城市化是地球表面最為顯著的直接由人為因素引起的土地覆蓋類型的改變。半個(gè)多世紀(jì)以來(lái),中國(guó)經(jīng)歷了異常劇烈的城市化進(jìn)程。尤其是近年來(lái),二三線城市已經(jīng)成為城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)程的主角,促使產(chǎn)生了更廣泛的城市下墊面。下墊面性質(zhì)的改變加上人類活動(dòng)的干擾,使得陸-氣間物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)的過(guò)程發(fā)生改變,從而在區(qū)域甚至全球尺度上影響著氣候變化。其中,以城市熱島為代表的熱環(huán)境的劇烈變化,是城市化對(duì)區(qū)域氣候影響最典型的表現(xiàn)之一。目前,現(xiàn)有陸面過(guò)程模型對(duì)人為熱排放動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的模擬能力表現(xiàn)乏力,尤其是針對(duì)產(chǎn)生人為熱排放各種熱源的物理過(guò)程缺少準(zhǔn)確而細(xì)致的描述。在城市氣候的數(shù)值模擬過(guò)程中,過(guò)度地忽視人為熱通量的作用不僅會(huì)影響城市地表能量平衡估算的準(zhǔn)確性,還會(huì)影響大氣模型對(duì)于天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)的精度。針對(duì)城市陸面過(guò)程模型中缺少準(zhǔn)確模擬動(dòng)態(tài)人為熱功能的問(wèn)題,本研究首先對(duì)既有的建筑物能量模型(Building Energy Model,BEM)進(jìn)行了改進(jìn),得到改進(jìn)的建筑物能量模型(Modified Building Energy Model,MBEM)用以模擬城市中最為復(fù)雜的建筑物部分動(dòng)態(tài)人為熱排放,并將其與陸面過(guò)程模型(Community Land Model,CLM)中的城市模型(CLMU)耦合研究城市化對(duì)熱環(huán)境的影響。MBEM重點(diǎn)考慮了城市建筑物內(nèi)外的能量交換過(guò)程,針對(duì)匯集到建筑物內(nèi)的各個(gè)熱源分別建立獨(dú)立的模擬算法。MBEM的物理模型在原BEM的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了三個(gè)方面的改進(jìn):(1)引入機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù),建立新的室內(nèi)表面溫度估算模型;(2)通過(guò)觀測(cè)的室內(nèi)二氧化碳濃度建立動(dòng)態(tài)通風(fēng)速率算法;(3)完善了通過(guò)窗戶向室內(nèi)傳遞能量的計(jì)算方案。這些方案的改進(jìn)提高了BEM對(duì)于建筑物生成人為熱的捕捉能力,使其能夠模擬人為熱的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。同時(shí),將CLMU中的能量平衡與溫度場(chǎng)計(jì)算代碼進(jìn)行擴(kuò)充,找到調(diào)用中用到的接口,實(shí)現(xiàn)MBEM與CLMU的雙向嵌套耦合。通過(guò)新算法的引入、參數(shù)化方案的優(yōu)化以及人為熱估算方案的完善,使得耦合模型更加適用于包含有城市地區(qū)的近地表小氣候與熱環(huán)境研究,為氣候與天氣預(yù)報(bào)模型提供更準(zhǔn)確的陸-氣界面參數(shù)。此外,在耦合模型的基礎(chǔ)上還補(bǔ)充了交通人為熱的估算方案,組成了一套能夠相對(duì)完整描述城市內(nèi)能量流動(dòng)的模型系統(tǒng)。首先,應(yīng)用我校建設(shè)的“協(xié)同觀測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)”通量塔提供的實(shí)地觀測(cè)值對(duì)耦合模型系統(tǒng)在區(qū)域上的模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比。通過(guò)比較耦合模型模擬和站點(diǎn)觀測(cè)的顯熱通量,間接驗(yàn)證人為熱的引入是否能夠提高耦合模型在城市下墊面上的模擬精度。此外,為了解決觀測(cè)數(shù)據(jù)與區(qū)域模擬數(shù)據(jù)之間存在的尺度不匹配問(wèn)題,同時(shí)剔除非目標(biāo)地類覆蓋區(qū)的通量貢獻(xiàn),在驗(yàn)證方法中結(jié)合了Footprint模型,以計(jì)算出城市下墊面對(duì)站點(diǎn)通量數(shù)據(jù)的貢獻(xiàn)源區(qū)范圍和相對(duì)權(quán)重。在CLMU、CLMU與原BEM耦合模型、CLMU與MBEM耦合模型等對(duì)顯熱通量的模擬性能比較實(shí)驗(yàn)中,CLMU與MBEM的耦合模型取得了最為穩(wěn)健且精度最高的模擬結(jié)果,證明了該模型系統(tǒng)的優(yōu)越性。其次,本文應(yīng)用CLMU與MBEM的耦合模型,以中國(guó)典型中等規(guī)模城市徐州市的主城區(qū)為研究區(qū),通過(guò)定量模擬的方法研究2002-2015年期間城市化過(guò)程對(duì)熱環(huán)境的影響。模擬結(jié)果表明,隨著城市化進(jìn)程的加劇,研究區(qū)熱環(huán)境產(chǎn)生以下變化:(1)城市近地表氣溫的高值區(qū)有明顯擴(kuò)張趨勢(shì),并對(duì)城市化過(guò)程的敏感性主要表現(xiàn)在冬夏兩季。其中,研究區(qū)年度平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫全部升高。(2)年均人為熱逐年增長(zhǎng),從3.32W/m~2增至10.32W/m~2。隨著建筑物密度與高度的增加,長(zhǎng)短波輻射的“截陷”效應(yīng)增強(qiáng),建設(shè)用地中具有較高凈輻射地區(qū)的面積增長(zhǎng)了40.08%。年均顯熱通量由30.14W/m~2增至42.42 W/m~2,增幅為40.74%。(3)相對(duì)熱島強(qiáng)度的中高溫區(qū)域擴(kuò)展明顯,在研究期間中溫以上區(qū)域面積比例由59.37%增加到77.28%。因此,推斷得出城市化進(jìn)程的發(fā)展是導(dǎo)致近地表氣溫升高、陸-氣間顯熱交換加劇、城市熱島效應(yīng)增進(jìn)的主要原因之一。最后,本文利用統(tǒng)計(jì)分析、敏感性分析和情景模式設(shè)計(jì)等方法,從土地覆蓋類型、人為熱排放和凈長(zhǎng)波輻射三個(gè)角度,探討了城市化對(duì)熱環(huán)境的影響,以及由此帶來(lái)的能量平衡變化與熱環(huán)境之間的相互關(guān)系:(1)近地表氣溫與城市熱島強(qiáng)度的空間分布與下墊面土地覆蓋類型關(guān)系密切,同時(shí)不同下墊面覆蓋類型對(duì)熱島效應(yīng)的促進(jìn)與緩解具有顯著影響;(2)在夏季時(shí),人為熱排放能夠?qū)Τ鞘泄趯觾?nèi)氣溫產(chǎn)生±2℃的影響,且室內(nèi)空調(diào)目標(biāo)調(diào)節(jié)溫度較低時(shí)會(huì)增加城市熱島形成的概率;(3)凈長(zhǎng)波輻射是驅(qū)動(dòng)熱島強(qiáng)度日變化分布不同的可能原因之一。該論文有圖65幅,表24個(gè),參考文獻(xiàn)330篇。
【學(xué)位單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：X16;TU119
【部分圖文】：

