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《中南林业科技大学》 2017年
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典型天气条件下长株潭城市群景观格局的气候响应机制研究

廖秋林  
【摘要】:为了掌握典型天气条件下长株潭城市群景观格局发展的气候响应机制,为优化城市群绿地系统规划提供科学理论依据,在1993、2001、2009三个年度的USGS和MODIS卫星景观格局遥感资料和2020年城市群土地利用规划的基础上,结合极端气温和区域平均风速小于4 m.s-1的2009年7月18日夏天典型天气和2009年1月13-14日冬天典型天气的NCEP1° X1° FNL格点数据的再分析资料,制定了 8个试验方案,运用WRF动力框架耦合城市冠层方案平台进行模拟,对模拟结果的地表能量平衡、风场、热场、湿度场、边界层数值高度进行分析。结果表明:当区域平均风速低于4m.s-1情况下,洞庭湖区和东部山区森林对城市群气候起着控制作用。在夏季的下半夜,风主要由东部海拔较高的山区冷空气向长株潭三城市东侧幅合,穿过株洲并从长沙东面吹向较暖和的洞庭湖地区;在早上,东北部和东南部形成三个空气下沉中心,冷空气下沉;长株潭中心形成暖空气上升中心,空气上升,东、西部海拔较高的山区的冷风向长株潭三城市幅合,然后向东北幅散。在下午,风由洞庭湖区吹向西南部陆地较暖和地区。上半夜,南风向西偏转,东部山风下降吹向长株潭并在西部形成东南风。在冬季下午,风由洞庭湖吹向南部;上半夜,风由东部吹向长株潭核心地区,北风开始向西偏转;在下半夜,东风开始向长株潭地区幅合,一部分流向西北洞庭湖区,一部分流向西南地区。早上,在长株潭形成气流上升中心,在醴陵附近各形成一个较强的下沉中心,区域西北部的西风、东部的东风向长株潭核心地区幅合,流经长株潭地区后,一部分向西南偏转,一部风向西北方向偏转,流向洞庭湖等较暖和地区。长株潭城市热岛环流对城市群气候有着重大影响。在夏季早上,随着地表温度升高,长株潭中心形成暖空气上升中心,空气上升,东、西部海拔较高的山区的冷风向长株潭三城市幅合,然后向东北幅散,形成长株潭城市热岛环流,引导冷空气向中心地区幅合,降低热岛强度。在冬季早上,随着城市群核心地区地表温度升高,在长沙西侧、湘潭西侧形成两个较强的气流上升中心,在长沙北部也形成一个较强的气流上升中心,在醴陵附近各形成一个较强的下沉中心,区域西北部的西风、东部的东风向长株潭核心地区幅合,流经长株潭地区后,一部分向西南偏转,一部风向西北方向偏转,流向洞庭湖等较暖和地区,形成城市热岛环流,对城市气候其中重大的调节作用。城市群景观格局对城市群气候有着重大影响。从1993年到2020年,夏季日平均向上热量通量累计增长5.45 w.m-2,年均升高0.21 w.m-2;2009、2020年的日平均向上热量通量分别为44.85 w.m-2、46.01 w.m-2,上升1.15 w.m-2。冬季,2009、2020年日平均向上热量通量分别为38.17w.m-2、38.35w.m-2,升高0.17w.m-2,年均升高0.02 w.m-2。夏季日平均地表潜热通量累计增长7.05 w.m-2,年均升高0.26w.m-2;09、20年日平均地表潜热通量分别为13.50w.m-2、16.64w.m-2,年均升高0.15w.m-2。冬季日平均地表潜热通量总体呈增长趋势;2009、2020年日平均地表潜热通量升高0.15w.m-2。随着城市扩大,热岛环流气流上升中心南移,下降中心北移,冬夏季日平均风速下降,但随着城市群不断扩大,下降幅度减弱,2009、2020年的日平均风速分别为1.74m.s-1、1.70m.s-1,下降-0.04m.s-1;冬季日平均风速累计下降-0.15m.s-1,年平均下降-0.006 m.s-1,2020年比2009年日平均风速下降-0.05 m.s-1。