珠三角城市化对大气边界层特征影响的数值模拟*

洪莹莹，刘一鸣，张舒婷，范绍佳，樊 琦

(中山大学环境科学与工程学院，广东广州510275)

近年来随着社会经济的飞跃进步，城市化进程加快，而城市的发展对区域大气环境的影响愈来愈重要［1－4］。城市化一方面改变了城市的下垫面土地利用类型，增加了城市的粗糙度从而影响地面风场［5］;另一方面城市化使城市的人口数量迅速增长，人为热通量增加，对大气边界层结构有重要的影响［6］。

大气边界层外场观测成本高、难度大、周期长，而随着中小尺度数值模式的快速发展，模式中各种物理过程参数化方案的完善，数值模拟逐渐成为研究大气边界层问题的重要手段。WRF(The Weather Research and Forecasting model)是一个中小尺度气象模式［7］，它能较好的模拟大气边界层特征［8－9］，其中的城市冠层模式 UCM(Urban Canopy Model)考虑了城市区域几何建筑对地表能量平衡以及风切变的影响［10－11］，对城市热岛效应有较好的模拟效果［12］。张璐等［13］利用 WRF/UCM 模式研究了夏季长三角城市群热岛效应对大气边界层的影响，结果表明城市热岛使城市上空产生强烈的上升气流，使边界层高度升高。LIN等［14］也利用WRF/UCM模式对台北的大气边界层特征进行研究，结果表明城市热岛效应不仅抬高了边界层高度，而且使正午边界层高度的发展时间提前。珠江三角洲是我国三个经济最发达的区域之一，由于地形、气候和人口等差异，珠三角地区有着典型的大气边界层特征［15－17］。蒙伟光等［18］考察了 WRF/UCM模式在副热带高压和台风外围气流的影响下广州高温天气和热岛效应模拟研究中的应用，但没有深入地研究城市化对大气边界层特征的影响。

本文利用WRF/UCM模式对2008年10月中旬珠三角地区一次大陆高压系统控制过程的大气边界层特征进行模拟，通过分别改变下垫面土地利用类型和人为热来探讨城市化对大气边界层特征的影响，包括温度场、湿度场、风场、地表感热通量和边界层高度等。

1 资料和方法

WRF模式是美国多家机构共同研制的中尺度数值天气预报系统，是目前应用最广的气象模式之一。本文以WRF模式作为研究工具，设计了图1a所示的三重嵌套网格，格距分别为36 km，12 km和4 km，主要研究的是第三重网格的模拟结果(包括整个珠三角地区)，垂直方向上层数为35层。模式采用WDM 6微物理化方案，Monin-Obukhov表层方案，Noah地表方案，YSU边界层方案，Kain-Fritsch 2积云方案以及UCM城市冠层方案。模拟时间是从2008年10月15日08时到10月20日08时 (LST)共5 d，其中前2天作为spin-up时间，后3天作为主要研究时段，期间珠三角地区受大陆高压系统控制，天气较为稳定，系统风速较小，热岛环流、海陆风、山谷风等局地环流影响显著。2008年10月中旬，“国家高技术研究发展计划 (863计划)重大项目”在珠三角开展了一次综合实验，本文使用了从化站由小球探空得到的边界层高度小时值数据以及从化站、广州站和开平站温度、相对湿度和风速的日均值数据。为了讨论方便，文中如无特别说明，均对模拟结果做3天平均来处理。

下垫面土地利用类型和人为热是表征城市化的两个重要特征。图1b和图1c分别是WRF模式中采用的两套土地利用类型数据USGS和MODIS，其中USGS是1993年采集的土地利用类型数据，城市面积区域较小，集中在广州地区;而MODIS是由卫星资料反演的2004年土地利用类型数据，从图中可以看到城市区域面积拓展到了整个珠江口沿岸。随着时间的演变，下垫面土地利用类型发生显著的变化，对珠三角的边界层特征造成一定的影响。人为热也是影响边界层特征的另一个因素，UCM模式考虑了人为热对大气环境的影响，模式中的人为热参数设置参考文献 ［19］，人为热通量全天平均值为41.1 W/m2。本文设计了1个控制试验 (CTRL)和 3个敏感性试验 (USGS，AH0，AH*2)，控制试验CTRL考虑了人为热并采用MODIS土地利用类型数据，敏感性试验在控制试验的基础上进行修改，其中USGS试验采用了USGS土地利用类型数据，而AH0试验不考虑人为热的影响，AH*2试验考虑的人为热通量为原来的两倍。通过对比试验的模拟结果可以得到下垫面土地利用类型和人为热对边界层特征的影响。

