在耦合WRF城市模拟系统中增强水文模型外文翻译资料

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在耦合WRF城市模拟系统中增强水文模型

Jiachuan Yang · Zhi-Hua Wang · Fei Chen ·

Shiguang Miao · Mukul Tewari · James A. Voogt ·

Soe Myint

摘要：城市化改变了地表能量和水资源收支，对地方和区域水文气候有重要影响。近几十年来，已经开发了许多城市冠层模型，并将其应用于天气研究和预报（WRF）模型中，以捕获城市地表过程的特征。由于缺乏对城市水文过程的现实再现，这些大多数模型是存在不足的。在这里，我们在WRF模型中对单层城市冠层模型实现了城乡水文过程的物理参数化。新的单层城市冠层模型集成了（1）人为潜热，（2）城市灌溉，（3）路面蒸发，（4）城市绿洲效应。新的WRF城市建模系统根据四个不同城市的现场观测进行评估，结果表明，与当前方案相比，模型性能得到显着改善，特别是对于潜热。为了评估作为城市热岛减缓战略中绿色屋顶的性能，我们在城市冠层模型中整合了一个多层绿色屋顶系统，由物理城市水文计划启用。模拟表明，绿色屋顶能够降低表面温度和显热通量以及提高建筑能效。

关键词：绿色屋顶;水文模型;区域水文气候;城市冠层模型;城市灌溉; WRF模型

1引言

全球人口已日益城市化：到目前为止，世界人口的52％居住在城市，到2050年这一比例预计将增加到67％（United Nations 2012）。自然地形不断转化为城市用地，以满足不断增长的城市人口的需求。城市化改变了地表能量和水汽平衡，导致局部和区域水文气候的显著变化（Zhang et al .2009; Song and Wang 2014）。另一方面，预计全球气候变化会导致更加频繁的极端性气候的发生，如热浪和严重洪水，给城市环境带来额外的挑战（Field et al.2014）。快速的城市增长和气候变化对能源和水的可持续性提出了严格的约束，使得城市更容易受到一些环境问题的影响（Arnfield 2003）。

因此，必须了解未来城市化和气候变化的综合影响，以制定人为引起的环境问题的适应/减缓战略。在过去十年中，许多城市冠层模型被引入到中尺度模式中以表示地表过程，并为上层大气提供现实的下界条件（e.g. Martilli et al. 2002; Chen et al. 2004）。为了模拟地表和大气之间的交换，将中尺度大气和城市冠层模型耦合，从而中尺度模型可以预测地表的气象强迫。在耦合框架中，天气预报模式（WRF） - 城市模拟系统已广泛应用于数值天气预报，区域气候，应急响应，空气质量和水资源。 Chen et al. (2011)评估了耦合WRF城市模拟系统对于城市环境问题的评估能力及其跨尺度模拟的能力。目前在WRF模型中有四个城市参数化选项，它们耦合到Noah地表模型，即大量参数化，单层城市冠层模型（SLUCM）（Masson 2000; Kusaka et al. 2001）多层城市冠层模型（Building Energy Prediction, BEP）（Martilli et al. 2002）和BEP模型加上室内外建筑能量交换模型（Salamanca等人2010）。耦合的WRF城市建模系统已应用于主要大都市区域，其性能已经在各种地面观测（包括大气探测和风廓线测量）中得到了验证。上世纪中后期的城市气候也已经用模式系统进行了研究（Kusakaetal.2012b）。同时，其他研究也探讨了不同城市参数对于能量平衡、近地面气温、风场和大气边界层高度的模拟的影响（Kusaka et al.2001; Salamanca et al.2011 ; Song and Wang 2014）。总的来说，Noah/ SLUCM系统的模拟性能是稳定的，并且真实捕获了城市地表过程。

