Acta Meteorologica sinica气象学报2012,70(3) (Mage,etal,1999)和统计分析( Ackerman,精度的问题,需要依赖传统观测数据进行交叉验证 1985),再或利用网点和特殊线路观测( Morris,et因此,在很多观测分析中常常采用传统观测和遥感 al,2001; Yamashita,etal,1986; Unger,etal,观测方法并用的手段 2001)可得到城市热岛的日变化、分布和强度等信2.2实验室仿真试验 息。应该承认这些观测手段在最初发现和认识城市 在实验室利用实物模型来进行城市热岛效应仿 热岛现象中发挥了重要作用,城市热岛的日变化特真试验是近几年才开始的一种有效手段。如 征就是根据这些观测数据获得的。但是,由于气象 Cenedese等(2000,2003)曾设计了一套温控水箱系 站点的分布通常较为稀疏,很难满足研究城市尺度统用于研究热岛环流与海风环流的相互作用冋题 的各类热岛问题的需要,因此,日前在城市热岛效应实验中用一装满水的矩形水槽来代表整个大气环 研究中单纯依赖传统观测的研究已经越来越少 境。为了模拟海陆分布,将水箱划分为两个区域,左 近年来,随着遥感技术的飞速发展,研制出大量侧为恒温区(代表海区),右侧温度由一个温度可控 先进的遥感仪器和设备,使遥感观测方法在城市热装置控制,用于代表陆地。与观测试验以及数值模 岛的观测研究中逐渐占有一席之地。虽然用于城市式相比,仿真试验的优势在于它易于控制边界条件, 气象研究的遥感观测工具很多,卫星和雷达仍是最并且,能够准确地分析出那些无量纲量在控制流场 常用的两类。卫星主要用于监测城市热岛的温度场中的作用。但是,它的缺点也是很明显的,最重要的 变化特征。与常规观测中的地面气温不同,卫星探一点就是试验中很难构建一套与真实条件下完全 测的是地表温度。它与地面气温不同在于其所表示致的参数。比如城市中植被、街道和建筑的细节参 的是陆地水、植被、土壤、岩石等的表面温度,即地-数就很难在一个水箱系统中被完全模拟出来,因此, 气界面上的温度。目前,大部分气象/环境资源卫星实验室仿真试验在城市热岛效应的研究中目前只能 均搭载了高分辨率的热红外传感器。如美国的作为观测试验和数值模式的一个补充 GOES静止气象卫星上的热红外通道(星下点分辨2.3数值模式的发展 率为4km),NOAA极轨气象卫星上的甚高分辨率 Ooka(2007)和 Martelli(2007)在回顾中尺度模 辐射计( AVHRR)和EOS卫星上的中分辨率成像式发展及其在城市热岛效应研究中的应用现状后指 光谱仪(MODS)(星下点分辨率为1km),以及出,高分辨率中尺度模式的使用和发展使很多城市 L- landsat-7上的增强型专题绘图仪(ETM+)(星下尺度的天气问题得以发现并被认识。近20年来使 点分辨率为60m)。借助热红外数据可以得到辐射用模式研究城市效应的文章有很多( Masson, 亮温,结合地表比辐射率和无线电探空数据,就可以2006),不仅有力地支持了观测分析,也加深了人们 反演出比较真实的地表温度。自Rao(1972)首次对具体物理过程的理解。目前与中尺度模式嵌套的 使用卫星反演的地表温度讨论城市热岛效应至今,城市模式主要有两种:城市冠层模式(UCM)和计算 这种定量信息已被广泛用于城市热岛强度、日变化流体力学模式(CFD)。 