苗世光王迎春

（1 中國氣象局北京城市氣象研究所，北京 100089；2 北京市氣象局，北京 100089）

基于用戶需求的城市氣象研究：進(jìn)展與展望

苗世光1王迎春2

（1 中國氣象局北京城市氣象研究所，北京 100089；2 北京市氣象局，北京 100089）

城市化是人類社會(huì)現(xiàn)代化發(fā)展過程中的必然趨勢。城市化帶來的土地利用/土地覆蓋的變化、人為熱排放、城市氣溶膠和人為溫室氣體排放增加，影響著天氣、氣候和環(huán)境；另一方面，天氣、氣候和環(huán)境亦影響城市的安全運(yùn)行和居民的生產(chǎn)生活。簡要回顧了城市氣象觀測和數(shù)值模擬研究兩方面的主要進(jìn)展，分析了城市氣象復(fù)雜多樣的用戶需求（例如防災(zāi)減災(zāi)、宜居城市建設(shè)等），剖析了目前城市氣象監(jiān)測與預(yù)報(bào)能力的不足。在此基礎(chǔ)上，以不斷提高氣象科技為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人民安全福祉的服務(wù)能力作為未來城市氣象發(fā)展的主線，給出了城市氣象未來發(fā)展方向的展望，主要包括城市氣象觀測、城市氣象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集、城市陸面與邊界層過程、城市精細(xì)預(yù)報(bào)、氣候與氣候變化、城市空氣質(zhì)量與污染擴(kuò)散、人體健康七個(gè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究發(fā)展趨勢。最后，分析了目前城市氣象發(fā)展面臨的新挑戰(zhàn)，倡導(dǎo)建立城市氣象觀測與數(shù)值模擬以及城市氣象研究與用戶需求之間的良性互動(dòng)。

城市氣象，用戶需求，進(jìn)展，展望

1 引言

城市化是人類社會(huì)現(xiàn)代化發(fā)展過程中的必然趨勢。從全球范圍看，一個(gè)國家城市化程度是其經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度，特別是工業(yè)化水平高低的一個(gè)重要標(biāo)志，發(fā)達(dá)國家的城市化程度已經(jīng)普遍超過75%。截至2012年底，我國城市化率已達(dá)到52.6%，城鎮(zhèn)人口突破七億[1]。我國城市面積的快速拓展，特別是城市群發(fā)展之迅速，在世界城市發(fā)展史上是罕見的，其中尤以京津冀、長江三角洲、珠江三角洲三大城市群的迅猛發(fā)展為代表。

城市化帶來的土地利用/土地覆蓋的變化、人為熱排放、城市氣溶膠和人為溫室氣體排放增加，影響天氣、氣候和環(huán)境[2-3]；另一方面，由于城市系統(tǒng)的脆弱性，天氣、氣候和環(huán)境狀況亦高度影響城市的安全運(yùn)行和居民的生產(chǎn)生活[4]。城市的可持續(xù)發(fā)展、防災(zāi)減災(zāi)、宜居城市建設(shè)和應(yīng)對氣候變化對城市氣象服務(wù)的需求也越來越高，城市化進(jìn)程中出現(xiàn)的“超大城市”、“城市群”造成的天氣、氣候和大氣環(huán)境效應(yīng)研究，是當(dāng)前國際社會(huì)和科學(xué)界所共同關(guān)注的重大社會(huì)科學(xué)和自然科學(xué)的前沿課題之一[5-7]。

本文將基于對城市氣象用戶需求的梳理，剖析目

前城市氣象監(jiān)測與預(yù)報(bào)能力的不足。簡要回顧城市氣象研究的主要進(jìn)展，以不斷提高氣象科技為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人民安全福祉的服務(wù)能力作為未來城市氣象發(fā)展的主線，給出城市氣象未來發(fā)展方向展望。

圖1 城市多尺度非均勻下墊面帶來巨大挑戰(zhàn)[8]

2 城市氣象研究進(jìn)展概述

城市中不透水的下墊面、建筑物、綠地等的多尺度非均勻分布（圖1），改變了城市地表及其下風(fēng)向區(qū)域的動(dòng)力、熱力、輻射和水文過程，導(dǎo)致了復(fù)雜的地氣相互作用（圖2）。與自然下墊面相比，城市地表增加了對太陽短波輻射的吸收，地表潛熱通量減小，再加上人為熱排放的影響，使得城市地區(qū)溫度明顯高于鄉(xiāng)村，因此向上長波輻射增大，同時(shí)地表感熱通量和熱存儲(chǔ)增大。城市建筑環(huán)境作為一個(gè)熱源、粗糙元、較差的儲(chǔ)水能力和污染源，是天氣―氣候系統(tǒng)

