【摘要】：人類活動對氣候的影響是氣候?qū)W研究中的重要課題。城市氣候便是在區(qū)域氣候的背景下,在人類活動和城市化的共同影響下形成的特殊局地氣候。城市居民和各項設(shè)施在每天的生活和生產(chǎn)中消耗大量能源,排放越來越多的人為熱。上海作為國際金融中心,快速發(fā)展的主要特征之一便是原有的土地利用方式的改變。其密集的人口、交錯的道路、林立的建筑物等共同形成了性質(zhì)特殊的下墊面,并且隨著城市化進程日益加速,城市熱島現(xiàn)象愈發(fā)嚴重。 文章正是從這一角度出發(fā),在對大量氣象數(shù)據(jù)進行小波和EMD經(jīng)驗?zāi)B(tài)多尺度分析的基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)問題,探討城市下墊面在城市氣候中所起的作用。通過使用ENVI、IDL和ARCGIS等軟件,數(shù)字化上海市航片得到完整下墊面建筑信息；在此基礎(chǔ)上定量定性的分析計算城市人為熱排放與城市氣溫及都市空調(diào)使用之間的關(guān)系；最后修正新一代中尺度模式系統(tǒng)(ARWWRF)中下墊面土地利用類型數(shù)據(jù),并耦合城市冠層模型(UCM)的進行數(shù)值模擬研究和對比試驗,探討下墊面數(shù)據(jù)、城市覆蓋層模型UCM和人為熱各自對城市氣候要素的影響。主要工作及結(jié)論如下： (1)研究發(fā)現(xiàn)上海近136年來的氣溫變化總體處于一個持續(xù)增暖的過程中,近30年來的增溫速度超過了以往任何一個時期。其次存在著準70a周期振蕩,該時間尺度上氣溫主要表現(xiàn)為冷-暖-冷-暖四個階段,40年代的暖期和60年代的冷期構(gòu)成了上海20世紀氣溫變化的主要特征。此外還存在著準2a的周期震蕩。在不同的時間尺度上,在1920’s后期和1959’s后期有較為明顯的溫度突變點。 (2)上海近136年來的降水量變化以短時間尺度的周期振蕩為其主要變化規(guī)律,分別是2-3a、5a、8-10a和40a。其中以40a的周期振蕩最為顯著,特別是在20世紀初到中后期振蕩變化清晰。在更長的時間尺度上,這一地區(qū)的降水量正處于上升階段,而20a以下的時間尺度則相反。 (3)對2004年和2009年上海冬季和夏季的城市熱島分別進行小波和EMD的多尺度分析,小波中心的正負振蕩形式很好的與熱島形成對應(yīng)關(guān)系,在不同尺度下冬夏兩季均呈現(xiàn)出明顯的日變化周期。冬季熱島主要發(fā)生于傍晚及夜間,而夏季熱島主要在午后發(fā)展強盛,符合春夏較弱,秋冬強的特性。同時由于城市化的影響,2009年熱島強度較之2004年總體上升0.4-0.5℃,并且表現(xiàn)出夏季熱島強度增大更快的特征。 (4)在ENVI、IDL和ARCGIS的輔助下,利用上海市航片進行了上海市下墊面建筑信息數(shù)字化。得到相對完整的上海市建筑物分布、高度數(shù)據(jù),為研究都市人為排熱奠定了基礎(chǔ),并由此對ARWWRF模式中的土地利用數(shù)據(jù)做了修正,擴大城區(qū)面積,使其更準確的反應(yīng)實際情況。 (5)利用上海市近50年各區(qū)縣月均溫數(shù)據(jù),統(tǒng)計分析了各區(qū)與崇明夏季每五年均溫差,發(fā)現(xiàn)熱島效應(yīng)由市區(qū)中心向郊區(qū)延伸,范圍越來越大,特別是20世紀80年代開始溫差呈較大幅增加,城市熱島現(xiàn)象顯著；繪制人為熱排放流程圖,并將城市人為熱源進行分類,分析所有可能成為人為熱排放源的設(shè)施以便定性及控制研究；對供給,消費和排出三種階段的計算方法進行對比歸納,根據(jù)目的不同分別使用；估算上海近30年燃油排熱、燃煤排熱以及人為熱排放總量；統(tǒng)計上海市區(qū)和郊區(qū)的年均溫及年均溫差隨時間變化及其與人為熱排放之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)兩者之間有很好的相關(guān)性；并根據(jù)上海工業(yè)區(qū)、建筑物以及道路的空間分布,得出上海人為熱的空間分布。 (6)就上海市夏季空調(diào)使用排熱對上海市溫度影響進行了定性研究,在數(shù)字化航片得到的建筑物信息基礎(chǔ)上假設(shè)樓層和空調(diào)密度之間存在相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)空調(diào)排熱與地面溫度反演有著非常良好的一致性,同時也是造成上海城市高溫的主要因素之一。 (7)耦合城市冠層模型UCM,利用ARWWRF模式對上海地區(qū)春季大氣邊界層的風(fēng)場、溫度場以及邊界層高度等特征值分別進行了土地利用數(shù)據(jù)修正前后的數(shù)值模擬研究,對比結(jié)果,發(fā)現(xiàn)下墊面土地利用類型由耕地等類型變?yōu)槌鞘泻?水平風(fēng)速顯著減小,呈現(xiàn)明顯城市拖曳作用；垂直速度增大,并由于白天陸面加溫作用更為顯著,在地面風(fēng)場的作用下高溫中心出現(xiàn)偏于下風(fēng)方向；近地面氣溫和邊界層高度均更貼近實測值。 (8)為進一步說明城市化對城市氣候的影響,設(shè)計不同實驗,結(jié)果顯示,使用修正后數(shù)據(jù)、啟動城市冠層模式并加入人為熱得出的溫度模擬結(jié)果最為接近觀測值,對于分別代表市區(qū)、郊區(qū)及快速城市化地區(qū)的冬、夏季模擬結(jié)果與實測值相關(guān)系數(shù)R均達到0.9以上。各因子對城市氣溫的影響根據(jù)其所占百分比不同依次為UCM城市模塊下墊面土地利用類型人為熱排放。城市下墊面較之非城市下墊面的增溫作用顯著,海風(fēng)登陸后通過相同距離不同性質(zhì)下墊面后,經(jīng)過上海市區(qū)的增溫幅度可達4.61℃,遠遠大于經(jīng)過非市區(qū)的1.81℃。 基于以上工作,我們對城市化有了更為直觀的理解,也對城市氣候的特殊性、復(fù)雜性有了更深刻的認識。城市作為我們?nèi)祟惿罹劬拥膮^(qū)域,其內(nèi)部機制、時空分布規(guī)律、能量交換都極為復(fù)雜。快速的城市化正成為城市氣候?qū)W者們研究的主要方向之一,而統(tǒng)計方法、數(shù)值模擬則發(fā)揮著無可取代的作用。怎樣合理的利用模式、修改模式也成了我們工作中重要的科學(xué)問題。
【圖文】：

1873一2008年年均氣溫趾平和趨勢Figure.1ThedePartureandtrendofyearIyaveragetemPeratureinShanghaiduring1873一2008圖1中為1873一2008年上海市年平均氣溫序列的距平及趨勢線。由圖1可得，19405以前氣溫總體相對較低，，呈現(xiàn)出振蕩變化狀態(tài);19405到19605氣溫較之前略微升高;19605到19805后期氣溫變化相對平緩，但在19905之后呈急劇振蕩上升。從趨勢線可知，上海市近136年氣溫升溫率趨向1.48℃八00a。4.2.2小波變換結(jié)果分析對于墨西哥帽小波變換結(jié)果，尤其值得注意的是小波變換系數(shù)對某一時間尺度過零點的位置，即對應(yīng)于該時間尺度下的氣候突變點�！W馨馨馨 馨馨馨馨 薰 薰 薰薰 薰

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