日平均温度总体呈上升趋势,累计上升0.37k,年平均增长0.014k;09、20年的日平均温度分别为305.64 k、305.63 k,下降-0.01k。冬季日平均地表温度累计上升0.03k,年平均增长0.001k。2009、2020年日平均温度分别为275.50 k、275.52 k,增长了 0.02k。夏季日平均比湿下降,冬季日平均比湿增长,夏季日平均比湿累计下降0.00105,年平均下降0.000039,2009、2020年日平均比湿分别为0.01775、0.01771,下降-0.00004。冬季日平均比湿累计上升1.52 E-05,年平均增长5.63E-07,2009、2020年日平均比湿分别为0.00099、0.00099,增长了 0.84E-05。日边界层高度平均高度季呈增长趋势,夏季日平均层高累计上升29.05m,年平均上升1.08m,2009、2020年日平均高度分别为764.43 m、764.48m,升高了 0.05 m。冬季日平均层高上累计上升3.33m,年平均增长0.12m,2009、2020年日平均高度分别为345.48 m、343.59m,下降1.89 m。随着城市扩大,城市形态对城市气候有着重大影响。城市地表向上热量通量在夏季基本处于较高水平,维持正值时间延长,明显高于周边地区,范围与城市扩大边界基本一致,冬季大部分时间处于负值状态,和周边地区区别不明显。2009、2020年的地表向上热量通量达260w.m-2、270 w.m-2以上,高出周边约10-140w.m-2,内部地出现了 10-40 w.m-2的差异。地表潜热范维持区域相对较低的状态,夏季明显低于周边地区,但冬季不明显。2009年、2020年夏季潜热差值在 4 w.m-2、5-10 w.m-2 左右。2009 年、2020 年冬季潜热差值约 10-40 w.m-2、30 w.m-2左右。夏季城市区域夜间风速提高,白天风速减缓,与周边地区差别明显;冬季市区白风速低于周边地区,但差别不明显。2009、2020年,城市夏季夜晚风速分别约在3.0m.s-1、2.0m.s-1,高于周边地区;白天风速约在1.0-1.4m.s-1、0.2-0.8 m.s-1左右,低于周边地区。在冬季,白天风速在1.2-2.0m.s-1左右,夜晚在0.5m.s-1左右,低于周边地区。长株潭三城市在夜间形成区域的热岛,热岛面积随着城市扩大而扩大,热岛边界与城市扩大边界基本一致,夏季热岛强度达2-4℃,冬季大1-2℃。城市冬夏季比湿低于周边地区,但夜间与周边地区差别不明显。在夏季,2009、2020年三城市的比湿在0.015-0.018、0.014-0.017之间,明显低于周边地区,形成干岛。在冬季,城市白天比湿略低于周边地区,但夜间与周边地区差别不明显。夏季边界层层高在20时明显高于周边地区,范围大于城市扩大边界并向下风方向延伸,冬季边界层层高与周边地区差别不明显。湘江和绿心地区对城市气候调节有重要作用。绿心地区是东风向长株潭幅合的重要通道,地表向上热量通量、潜热通量增长明显,风速降低,比湿升高,温度下降,边界层层高升高,对周边地区有着重要的气候调节作用。夏季白天,湘江温度低于城区2-4℃,有降温作用,冬季夜晚具有升温作用,调节周边城市温度。湘江对周边地区和下风方向地区有明显增湿作用,提高比湿约0.001-0.004左右。长株潭城市群土地利用规划没有很好解决城市热岛问题,从2009年到2020年,长株潭城市群日平均地表温度呈上升趋势,热岛强度达2-4℃,需进一步加强城市群绿地系统和区域绿色通风通道敏感性试验研究。绿心地区尽管具有一定的城市气候调节功能,但具体的调节机制仍需进行进一步的绿地敏感性研究。
【关键词】:人居环境 城市气候 绿地系统 土地利用 WRF
【学位授予单位】:中南林业科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TU982.2;P463.3
【目录】:
