分類號(hào)： 密級(jí)： 研 究 生 學(xué) 位 論 文 論文題目（中文） 河谷城市蘭州熱島效應(yīng)的觀測(cè)與數(shù)值模擬 論文題目（外文） 究生姓名 王騰蛟 學(xué)科、專業(yè) 大氣科學(xué) 大氣物理學(xué)與大氣環(huán)境 研 究 方 向 大氣邊 界層與大氣擴(kuò)散 學(xué) 位 級(jí) 別 碩 士 導(dǎo)師姓名、職稱 張鐳 教授 論 文 工 作 起 止 年 月 2010 年 9 月至 2013 年 6 月 論文提交日期 2013 年 5 月 論文答辯日期 2013 年 5 月 學(xué)位授予日期 校址：甘肅省蘭州市 原 創(chuàng) 性 聲 明 本人鄭重聲明：本人所呈交的學(xué)位論文，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。學(xué)位論文中凡引用他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的成果、數(shù)據(jù)、觀點(diǎn)等，均已明確注明出處。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。對(duì)本文的研 究成果做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。 本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。 論文作者簽名： 日 期： 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的聲明 本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下所完成的論文及相關(guān)的職務(wù)作品，知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬蘭州大學(xué)。 本人完全了解蘭州大學(xué)有關(guān)保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保存或向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的 紙質(zhì)版 和電子版，允許論文被查閱和借閱；本人授權(quán)蘭州大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索 ，可以采用任何復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 本人離校后發(fā)表、使用學(xué)位論文或與該論文直接相關(guān)的學(xué)術(shù)論文或成果時(shí)，第一署名單位仍然為蘭州大學(xué)。 本學(xué)位論文研究?jī)?nèi)容： 可以公開 不宜公開，已在學(xué)位辦公室辦理保密申請(qǐng)，解密后適用本授權(quán)書。 （請(qǐng)?jiān)谝陨线x項(xiàng)內(nèi)選擇其中一項(xiàng)打“ ”） 論文作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 日 期： 日 期： I 河 谷城市蘭州熱島效應(yīng)的觀測(cè)與數(shù)值模擬 摘要 隨著城市化水平的不斷提高， 城市熱島效應(yīng) 及其 對(duì)區(qū)域氣候 、 環(huán)境 和人體健康 的影響 已獲得廣泛關(guān)注 。 近 50 年來， 蘭州市 城市化 進(jìn)程加快 ，城市熱島效應(yīng)顯著。但是，蘭州市 獨(dú)特的 河谷 地形 分布與復(fù)雜的下墊面性質(zhì)，使得蘭州市邊界層結(jié)構(gòu)及地表輻射能量平衡 等特征較其他下墊面有很大不同。因此 ， 開展對(duì) 蘭州市熱島效應(yīng)的時(shí)空特征 及 形成 機(jī)制的研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。 