Acta Meteorologica sinica气象学报2012,70(3) 目前人们已经普遍发现,改变城市边界层结构局地环流相互作用问题逐渐受到人们的广泛关注, 主要决定于动力和热力两个因素(Roth,2000)。其而且城市热岛效应的研究与早期工作相比更具有挑 中,动力因素是由粗糙表面引起的拖曳力作用,而热战性。最早开展这类研究的是一些日本学者(Yo 力因素则是指由下垫面不均匀引起的不均匀加热作 shikado,etal,1989,1996; Yoshikado,1990),他们 用。 Ackerman(1974)首次在观测中发现城市边界利用观测和二维数值模式对城市热岛效应和海风环 层内出现的水平对流卷涡,并认为这与城市不均匀流的相互作用进行初步分析后发现,由于城市热岛 下垫面有密切关系。之后, Kropfli等(1978)利用多的作用,海风环流在进入市区后会滞留在城市朝陆 普勒雷达观测到城市上空气流具有大涡结构特征,地一侧的边界层内达数小时,在停滞阶段海风风速 并进一步指出,在风速较大的情况下(>6m/s),大会加大。此外,城市热岛和海风环流的相互作用会 涡结构表现为水平对流卷涡,认为这种卷涡是由某受城市大小、离海岸线的距离以及城市热岛效应强 些特定的城市表面造成的。Wong(1976)以及度影响。 Kondo(1990)通过数值模拟发现海风和山 wong等(1978)指出在低于某个临界风速下,热力谷风环流的相互作用会使海风锋向内陆推进,距离 强迫对边界层结构影响显著,而高于这个临界值时,海岸线可达100km左右。 Kimura等(1991)(简称 则主要受动力强迫影响。 Martelli(2002)利用数值KT91)应用三维模式模拟了东京周围环境,模式中 模拟检验了风速、城市形状以及土壤湿度3个要素包含详细的地理信息和土地利用类型以及人类活动 对边界层结构的影响后指出,在白天大尺度风较弱加热。在KT91的研究基础上,陆续又有一些日本 的情况下,城市边界层的高度较高且增长迅速。而学者对日本其他城市进行了类似的研究(如 且这期间城市边界层高度主要受热力因素影响,动 Ohashi,etal,2002,2004; Kondo,1995; Kusaka,et 力因素几乎可以忽略。但是,夜间城市边界层的结al,2000。其中, Ohashi等(2002)用一个区域理想 构受动力因素和热力因素的共同影响,热力因素主模式研究了两个相邻城市(一个邻海,一个内陆)对 要影响城市边界层的低层,使城市热岛效应加强,而局地环流和城市污染物输送的影响。其数值试验结 动力因素则主要影响城市边界层的高层,当风速加果表明,在两个城市的局地环流之间存在一支由海 大时,会引起逆温层厚度和强度加强 风-热岛环流共同作用产生的“链式气流”。这支气 后来,Li等(2005)在 Martelli(2002)理论的基流能有效地将沿海城市的污染物传送到两个城市之 础上,应用MM5研究了北京区域2001年冬季一次间郊区的近地层以及内陆城市(图3a)。后来,又研 典型的城市边界层过程中的结构特征,发现城市结究了这两个相邻城市的水汽分布( Ohashi,etal, 构的动力因子(如建筑物对气流的拖曳及摩擦作用)2004),发现在白天,由于山谷风的作用使两城市上 在夜间对城市边界层结构具有主导作用,而在白天,空形成的热岛环流下沉支出现在两城市之间的郊 城市边界层结构主要受城市结构热力因子的影响,区,从而使该区域变得干燥(图3b),在A(沿海)和 如街道峡谷中的建筑物结构对城市表面能量收支的B(内陆)两城市上空山谷风环流对水汽的辐散以及 影响,以及城市中人为热量在大气中的释放等。同热岛环流(和海风环流)对水汽的辐合作用同时存 时他们还指出热力和动力因子之间非线性相互作用在,但在两城市之间的郊区,山谷风和热岛环流造成 对城市边界层结构的影响作用也是不容忽视的。例水汽辐合。因此,局地环流对水汽的输送对低层大 如在150—200m的高度内这种相互作用对城市近气变干起重要作用。此外,还发现当两城市相隔 地层形成强湍流动能具有正贡献,而对城市低层的40--50km时,郊区湿度最小,且SO2和NO3的浓 水平风速具有减速作用。从上述分析可见,城市边度最低,并认为这些现象主要是由山谷风环流和城 界层的结构和质量、能量交换过程复杂,且影响因素市热岛环流相互作用所致,海风环流只是改变了局 多。如研究的现象尺度较小,则需对观测设计和城地环流的结构 市边界层模式提出更高的要求。 除日本学者外,很多其他国家和地区也开展了 3.2热岛环流与复杂地形的相互作用 这方面的研究。如Liu等(2001)和Tong等(2005) 目前世界上60%的大城市是邻海而建,其他有先后研究了香港的城市热岛效应与地形环流的相互 小部分处于山谷间,因此,城市热岛和地形引起的作用,发现城市热岛会使九龙半岛和香港北部地区目前人们已经普遍发现，改变城市边界层结构 主要决定于动力和热力两个因素（Ｒｏｔｈ，２０００）。