的一個(gè)重要強(qiáng)迫項(xiàng)[3]。表1給出了城市化對天氣―氣候的主要影響途徑。下面將簡要回顧近年來城市氣象研究取得的主要進(jìn)展。

圖2 城市地表能量平衡與鄉(xiāng)村地區(qū)的差別[9]

2.1 城市氣象觀測研究

2.1.1 城市氣象觀測試驗(yàn)和城市氣象觀測網(wǎng)

近年來，針對城市氣象和城市環(huán)境問題，美國、歐洲等地相繼組織了一些綜合觀測試驗(yàn)和研究計(jì)劃。Grimmond[10]和王迎春等[6]分別回顧了城市氣象觀測研究的進(jìn)展。這些觀測試驗(yàn)涉及：城市地表參數(shù)的獲?。ǚ凑章?、粗糙度、濕參數(shù)）、地表能量平衡、城市邊界層結(jié)構(gòu)、城市熱島效應(yīng)、城市環(huán)流與中尺度局地環(huán)流相互作用、城市對降水的影響、城市空氣污染等內(nèi)容。這些試驗(yàn)研究提升了城市作用對天氣、氣候影響機(jī)理以及對城市空氣質(zhì)量問題的認(rèn)識(shí)水平。WMO 在全球開展了一系列城市氣象和環(huán)境研究（GURME）項(xiàng)目，主要針對空氣質(zhì)量及其相關(guān)的氣象觀測，項(xiàng)目包括：北京大氣環(huán)境污染控制機(jī)制研究項(xiàng)目、莫斯科超大城市可持續(xù)發(fā)展氣象服務(wù)、用被動(dòng)采樣儀進(jìn)行空氣質(zhì)量觀測（美國NOAA）、拉丁美洲城市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的改進(jìn)以及上海城市氣象和環(huán)境研究示范。

國內(nèi)較全面的試驗(yàn)是2001—2003年在北京開展的大氣邊界層動(dòng)力、熱力、化學(xué)綜合觀測試驗(yàn)（BECAPEX），該試驗(yàn)獲取了北京城市大氣動(dòng)力和大氣化學(xué)三維結(jié)構(gòu)特征[11-12]。國家自然科學(xué)基金“九五”重大項(xiàng)目“長江三角洲地區(qū)低層大氣物理化學(xué)過程及其與生態(tài)系統(tǒng)的相互作用”在長江三角洲地區(qū)開展了水、熱與物質(zhì)通量輸送和轉(zhuǎn)化的綜合觀測試驗(yàn)[13]。另外，北京城市邊界層觀測試驗(yàn)（BUBLEX，2004年）[14]，南京市城市邊界層觀測（2005、2006年）[15]，國家科技部“973”項(xiàng)目“我國東部大規(guī)模城市化的氣候效應(yīng)及對策”在我國東部長三角特大城市群區(qū)，針對地表物理特性、陸面過程、城市冠層和大氣邊界層、大氣污染物及其輻射特性等，設(shè)計(jì)和開展多過程的協(xié)同強(qiáng)化觀測試驗(yàn)，國家科技支撐計(jì)劃“京津冀城市群高影響天氣預(yù)報(bào)中的關(guān)鍵技術(shù)研究”圍繞京津冀城市（群）局地環(huán)流與其對城市高影響天氣過程影響開展綜合觀測科學(xué)試驗(yàn)，重點(diǎn)對城市（群）山谷風(fēng)環(huán)流、熱島環(huán)流和海陸風(fēng)環(huán)流和邊界層結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測。這些試驗(yàn)均是在特定環(huán)境條件下開展的短期觀測試驗(yàn)，主要針對城市邊界層結(jié)構(gòu)、城市空氣質(zhì)量、城市化的天氣/氣候效應(yīng)等開展研究，同時(shí)亦用于數(shù)值模式的發(fā)展與檢驗(yàn)，并取得不同程度的進(jìn)展。

