Acta Meteorologica sinica气象学报2012,70(3) 得理论突破奠定了基础 数化过程的描述仍然存在很多有待完善之处,但借 3历史回顾 助模式能够捕捉到许多高时、空分辨率的物理特征 这是目前观测手段所无法比拟的。如Mao等 城市热岛效应的研究最早可以追溯到19世纪(2009)通过敏感试验发现城市热岛效应对产生具有 上半叶。 Howard(1883)在研究中首次发现城市热较强水平涡度的对流卷涡的空间波长和深度都有影 岛现象,由于当时城市热岛还不是一个普遍现象,因响。再如 Ohashi等(2002)以及 Cenedese等(2003) 此,这个说法在提出后的很长时间都未受到重视。先后通过数值模式发现当存在海陆风、山谷风环流 直到20世纪50年代, Manley(1958)才将这种现象时,城市热岛环流可能与这些环流产生明显的相互 定义为城市热岛效应,也由此正式拉开了城市热岛作用。 Zhang等(2009,2011)以及Shou等(2010)使 效应研究的序幕 用耦合的WRF-UCM模式在研究华盛顿一巴尔的 由于观测资料的匮乏,早期城市热岛效应的研摩城市热岛问题时发现,在特定风向条件下,巴尔的 究主要是根据单站资料进行简单的分析。从20世摩市的城市热岛可能会受到上风方城市热岛的影响 纪70年代开始,为研究大气边界层的温、湿度变化,而加剧,即存在城市热岛的“上下游效应”。显然,这 国际上组织了多项大型观测实验。加之一些大型观些城市热岛效应的模式研究结果不仅对以往观测研 测网的建立,使城市热岛效应研究由点上升为面。究进行了很好的补充,而且,也进一步丰富了城市热 基于这些观测资料, Unwin(1980)、 Magee等(1999)岛效应的研究内容。 和Oke等(1987)总结并提出了城市热岛效应的日3.1城市边界层的研究现状 变化特征。如在弱风和无云条件下,相对于周围的 城市边界层(UBL)是行星边界层(PBL)的一种 乡村,城市具有较小的冷却率(夜间)和加热率(白类型,是气流由乡村流向城市过程中,在城市前沿的 天);城乡温差在日落后3-5h后达到最大值,之后下风方发展出来的一个内边界。一般来说,城市边 逐渐减弱,在日出后温差基本消失;热岛强度在午后界层内部的环流和能量交换过程属于中尺度现象 达到最强;而强度最强的时段通常出现在冬季夜间。其结构和特性直接依赖于城市下垫面和建筑物的分 以 Ackerman(1985)为代表的一批科学家又对影响布,因此,热岛效应对城市边界层的结构具有重要的 城市热岛强度的因素进行了统计分析,认为城市热影响( Martelli,2002;Miao,etal,2009)。目前城 岛强度除了受不均匀下垫面影响以外,还受到风、市边界层的研究也是城市热岛效应研究领域中的重 云、城市规模和人口数量的影响。平均而言,低层风要课题之 速( Zajic,etal,2004; Figuerola,etal,1998)和城 城市边界层的三维结构非常复杂( Roach 市上空云层覆盖会使城市热岛强度减弱( Magee,et2002)。根据Oke(1987)绘制的城市边界层三维结 al,1999; Morris,etal,2001);而城市规模扩大或构示意图(图1),在中尺度范围内,城市边界层可以 人口增多则会加剧城市热岛效应(Oke,1987),即划分为近地面层和混合层(图1a)。但从局地和微 风速和云量(城市规模和人口数量)与城市热岛强度尺度来看,城市边界层可包含城市冠层、粗糙次层、 呈反(正)相关关系。此外, Unwin(1980)和Mori惯性次层和混合层(图1b、c)。具体来说,从地面到 等(2001)通过对高空天气图分析,还发现了城市热房顶之间称之为城市冠层(UCL),这一层的气流和 岛效应通常出现在夏季高压系统控制下的天气条件能量的交换过程主要由微尺度过程控制。在城市冠 的特点,并指出高压或反气旋天气使边界层的发展层之上常出现建筑物的尾流现象,这个扰动尾流层 受到抑制,而有利于城市热岛效应的发展。需要指又称为粗糙次层。Roth(2000通过对很多试验结 出的是,尽管对上述观测现象都做出了仔细分析和果的总结发现,这个粗糙次层约为建筑物高度的 描述,但所涉及的各种物理过程及其之间的相互作2.5-3倍,而且,该层还有较强垂直切变、尾流扩散 用并未得到充分的科学理解 以及不均匀表面造成的局地平流现象。在粗糙次层 进入21世纪以后,中尺度数值模式的发展和应之上是城市近地层(USL),又称惯性次层,这层中扰 用对城市热岛效应和边界层的研究起到了极大的促动通量不随高度变化。城市冠层、粗糙次层和惯性 进作用。虽然目前数值模式中的城市边界层物理参次层共同构成了城市边界层的最低层即近地面层得理论突破奠定了基础。 ３ 历史回顾 城市热岛效应的研究最早可以追溯到１９世纪 上半叶。