通過對(duì)比蘭州市區(qū)站和榆中郊區(qū)站 55 年（ 19562010 年）的逐日平均氣溫、最低氣溫和最高氣溫觀測(cè)數(shù)據(jù)，總結(jié)了蘭州市 熱島效應(yīng) 的 長(zhǎng)時(shí)間 尺度的 演變規(guī)律，并定量分析了熱島效應(yīng)對(duì)城市站溫度序列的影響。 在成功利用 尺度數(shù)值模式 模擬復(fù)雜地形自然下墊面邊界層的基礎(chǔ)上，運(yùn)用 式耦合城市冠層模塊（ 蘭州市冬季個(gè)例（ 2005 年 1 月 25） 和 夏季個(gè)例（ 2009年 7 月 27）的城市熱島效應(yīng)進(jìn)行了高分辨率數(shù)值模擬。通過與去城市下墊面敏感性試驗(yàn)的對(duì)比，系統(tǒng)地分析了城市下墊面對(duì)蘭州市邊界層、山谷風(fēng)環(huán)流、地表輻射平衡及地表能量平衡的影響程度。 主要結(jié) 果 如下： （ 1）蘭州城市熱島效應(yīng)明顯，并且熱島效應(yīng)在最低氣溫上表現(xiàn)最顯著。 55年來，蘭州市 熱島強(qiáng)度的年代際變化具有明顯的階段性特征 ： 1986 年是顯著的躍變點(diǎn)，躍變前后年平均氣溫?zé)釐u強(qiáng)度升高了 夏季 的 熱島強(qiáng)度最大，春秋季次之，冬季最小 ； 但冬季熱島強(qiáng)度的增強(qiáng)趨勢(shì)最為顯著，增幅可以達(dá)到3 。蘭州市熱島強(qiáng)度同樣具有明顯的日變化特征：夜間強(qiáng) ， 白天弱， 冬季 正午還會(huì) 出現(xiàn) 城區(qū)溫度低于郊區(qū)的冷島效應(yīng)。 19562010年，年平均熱島增溫率和增溫貢獻(xiàn)率分別為 ，城市 熱島 效應(yīng) 對(duì) 蘭州站氣溫序列 的影響 不容忽視 。 1986 年 增溫躍變后， 年平均熱島增溫率和增溫貢獻(xiàn)率分別 減小到 ，自然因素引起的增溫貢獻(xiàn)比重增加 。 冬季平均最低氣溫的熱島增溫率最高，可以達(dá)到 。 （ 2） 尺度數(shù)值模式能很好地模擬出復(fù)雜地形條件下的邊界層結(jié)構(gòu)地表輻射和能量平衡場(chǎng)特征。 通過與 蘭州大學(xué)半干旱氣候與環(huán)境觀測(cè)站（ 觀測(cè)資料的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，加入了非局地混合作用以及邊界層頂夾卷作用的 界層參數(shù)化方案能夠更好地模擬出對(duì)流邊界層的的結(jié)構(gòu)特征，而地閉合方案則對(duì)穩(wěn)定邊界層的模擬表現(xiàn)更優(yōu)。 （ 3） 蘭州市冬季的熱島強(qiáng)度日變化曲線呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，峰值出現(xiàn)在 19:00和 06:00，谷值出現(xiàn)在 13:00；夏季則變?yōu)閱畏褰Y(jié)構(gòu)，峰值出現(xiàn)在 20:00，谷值出現(xiàn)在 10:00。 冬季熱島效應(yīng)維持時(shí)間長(zhǎng)于夏季。 通過與 去城市下墊面模擬結(jié)果對(duì)比 可知 ， 城市下墊面上的近地層 氣溫 高于自然下墊面，并且在夜間表現(xiàn)最明顯，冬季溫差約為 ，。城市由于建筑物對(duì)風(fēng)的阻擋作用導(dǎo)致近地層風(fēng)速小于自然下墊面， 風(fēng)速差值約為 市下墊面對(duì)蘭州市熱島強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率 約 為 40%，而其他因素（如人為熱排放等）對(duì)熱島強(qiáng)度的貢獻(xiàn)也相當(dāng)可觀 。 夜間， 蘭州站 200m 以下的 近地層大氣保持 了白天的混合層特征； 熱島環(huán)流的上升運(yùn)動(dòng)促進(jìn)了山風(fēng)環(huán)流，使得 升氣流 達(dá)到的高度 高 于 00m。 冬季 白天，由于山峰加熱效應(yīng)，兩試驗(yàn)?zāi)M的位溫廓線在400m600m 高度間均存在一個(gè)脫地逆溫層； 11:0015:00 蘭州站上空 300m 以 下出現(xiàn)弱上升氣流，抑制了谷風(fēng) 下沉支氣流的 發(fā)展。 