其 中，动力因素是由粗糙表面引起的拖曳力作用，而热 力因素则是指由下垫面不均匀引起的不均匀加热作 用。Ａｃｋｅｒｍａｎ（１９７４）首次在观测中发现城市边界 层内出现的水平对流卷涡，并认为这与城市不均匀 下垫面有密切关系。之后，Ｋｒｏｐｆｌｉ等（１９７８）利用多 普勒雷达观测到城市上空气流具有大涡结构特征， 并进一步指出，在风速较大的情况下（＞６ｍ／ｓ），大 涡结构表现为水平对流卷涡，认为这种卷涡是由某 些特 定 的 城 市 表 面 造 成 的。 Ｗｏｎｇ（１９７６）以 及 Ｗｏｎｇ等（１９７８）指出在低于某个临界风速下，热力 强迫对边界层结构影响显著，而高于这个临界值时， 则主要受动力强迫影响。Ｍａｒｔｉｌｌｉ（２００２）利用数值 模拟检验了风速、城市形状以及土壤湿度３个要素 对边界层结构的影响后指出，在白天大尺度风较弱 的情况下，城市边界层的高度较高且增长迅速。而 且这期间城市边界层高度主要受热力因素影响，动 力因素几乎可以忽略。但是，夜间城市边界层的结 构受动力因素和热力因素的共同影响，热力因素主 要影响城市边界层的低层，使城市热岛效应加强，而 动力因素则主要影响城市边界层的高层，当风速加 大时，会引起逆温层厚度和强度加强。 后来，Ｌｉ等（２００５）在 Ｍａｒｔｉｌｌｉ（２００２）理论的基 础上，应用 ＭＭ５研究了北京区域２００１年冬季一次 典型的城市边界层过程中的结构特征，发现城市结 构的动力因子（如建筑物对气流的拖曳及摩擦作用） 在夜间对城市边界层结构具有主导作用，而在白天， 城市边界层结构主要受城市结构热力因子的影响， 如街道峡谷中的建筑物结构对城市表面能量收支的 影响，以及城市中人为热量在大气中的释放等。同 时他们还指出热力和动力因子之间非线性相互作用 对城市边界层结构的影响作用也是不容忽视的。例 如在１５０—２００ｍ 的高度内这种相互作用对城市近 地层形成强湍流动能具有正贡献，而对城市低层的 水平风速具有减速作用。从上述分析可见，城市边 界层的结构和质量、能量交换过程复杂，且影响因素 多。如研究的现象尺度较小，则需对观测设计和城 市边界层模式提出更高的要求。 ３．２ 热岛环流与复杂地形的相互作用 目前世界上６０％的大城市是邻海而建，其他有 一小部分处于山谷间，因此，城市热岛和地形引起的 局地环流相互作用问题逐渐受到人们的广泛关注， 而且城市热岛效应的研究与早期工作相比更具有挑 战性。最早开展这类研究的是一些日本学者（Ｙｏ ｓｈｉｋａｄｏ，ｅｔａｌ，１９８９，１９９６；Ｙｏｓｈｉｋａｄｏ，１９９０），他们 利用观测和二维数值模式对城市热岛效应和海风环 流的相互作用进行初步分析后发现，由于城市热岛 的作用，海风环流在进入市区后会滞留在城市朝陆 地一侧的边界层内达数小时，在停滞阶段海风风速 会加大。此外，城市热岛和海风环流的相互作用会 受城市大小、离海岸线的距离以及城市热岛效应强 度影响。Ｋｏｎｄｏ（１９９０）通过数值模拟发现海风和山 谷风环流的相互作用会使海风锋向内陆推进，距离 海岸线可达１００ｋｍ 左右。Ｋｉｍｕｒａ等（１９９１）（简称 ＫＴ９１）应用三维模式模拟了东京周围环境，模式中 包含详细的地理信息和土地利用类型以及人类活动 加热。在 ＫＴ９１的研究基础上，陆续又有一些日本 学者 对 日 本 其 他 城 市 进 行 了 类 似 的 研 究 （如 Ｏｈａｓｈｉ，ｅｔａｌ，２００２，２００４；Ｋｏｎｄｏ，１９９５；Ｋｕｓａｋａ，ｅｔ ａｌ，２０００）。其中，Ｏｈａｓｈｉ等（２００２）用一个区域理想 模式研究了两个相邻城市（一个邻海，一个内陆）对 局地环流和城市污染物输送的影响。其数值试验结 果表明，在两个城市的局地环流之间存在一支由海 风热岛环流共同作用产生的“链式气流”。这支气 流能有效地将沿海城市的污染物传送到两个城市之 间郊区的近地层以及内陆城市（图３ａ）。后来，又研 究了这两个相邻城市的水汽分布 （Ｏｈａｓｈｉ，ｅｔａｌ， ２００４），发现在白天，由于山谷风的作用使两城市上 空形成的热岛环流下沉支出现在两城市之间的郊 区，从而使该区域变得干燥（图３ｂ），在 Ａ（沿海）和 Ｂ（内陆）两城市上空山谷风环流对水汽的辐散以及 热岛环流（和海风环流）对水汽的辐合作用同时存 在，但在两城市之间的郊区，山谷风和热岛环流造成 水汽辐合。因此，局地环流对水汽的输送对低层大 气变干 起 重 要 作 用。此 外，还 发 现 当 两 城 市 相 隔 ４０—５０ｋｍ 时，郊区湿度最小，且 ＳＯ２ 和 ＮＯｘ 的浓 度最低，并认为这些现象主要是由山谷风环流和城 市热岛环流相互作用所致，海风环流只是改变了局 地环流的结构。 除日本学者外，很多其他国家和地区也开展了 这方面的研究。如 Ｌｉｕ等（２００１）和 Ｔｏｎｇ等（２００５） 先后研究了香港的城市热岛效应与地形环流的相互 作 用，发现城市热岛会使九龙半岛和香港北部地区 ３４４ 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）