捷克布尔诺市局部气候区室外热舒适的时空变化模拟外文翻译资料

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捷克布尔诺市局部气候区室外热舒适的时空变化模拟

Jan Geletič , Michal Lehnert , Stevan Savić , Dragan Miloscaron;ević

摘要：本研究使用MUKLIMO_3城市气候模型(在德国,Mikroskaliges城市3 - Dimensionen KLImaMOdell)和从城市气候测量网络为了模拟,验证和分析人类的时空模式户外热舒适的布尔诺(捷克共和国)在热-波的周期。利用空气温度和相对湿度数据，采用HUMIDEX热指数(一种用于量化人体热暴露的热指数)来评估人体的舒适度。城市被划分为局部气候区(LCZs)，以获得城市内部热舒适的差异。基于城市监测网测量数据对模型结果进行验证，证实了MUKLIMO_3微尺度模型具有模拟城市区域及其邻近区域热舒适主要时空模式的能力。结果表明，在大多数情况下，不同的LCZs在室外热舒适方面存在显著差异。最密集的LCZ类型(LCZs 2、3、5、8和10)被揭示为城市中最不舒适的区域。因此，这些区域记录了极大的不适状态(HUMIDEX n40)，主要发生在下午(CEST时间13.00 - 18.00)，而一些热不适持续到夜间。相比之下，稀疏建成区lcz9和非城市LCZs的HUMIDEX值明显较低，表明城市人口的热条件较好。有趣的是，该模型捕捉到LCZs中，随着植被(LCZs a和B)和较大水体(LCZ G)附近的存在，空气湿度引起的局部HUMIDEX值增加。

1.介绍

随着可用数据源的不断增加，计算能力的迅速发展和新的方法论方法的出现，城市cli- matology正经历着从描述性、经验性工作到重建气候模型的转变(Mills, 2014)。与此同时，城市化的加剧和全球气候变化提高了人们对城市环境中小气候控制的认识，因为它可以减少热应激，有助于改善城市的生活环境(Mutani and Fiermonte, 2017)。热应力增加的问题在城市地区的结果被称为城市热岛(热岛)因此直接关注的那些mu;- nicipal当局承认他们的福祉inhabi——经常是至关重要的,在许多方面,整个城市的福祉。研究人员对这种对城市气候过程建模的关注作出了反应，或预期了这种关注，并且最近开发了各种用于(数值)建模的小网格模型和框架。

首先，也是最明显的，城市气候建模方法是使用区域气象或气候模型。然而，这些典型的操作水平分辨率为数百米到数十公里，城市过程是通过体参数化或单层/多层城市冠层模型(如Kusaka et al.， 2001;Martilli等，2002)。因此，这些模型更适合在更大规模的气象调查中评估城市环境的影响。

独立参数化模型，如SOLWEIG模型(Lindberg et al.， 2008)， RayMan (Matzarakis et al.， 2010)， TUF-3D模型(Krayenhoff and Voogt, 2007)， TUF-IOBES模型(Yaghoobian and Kleissl, 2012，基于TUF-3D)， TEB (Masson, 2000)，或SUEWS (Jarvi et al.， 2011)。这些包括一些特定的物理过程(如辐射、潜热通量、水平衡)，同时它们通过统计和气候模型或气象测量来参数化空气流动。

最详尽的方法由一组计算流体动力学(CFD)模型组成。湍流的显式模拟计算量大;因此，必须采用各种技术使计算可行，通常是基于限制待重新求解的紊流的长度尺度和时间尺度的范围。目前应用于城市气气学研究的CFD模型大多基于雷诺-平均纳维-斯托克斯(RANS)方程，如envio -met (envio -met, 2009)、MITRAS (Schlunzen et al.， 2003)、MIMO (Ehrhard et al.， 2000)和MUKLIMO_3 (Sievers, 2012);西弗斯,2014)。在RANS模型中，对整个湍流谱进行了细化，因此只能预测平均流量。这允许使用相对较大的时间步长，导致适度的计算要求，但物理上的限制是不可避免的，因为城市冠层内的湍流涡旋的相互作用不能明确地接近。大涡模拟(LES)模型可以用来克服这一不足。这些方法使用尺度分离来显式地解析tur- bulence光谱的大部分，而在“子网格尺度”模型中只参数化最小的涡流;PALM (Maronga et al.， 2015;Resler et al.， 2017)和DALES (Heus et al.， 2010)。

