城市微气候观测与模拟研究
城市微气候观测与模拟研究
摘要：近年来，灾害性天气出现频率逐渐增多，城市微气候问题不断突显，异常的城市气象给人们居住环境带来较大影响，因此，对于城市微气候的分析研究已成为气象环境和城市发展等领域的关注重点。本文基于国内外已有成果，介绍了城市微气候观测与模拟研究的几种方法，总结其优势与不足，以便今后研究应用。
关键词：城市微气候，研究方法，模型模拟
1 引言
随着社会快速发展，暴雨洪涝、雾霾、“城市热岛”、暖冬等异常城市天气出现频率增加，城市大气和环境问题明显。城市发展所造成的城市空间结构变化、下垫面结构变化以及人为活动、工业生产等因素很大程度上会促使环境恶化，致使城市内温度、湿度、降水、环流等气候环境发生改变，因而形成与周围大气候不同的局地气候—城市微气候。局部区域的异常气候变化不仅会影响城市生存环境、危害居民身体健康，还会对大气环流甚至全球气候变化造成影响，因此，研究城市微气候问题意义重大，本文基于国内外城市微气候研究成果对其研究方法进行了总结归纳。
2 城市微气候观测方法
2.1 站点观测法
城郊气象数据对比法在早期城市气候研究中最为普遍，该方法以地方气象台站、地面流动站等长期实测资料为基础来研究城市气候的分布及变化情况。通常选取周边合适站点对研究因子进行观测分析，例如，程胜龙利用兰州市70年来的气温记录定量研究了城市化对兰州气温的影响并揭示出城市化对城市气温变化的影响[1]。蔺银鼎利用植物落斑块周边温度和湿度观测数据，研究发现了城市绿地对其周边环境温湿度影响的时空分布特征，丰富了城市小气候环流理论[2]。站点观测法是一种静态监测法，受气象观测站数量及位置限制，在观测空间和研究方法上存在一定局限性，多用于研究城市微气候中的某一影响因素。
2.2 移动观测法
除气象站观测数据外，还可通过短期实布点或设计特殊路线的观测方法来获取城市气候的动态变化信息，通常有探空气球、风廓线仪、车载仪器观测和航空遥测法等。比如，通过
气球悬挂温度传感器来观测不同高度的城市温度，分析出城市热岛效应的立体分布特征；根据运动车辆上气温传感器所采集的温度数据，分析城市里气温分布格局。移动观测法摆脱了固定观测站的局限性，在实验数据采集和检测时，不会受到观测站点位置或卫星过境时间等因素限制，但受外界环境影响大，且人力物力限制，难以获取大面积分布数据，代表性较差。
2.3 遥感观测法
遥感技术的发展为城市环境变化和气候变化检测提供了更便捷的手段，遥感观测也是城市微气候研究中常用的重要方法，根据遥感平台的不同可将其分为地面遥感、航空遥感、航天遥感和宇航遥感；根据探测波段又可分为紫外遥感、可见光遥感、红外遥感和微波遥感等[3]，常用的遥感数据有Landsat系列、MODIS、ASTER影像、风云系列等。例如城市气温研究中，常会利用热红外遥感技术，结合卫星、无人飞机等监测数据反演城市下垫面底层空气温度。相对传统观测，遥感观测具有空间覆盖范围广，时空分辨率高等特点，研究中常采用遥感数据与地面观测数据结合分析的手段来提高反演精度。
3 城市微气候研究模型
3.1 统计模型
统计模型是对已有的监测数据进行分析研究，从而建立城市微气候影响因子之间及与城市发展因子间的数学模型。统计学的结合在利用气象资料进行城郊对比法研究时就已经开始使用，Preston-Whyte 曾在用谐波统计模式计算出南非Durban的地面温度，证明了城市热岛的存在。有学者基于数学理论分析模型模拟了城市热岛对降水的影响，发现城市下风向存在降水高峰[4]；冀彩星等人利用长期气象观测资料结合自回归分析法，发现了西安存在“热岛”效应和“干岛”效应，并通过建立回归模型考察了地表覆盖变化对城市气候的影响[5]。
3.2 半经验模型
半经验模型是运用假设形式来简化研究中所建立的复杂时间和空间计算方程的一种方法，可以用来全面分析城市微气候问题。国内外基于此模型已有较多研究，Ohashi及Cenedese等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；Z.Su根据能量平衡原理提出了地表能量平衡系统（SEBS），该模型采用一系列经验公式对部分非遥感数据作了相似处理，已有很多地区运
用该系统来估算蒸散发量；兰荣辉应用蒸散发定量反演模型-SEBS模型，分析了晋祠泉域地表蒸散发的动态变化特征及空间分布规律，得出气象因素对地表蒸散发的影响主要是通过降水和气温的变化而起作用[6]。但半经验模型使用时存在假设过多、有时会与实际情况并不相符等原因，使其并不能有效解决城市微气候产生、发展及相关问题。
3.3 物理模型
前两种模型均以观测数据作为检核标准，实际操作中存在变化性、不可控性及高费用等阻碍，而物理模型的建立能较好缓解这一问题，该模型是依据实际研究区域流场、温度分布、自然地形性质等条件来模拟城市微气候变化过程，在实验室中即可完成。常用的研究模型可分成能量平衡模型和计量流体动力模型两类。中尺度城市数值模式是动力学模式中最常用的一种，在运用中嵌套的城市模型主要有：城市冠层模式（UCM）和计算流体力学模式（CFD）。同时，与其使用相匹配的计算机软件发展得也较为成熟，如ENVI-met模式能较好地对城市区域风、热、湿环境等进行全方位的动态模拟和预测，还可以在计算过程中实现耦合模拟，更有效地帮助我们了解城市微气候变化状态。
4 结语
城市微气候变化对居民生活舒适度、城市规划与建设、城市生态环境等方面都有重要的影响，是气候变化、城市发展等多个领域的研究重点。今后要充分使用遥感数据，结合气象统计资料、土地利用资料和城市发展资料等多类数据，运用GIS技术模拟分析，并不断完善地基、空基和天基相结合的立体观测系统，开展各种城市气候效应长期演变及其驱动机制的定量分析和耦合研究，对城市微气候进行有效的监测、模拟和评估应用，为城市规划发展和气候研究等提供更有效的保障。
参考文献：
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[3] 但尚铭,徐辉熙,叶强,等.我国城市热岛效应研究方法综述[J].2008,27(4):88-91.
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[5] 冀彩星,延军平.西安城市气候对地表覆盖率变化的响应[J].干旱区资源与环境,2011,25(7):117-123.
[6] 兰荣辉.基于 RS 的晋祠泉域地表蒸散发估算与区域水均衡分析[D].太原：太原理工大学,2015.
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雾霾城市
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