土地利用类型变化对兰州市大气边界层特征影响的数值模拟

张宾等

摘要利用3个不同时期土地利用资料，对2012年6月份兰州强迫大气背景下陆面特征的USGS、MODIS以及卫星反演资料分别进行数值模拟，并与土地利用类型变化对兰州边界层的影响进行了对比分析。结果表明，WRF模式在高分辨率（1 km）下，模拟积分稳定，数据改变前后能较好地模拟兰州市区大气边界层特征；土地利用类型的改变对中尺度的环流形势没有影响；温度场上山谷温度明显高于山区温度，表现为热岛效应，且高度越低强度越大；不断改变土地利用类型，代表城市化进程，影响城市边界层高度且其不断增加，改变地表能量特征且其不断增加，土壤湿度不断减少。

关键词土地利用类型；TM遥感反演； USGS土地利用资料；MODIS土地利用资料；大气边界层；影响；数值模拟

中图分类号S127文献标识码A文章编号0517-6611（2014）14-04334-04

Numerical Simulation of the Impact of LUC on Characteristics of Atmospheric Boundary Layer in Lanzhou City

ZHANG Bin et al（College of Atmospheric Science，Lanzhou University，Lanzhou，Gansu 730000）

Abstract On the basis of the data of land use in three different period，this paper numerically simulated the characteristics of USGS，MODIS and satellite data about land surface of Lanzhou under the force of atmospheric background in June and compared the impact of land use changes （LUC） on the atmospheric boundary layer in Lanzhou City.The results showed that，under high resolution （1 km），the integral simulation of the WRF mode was more stable，the data before and after the change could better simulate characteristics of atmospheric boundary layer of Lanzhou City； LUC had no effect on the condition of mesoscale circulation； valley temperature significantly was higher than the mountains of temperature on the temperature field，showing the heat island effect，the lower the height，the greater the strength； constant changes of land use represent urbanization； LUC influenced the height of boundary layer and changed characteristics of surface energy，both the height of boundary layer and surface energy constantly increase，while the soil humidity constantly decreases.

Key words Land use types；TM remote sensing inversion；USGS land use data；MODIS land use data；Atmospheric boundary layer； Impact； Numerical simulation

自國务院部署实施西部大开发以来，兰州的经济、社会及工农业得到迅速发展，城镇的扩张及气候的变化使兰州的土地利用类型发生了很大的变化，在有限的土地空间内大量农耕地变为水泥建筑及柏油路面的都市化地区。下垫面可以通过垂直方向的湍流输送，将底层热量以及水分输送到大气的上层对大气边界层产生影响，同时高层的动量也可以输送到低层，从而弥补了行星边界层中动量的损耗，以致影响整个大气层的降水、风、温度等气象要素。因此研究兰州地区的土地利用变化对边界层的影响对该地区气候变迁的规律及趋势预测有重大的意义[1]。Carlson等采用卫星影像及反演并基于数据统计研究了土地利用改变特别是城市化发展对地区小气候如表面温度、有效湿度等要素的影响特征[2]。Lamptey等分析指出城市化会导致城市的冬季和夏季地表温度升高超过1 ℃以上，城市化对夏季气温升高的影响比农业用地更广泛，城市化土地利用也会降低气温日较差[3]。

WRF模式中所使用的地表资料为USGS和MODIS/Terra土地利用类型，USGS将土地类型分为24种，此资料是由1992～1993年间AVHRR遥测资料所得[4]， WRF更新到3.1版后，新增了一个土地利用资料，MODIS是使用2001年MODIS/Terra的资料分类而成，分为20种土地利用类型[5]。近10年城市化快速发展，兰州土地利用类型已经与20年前大不相同，模式所使用的土地利用资料已经无法反映真实土地利用情形。戴俐卉等利用台湾地区高解析度土地利用资料代替WRF中的原始土地利用资料，发现预报误差平均减少0.22 ℃，改善幅度达24.5%，在模式中改善土地利用类型可以获得更大的预报改善[5]。为了反映兰州近年的下垫面覆被变化，笔者采用ENVI、ARCGIS、MATLAB等软件反演解译2012年兰州市区的TM遥感影像资料并替代WRF中的土地利用类型，在6月份兰州陆面特征强迫大气背景下对这3种土地利用类型分别进行模拟，对比其对兰州边界层的影响，讨论土地利用类型数据在模拟城市边界层特征中所起的作用。