夏季 白天， 太陽輻射 強(qiáng)烈 ，谷底的大氣迅速升溫，劇烈的湍流運(yùn)動(dòng)使得河谷中的大氣混合均勻， 1000m 以下大氣呈現(xiàn)近中性結(jié)構(gòu)； 16:0020:00 河谷中的氣流 轉(zhuǎn)為上升運(yùn)動(dòng) ， 上升高度超過 1000m， 此時(shí)段內(nèi)熱島環(huán)流 與谷風(fēng)環(huán)流相互促進(jìn)。 蘭州市城鄉(xiāng) 地表輻射平衡存在差異 的重要原因是 城鄉(xiāng)下墊面屬性的不同 。城市 地表長(zhǎng)波輻射 的加熱 作用是造成 城市熱島 強(qiáng)度夜間強(qiáng)于白天的主要原因 。城市下墊面對(duì)太陽輻射的 “ 截陷 ” 效應(yīng)導(dǎo)致凈輻射通量大于自然下墊面。 由于建筑材料的不透水性，城市下墊面潛熱通量遠(yuǎn)小于感熱通量， 且城市的 儲(chǔ)熱能力明顯增強(qiáng)。 關(guān)鍵詞： 河谷城市，城市熱島，熱島增溫率，城市邊界層， 式 of on In a HI on as as HI on HI 956 010 HI on On to HI 5005 (7009 ( In to of km is A is to of on as 1) HI is 5 of HI in 980s 990s. HI is in in HI in is in . HI HI in it is in in in is in at 9562010, HI on is of HI , to 986, an in 9862010 in is by HI by is (2) RF of in to is KE (3) HI in 9:00 6:00, 3:00. HI in 0:00, 0:00. HI in in on is on is in in of is is is by of to of HI is 0%. HI of at to of is a 00m600m at is HI a on At HI of of to a in HI in in is of of on to in in In of on is 0 as as in of of is is 目 錄 摘要 . I . 一章 緒論 . 1 究背景及意義 . 1 內(nèi)外研究進(jìn)展 . 2 象觀測(cè)數(shù)據(jù) . 2 星遙感資料 . 3 值模擬研究 . 4 究區(qū)概況 . 6 然地理與社會(huì)經(jīng)濟(jì) . 6 州 城市熱島 研究現(xiàn)狀 . 7 文主要內(nèi)容 . 7 參考文獻(xiàn) . 9 第二章 式介紹 . 17 式的動(dòng)力框架 . 17 式組成 . 19 理過程參數(shù)化方案 . 19 物理過程方案 . 19 云對(duì)流參數(shù)化方案 . 20 界層參數(shù)化方案 . 20 面過程參數(shù)化方案 . 21 射參數(shù)化方案 . 21 市 冠層模塊（ . 22 參考文獻(xiàn) . 24 第三章 蘭州地區(qū)城市熱島的觀測(cè)特征 . 27 料來源與方法介紹 . 27 島強(qiáng)度的年際變化特征 . 29 島強(qiáng)度的季節(jié)變化特征 . 32 島強(qiáng)度的日變化特征 . 33 結(jié) . 34 參考文獻(xiàn) . 36 第四章 式對(duì)復(fù)雜地形邊界層結(jié)構(gòu)的模擬檢驗(yàn) . 37 點(diǎn)及觀測(cè)資料 . 37 界層參數(shù)化方案 . 38 階閉合方案 界層方案 . 38 合方案 界層方案 . 39 擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) . 39 驗(yàn)結(jié)果分析 . 40 度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng) . 40 表能量平衡 . 43 界層垂直結(jié)構(gòu) . 45 結(jié) . 46 參考文獻(xiàn) . 48 第五章 擬蘭州城市熱島效應(yīng)特征 . 