俄克拉何马城低空急流对夜间城市热岛强度的影响外文翻译资料

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俄克拉何马城低空急流对夜间城市热岛强度的影响

XIAO-MING HU

Center for Analysis and Prediction of Storms, University of Oklahoma, Norman, Oklahoma

PETRA M. KLEIN AND MING XUE

Center for Analysis and Prediction of Storms and School of Meteorology, University of Oklahoma, Norman, Oklahoma

JULIE K. LUNDQUIST

Department of Atmospheric and Oceanic Sciences/Renewable and Sustainable Energy Institute, University of Colorado, Boulder, Colorado

FUQING ZHANG

Department of Meteorology, The Pennsylvania State University, University Park, Pennsylvania

YOUCUN QI

Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing, China, and Cooperative Institute for Mesoscale Meteorological Studies, University of Oklahoma, Norman, Oklahoma

(Manuscript received 21 September 2012, in final form 24 January 2013)

摘要

之前分析的俄克拉何马城(OKC)、俄克拉何马州，温度数据显示,城市热岛效应(UHIs)经常在夜间形成，观测到的热岛强度是可变的 (1°–4℃)。目前的研究主要集中在确认2003年7月OKC夜间UHI强度变化的气象现象。利用观测数据和天气研究与预报模型的模拟，详细研究了两个集，一个具有强UHI信号，一个具有弱信号。与低空急流(LLJs)相关的机械混合在调节夜间UHI强度方面发挥了关键作用。在LLJs较弱的夜晚或LLJs不存在的夜晚，由于辐射冷却，夜间垂直混合减弱，乡村地面产生强烈的逆温。在这样的条件下观测到的浅层稳定边界层(SBLlt;200m)在城市内部发生了强烈的变化，因为更粗糙和更温暖的地面特性导致了垂直混合侵蚀了近地面逆温。因此,在相当高度测量到的夜间城市冠层温度都高于附近农村站点(大约~3℃–4℃)。然而，在有较强LLJs的夜晚，急流促进了夜间边界层的湍流混合。因此，大气稳定性要弱得多，而城市效应在改变SBL结构方面的作用则要小得多;因此, 在强LLJs时UHI强度较小(lt;1℃)。乡村逆温强度可以作为UHI强度的一个指标，这一发现表明，夜间边界层的结构对UHI的评估很重要。

1. 引言

正在进行的全球城市化趋势在局地和区域范围内造成了土地使用的变化。城市地面比乡村地面更粗糙，也更干燥，城市景观的三维性质进一步改变了辐射和地面能量平衡。因此，众所周知，城市会在多个尺度上影响天气和气候。城市天气变化中的最广为人知和最深入研究的现象之一是所谓的城市热岛效应(UHI)，在这种效应中，大都市地区的近地面温度通常比周围乡村地区高(Oke 1976, 1982; Arnfield 2003)。热应力、空气污染和相关的公共卫生问题等生物物理危害与UHI的发展有关(Zhang等，2009; Zhou和Shepherd，2010; Steeneveld等，2011; Chow等，2012; Fischer等，2012)，如果全球气候变化导致区域热浪频率增加，城市人口面临的风险就会更高。日平均热岛强度,是在城市冠层温度与周边农村地区之间的差异被量化,据报道已达到1°–3℃甚至更高(Shahgedanova等，1997; Morris等，2001; Gedzelman等，2003; Liu等，2006; Grimmond 2007; Zhang等，2007; Fung等，2009; Miao等，2009; Mohan等，2012; Loughner等，2012; Br和sma和Wolters 2012)。

