高温条件下城市人为活动对局地热环境影响的模拟研究

摘要

快速的城市扩张和增加的城市人口显著改变了下垫面土地利用类型和局地环境。城区气象环境的变化，尤其是极端高温天气事件对人类健康造成严重的危害。本文结合运用中尺度气象模式与城市冠层参数化方案，旨在量化城市人为活动对局地热环境的影响。选取2010年南京典型的“三伏天”作为研究时段进行模拟。
　　(1)UCM、BEP、BEM模拟所得的2m气温模拟值与观测值得平均误差和均方根误差分别为-0.54℃，-0.72℃，0.27℃和1.37℃，1.55℃，1.27℃，BEM方案能够较好地模拟出南京夏季高温条件下城市及其周边近地层气温;而10m风速的模拟中，城市站点单层城市冠层方案UCM相较于BEP和BEM两种多层城市冠层方案有明显的高估，平均差值约为1m·s-1;模式模拟城、郊辐射平衡四分量与观测值的模拟效果较好，三个方案的向下长波的模拟与观测的均方根误差分别仅为9.0W·m-2，11.0W·m-2，7.3W·m-2。
　　(2)通过BEM、BEM(noAH)、BEM(target_T)算例对比，可以定量地评估人类室内活动，空调的废热排放在室内外的交换，从而更加细致深入的讨论室内人为活动对大气温度的影响。白天，空调是否运转对城市大气温度的影响不是很明显，但在夜间，空调系统运转，城市气温普遍会升高0.6℃以上，尤其是在居民区密集的地方，22点～23点时刻最大有2℃左右的升温。空调系统目标温度值改变，会使室内外交换的能量发生变化。当室内温度从25℃升高到27℃时，空调系统能量总释放量减少12.66％。室外大气温度的变化则表现为:上午8点～11点和晚上20点～明天8点温度下降不明显，中午13点～16点之间温度下降最大，平均有1℃左右，且最大的温度偏差受站点周围环境的影响:建筑物越是密集，温度下降越大，建筑物越稀少或站点邻近长江、公园、机场等，温度下降越小。
　　(3)BEM(1993)、BEM(2010)的对比来探讨城市下垫面扩张对局地热力环流影响。城市扩张使得局地热力环流出现了明显的变化，模式的模拟结果表明城市扩张使城区内2m高度处气温有了一定幅度的增温，夜间24:00最大增温幅度达3K。同时城市扩张使得城区风速明显减小，产生减速效应，由于城市热岛的影响，城区范围内产生有辐合上升的运动，随着城区面积的扩大，湍流动能强度及其影响范围也在扩大，2010年算例正午湍流强度最大值与1993年算例相比较由2.1m2·s-2增至2.7m2·s-2。城区内湍流运动较为强烈的区域，在一定程度上促进物质垂直方向上的输送与扩散。城市扩张后物质在城区上方垂直方向上湍流扩散得到加强，而在水平向下的输送受到抑制，更多的被阻隔在城市局地。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 城市热环境的数值模拟研究意义及进展

1．1．1 城市人为热排放及其对天气气候的影响

1．1．2 城市扩张对局地气候的影响

1．2 WRF模式中城市冠层参数化方案的研究进展

1．2．1 UCM参数化方案

1．2．2 BEP参数化方案

1．2．3 BEP+BEM参数化方案

1．3 本文研究内容介绍

第二章 观测数据及模型评估

2．1 背景天气条件

2．2 观测数据

2．3 模拟区域

2．4 计算方案

2．5 结果验证

2．5．1 近地面(2m)温度的验证与对比

2．5．2 近地面(10m)风场的对比分析

2．5．3 近地辐射平衡、能量平衡的对比分析

2．6 小结与讨论

第三章 夏季高温条件下空调系统对城市大气温度影响的模拟研究

3．1 本章数值模拟算例

3．2 空调系统运转情况对城市大气温度的影响

3．3 室内空调系统目标温度值对城市大气温度的影响

3．4 小结与讨论

第四章 城市下垫面扩张对局地热力环流影响的模拟

4．1 本章模拟算例

4．2 城市扩张对城市大气温度的影响

4．3 城市扩张对局地热力环流的影响

4．4 城市扩张对边界层高度变化及湍流扩散的影响

4．5 小结与讨论

第五章 总结与展望

5．1 主要结论

5．2 特色及创新点

5．3 展望

参考文献

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致谢