特征等与城市热岛相关的研究中( Johnson,etal, 城市冠层模式是一种基于城市冠层理论建立的 1994;Hu,etal,2009) 物理参数化方案,是日前城市大气问题数值模拟研 雷达则主要用于对边界层结构的探测。除了普究的主流。过去由于计算机资源的限制以及认识的 通的天气雷达以外,声纳雷达、后向散射激光雷达和不足,大部分的城市冠层模拟研究普遍采用的是传 多普勒激光雷达是目前城市热岛观测研究中较多使统中尺度模式中对植物冠层的模拟方法,因此,不可 用的几类雷达。特别是多普勒激光雷达,能有效地避免地忽略了城市冠层的几何结构以及人类活动对 观测边界层内风的扰动( Davies,etal,2004;Coll-局地大气活动产生的影响。随着认识的深入,先后 er,etal,2005)、边界层顶的位置( Davies,etal,建立和发展出数十种城市冠层模式,有些已经与中 2004; Collier,etal,2005),并能反演得到城市感热尺度天气模式进行了耦合,并取得了较好的效果。 通量的分布情况( Davis,etl,2008) 如,RAMS城市能量平衡模式( RAMS-TEB)(Lem- 尽管遥感观测相对于传统观测,具有空间覆盖onsu,etal,2004)、MM5/WRF城市冠层模式 范围大、时空分辨率高的特点,却始终存在一个反演MM5/ WRF-UCM)( Kusaka,etal,2004;Chen（Ｍａｇｅｅ，ｅｔａｌ，１９９９）和 统 计 分 析 （Ａｃｋｅｒｍａｎ， １９８５），再或利用网点和特殊线路观测（Ｍｏｒｒｉｓ，ｅｔ ａｌ，２００１；Ｙａｍａｓｈｉｔａ，ｅｔａｌ，１９８６；Ｕｎｇｅｒ，ｅｔａｌ， ２００１）可得到城市热岛的日变化、分布和强度等信 息。应该承认这些观测手段在最初发现和认识城市 热岛现象中发挥了重要作用，城市热岛的日变化特 征就是根据这些观测数据获得的。但是，由于气象 站点的分布通常较为稀疏，很难满足研究城市尺度 的各类热岛问题的需要，因此，目前在城市热岛效应 研究中单纯依赖传统观测的研究已经越来越少。 近年来，随着遥感技术的飞速发展，研制出大量 先进的遥感仪器和设备，使遥感观测方法在城市热 岛的观测研究中逐渐占有一席之地。虽然用于城市 气象研究的遥感观测工具很多，卫星和雷达仍是最 常用的两类。卫星主要用于监测城市热岛的温度场 变化特征。与常规观测中的地面气温不同，卫星探 测的是地表温度。它与地面气温不同在于其所表示 的是陆地水、植被、土壤、岩石等的表面温度，即地 气界面上的温度。目前，大部分气象／环境资源卫星 均搭 载 了 高 分 辨 率 的 热 红 外 传 感 器。如 美 国 的 ＧＯＥＳ静止气象卫星上的热红外通道（星下点分辨 率为４ｋｍ），ＮＯＡＡ 极轨气象卫星上的甚高分辨率 辐射计（ＡＶＨＲＲ）和 ＥＯＳ卫星上的中分辨率成像 光谱仪 （ＭＯＤＩＳ）（星 下 点 分 辨 率 为 １ｋｍ），以 及 Ｌａｎｄｓａｔ７上的增强型专题绘图仪（ＥＴＭ＋）（星下 点分辨率为６０ｍ）。借助热红外数据可以得到辐射 亮温，结合地表比辐射率和无线电探空数据，就可以 反演出比较真实的地表温度。