UHI强度与城市的内在特征 (Oke 1981, 1982; Grimmond 2007; Rizwanetal. 2008; Hidalgo等，2008; Nichol等，2009; Georgakis等，2010; Ryu和Baik 2012; Mohan等，2013)和外部气象因子(Oke 1982;Mihalakakou等，2002) 有关。Oke等人(1991)使用了一个简单的能量平衡模型来评估在平静、无云条件下UHI常见内在原因的相对重要性，这些原因包括人为热量、城市材料的热力性质/水分有效性、街道峡谷几何形状和城市温室气体。在Ryu和Baik(2012)进行的建模研究中，前三个因素被确定为导致UHI强度的主要内在原因。Mohan等人(2013)还报告说，由于建筑物的密度不同，德里不同地区的UHI强度存在显著差异。已知的影响UHI强度的外部气象因素包括云量、太阳辐射和风速(Unger等，2001; Morris等，2001; Fast等，2005; Souch和Grimmond 2006; Alonso等，2007; Steeneveld等，2011)。不同时间、不同地点的UHI强度对气象因子的依赖性差异显著。Runnalls和Oke(1998)报道说在加拿大不列颠哥伦比亚省温哥华，夜间UHI量级随着风和云量的增加而降低。Morris等，(2001)发现澳大利亚墨尔本的UHI与风速和云量的四次根近似成反比，但回归关系的保真度因季节而异，因为其他因素也可能变得重要。Fast等，(2005)报道，亚利桑那州凤凰城的夏季UHI随着云层覆盖的增加而减少，而它对地面风速的依赖性则可以忽略不计。在一项关于匈牙利城市UHI强度季节变化的研究中，与气候有关的云量和风速对UHI在一年中的特定月份的发展起着消极作用(Unger等，2001)。荷兰城市UHI强度的调查一般与入射太阳辐射和地面风速的相关性较弱，但不同城市之间的依赖性不同(Steeneveld等，2011)。尽管在过去的几十年里，人们对UHI现象的相关因素、强度和空间范围的理解有所提高，但仍然需要通过时间、天气条件和结构属性来估计和预测UHI强度的方法(Arnfield 2003)。Stewart(2011)还强调需要更好地记录用于确定UHI强度的观测地点的元数据，并建议使用当地气候区分类系统，而不是通常使用的乡村和城市地区的两类分类(Stewart和Oke 2012)。

2003年,俄克拉何马城,俄克拉何马州(OKC;35.468 762°N, 97.516 304°W),横跨 ~1610 km²,人口 ~523 000。它是美国陆地面积最大的10个城市之一。OKC的城市化面积在630km²左右，明显小于总面积。嵌入城市化区域的是一个明确界定的中央商务区(CBD)，占地约20km², 2003年平均建筑高度在50-70m左右，最高建筑高度为152m (Burian等，2005)。Basara等人(2008)研究了OKC中UHI的一般特征。在2003年7月，OKC夜间 (当地时间约2100 - 0600)平均热岛强度大约为1.5℃,白天热岛强度下降到约为0.5℃。即使一直观察夜间UHI,其强度也是变化的,在个别的夜晚UHI值介于1°- 4℃ (Basara等，2008; Klein等，2010)。观测到的UHI强度日变化与普遍接受的UHI主要是一种夜间现象的观点一致(Tumanovetal. 1999; Lemonsu和Masson 2002; Arnfield 2003; Souch和Grimmond 2006; Basara等，2008; Cui和de Foy 2012; Camilloni和Barruc和 2012)。关于在OKC和其他城市造成夜间UHI每日变化的因素，仍有一些悬而未决的问题。

