多层城市冠层模型参数优化及对京津冀城市群的高温模拟

王玉洁 向洋陆波

1南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害教育部重点实验室,南京 210044

2南京信息工程大学大气科学学院,南京 210044

3国家气候中心,北京 100081

1 引言

近年来，城市化造成的下垫面改变和人为热排放等因素产生的城市热岛效应，使得城市高温热胁迫显著放大（Chen et al.,2011;Sun et al.,2014;Zhao et al.,2014;Oleson et al.,2015;Perkins,2015），在全球气候变化背景下，未来城市极端高温风险将加剧（Yin et al.,2013;Sun et al.,2014）。研究城市极端高温相关作用机理，为应对极端高温风险提供科学支撑、对经济社会可持续发展具有重要意义 （Bai et al.,2018;翟盘茂等，2019）。

单纯利用观测数据很难深入分析城市化气候效应，特别是很难进行相关机理研究（杨续超等，2015），因此，数值模式成为量化和解释城市化影响、探寻极端高温物理机制等研究的重要手段。目前，WRF耦合的单层城市冠层模块（Urban Canopy Model,UCM）（Kusaka and Kimura,2004）被广泛应用于城市高温热浪模拟（Grossman-Clarke et al.,2010;Chen et al., 2011;Li and Bou-Zeid,2013;

崔耀平等,2015;Chen and Frauenfeld,2016）。但UCM对城市建筑高度参差不齐、垂直方向建筑密度非均匀等特征未能描述，对不同层次上城市湍流的影响未予以区分，未考虑人为热的动态变化。物理过程更加复杂的多层城市冠层模块（Building Environment Parameterization,BEP），显式求解三维城市表面对温度、动量及湍流的影响，弥补了UCM的部分不足（Martilli,2002;Dupont et al.,2004），然而其对人为热，尤其是建筑排热的处理仍然比较简单（Zhang et al.,2009;Wang et al.,2012）。近年来，建筑能量模型（Building Energy Model,BEM）被引入到多层城市冠层模块（BEP/BEM）中（Salamanca et al.,2010）。与UCM中给定人为热加热典型值和加热廓线来表征人为热不同，BEM通过建筑物内外热交换来动态计算人为热，也即是说BEM能够刻画人为热的时间、空间变化规律。……