自 Ｒａｏ （１９７２）首次 使用卫星反演的地表温度讨论城市热岛效应至今， 这种定量信息已被广泛用于城市热岛强度、日变化 特征等与城市热岛相关的研究中（Ｊｏｈｎｓｏｎ，ｅｔａｌ， １９９４；Ｈｕ，ｅｔａｌ，２００９）。 雷达则主要用于对边界层结构的探测。除了普 通的天气雷达以外，声纳雷达、后向散射激光雷达和 多普勒激光雷达是目前城市热岛观测研究中较多使 用的几类雷达。特别是多普勒激光雷达，能有效地 观测边界层内风的扰动（Ｄａｖｉｅｓ，ｅｔａｌ，２００４；Ｃｏｌｌｉ ｅｒ，ｅｔａｌ，２００５）、边 界 层 顶 的 位 置 （Ｄａｖｉｅｓ，ｅｔａｌ， ２００４；Ｃｏｌｌｉｅｒ，ｅｔａｌ，２００５），并能反演得到城市感热 通量的分布情况（Ｄａｖｉｓ，ｅｔａｌ，２００８）。 尽管遥感观测相对于传统观测，具有空间覆盖 范围大、时空分辨率高的特点，却始终存在一个反演 精度的问题，需要依赖传统观测数据进行交叉验证。 因此，在很多观测分析中常常采用传统观测和遥感 观测方法并用的手段。 ２．２ 实验室仿真试验 在实验室利用实物模型来进行城市热岛效应仿 真 试 验 是 近 几 年 才 开 始 的 一 种 有 效 手 段。 如 Ｃｅｎｅｄｅｓｅ等（２０００，２００３）曾设计了一套温控水箱系 统用于研究热岛环流与海风环流的相互作用问题。 实验中用一装满水的矩形水槽来代表整个大气环 境。为了模拟海陆分布，将水箱划分为两个区域，左 侧为恒温区（代表海区），右侧温度由一个温度可控 装置控制，用于代表陆地。与观测试验以及数值模 式相比，仿真试验的优势在于它易于控制边界条件， 并且，能够准确地分析出那些无量纲量在控制流场 中的作用。但是，它的缺点也是很明显的，最重要的 一点就是试验中很难构建一套与真实条件下完全一 致的参数。比如城市中植被、街道和建筑的细节参 数就很难在一个水箱系统中被完全模拟出来，因此， 实验室仿真试验在城市热岛效应的研究中目前只能 作为观测试验和数值模式的一个补充。 ２．３ 数值模式的发展 Ｏｏｋａ（２００７）和 Ｍａｒｔｉｌｌｉ（２００７）在回顾中尺度模 式发展及其在城市热岛效应研究中的应用现状后指 出，高分辨率中尺度模式的使用和发展使很多城市 尺度的天气问题得以发现并被认识。近２０年来使 用模 式 研 究 城 市 效 应 的 文 章 有 很 多 （Ｍａｓｓｏｎ， ２００６），不仅有力地支持了观测分析，也加深了人们 对具体物理过程的理解。目前与中尺度模式嵌套的 城市模式主要有两种：城市冠层模式（ＵＣＭ）和计算 流体力学模式（ＣＦＤ）。 城市冠层模式是一种基于城市冠层理论建立的 物理参数化方案，是目前城市大气问题数值模拟研 究的主流。过去由于计算机资源的限制以及认识的 不足，大部分的城市冠层模拟研究普遍采用的是传 统中尺度模式中对植物冠层的模拟方法，因此，不可 避免地忽略了城市冠层的几何结构以及人类活动对 局地大气活动产生的影响。随着认识的深入，先后 建立和发展出数十种城市冠层模式，有些已经与中 尺度天气模式进行了耦合，并取得了较好的效果。 如，ＲＡＭＳ城市能量平衡模式（ＲＡＭＳＴＥＢ）（Ｌｅｍ ｏｎｓｕ，ｅｔａｌ，２００４）、ＭＭ５／ＷＲＦ 城 市 冠 层 模 式 （ＭＭ５／ＷＲＦＵＣＭ）（Ｋｕｓａｋａ，ｅｔａｌ，２００４；Ｃｈｅｎ， ３４０ 犃犮狋犪犕犲狋犲狅狉狅犾狅犵犻犮犪犛犻狀犻犮犪 气象学报 ２０１２，７０（３）