在中尺度大气 - 城市耦合模式系统中，大气模型的精度取决于城市区域的参数化（Song and Wang 2014）。在国际共同的努力下，城市参数化方案得到了广泛地比较，并对现场观测进行了评估（Grimmond et al. 2010, 2011）。这个比较将潜热通量确定为模式证明能力中最弱的那个量。这是因为大多数模式不足以计算城市水资源收支，将复杂的城市水文过程和城市植被过分简化。还存在各种问题：例如，Masson（2000）将表层拦截水模拟为小型水库，并且在城市地区考虑了雪效应，但是没有明确地解决人为水收支的问题。Lee and Park（2008）和Wang（2014a）在SLUCM中考虑了高大的树木，但忽略了亚表面水分输送。在目前的Noah / SLUCM系统中， Kusaka et al. （2001）使用瓦片方法代表城市植被，其中总通量被估计为来自不透水表面和植被表面通量的平均值。除了城市植被，唯一考虑的水文过程是降雨后的蒸发; 使用具有蒸发参数的虚拟饱和表面来模拟蒸发。有的城市冠层模型根本不考虑植被并且不计算潜热通量，即使是在降雨过后（Grimmond et al. 2010）。 城市水文过程的这些简化方案的净效应就是预测和观测的潜热通量之间的平均均方误差可以与潜热通量本身一样大（Grimmond等人2010，2011）。因此，这通过陆地 - 大气相互作用向大气水文循环过程中引入了重大误差。

因此，精确表示水收支对于理解城市区域的水文过程至关重要。 与自然地形相比，城市地表由相当一部分铺面构成。虽然由于表面孔隙度，局部斜率梯度和表面凹陷铺面可以储存一定的水，但是从城市冠层模型中铺面蒸发的水已经被大大地忽略了。从积水路面的蒸发，特别是在降水过程中以及降水过后不久，环境中会产生大量水分通量（Ramamurthy and Bou-Zeid2014）。复杂的城市水文的另一个来源来自于人为源，包括从商业建筑物释放水和城市灌溉。 此外，与自然地形相反，相当一部分的城市植被呈现为孤立的斑块，例如树篱，路边景观树和花园植物。沿着由较低粗糙度表面包围的植被冠层的上风向边缘，由于缺乏对辐射和气流的接收的障碍，平流和“嵌套线效应”（Hagishima et al. 2007）导致更高的蒸散。 因此，斑驳的城市植被具有更高的潜在蒸发率，这一现象被称为绿洲效应（Oke，1979）。

为了解决城市水循环模型中的挑战，Wang et al。 （2011a，2013）开发了一个改进的SLUCM，以纳入详细的水文过程，包括植被和工程表面的蒸发，水运输的子面异质性和多层绿色屋顶系统。该模型的能力已在不同气候条件下得到现场观测的验证（Sun et al. 2013; Wang et al. 2013）。 最近，Miao和Chen（2014）向Noah / SLUCM系统中引进了城市灌溉，绿洲效应和人为潜热。 受这项近期工作的启发，本研究的目的是通过合并基于物理的代表性和城市水文过程的研究，进一步改进和测试集成的Noah / SLUCM模式系统的可靠性和可预测性。我们的目标是：（1）增强和评估当前Noah/ SLUCM系统中城市水文过程模型;（2）评估多层绿色屋顶的物理参数化在减轻城市环境问题中的能力。数值模拟是由气象强迫驱动并与地表能量收支进行比较，同时由北京（中国），蒙特利尔（加拿大），温哥华（加拿大）和菲尼克斯（美国）的四个城市站点的协变量测量值得到。

2方法

2.1单层城市冠层模型

单层城市冠层模型的示意图如图1a所示。 建筑阵列表示为一个二维的并且无限长的街道峡谷。 为了更好地捕捉城市水循环，我们包含了以下水文过程：（1）来自工程路面蒸发;（2）多层绿色屋顶的能量和水平衡;（3）城市灌溉; （4）人为热通量; 和（5）城市绿洲效应。下面提供了每一个过程的详细描述。相比于当前WRF模式中的SLUCM方案，这里开发的城市冠层模型明确地解释了表面异质性。特别是，由绿色屋顶构成的建筑屋顶以及具有不同水热性能的工程屋顶（图1b）。 新的Noah/ SLUCM系统中的表面能平衡由以下给出，