1资料与方法

1.1数值模拟设计WRF是由美国多个研究部门及大学共同参与开发研究的新一代中尺度预报模式，包括了辐射过程、边界层参数化过程、对流参数化过程 、次网格湍流扩散过程以及微物理过程等物理过程。WRF模式系统具有可移植、易维护、可扩充、高效率、方便等诸多特性，是目前最为先进的中尺度数值天气模式，目前已经在世界大多数国家的天气预报业务和相关的业务部门及科研单位广泛应用[6]。在该模拟试验中，采用最新的WRF3.4版本，数值试验中心设在103.733°E、36.033°N，采用三重嵌套（图1），模式的水平格距分别为1、3和9 km，水平格点数分别为100×100、112×136、196×169，采用η地形追随坐标系，垂直分28层并加密近地面，水平方向采用ArakawaC型格点；初始值和边界值由采用NCEP FNL分析资料，湿物理过程分别选取Ferrier微物理过程参数化方案和BettsMillerJanjic积云参数化方案，辐射过程选取RRTM 长波辐射方案和Dudhia 短波辐射方案，行星边界层过程选取YSU scheme 参数化方案，陆面过程选取Noah 参数化方案。选取2012年6月份兰州陆面特征强迫大气，模拟时段为2012年6月3日00：00～4日08：00，共32 h，每隔1 h輸出一次模拟结果。2012年6月3日00：00～4日08：00期间地面主要受高压、高空受槽后西北气流控制，副高热带高压处于海上，模拟期间无降水。

图1WRF三重嵌套区域1.2TM卫星资料反演及不同土地利用类型图

1.2.1TM卫星资料反演。在此对TM卫星图像的处理采用ENVI和ArcGIS 2个软件。ENVI（Environment for Visualizing Images）是完整的遥感图像处理平台，由美国 VIS 公司研发的一套功能强大的采用交互式数据语言 IDL 开发的遥感图像处理软件，也是能够很方便地从影像中提取信息的软件解决方案[7]。在此使用ENVI5.0软件主要对TM卫星资料反演的内容有大气校正[8]、坐标转换[8-9]、波段融合[8-9]、影像裁剪[8-10]、建立解译标志[10]和分类样本[8]、对样本进行可分离性计算[11]、进行监督分类[10-12]。ArcGIS是 ESRI公司集几十年地理信息系统经验研发出来的一套全面整合了GIS与数据库、软件工程、网络技术、人工智能等技术的全面的GIS软件平台，具有很强的地图制作、空间信息整合、空间分析、空间数据管理、共享与发布的能力[9]。在该研究中，使用 ArcGIS Desktop 10.0 软件平台进行的主要处理有对2012年处理的TM遥感影像按模式第3层区域网格化为同WRF中下垫面输入数据相同精度的格点，用网格内面积最大的地块地类表示网格的地类，形成市区土地利用结构数据；最后利用Matlab软件将图像输出为矩阵形式并按USGS的分类写入到模式的下垫面资料中。

1.2.23种土地利用类型图。结合WRF模式中所使用的USGS和MODIS/Terra土地利用类型资料以及反演后的TM卫星资料，分别得出3种土地利用类型。由图2可见，3种土地利用类型差异较大。USGS对兰州市区的分类主要为建筑用地、水体、灌木和草地为主，灌木和草地的范围非常大，甚至包含河谷两侧的山脉地区，建筑用地分布少，仅市区城关黄河南侧地区； MODIS对兰州市区的分类主要以稀疏的植物和建筑用地为主，建筑用地总面积很大，约占全市的30%；TM反演的分类主要以水体、建筑用地和草地为主，建筑用地介于USGS和MODIS之间。

图2兰州市SGS（a）、MODIS（b）和TM（c）3种土地利用类型图

2结果与分析

2.1近地面气象要素差异分析为了了解3种土地利用类型的近地层气象要素分布特征，在此文分析了海平面气压场、2 m温度、10 m风场平均分布。由图3可见，3种土地利用类型的海平面气压形式完全一致，土地利用类型的改变对中尺度的环流形势几乎没有影响；2 m温度场上山谷温度明显高于山区温度，表现为热岛效应，城区平均温度均在24 ℃，整体上地面温度模拟以MODIS模拟的结果最高，USGS最低，TM温度模拟介于两者之间；风场方面，市区均为东南风，市区北部山区风速最大，市区风速较小，三者在平均风场方面没有明显差异。

2.2温度剖面图及垂直风速剖面图分布从3种土地利用类型下模拟中心点103.733°E、36.033°N处剖面温度和垂直速度场随时间的演变图（图4）可见，城市热岛效应明显且高度越低强度越大，3种情况下热岛高度均达800 m且没有逆温情况出现；3种类型下12：00～次日05：00地面上空均为上升气流控制，有2个极值中心，达到极值时间大致相同，分别在14：00～15：00和22：00～23：00，但MODIS的极大值在14：00～15：00为-0.50 m/s、22：00～23：00为-0.40 m/s，USGS和TM的极大值均在22：00～23：00，分别为-0.40和-0.45 m/s，次极值中心均在14：00～15：00，均为-0.50 m/s。从上升气流高度来看，USGS达800 m，MODIS和TM能够达1 800 m，且USGS在200 m以上有明显的下沉气流， TM在600 m以上有下沉气流，MODIS没有明显下沉气流。图3USGS（a）、MODIS（b）和TM（c）3种土地利用类型的地面气压场、2 m温度、10 m风场平均分布图42012年6月3日02：00～4日07：00 USGS（a）、MODIS（b）和TM（c）3种土地利用类型下模拟中心点103.733°E、36.033°N处剖面温度和垂直速度场随时间的演变安徽农业科学2014年2.3边界层高度分析由图5可见，混合层高度低值区沿城区分布，范围有缩小的趋势，由USGS和MODIS块状区域变为TM多个碎片区域，块状区域分布在城关区和安宁区，碎片区域沿城区呈带状分布，说明混合层高度在不断增加；低值区混合层高度均在安宁区附近，逐渐增大，USGS最小，为82 m，MODIS次之，最低高度为145 m，TM最大，为154 m，说明不断改变的土地利用类型代表城市化进程，导致城市边界层高度不断增加。