  • 摘要4-7
  • ABSTRACT7-14
  • 1 绪论14-52
  • 1.1 背景14-22
  • 1.1.1 城市气候变化与绿地的生态气候作用14-19
  • 1.1.2 长株潭城市群的发展19-22
  • 1.2 研究目的与意义22
  • 1.2.1 目的22
  • 1.2.2 意义22
  • 1.3 国内外研究进展22-49
  • 1.3.1 相关概念22-27
  • 1.3.2 长株潭城市群的城市气候变化27-28
  • 1.3.3 城市气候响应机制研究进展28-34
  • 1.3.4 绿地的生态气候调节机理机制研究进展34-38
  • 1.3.5 研究方法进展38-47
  • 1.3.6 主要问题与展望47-49
  • 1.4 研究对象与主要范围49
  • 1.5 研究内容49
  • 1.6 研究思路49-51
  • 1.6.1 系统的思路49-50
  • 1.6.2 数值模拟思路50
  • 1.6.3 典型天气条件思路50
  • 1.6.4 方案对比的思路50-51
  • 1.7 研究技术路线51-52
  • 2 研究区域概况、数据来源与研究方法52-76
  • 2.1 研究区域概况52-57
  • 2.1.1 区位52
  • 2.1.2 自然地理概况52-54
  • 2.1.3 社会经济概况54
  • 2.1.4 核心区规划概况54-57
  • 2.2 数据来源与处理方法57-61
  • 2.2.1 地形资料57
  • 2.2.2 景观格局资料来源与处理方法57-59
  • 2.2.3 规划数据来源与处理方法59-60
  • 2.2.4 背景场数据来源与处理方法60-61
  • 2.2.5 天气分析数据来源与处理方法61
  • 2.3 数值模拟平台61-63
  • 2.3.1 垂直坐标系统61-62
  • 2.3.2 动力框架62-63
  • 2.4 陆面过程与城市冠层方案63-71
  • 2.4.1 陆面过程方案63-67
  • 2.4.2 城市冠层方案67-71
  • 2.5 模拟试验方案设计71-73
  • 2.5.1 景观格局方案71-72
  • 2.5.2 模拟试验方案72-73
  • 2.6 参数化方案73-74
  • 2.6.1 物理过程参数化方案73
  • 2.6.2 城市冠层参数化方案73-74
  • 2.7 初始条件与边界嵌套方案74-76
  • 3 试验数据处理结果与分析76-102
  • 3.1 气象数据处理结果与分析76-98
  • 3.1.1 大尺度环流背景分析76-84
  • 3.1.2 天气背景分析84-98
  • 3.2 景观格局数据处理结果与分析98-102
  • 4 结果与分析102-304
  • 4.1 夏季试验分析102-200
  • 4.1.1 地表能量通量分析102-136
  • 4.1.2 风场分析136-152
  • 4.1.3 地表2m温度场分析152-168
  • 4.1.4 湿度场分析168-183
  • 4.1.5 边界层分析183-200
  • 4.2 冬季试验分析200-295
  • 4.2.1 地表能量通量分析200-233
  • 4.2.2 风场分析233-248
  • 4.2.3 地表2m温度场分析248-264
  • 4.2.4 湿度场分析264-280
  • 4.2.5 边界层分析280-295
  • 4.3 模拟统计检验295-304
  • 4.3.1 2m高气温模拟统计检验295-300
  • 4.3.2 风速模拟统计检验300-304
  • 5 结论与讨论304-310
  • 参考文献310-329
  • 附件329-332
  • 致谢332

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