Ｈｏｗａｒｄ（１８８３）在研究中首次发现城市热 岛现象，由于当时城市热岛还不是一个普遍现象，因 此，这个说法在提出后的很长时间都未受到重视。 直到２０世纪５０年代，Ｍａｎｌｅｙ（１９５８）才将这种现象 定义为城市热岛效应，也由此正式拉开了城市热岛 效应研究的序幕。 由于观测资料的匮乏，早期城市热岛效应的研 究主要是根据单站资料进行简单的分析。从２０世 纪７０年代开始，为研究大气边界层的温、湿度变化， 国际上组织了多项大型观测实验。加之一些大型观 测网的建立，使城市热岛效应研究由点上升为面。 基于这些观测资料，Ｕｎｗｉｎ（１９８０）、Ｍａｇｅｅ等（１９９９） 和 Ｏｋｅ等（１９８７）总结并提出了城市热岛效应的日 变化特征。如在弱风和无云条件下，相对于周围的 乡村，城市具有较小的冷却率（夜间）和加热率（白 天）；城乡温差在日落后３—５ｈ后达到最大值，之后 逐渐减弱，在日出后温差基本消失；热岛强度在午后 达到最强；而强度最强的时段通常出现在冬季夜间。 以 Ａｃｋｅｒｍａｎ（１９８５）为代表的一批科学家又对影响 城市热岛强度的因素进行了统计分析，认为城市热 岛强度除了受不均匀下垫面影响以外，还受到风、 云、城市规模和人口数量的影响。平均而言，低层风 速（Ｚａｊｉｃ，ｅｔａｌ，２００４；Ｆｉｇｕｅｒｏｌａ，ｅｔａｌ，１９９８）和城 市上空云层覆盖会使城市热岛强度减弱（Ｍａｇｅｅ，ｅｔ ａｌ，１９９９；Ｍｏｒｒｉｓ，ｅｔａｌ，２００１）；而城市规模扩大或 人口增多则会加剧城市热岛效应（Ｏｋｅ，１９８７），即 风速和云量（城市规模和人口数量）与城市热岛强度 呈反（正）相关关系。此外，Ｕｎｗｉｎ（１９８０）和 Ｍｏｒｒｉｓ 等（２００１）通过对高空天气图分析，还发现了城市热 岛效应通常出现在夏季高压系统控制下的天气条件 的特点，并指出高压或反气旋天气使边界层的发展 受到抑制，而有利于城市热岛效应的发展。需要指 出的是，尽管对上述观测现象都做出了仔细分析和 描述，但所涉及的各种物理过程及其之间的相互作 用并未得到充分的科学理解。 进入２１世纪以后，中尺度数值模式的发展和应 用对城市热岛效应和边界层的研究起到了极大的促 进作用。虽然目前数值模式中的城市边界层物理参 数化过程的描述仍然存在很多有待完善之处，但借 助模式能够捕捉到许多高时、空分辨率的物理特征， 这是 目 前 观 测 手 段 所 无 法 比 拟 的。 如 Ｍｉａｏ 等 （２００９）通过敏感试验发现城市热岛效应对产生具有 较强水平涡度的对流卷涡的空间波长和深度都有影 响。再如 Ｏｈａｓｈｉ等（２００２）以及 Ｃｅｎｅｄｅｓｅ等（２００３） 先后通过数值模式发现当存在海陆风、山谷风环流 时，城市热岛环流可能与这些环流产生明显的相互 作用。Ｚｈａｎｇ等（２００９，２０１１）以及Ｓｈｏｕ等（２０１０）使 用耦合的 ＷＲＦＵＣＭ 模式在研究华盛顿—巴尔的 摩城市热岛问题时发现，在特定风向条件下，巴尔的 摩市的城市热岛可能会受到上风方城市热岛的影响 而加剧，即存在城市热岛的“上下游效应”。显然，这 些城市热岛效应的模式研究结果不仅对以往观测研 究进行了很好的补充，而且，也进一步丰富了城市热 岛效应的研究内容。 ３．１ 城市边界层的研究现状 城市边界层（ＵＢＬ）是行星边界层（ＰＢＬ）的一种 类型，是气流由乡村流向城市过程中，在城市前沿的 下风方发展出来的一个内边界。一般来说，城市边 界层内部的环流和能量交换过程属于中尺度现象， 其结构和特性直接依赖于城市下垫面和建筑物的分 布，因此，热岛效应对城市边界层的结构具有重要的 影响（Ｍａｒｔｉｌｌｉ，２００２；Ｍｉａｏ，ｅｔａｌ，２００９）。目前 城 市边界层的研究也是城市热岛效应研究领域中的重 要课题之一。 城市 边 界 层 的 三 维 结 构 非 常 复 杂 （Ｒｏｔａｃｈ， ２００２）。根据 Ｏｋｅ（１９８７）绘制的城市边界层三维结 构示意图（图１），在中尺度范围内，城市边界层可以 划分为近地面层和混合层（图１ａ）。但从局地和微 尺度来看，城市边界层可包含城市冠层、粗糙次层、 惯性次层和混合层（图１ｂ、ｃ）。具体来说，从地面到 房顶之间称之为城市冠层（ＵＣＬ），这一层的气流和 能量的交换过程主要由微尺度过程控制。在城市冠 层之上常出现建筑物的尾流现象，这个扰动尾流层 又称为粗糙次层。Ｒｏｔｈ（２０００）通过对很多试验结 果的总结 发 现，这 个 粗 糙 次 层 约 为 建 筑 物 高 度 的 ２．５—３倍，而且，该层还有较强垂直切变、尾流扩散 以及不均匀表面造成的局地平流现象。在粗糙次层 之上是城市近地层（ＵＳＬ），又称惯性次层，这层中扰 动通量不随高度变化。城市冠层、粗糙次层和惯性 次层共同构成了城市边界层的最低层即近地面层 ３４２ 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）