1緒論5圖1-2城市地表輻射平衡示意圖[38]Figure1-2Schematicdepictionoftheradiationbalancesoftheurbansurface[38].圖1-3城市地表能量（左）和水文（右）平衡示意圖[38]Figure1-3Schematicdepictionoftheenergy(left)andwater(right)balancesoftheurbansurface[38].其次，城市地區(qū)集中的人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)會(huì)消耗大量的化石能源，這些能源在能量釋放過(guò)程中必定會(huì)向周?chē)h(huán)境排放有害氣體和顆粒物，當(dāng)這些排放超過(guò)大氣的凈化閾值時(shí)，會(huì)改變大氣組成成分，導(dǎo)致大氣污染等后果。此外由于燃燒還會(huì)產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體，導(dǎo)致城市區(qū)域產(chǎn)生的溫室效應(yīng)比郊區(qū)顯著。

1緒論5圖1-2城市地表輻射平衡示意圖[38]Figure1-2Schematicdepictionoftheradiationbalancesoftheurbansurface[38].圖1-3城市地表能量（左）和水文（右）平衡示意圖[38]Figure1-3Schematicdepictionoftheenergy(left)andwater(right)balancesoftheurbansurface[38].其次，城市地區(qū)集中的人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)會(huì)消耗大量的化石能源，這些能源在能量釋放過(guò)程中必定會(huì)向周?chē)h(huán)境排放有害氣體和顆粒物，當(dāng)這些排放超過(guò)大氣的凈化閾值時(shí)，會(huì)改變大氣組成成分，導(dǎo)致大氣污染等后果。此外由于燃燒還會(huì)產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體，導(dǎo)致城市區(qū)域產(chǎn)生的溫室效應(yīng)比郊區(qū)顯著。

1緒論11圖1-5單層模型示意圖：（a）所有表面都與相同的大氣下邊界相互作用[41]；（b）城市冠層內(nèi)與冠層與邊界層之間的風(fēng)廓線[45]Figure1-5Schematicviewofsingle-layerurbansurfaceschemes:(a)allsurfacesinteractwiththesameatmosphericlevel[41];(b)windprofilewithinandabovethecanopy[45].此外，還有其他更加詳細(xì)的描述“城市峽谷”的參數(shù)化方案，比如增加對(duì)不同方向的道路和墻面的考慮。Mills基于建筑物街區(qū)選擇了一個(gè)幾何內(nèi)核作為單層模型的基本概念框架[80]。Kusaka等人[81]開(kāi)發(fā)的單層模型與TEB非常相似，但是對(duì)于“城市峽谷”的處理相較于TEB更為復(fù)雜，對(duì)于“城市峽谷”的內(nèi)部劃分更加細(xì)致。②多層模型當(dāng)采用多層模型時(shí)，與大氣之間的交換作用發(fā)生在地面以及幾個(gè)與建筑物接觸的大氣層之間（如圖1-6所示）。在這個(gè)模型中，每個(gè)表面的能量平衡仍然要計(jì)算，但是大氣性質(zhì)諸如風(fēng)速和氣溫將不再假設(shè)，它們將依賴于冠層與空氣之間的相互作用。此外，多層模型能還夠表示“峽谷”空氣和粗糙子層中湍流統(tǒng)計(jì)廓線。然而，這種改進(jìn)是以直接與大氣模型相互作用為代價(jià)的，因?yàn)榇髿饽Ｐ椭械膭?dòng)力學(xué)方程將根據(jù)“城市峽谷”的特征在拖曳項(xiàng)、加熱項(xiàng)等方面進(jìn)行修改。這使得這些城市方案變得復(fù)雜。對(duì)于大氣模型，耦合取決于方程及其離散化。多層模型耦合至大氣模型的過(guò)程會(huì)比單層模型復(fù)雜許多，尤其是耦合過(guò)程取決于模型算法及其中的離散化程度。
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本文編號(hào)：2854903