50 例背景 . 50 季個(gè)例 . 51 季個(gè)例 . 51 擬方案設(shè)計(jì) . 52 式驗(yàn)證 . 54 驗(yàn)結(jié)果分析 . 56 地層風(fēng)溫場(chǎng)水平分布特征 . 56 地面溫度日變化特征 . 61 地層溫度垂直變化特征 . 62 谷風(fēng)環(huán)流特征 . 64 表輻射平衡特征 . 68 表能量平衡特征 . 70 結(jié) . 72 參考文獻(xiàn) . 74 第六章 總結(jié)與展望 . 76 要結(jié)論 . 76 新點(diǎn) . 78 論 與展望 . 78 在學(xué)期間的研究工作 . 79 致謝 . 80 蘭州大學(xué)碩士學(xué)位論文 河谷城市蘭州熱島效應(yīng)的觀測(cè)與數(shù)值模擬 1 第一章 緒 論 究 背景及意義 全球變暖 成為 氣候變化 研究的 焦點(diǎn) 和 核心問題。 觀測(cè)資料 表明 ， 19062005年全球地表 平均 氣溫 升高了 升溫幅度是 過去 一千年中最大的階段1。 中國(guó)近 50年的年平均地表氣溫升高 增溫速率可達(dá) ，比同期北半球升溫速率高 2 起全球變暖的因素主要有兩方面：自然因素和人為因素，而人為因素是 導(dǎo)致近 50年來 全球 變暖的主要 原因 1。人類活動(dòng)對(duì)氣候的主要影響包括溫室氣體的排放和下墊面利用狀況的改變 5，比如工業(yè)化和城市化。 城市化是指人口大量向城市集中的過程， 是人類頻繁活動(dòng)的重要體現(xiàn)。 2008年超過一半的世界人口為城市居民 ，預(yù)計(jì)到 2030年 城市人口的 比例將突破 81%6。城市 化水平不斷發(fā)展 ， 導(dǎo)致人口和建筑群密集，高度集中的工業(yè)、商業(yè)和居民活動(dòng)使得 下墊面性質(zhì) 被 改變 ， 影響了城市地 氣 之間 物質(zhì)和能量的交換， 形成了獨(dú)特的城市局地 氣候 7,8。 城市熱島效應(yīng)（ 為城市氣候 效應(yīng) 的最突出特征 ，是指城市中的氣溫明顯高于周圍郊區(qū)的現(xiàn)象 9。自 19世紀(jì)初 0以來，世界許多大城市都觀測(cè)到了這種特殊現(xiàn)象 11 成所謂的城市邊界層。特別是城市熱島環(huán)流，會(huì)改變城市尺度甚至中尺度流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，將釋放到大氣中的污染物帶回城市中心， 加重市區(qū)空氣污染的程度 14,15，降低城市空氣質(zhì)量，對(duì)人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重的危害 。 同時(shí) ， 增加 城市高溫出現(xiàn)的頻率16,17，持續(xù)的高溫?zé)崂瞬粌H對(duì)人體健 康產(chǎn)生影響 18，而且會(huì)使用電量增加，加劇能源消耗 19,20。 另外， 研究表明， 21,22以及人為排放氣溶膠濃度的增加 23,24會(huì) 使 城市 降水加強(qiáng) ， 一些學(xué)者 還 強(qiáng)調(diào) 暴 的產(chǎn)生有重要影響 25,26。 因此，開展對(duì) 圍 及形成 機(jī)制的 研究 ， 不僅對(duì)于認(rèn)識(shí) 城市 邊界層 蘭州大學(xué)碩士學(xué)位論文 河谷城市蘭州熱島效應(yīng)的觀測(cè)與數(shù)值模擬 2 結(jié)構(gòu)和 城市 地表 能量 平衡具有重要意義，而且在城市 規(guī)劃與建設(shè) 、城市建筑設(shè)計(jì)、能源利用 、環(huán)境保護(hù) 以及居民保健等方面 都有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值 。 內(nèi)外研究進(jìn)展 究涉及氣候、環(huán)境和人體健康等多方面問題，在 城 市 氣候研究中具有特殊意義與重要 地位 27。