本研究基于MUKLIMO_3模型，这是使用RANS方程的最先进的模型之一，由Deutscher Wetterdients (Sievers, 1995);该模型应用于捷克共和国第二大城市及其周边。

HUMIDEX是一个相对简单的基于空气温度和湿度的热舒适指数(详见2.3节)，由加拿大Atmo- spheric Environment Service的Masterton和Richardson(1979)开发。其结果与干燥温度(以摄氏度为单位)具有直接可比性，其值与相应的热舒适度相关，使得该指标具有广泛的可理解性。

HUMIDEX没有考虑任何其他主要因素影响- ing热应力(例如风速和平均辐射温度)。drsquo;ambrosio Alfano等人(2011)已经解决了这些限制。然而，在建模和模型价值方面，与更复杂的指数(例如通用热气候指数[UTCI]和生理等效温度[PET])相比，它的主要优势在于更广泛地获得有代表性的输入样本。特别是，HUMIDEX验证数据的高可获得性(例如，与通常由另一个子模型计算的平均辐射温度相比，现场空气温度和湿度测量)值得推荐。因此，HUMIDEX被广泛用于处理大规模和/或长期趋势分析的研究中(Dankers和Hiederer, 2008;Błażejczyk Twardosz, 2010;Mekis等人，2015)。湿润指数城市气候研究中的应用也很普遍(Błażejczyk Twardosz, 2010;Bokwa和Limanowka, 2014;Giannopoulou等，2014;Oleson等，2015;Středova et al ., 2015)。Hamdi等人(2016)在最近的城市气候模型中，使用HUMIDEX和1公里分辨率动态降尺度技术，在比利时布鲁塞尔的arpeg - climate全球气候模型的A1B场景中进行模拟。Ho et al。(2016)模仿湿润指数的空间分布在大温哥华地区使用回归模型验证的网络城市气象站,发现在某些领域(par - ticularly稀疏组合)基于湿润指数的明显的温度可能超过气温times;N 5°C。

在上述研究的基础上，本研究应用了局地气候区(LCZs)的概念，获得了具有代表性的spa单元，用于分析不同类型城市邻里和LULC之间的HUMIDEX差异。根据加拿大城市气候学家Stewart和Oke(2012)的定义，LCZs是具有均匀地表覆盖结构、材料和人类活动的区域。在水平尺度上，它们的覆盖范围从几百米到几公里不等。LCZs的分类被设计成通用的，并且从其性质可以立即为涉及城市地区的更广泛的专家(当地决策者、城市专家、建筑师、生态专家和其他专家)所理解。LCZs目前在UHI的大多数主要研究中被使用(如Alexander and Mills, 2014;Stewart等，2014;Leconte等，2015;Unger等，2017)。LCZs也被用于最近的城市cli- mate模型(如Alexander等，2015;Bokwa等，2015;Geletičet al ., 2016)。

特定目的本研究强调我们的意图提供城市气候模型的验证结果,将那些形状的理解更广泛的社区环境,在布尔诺市(捷克共和国):我)来模拟和验证spatiotem——细孔的湿润指数模式在布尔诺的热浪发生在2015年8月,采用MUKLIMO_3模型;ii)利用广泛认可的LCZ分类，分析不同城市街区热舒适的时空格局及其差异;和iii)与中欧城市的气温相比，评估湿度可能在多大程度上影响室外热舒适的时空格局。

2.数据和方法

2.1研究区域

Brno及其周边研究区域位于捷克共和国东南部(图1)。Brno是一个拥有40万居民的地区首府。土地登记面积230平方公里,其中125平方公里被归为紧凑型城市发展(莱纳特和Geletič,2017)。布尔诺的城市结构有一个明确的历史核心，周围是住宅区，其次是工业区。拥有中高层预制混凝土住宅小区的大型区域通常在市中心之外形成独立的紧凑开发单元。在郊区，有大面积的购物中心和仓库。这个城市东南的景色很美

图1所示。Brno在中欧的位置和研究区域的划分，与紧凑的城市发展边界

Brno是一个农业特征，作物生产密集，而城市西北部的大部分土地都是森林(图2)。布尔诺主要位于盆地地形，然而，复杂的是这也有许多山体。研究区内海拔190米至479米，西部和北部海拔较高。较低缓的地形是研究区域南部和东部的典型地形。