2.4地表能量收支分析利用波文比（Bowen Ratio）来分析地表的能量收支，波文比定义为感热通量与感热通量和潜热通量的比值[4]，公式表示为：B=QhQe+Qh，式中，B为波文比（Bowen Ratio），Qh为感热通量，Qe为潜热通量。由此公式得到能量分配的比重，典型的Bowen Ratio值在0～1之间，Bowen Ratio越小，表示该处越潮湿，反之越干燥。从6月3日18：00波文比分布图（图6）可见，波文比与土地利用类型分布的相关性高，市区的波文比高值区在0.92～0.94，可视为较干燥的区域；整体比较而言，使用USGS土地利用类型的波文比是三者当中最小的，显示土壤的状况较为潮湿；使用MODIS土地利用类型的波文比是三者当中最大的，土壤的湿度较为干燥，由于MODIS分类为都市的区域最广，造成模拟温度较高，有较多的能量是以可感热能量呈现；使用TM土地利用类型的波文比极值出现较多，且其强度是三者当中最大的，说明不断的城镇化建设对地表过程的影响很大。

2.5模拟结果验证由于该研究中仅修改兰州地区的土地利用类型资料，因此在个案中综观天气的模拟结果均非常接近，该研究着重在探讨兰州地区因改变土地利用类型对边界层存在的影响。从图7可以看出，模拟结果与实际观测值趋势大致相同，说明模式运行结果有效；模拟结果与实际观测值差异反应在中午前后，此显示土地利用资料的差异对模式预报的影响有明显的日夜变化，在中午时段由于太阳辐射导致地表和邊界层大气之间活跃的能量交换，进而使得土地利用资料差异的效果被凸显出来；MODIS组的预报白天低于USGS组，夜间高于USGS组；与观测相比，TM组的预报与实际更吻合；由于观测站点数据仅代表一个站点，而在模式运行中，1 km×1 km的分辨率为很可能将该站点采用差值平均模拟，使得结果与观测实值存在误差。

3结论

笔者将2012年兰州市区的TM遥感影像资料解译反演分类制成新的下垫面土地利用类型（TM），并分别用WRF中尺度模式在3种土地利用类型（USGS、MODIS、TM）上对兰州市区2012年6月大气边界层进行了数值模拟研究，模拟结果如下。

（1）WRF模式在高分辨率（1 km）的情况下，模拟积分稳定，数据改变前后均能较好地模拟兰州市区大气边界层特征，改变后的模拟值与实测值更为接近，说明WRF使用的土地利用类型数据在某些区域的确已不符合实际情况。

（2）土地利用类型的改变对中尺度的环流形势几乎没有影响；温度场上山谷温度明显高于山区温度，表现为热岛效应；风场方面，市区均为东南风，市区北部山区风速最大，市区风速较小，三者在平均风场方面没有明显差异。图52012年6月3日00：00～24：00 USGS（a）、MODIS（b）和TM（c）3种土地利用类型的边界层平均高度（单位：m）图62012年6月3日18：00 USGS（a）、MODIS（b）和TM（c）3种土地利用类型下的Bowen Ratio分布平均情况图72012年6月3日02：00～4日05：00模拟结果与实际观测值对比（3）3种情况城市热岛效应明显且高度越低强度越大，热岛高度均达800 m且没有逆温情况出现；从上升气流高度来看，USGS达800 m，MODIS和TM能够达1 800 m，且USGS在200 m以上有明显的下沉气流， TM在600 m以上有下沉气流，MODIS没有明显下沉气流。

（4）混合层高度低值区沿城区分布，范围有缩小的趋势，由USGS和MODIS块状区域变为TM多个碎片区域，块状区域分布在城关区和安宁区，碎片区域沿城区呈带状分布，说明混合层高度在不断增加；低值区混合层高度均在安宁区附近，逐渐增大，USGS最小，为82 m，MODIS次之，最低高度为145 m，TM最大，为154 m，说明不断改变的土地利用类型代表城市化进程，导致城市边界层高度不断增加。

（5）Bowen Ratio与土地利用形态分布的相关性高，都市区的Bowen Ratio偏高接近10，可视为较干燥的地区，整体而言，使用USGS土地利用类型的波文比是三者当中最小的，显示土壤的状况较为潮湿，使用TM土地利用类型的波文比极值出现较多，且其强度是三者当中最大的，说明不断的城镇化建设对地表过程的影响很大，而地表过程是影响天气变化和污染物输送的重要因素之一，可通过与大气间的热量交换来影响天气，因此在模式中采用最新的土地利用类型，对气象模拟会有正面的帮助。

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