,

(1)

其中R_n是净辐射，Q_F是人为热通量，LE，H和G分别是潜热，感热和地热通量。 具体来说，由城市（不透水）和植被景观组成的WRF城市网格内的潜热通量计算为，

(2)

(3)

(4)

其中Q_ALH是人为潜热通量，f_urb是城市景观的部分，

下标urb，veg，gr，r，g和w分别表示城市景观，植被景观，绿色屋顶，屋顶，地面和墙面，E_P是潜在蒸发速率，C_H是考虑其他变量对蒸发影响的的系数,alpha;_oasis是绿洲参数，无量纲变量r和h分别代表标准化的屋顶宽度和建筑物高度。 LE_urb是使用单层城市冠层模型计算得出的，而LE_veg是使用Noah地表模型计算得到。

2.2不可透水地表的蒸发量

与自然地形（土壤和植被）相反，工程表面承认更简单的水文过程。 如图1b所示为铺砌的屋顶，由于路面的多孔性，保水层存在于不透水的基准的上方。该层也存在于墙壁和路面上，水保留在盖层内并用做蒸发源。 工程路面的潜热通量由（Wang et al.2013）给出，

，

(5)

其中Phi;是工程材料的孔隙率，d_eng是取决于路面材料的最大保水深度，delta;是由下式给出的保水深度,

（6）

图 1 . a单层城市冠层模型的示意图，b绿色屋顶和工程屋顶。下标R，W和G分别表示屋顶，墙壁和地面的性质; (b)中的d_eng是最大值铺砌表面的保水深度.

其中P是降水强度。 以前的研究已经确定了不同的值d_eng; 例如，Grimmond和Oke（1986）使用0.59mm的值来表示不透水表面的保留能力，而Ramamurthy和Bou-Zeid（2014）对地面混凝土和沥青路面采用了1 mm的值。 在本研究中，我们将d_eng分别设置为1，0.2和1 mm，用于工程屋顶，墙壁和地面。

2.3多层绿色屋顶的水平衡

多层绿色屋顶系统的示意图如图1b所示。与传统的屋顶相比，它在混凝土甲板的顶部具有三个附加层，即植被 - 土壤，生长介质和排水层。 所有三层由多孔材料组成，其体积含水量theta;用垂直离散法计算。中间层中的theta;的时间和空间分布由Richards方程的扩散形式给出，

(7) 其中D（theta;）和K（theta;）分别是依赖于theta;的液压扩散性和导电性。方程7是从达西定律，假定刚性，各向同性和均匀的土壤得出的。来自绿色屋顶的总潜热通量由下式得到，

(8)

其中下标dir，c和t表示从顶层土壤的直接蒸发，由植被冠层拦截的沉积物的蒸发和通过植被的蒸腾。 这三个组成部分的细节可以在社区Noah地表模型中找到（Chen和Dudhia 2001）。在绿色屋顶系统中，植被 - 土壤层的深度和生长介质层与植物类型和根深度密切相关，根据植被类型，植物类型和根深度可以从约0.05m变化到超过1m（Dvorak和Volder 2010）。为简单起见，这里我们使用0.15 m的恒定厚度用于生长介质和土壤 - 植被层。 排水层是构造成将排水水分输送出去的薄层，因此其深度的模型没有明确地建立。

2.4城市灌溉

先前已经开发了用于估计城市灌溉的几种方法，包括使用场测量，最小月数法和能量平衡法(Mayer和Deoreo 1999; Senay等人2007）。然而，这些中的许多在地方或区域尺度上是计算上简单并且不准确的（JohnsonandBelitz2012）。以前的研究定性的讨论了北京（MiaoandChen2014）

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