图2所示。布尔诺的局部气候区，具有参考站的位置和紧凑的城市结构边界。站点id说明见表1

布尔诺气候属温带(科彭气候分类中的暖夏湿润陆表气候)。1961-2000年参考期间平均年气温9.4℃，年平均相对湿度75%，年平均降水量500mm (Dobrovolny et al.， 2012)。

2.2气象数据

本研究的目的,热浪被定义为一个contin——uous段至少三天最高温度30°C, N没有precipita -与风速(v)和b 5 msminus;1 (Geletičet al ., 2016)。研究分析了室外热舒适条件

2015年夏季热浪(4 ~ 14 Au-狂风)期间的HUMIDEX值，是近几十年来Brno时间最长的一次。具体分析时间为4天:2015年8月5日、8日、11日和14日。

MUKLIMO_3模型所需的输入气象数据(更多细节见2.3节)包括5个级别的大气垂直剖面(气温、相对湿度和风速)、风向、云量以及水和土壤温度(Deutscher Wetterdienst, 2014)。垂直剖面得到从ALARO区域气候模型所提供的Zentralanstalt毛皮Meteorologie和Geodynamik (ZAMG),而地面数据(风向、土壤温度等)得到来自捷克水电-气象研究所(CHMI)站位于Brno-Tuřany(发信息给鲍思高堂另,ID 11;见图2)。

模型验证的气象数据来自14个站点:12个站点来自本地气象监测网，2个站点由业余气象学会(AMET)运营;各站按WMO标准(WMO- no . 1)每隔10分钟测量一次空气温度和湿度。8、CIMO指南);(见下表1)。利用Masterton和Richardson(1979)公式- la推导出相应的小时HUMIDEX值(见2.3节)。

LCZ LCZ类(Geletič和莱纳特,2016;修改);NDVI - nor- malised植被指数测量植被的数量;密度-建筑物的密度(%)在200米半径的车站。

2.3 MUKLIMO_3

利用三维数值模型MUKLIMO_3 (Mikroskaliges Urbanes KLImaMOdell)对城市气候模型进行了模拟。这是一个基于雷诺-平均纳维-斯托克斯(RANS模型)方程设计的非静水微尺度模型，用于模拟建筑物存在时的大气流场(Sievers and Zdunskowski, 1985;西弗斯,1995)。该模型的热力学版本包括:空气温度和湿度的预测方程;用多孔介质方法参数化未解决的建筑物(Gross, 1989);短波和长波辐射；土壤中热量和水分平衡(Sievers et al.， 1983);以及基于Siebert等人(1992)的植被模型。MUKLIMO_3还考虑了建筑表面的摩擦效应和气流分离产生的湍流。湍流通量的热量、水分和动量计算了一阶闭合方案(Žuvela-Aloise, 2016)。Sievers和Fruh(2012)描述了在未解决堆积问题的环境中，用于计算地面、建筑物墙壁和屋顶短波辐照度的数值方法。城市织物内存储的热量通过计算模拟的分子从外墙表面热通量到城市结构(反之亦然),这取决于温度梯度在建筑物的墙壁和预定义的值的传热系数和热容的墙(Fruh et al ., 2011)。该模型还考虑了云层对辐射的影响。然而，它不包括云过程、降水、水平径流或人为热源。蔬菜——受到树冠模型中有三个垂直层:树顶,树干和低植被(Žuvela-Aloise, 2016)。土地利用类别是根据当地气候区确定的。对于每个土地利用类别，定义了一组参数来描述土地利用属性和城市结构(见表2)。

利用MUKLIMO_3对研究区4天的空气温度场和相对湿度场进行了研究。模型域面积为25times;25 km，空间分辨率为100 m。初始条件和边界条件是由城市外站(不受UHI影响)获得的大气条件随时间变化的一维剖面提供的。该模型模拟了城市温度、相对湿度、风速、风向和能量通量的日循环。一维模型的垂直分辨率为52层，三维模型的垂直分辨率为39层(近地表网格间距较大)。一维模型从美国东部时间08.00(协调世界时06.00)开始，输入A

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