基于廣州市2009, 2000和1990年工業(yè)、交通、生活能源統(tǒng)計數(shù)據(jù),通過能源清單法估算出廣州市對應(yīng)年份的人為熱排放量,再通過在WRF模式中引入2009, 2000和1990年的下墊面數(shù)據(jù)和人為熱排放方案,對2005, 2012和2017年廣州市的3次持續(xù)高溫過程進行模擬,從而評估不同年代人為熱排放水平對廣州市極端高溫天氣的影響.結(jié)果表明,模擬的2m氣溫較為準(zhǔn)確,能合理模擬出城市地區(qū)的熱島效應(yīng),但對極端高溫的模擬略有偏低,而引入人為熱有助于改善模擬結(jié)果.在case2012中, 2009, 2000和1990年3種人為熱排放水平使廣州城市下墊面的平均氣溫分別上升0.53, 0.44和0.13℃,熱島強度增強0.43, 0.38和0.13℃. 3個模擬個例的結(jié)果均表明,日間的人為熱排放比夜間大,但夜間氣溫及熱島強度的變化比日間要明顯.
【部分圖文】：

本文采用的數(shù)值模式版本為WRFv3.7.1.WRF模式是由美國國家大氣研究中心、美國國家大氣海洋局預(yù)報系統(tǒng)實驗室、美國國家大氣環(huán)境研究中心和俄克拉荷馬大學(xué)暴雨分析預(yù)報中心等多單位聯(lián)合發(fā)展起來的新一代非靜力平衡中尺度數(shù)值模式,耦合了包括云微物理、積云、邊界層、陸面等眾多參數(shù)化方案[24].模式以ECMWF的ERA-Interim資料作為初始條件和邊界條件.模擬時段為2012年7月30日08:00～2012年8月3日08:00(北京時,下同),由于模式開始運行后需要時間達到穩(wěn)定,因此選取7月31日00:00～8月2日23:00的模擬結(jié)果進行分析,該段時間內(nèi)廣州市受1210號熱帶氣旋“蘇拉”外圍下沉氣流影響出現(xiàn)了連續(xù)高溫天氣.本文還對另外兩個高溫天氣過程進行了模擬,并把3個個例的結(jié)果進行比較,這兩個過程出現(xiàn)在2005年7月17～19日、2017年8月6～8日,分別是受0505號熱帶氣旋“海棠”和副熱帶高壓影響,模擬方案與2012年過程相同.本文把2005,2012和2017年過程分別稱為case2005,case2012和case2017.模擬試驗采用三重嵌套方案(圖1),三重區(qū)域范圍分別為中國中部和南部、華南和廣州市,對應(yīng)網(wǎng)格距和網(wǎng)格數(shù)分別為27km(160×130),9km(193×172)和3km(40×52).在參數(shù)化方案方面,云微物理方案采用WSM6方案,邊界層方案采用BouLac PBL方案,陸面方案采用Noah LSM方案,并在最內(nèi)層網(wǎng)格采用了單層城市冠層模型(UCM).UCM中包括了一系列反映城市構(gòu)造和氣象性質(zhì)的參數(shù),利用UCM可以大大提高對城市地區(qū)模擬的準(zhǔn)確性[25].WRF模式自帶了USGS和MODIS兩種下墊面數(shù)據(jù),分別代表了1992年和2004年的下墊面狀況[26]但這兩套下墊面數(shù)據(jù)在城市用地日益擴張的背景下已顯得滯后[27].因此,本文引入了地球氣候變化觀測研究組(EOCC)提供的一套基于多源衛(wèi)星平臺和中國土地利用資料的下墊面數(shù)據(jù)集,這套數(shù)據(jù)包含了1980,1990,2000和2009年的中國下墊面狀況[28],下墊面類型包括了城市用地、各類植被、農(nóng)用地、水體等17類,可以清楚反映出中國各地區(qū)在不同年代的城市化進程.以EOCC數(shù)據(jù)替代WRF自帶的下墊面數(shù)據(jù),與實際城市用地情況更為吻合,本文挑選了1990,2000和2009年的下墊面數(shù)據(jù)進行應(yīng)用.為討論方便,本文把城市用地稱為“城市下墊面”,把其它土地覆蓋類型統(tǒng)稱為“其它下墊面”.如圖2所示為3個不同年代廣州的城市用地情況,1990年廣州的城市用地主要集中在中部偏南一帶,到了2000和2009年,廣州城市用地面積有了明顯的增加.

WRF模式自帶了USGS和MODIS兩種下墊面數(shù)據(jù),分別代表了1992年和2004年的下墊面狀況[26]但這兩套下墊面數(shù)據(jù)在城市用地日益擴張的背景下已顯得滯后[27].因此,本文引入了地球氣候變化觀測研究組(EOCC)提供的一套基于多源衛(wèi)星平臺和中國土地利用資料的下墊面數(shù)據(jù)集,這套數(shù)據(jù)包含了1980,1990,2000和2009年的中國下墊面狀況[28],下墊面類型包括了城市用地、各類植被、農(nóng)用地、水體等17類,可以清楚反映出中國各地區(qū)在不同年代的城市化進程.以EOCC數(shù)據(jù)替代WRF自帶的下墊面數(shù)據(jù),與實際城市用地情況更為吻合,本文挑選了1990,2000和2009年的下墊面數(shù)據(jù)進行應(yīng)用.為討論方便,本文把城市用地稱為“城市下墊面”,把其它土地覆蓋類型統(tǒng)稱為“其它下墊面”.如圖2所示為3個不同年代廣州的城市用地情況,1990年廣州的城市用地主要集中在中部偏南一帶,到了2000和2009年,廣州城市用地面積有了明顯的增加.表1是模擬試驗的設(shè)計對比,主要針對模式的最內(nèi)層網(wǎng)格.比較這6個試驗的結(jié)果,可以得到不同年代人為熱排放的影響.

工業(yè)人為熱的排放量通過把廣州市工業(yè)生產(chǎn)總值轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)熱量計算得出,假定工業(yè)總產(chǎn)量白天占60%(09:00～17:00),夜間占40%(其余時次),且白天和夜間各時次的消耗均等,可得到24h的工業(yè)人為熱排放大小.交通人為熱的排放量通過把廣州市內(nèi)汽車所消耗的汽油總量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)熱量得出,假設(shè)廣州1d中車流量的時間變化與Sailor等[29]的研究相似,在下午17:00車流量最大,可得到交通運輸所產(chǎn)生的熱量時間變化.生活人為熱排放通過把廣州市區(qū)的生活耗能轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)熱量計算得出,假設(shè)生活人為熱排放在上班前(07:00)和下班后(18:00)各有一個峰值,在凌晨03:00排放最低,可得到生活熱量排放的時間變化.圖3給出了1990,2000和2009年廣州市的人為熱排放量,可以看出人為熱排放在20a間明顯增大,2009年的人為熱量排放是2000年的3.2倍,更是達到了1990年的18.3倍.而在工業(yè)、交通和生活3類排放中,工業(yè)排放占主導(dǎo)地位,交通排放量的大小和生活排放量差別不大.圖4 1990,2000和2009年廣州市城市下墊面人為熱排放量日變化
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