2 模式验证

表1是CTRL控制试验模拟的2 m高度温度(T2)、2 m高度相对湿度 (RH2)和10 m高度风速 (WSP10)的统计检验表，用到的观测数据是从化、广州和开平3个站点的日平均观测资料，其中OBS是观测平均值，SIM是模拟平均值，MB是平均偏差，RMSE是均方根误差，IOA是符合指数，r是相关系数，计算公式参考文献 ［20］。从统计表可以看到，温度、相对湿度和风速的IOA都超过0.89，其中温度和相对湿度的符合指数IOA更是接近1.0，而且温度和相对湿度的相关系数也超过了0.81。模式模拟的风速与观测值的相关系数为0.52，模拟较实测偏大一些，风速的模拟效果没有温度和相对湿度好。总体上3个要素的模拟值都略微偏高，但平均偏差和均方根误差较小，模拟结果能较好的反映大气的实际情况。

图1 WRF三重网格设置 (a)及珠三角土地利用类型空间分布图，(b)为USGS，(c)为MODISFig.1 Three nested domains for WRF(a)and spatial distribution of land use type in PRD.(b)is USGS and(c)is MODIS

表1 模式验证统计表Table 1 Statistic parameters of model evaluation

如图2a所示，由于香港沙头角站点靠近海洋，受到海洋下垫面的影响，边界层高度只有约1000 m，CTRL控制试验模拟的边界层高度的量级和变化特征与观测结果相近。从图2b可见，从化站白天边界层高度为1100～1500 m，夜晚边界层高度为300～600 m，模式能较好的捕捉到边界层高度正午高夜晚低的日变化特征，在19日中午的时候模拟值与观测值尤为相近。WRF/UCM模式对珠三角地区的边界层高度的变化也具有较好的模拟能力。

3 下垫面土地利用类型对大气边界层特征的影响

3.1 温湿场的影响

图3a是CTRL控制试验对温度的模拟结果，在1000 m高度以下，温度的日变化较大，近地面最高温度出现在15时，温度超过30℃，最低温度出现在早上7时，温度低于25℃。从20时到第2天的07时，天气晴朗，在近地面出现较明显的逆温现象，不利于污染物的扩散。城市热岛效应在白天比在夜晚强，影响的高度可达1000 m，在1000 m高度以上，温度的日变化并不明显。1993年珠三角地区城市面积较小，相比于CTRL控制试验，USGS试验 (图3b)模拟的城市热岛效应较弱，影响高度也降低了100 m左右，低层大气的温度降低了1～2℃，而且温度日变化较小，夜晚的逆温强度也较弱。在1000 m高度以上，USGS试验模拟的温度与CTRL控制试验相差并不大。

图2 2008年10月17日08时－20日08时(LST)模式模拟的边界层高度与观测资料对比图Fig.2 Comparison of simulated and observed planetary boundary height during 8∶0017thto 8∶0020thOctober，2008

城市地区近地面的相对湿度表现出与温度相反的日变化趋势 (图4a)，在800 m高度以下，白天的相对湿度比夜晚低，随着高度的上升相对湿度逐渐升高。在约1000 m高度以上，随着高度的上升相对湿度逐渐降低，在高层和低层之间存在着相对湿度较高的水汽层，傍晚水汽层的高度在约1200 m高度，早晨在约400 m高度。与CTRL控制试验相比，USGS试验 (图4b)模拟的近地面相对湿度升高了约10%，水汽层的高度也降低到了约100 m，说明城市化使得城市的气候环境变得干燥。张璐等［13］通过人为改变长三角地区城市下垫面也发现城市化能使温度升高，使湿度降低，这与本文所得的结论一致。

图3 2008年10月17－19日模式模拟的广州站3 d平均温度 (℃)随高度和时间的变化Fig.3 Daily and vertical variation of three-day mean temperature(℃)at Guangzhou site during 17－19thOctober，2008