大多数UHI研究得出的结论是，UHI信号在夜间最强。因此，UHI现象和夜间边界层(NBL)的其他特征之间的相互作用特别令人感兴趣。夜间活动的低空急流(LLJ)，在最低2公里内风速达最大的一股快速流动的气流(Blackadar 1957; Hoecker 1963; Bonner 1968; Stull 1988; Whiteman等，1997)，是北美大平原NBL的显著特征之一。与夜间LLJ相关的水平风的垂直切变对在急流最大值或“鼻”与地球表面之间的大气层中湍流的产生起着重要作用((Banta等，2003, 2006; Balsley等，2008)。与“传统”边界层(地面产生湍流并向上输送)不同，LLJs的风切变会在高空产生湍流并向下输送，形成“倒置”边界层(Mahrt和Vickers 2002; Banta等，2006)。在白天对流湍流混合减弱后，夜间LLJs形成，容许夜间风在稳定边界层以上加速至超地转风速(Blackadar 1957; Parish和Oolman 2010)。其他的机制也有助于急流加速。由于位势涡度守恒，科里奥利参数随纬度的增加可以加速向北移动的气流(Wexler 1961; Zhong等，1996)。地形坡度的昼夜加热和冷却循环也可以通过热成风的形成而促进夜间的非地转风分量，从而加速LLJ (Holton 1967; Ryan 2004)。基于LLJ的强度(即最大风速在急流鼻)以及在急流以上风速减小，LLJ有时主观上分为三类，分别为LLJ的强度在12 - 16m/s之间，在16 - 20m/s之间，以及在20m/s以上(Bonner 1968; Whiteman等，1997)。在过去的几十年里，美国中部的大平原夏季LLJ一直是众多调查的对象（Wexler 1961; Zhongetal. 1996; Whiteman等，1997; Higginsetal. 1997; Parish和 Oolman 2010）。它通常以地理位置为中心，从德克萨斯州北部到内布拉斯加州的南部大平原，在俄克拉何马州北部和堪萨斯州南部，在水分、动量和空气污染物的输送中起着重要作用。

更近期的研究集中于LLJs的气候描述(Song等，2005；Zhang等，2006; Lundquist和Mirocha 2008），地形在LLJ演化中的作用(ing和Wang 2006; He和Zhang 2010; Sun和Zhang 2012)，改进了LLJ的分析描述(Shapiro和Fedorovich 2009, 2010)，以及LLJ对NBL结构、动力学和混合的影响(Banta等，2002, 2003)。到目前为止，在几乎没有LLJs数据的城市和附近区域内 (例如，De Wekker等，2004; Wang等，2007; Lundquist和Mirocha 2008; Kallistratova和Kouznetsov 2012)已经能够测量得到。Wang等(2007)在联合城市 2003 (JU2003)示踪实验中，用多普勒激光雷达和两个雷达风廓线仪测量了LLJ廓线(Allwine等，2004)。利用激光雷达的距离-高度指示器扫描，他们可以研究城市效应对LLJ高度和强度的影响。在市区上空，LLJs比郊区深约25-100米，急流鼻以下的速度比郊区低约10%-15%。De Wekker等人(2004)和Lundquist和Mirocha(2008)也得出结论，LLJs在JU2003实验中经常被观察到。在LLJ底部的强切变被发现可诱导强大的湍流混合，可以向下传播到地面(Banta等，2006; Lundquist和Mirocha 2008)。Kallistratova和Kouznetsov (2012)利用声雷达对俄罗斯莫斯科及附近的LLJ进行了研究。他们还观察到，城市地区的急流比农村地区的急流更高、更弱，他们用UHI的影响来解释这一点。

虽然这些城市研究强调了城市效应对LLJ动力学的影响，但仍不清楚LLJ动力学在多大程度上影响UHI的发展和强度。由于UHIs和LLJs在OKC都会区都是经常被观测到的，因此这是进一步研究这两种夜间现象相互作用的理想地点。本文通过研究2003年7月OKC夜间UHI强度的日变化及其与LLJ发展的关系，验证在LLJ轴下由切变生成的湍流混合在调节UHI强度中发挥重要作用的假设。为了验证这一假设，本文分析了JU2003年近地面气象变量和边界层廓线的观测结果。利用天气研究和预报(WRF)模型，3.4版本(Skamarock等，2008)进行了数值模拟，并与俄克拉何马中尺度观测网 (McPherson etal. 2007)的数据进行了比较，为区域尺度的天气模式和城乡对比提供了更多的见解。模拟还可以评估乡村逆温强度在UHI强度预测中的效用。

本文组织如下。在第2节中，描述了本研究中使用的WRF模拟的数据集和配置。在第3节中，通过观测和模型模拟对LLJs和UHI之间的关系进行统计检验。本文在第4节中总结了主要的发现，并讨论了模型模拟的不确定性以及对LLJs未来研究的启示。

1. 方法
2. 观测

JU2003示踪剂实验((Allwine等，2004),在OKC市区从2003年6月28日至7月31日进行了现场试验,其作为

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