國(guó)內(nèi)外針對(duì) 研究方法主要分為三類： 一是利用氣象觀測(cè)數(shù)據(jù) 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析； 二是利用 衛(wèi)星 遙感影像 反演地表數(shù)據(jù)； 三是利用 數(shù)值模式模擬 時(shí)空變化特征。具體介紹如下： 象 觀測(cè)數(shù)據(jù) 早期的 用 氣象站的長(zhǎng)期觀測(cè)資料 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析， 總結(jié)得到28。 9、 30以及31針對(duì)單個(gè)城市的氣象數(shù)據(jù)研究指 出 ， 量密切相關(guān)， 并在 晴朗無風(fēng)的夜 間 表 現(xiàn)最強(qiáng)。 32和 33綜合分析多個(gè)氣象站的觀測(cè)記錄研究 4、 35研究發(fā)現(xiàn) 沿海城市 的 內(nèi)陸城市存在差異 ，并指出海陸風(fēng)環(huán)流是導(dǎo)致沿海城市 自 20世紀(jì) 80年代起，我國(guó)城市化進(jìn)程明顯加快，城市化的影響不容忽視 36,37。38基于全國(guó) 191對(duì)城市 鄉(xiāng)村氣象站 19612000年逐日平均、最低和最高氣溫資料分析研究了中國(guó) 果表明，冬季最低氣溫的 海城市 秋冬季則相反。除了全國(guó)范圍內(nèi)的 39,40外，一些學(xué)者還針對(duì) 個(gè)別 區(qū)域的 41但關(guān)注 更多的 還是北京 44上海 47南京 50大城市的 學(xué)椿和于淑秋 53,54的研究指出， 19602000年北京熱島 強(qiáng)度增溫率為 ，并且存在明顯的季節(jié)變化，其中以冬季最強(qiáng)，夏季最弱。王郁等 55和劉熙明等 56通過分析 19942003年北京地區(qū)氣象臺(tái)站 7、 8月的溫度資料，發(fā)現(xiàn)北京夏季 指出 城市邊界層低層的強(qiáng)逆溫結(jié)構(gòu)與弱風(fēng)場(chǎng)相配合，有利于夏季 莊等 57利用 1998年 3月 2001年 12月北京地區(qū)自動(dòng)站資料研究了北京 艷等 58分析了 蘭州大學(xué)碩士學(xué)位論文 河谷城市蘭州熱島效應(yīng)的觀測(cè)與數(shù)值模擬 3 19602006年上海四季城郊溫差的總體變化趨勢(shì)，結(jié)果表明，上海城郊溫差逐年顯著增長(zhǎng)，年平均熱島天數(shù)頻率為 年平均熱島強(qiáng)度為 ； 1997年之后，夏季 家其等 59的研究指出上海 現(xiàn)為白天低、夜間高的多峰結(jié)構(gòu)，一天的峰值出現(xiàn)在午夜。 城市邊界層外場(chǎng)試驗(yàn) 作為利用氣象數(shù)據(jù)研究 一 重要手段，為 詳細(xì) 研究 市邊界層湍流特征、城市內(nèi)部熱環(huán)境分布以及污染物擴(kuò)散提供依據(jù) 60。上世紀(jì) 70年代在美國(guó)密蘇里州的圣路易斯進(jìn)行的大規(guī)模城市氣象觀測(cè)試驗(yàn) 城市邊界層研究具有重要意義 61,62。近年來，國(guó)內(nèi)外已組織過多次大型的城市外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)，并取得一系列研究成果 63。美國(guó)猶他州鹽湖城舉行的 64,65主要研究城市邊界層內(nèi)不同尺度污染物的擴(kuò)散；在美國(guó)俄克拉荷馬進(jìn)行的 003試驗(yàn) 66則關(guān)注城市內(nèi)部街谷中氣流擾動(dòng)對(duì)污染物擴(kuò)散的影響；在法國(guó)馬賽開展的 7,68以研究城市邊界層的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)物質(zhì)交換為主。 20012003 年在北京 開展的 大氣邊界層動(dòng)力、熱力 和 化學(xué)綜合觀測(cè)試驗(yàn) 9,70，著重研究了北京及周邊地區(qū)的城市邊界層結(jié)構(gòu)和大氣化學(xué)成分的分布特征 。 綜上所述，利用氣象觀測(cè)資料研究 僅受內(nèi)部因素（如：城市規(guī)模、城市