3.2 风场的影响

在模拟时间内，受大陆高压系统的控制，珠三角地区吹东北风。把CTRL控制试验模拟的10 m高度风场减去USGS试验模拟结果可以得到图5a的风场差别图。伴随着城市的发展，城市地区的建筑物也越来越多，高度也越来越大，增加了地表粗糙度，能减弱风场的强度，从而减小风速，从图可以看到在整个珠三角地区风速差别都为负，在珠江口附近城市发展最快的地区，风速差别可达－1.5 m/s。受热岛效应的影响，城市地区上空存在明显的上升气流，作为补偿城市周边地区的近地面气流流向城市地区，从而形成城市地区特有的热岛环流现象。广州和佛山位于珠三角城市群中心位置，是珠三角城市化程度最高的地区，从图可以看到风速差矢量都指向了广州、佛山和中山交界的地方，形成一个气流的辐合中心，说明CTRL控制试验模拟的热岛环流要比USGS试验要强，城市化能加强热岛环流。

3.3 地表感热通量的影响

由于温度的差异，热量在大气和下垫面之间通过湍流输送的方式发生了交换，交换的强度用地表感热通量来表征 (图6a)。城市化的程度越高，粗糙度越大，湍流强度也就越强，使感热通量增大。在USGS和MODIS两套下垫面类型数据中，22°N以南的海洋区域和23.5°N以北的山区土地利用类型变化不大，CTRL控制试验和USGS试验模拟的感热通量基本一致。珠海 (22.1°N左右)和广佛地区 (22.5～23.5°N)城市发展较快，湍流强度增加也快，使CTRL控制试验模拟的感热通量比USGS试验要高100～200 W/m2。22.2～22.5°N的地区城市发展较慢，湍流强度变化不大，所以CTRL控制试验和USGS试验模拟的地表感热通量差别并不大。

图4 2008年10月17－19日模式模拟的广州站3d平均相对湿度 (%)随高度和时间的变化Fig.4 Daily and vertical variation of three-day mean relative humidity(%)at Guangzhou site during 17－19thOctober，2008

图5 2008年10月17－19日模式模拟的珠三角3d平均风场 (m/s)差别图Fig.5 Difference of three-day mean of modeled wind field(m/s)over PRD during 17－19thOctober，2008

图6 2008年10月17日13时 (LST)沿113.2°E经线感热通量 (W/m2)随纬度的变化Fig.6 The latitudinal variation of surface heat flux(W/m2)along 113.2°E at 13∶00 on October 17，2008

3.4 大气边界层高度的影响

边界层高度是表征大气边界层的一个重要特征，如图7a所示，广州站白天边界层高度可达1500 m，夜晚只有约300 m。与CTRL控制试验相比，USGS试验模拟的边界层高度要低100～400 m，模拟的最大边界层高度要低300 m。CTRL控制试验和USGS试验模拟的边界层高度在白天的差值比夜间大，这是由于下垫面改变所造成的城市热岛效应使得白天的对流发展旺盛，因此白天边界层可抬升至更高的高度，而夜间边界层高度降低，两者之间的差距减小，从图中可见00时到06时两者模拟的边界层高度基本一致。

图7 2008年10月17－19日模式模拟的广州站三天平均边界层高度随时间的变化图Fig.7 Daily variation of three-day mean of modeled planetary boundary layer height at Guangzhou site during 17－19thOctober，2008

在水平分布上 (图8)，白天14时，在图2b所示的城市地区边界层高度要比周边地区高，到了凌晨02时边界层高度比周边地区低。海洋上的边界层高度日变化并不大，在400 m左右。把CTRL控制试验模拟的边界层高度减去USGS试验的模拟结果得到图9a(14时)和图9b(02时)，边界层高度差别最大的地方出现在珠三角的城市地区。与图7a反映的情况一致，城市的发展使城市地区的边界层高度升高100～400 m，而在深夜02时边界层高度升高并不明显。

图8 2008年10月17－19日CTRL试验模拟的3 d平均14时和02时边界层高度的分布图Fig.8 Horizontal distribution of three-day mean of planetary boundary layer height at 14∶00(a)and 02∶00(b)in CTRL experiment during 17－19thOctober，2008

4 人为热对大气边界层特征的影响

4.1 温湿场的影响

为了研究人为热对大气边界层特征的影响，设置了AH0和AH*2两个敏感性试验，前者没有考虑人为热，后者则把人为热通量加倍 (图3c和3d)。结果表明，随着人为热通量的增加，白天地表最高温度升高，城市热岛效应影响高度升高，而夜间的逆温强度也有所增强。从图4c和图4d相对湿度的模拟结果来看，AH0试验的模拟结果与USGS试验较为接近，地面的相对湿度比CTRL控制试验高;AH*2模拟的近地面相对湿度比CTRL控制试验低，城市干岛效应更加明显。

