｏｗａｒｄ（１８８３）在研究中首次发现城市热 岛现象，由于当时城市热岛还不是一个普遍现象，因 此，这个说法在提出后的很长时间都未受到重视。 直到２０世纪５０年代，Ｍａｎｌｅｙ（１９５８）才将这种现象 定义为城市热岛效应，也由此正式拉开了城市热岛 效应研究的序幕。 由于观测资料的匮乏，早期城市热岛效应的研 究主要是根据单站资料进行简单的分析。从２０世 纪７０年代开始，为研究大气边界层的温、湿度变化， 国际上组织了多项大型观测实验。加之一些大型观 测网的建立，使城市热岛效应研究由点上升为面。 基于这些观测资料，Ｕｎｗｉｎ（１９８０）、Ｍａｇｅｅ等（１９９９） 和 Ｏｋｅ等（１９８７）总结并提出了城市热岛效应的日 变化特征。如在弱风和无云条件下，相对于周围的 乡村，城市具有较小的冷却率（夜间）和加热率（白 天）；城乡温差在日落后３—５ｈ后达到最大值，之后 逐渐减弱，在日出后温差基本消失；热岛强度在午后 达到最强；而强度最强的时段通常出现在冬季夜间。 以 Ａｃｋｅｒｍａｎ（１９８５）为代表的一批科学家又对影响 城市热岛强度的因素进行了统计分析，认为城市热 岛强度除了受不均匀下垫面影响以外，还受到风、 云、城市规模和人口数量的影响。平均而言，低层风 速（Ｚａｊｉｃ，ｅｔａｌ，２００４；Ｆｉｇｕｅｒｏｌａ，ｅｔａｌ，１９９８）和城 市上空云层覆盖会使城市热岛强度减弱（Ｍａｇｅｅ，ｅｔ ａｌ，１９９９；Ｍｏｒｒｉｓ，ｅｔａｌ，２００１）；而城市规模扩大或 人口增多则会加剧城市热岛效应（Ｏｋｅ，１９８７），即 风速和云量（城市规模和人口数量）与城市热岛强度 呈反（正）相关关系。此外，Ｕｎｗｉｎ（１９８０）和 Ｍｏｒｒｉｓ 等（２００１）通过对高空天气图分析，还发现了城市热 岛效应通常出现在夏季高压系统控制下的天气条件 的特点，并指出高压或反气旋天气使边界层的发展 受到抑制，而有利于城市热岛效应的发展。需要指 出的是，尽管对上述观测现象都做出了仔细分析和 描述，但所涉及的各种物理过程及其之间的相互作 用并未得到充分的科学理解。 进入２１世纪以后，中尺度数值模式的发展和应 用对城市热岛效应和边界层的研究起到了极大的促 进作用。虽然目前数值模式中的城市边界层物理参 数化过程的描述仍然存在很多有待完善之处，但借 助模式能够捕捉到许多高时、空分辨率的物理特征， 这是 目 前 观 测 手 段 所 无 法 比 拟 的。 如 Ｍｉａｏ 等 （２００９）通过敏感试验发现城市热岛效应对产生具有 较强水平涡度的对流卷涡的空间波长和深度都有影 响。再如 Ｏｈａｓｈｉ等（２００２）以及 Ｃｅｎｅｄｅｓｅ等（２００３） 先后通过数值模式发现当存在海陆风、山谷风环流 时，城市热岛环流可能与这些环流产生明显的相互 作用。Ｚｈａｎｇ等（２００９，２０１１）以及Ｓｈｏｕ等（２０１０）使 用耦合的 ＷＲＦＵＣＭ 模式在研究华盛顿—巴尔的 摩城市热岛问题时发现，在特定风向条件下，巴尔的 摩市的城市热岛可能会受到上风方城市热岛的影响 而加剧，即存在城市热岛的“上下游效应”。显然，这 些城市热岛效应的模式研究结果不仅对以往观测研 究进行了很好的补充，而且，也进一步丰富了城市热 岛效应的研究内容。 ３．１ 城市边界层的研究现状 城市边界层（ＵＢＬ）是行星边界层（ＰＢＬ）的一种 类型，是气流由乡村流向城市过程中，在城市前沿的 下风方发展出来的一个内边界。一般来说，城市边 界层内部的环流和能量交换过程属于中尺度现象， 其结构和特性直接依赖于城市下垫面和建筑物的分 布，因此，热岛效应对城市边界层的结构具有重要的 影响（Ｍａｒｔｉｌｌｉ，２００２；Ｍｉａｏ，ｅｔａｌ，２００９）。目前 城 市边界层的研究也是城市热岛效应研究领域中的重 要课题之一。 城市 边 界 层 的 三 维 结 构 非 常 复 杂 （Ｒｏｔａｃｈ， ２００２）。根据 Ｏｋｅ（１９８７）绘制的城市边界层三维结 构示意图（图１），在中尺度范围内，城市边界层可以 划分为近地面层和混合层（图１ａ）。但从局地和微 尺度来看，城市边界层可包含城市冠层、粗糙次层、 惯性次层和混合层（图１ｂ、ｃ）。具体来说，从地面到 房顶之间称之为城市冠层（ＵＣＬ），这一层的气流和 能量的交换过程主要由微尺度过程控制。在城市冠 层之上常出现建筑物的尾流现象，这个扰动尾流层 又称为粗糙次层。Ｒｏｔｈ（２０００）通过对很多试验结 果的总结 发 现，这 个 粗 糙 次 层 约 为 建 筑 物 高 度 的 ２．５—３倍，而且，该层还有较强垂直切变、尾流扩散 以及不均匀表面造成的局地平流现象。在粗糙次层 之上是城市近地层（ＵＳＬ），又称惯性次层，这层中扰 动通量不随高度变化。城市冠层、粗糙次层和惯性 次层共同构成了城市边界层的最低层即近地面层 ３４２ 犃犮狋犪犕犲狋犲狅狉狅犾狅犵犻犮犪犛犻狀犻犮犪 气象学报 ２０１２，７０（３）