4.2 风场的影响

图5b是CTRL控制和AH0试验的风场差别图，AH*2试验与CTRL控制试验的风场差别图(图略)与图5b相似。与图5a一样，在珠三角城市群中心的周边地区风场差别矢量都指向珠三角地区的城市中心，广州和佛山，说明人为热的考虑及其通量的增加都能通过增强城市热岛效应从而增强城市的热岛环流。另一方面加入人为热后，使珠三角地区地表风速减小，特别是在图1c所示的城市地区，在受东北风的控制下风速减为－2 m/s，影响比较明显。热岛环流能使城市地区污染物难以扩散，容易造成空气污染事件。

图9 2008年10月17－19日模式模拟的3 d天平均14时 (a，c，e)和02时 (b，d，f)边界层高度差别 (m)分布图Fig.9 Distribution difference of three-day mean of modeled planetary boundary layer height(m)at 14∶00(a，c，e)and 02∶00(b，d，f)during 17－19thOctober，2008

4.3 地表感热通量的影响

图6b展示了13时地表感热通量的模拟结果，人为热的加入和加倍对海洋、山区和郊区的影响并不大，差别主要出现在珠海、广州和佛山等城市地区，没有考虑人为热时 (AH0试验)地表感热通量只有200 W/m2，考虑人为热后 (CTRL控制试验)大气与下垫面的温度差异增大，地表感热通量升高，达到300 W/m2左右，把人为热通量加倍(AH*2试验)后感热通量同样也增加，上升至350 W/m2左右。以上分析得到，人为热的加入及其通量的加倍都会使城市的地表感热通量增加。

4.4 大气边界层高度的影响

对于边界层高度的模拟结果 (图7b)，CTRL、AH0和AH*2试验的差别在白天和夜晚并不一样。白天AH0试验模拟的城市地区边界层高度比CTRL控制试验低。由于人为热具有日变化特征［19］，白天太阳辐射较强，热力作用明显，所以加入人为热后正午边界层抬升较大，CTRL控制试验比AH0试验要高100～200 m(图9c)，而夜晚抬升较小(图9d)。人为热加倍后，AH*2模拟的城市边界层高度比CTRL控制试验高，正午差别较小 (图9e)，而夜晚差别较大，特别是在图1c所示的城市地区，AH*2试验要比CTRL控制试验高200～300 m(图9f)，这可能是由于夜晚没有太阳辐射，人为热因素起主导作用，因而人为热加倍后夜间边界层高度升高较白天明显。总的来说，人为热的加入和加倍均会使边界层高度升高。

5 结论

利用WRF/UCM模式对珠三角一次高压系统控制的天气过程进行模拟，通过改变下垫面土地利用类型和人为热通量来研究城市化对大气边界层特征的影响。模式验证结果显示温度、相对湿度和风速的符合指数IOA和相关系数r较高，同时模拟的边界层高度能捕捉到观测值的日变化特征，表明CTRL控制试验对珠三角大气边界层特征有较好的模拟效果。敏感性试验的对比分析得到以下主要结论:

1)城市的发展，包括1993年USGS和2004年MODIS土地利用类型的变化以及人为热通量的加入和加倍，都会使近地面温度升高1～2℃，夜间的逆温强度加强，容易造成近地面污染物的积累。城市面积和人为热通量的增加也使城市干岛现象更加突出。

2)城市的发展一方面增加了地表粗糙度，使风速减小，污染物难以扩散，另一方面增强了热岛环流，污染物从城市周边地区向城市输送，容易造成空气污染事件。

3)海洋和山区受城市化的影响不大，地表感热通量基本不变。城市面积的增加和人为热的加入能有效地增加珠海、广州和佛山等城市地区的地表感热通量，而人为热通量的加倍对城市地区感热通量的增加效果并不明显。

4)城市化均使白天和夜晚的大气边界层高度均有所抬高，其中白天的变化更加明显。土地利用类型的变化可使边界层高度升高100～400 m，人为热的加入使白天边界层高度升高100～200 m，而人为热通量的加倍可使夜晚边界层高度上升了200～300 m。就整个珠三角地区而言，白天珠江口岸城市集中区域的边界层高度要比周边地区高，而到了晚上情况则相反。

致谢:本文的计算在中山大学网络与信息技术中心的高性能与网络平台上完成。

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