Wood等[16]介紹了長期運(yùn)行的研究級(jí)城市氣象觀測網(wǎng)——芬蘭赫爾辛基城市邊界層觀測網(wǎng)的儀器配置、初步結(jié)果及其局限性。Muller等[17]總結(jié)了近年來與城市氣象研究相關(guān)的中尺度、城市尺度和小尺度觀測網(wǎng)，從數(shù)據(jù)收集、管理、顯示、使用等方面分析了現(xiàn)狀和存在的問題，指出今后應(yīng)關(guān)注觀測網(wǎng)特征存檔、觀測方法和指南的標(biāo)準(zhǔn)化，并提出了一個(gè)城市氣象網(wǎng)元數(shù)據(jù)協(xié)議[18]，包括網(wǎng)絡(luò)及子網(wǎng)、觀測站、觀測儀器、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行四個(gè)方面的內(nèi)容。

2.1.2 新探測技術(shù)及應(yīng)用

近年來，新探測技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用為城市邊界層觀測提供了新途徑。風(fēng)廓線雷達(dá)和聲雷達(dá)可觀測水平風(fēng)、混合層高度、垂直速度的垂直廓線，多普勒激光雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)邊界層三維風(fēng)場觀測，差分吸收激光雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)邊界層水汽廓線觀測，地基微波輻射計(jì)可觀測水汽、溫度和云水的垂直廓線。另外，光導(dǎo)纖維溫度測量等新技術(shù)和無人駕駛飛機(jī)（UAV）、要素自動(dòng)采集器（HOBO）等新儀器平臺(tái)的發(fā)展為更高水平及垂直空間分辨率三維大氣觀測提供了可能[6]。

李炬等[19]在北京CBD地區(qū)約1.5km2范圍內(nèi)建立了由32個(gè)溫濕度固定監(jiān)測站（HOBO）組成的熱環(huán)境觀測網(wǎng)，分析了不同季節(jié)、不同天氣條件下CBD地區(qū)局地?zé)岘h(huán)境精細(xì)空間分布特征及變化規(guī)律，并開展了溫濕度流動(dòng)觀測，研究了流動(dòng)觀測技術(shù)在城市熱環(huán)境監(jiān)測中的適應(yīng)性和可靠性（圖3）。

基于空基遙感資料，可反演城市土地利用、城市熱島、氣溶膠、降水和水文氣象參數(shù)[20]，為城市氣象研究提供新的思路。

表1 城市化對天氣-氣候的主要影響途徑（修改自文獻(xiàn)[3]）

圖3 北京市朝陽區(qū)CBD溫度流動(dòng)觀測（2011-08-22 21∶05—22∶22，北京時(shí)）[19]

2.2 城市氣象數(shù)值模擬研究

2.2.1 城市陸面與邊界層過程數(shù)值模擬研究

近年來, 水平非均勻下墊面條件下大氣邊界層的研究在國際上日益受到重視，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到對實(shí)際地表湍流通量和中尺度通量機(jī)理的認(rèn)識(shí)、以及如何準(zhǔn)確地估算實(shí)際地表地氣之間物質(zhì)和能量的交換及其參數(shù)化，從而對陸面過程的研究以及區(qū)域和全球尺度模式的發(fā)展具有重要影響。由于非均勻地表動(dòng)力、熱力和水份分布的非均勻性，使得其上的湍流運(yùn)動(dòng)比均勻下墊面情形要更加復(fù)雜，無論觀測試驗(yàn)還是數(shù)值模擬都很困難。盡管國際上已經(jīng)開展了不少非均勻邊界層觀測試驗(yàn)、理論和數(shù)值模擬研究，提出了一些新的概念和方法，例如混合高度（blending height）概念，依此可修正非均勻地面的通量估計(jì)中平流作用的影響[21]，又如“馬賽克”方法，可用于改善次網(wǎng)格通量的估計(jì)。但是從目前來看，就相對均勻邊界層問題的研究而言，非均勻邊界層問題的研究比人們預(yù)想的還要復(fù)雜得多。無論是理論建模，還是數(shù)值模擬和觀測試驗(yàn)都遇到較大的困難。當(dāng)前科學(xué)界對非均勻問題的研究和了解仍處于粗淺的階段，非均勻下墊面條件下關(guān)于大氣邊界層結(jié)構(gòu)和湍流特性及與之密切相關(guān)的邊界層物理和能量與物質(zhì)輸送交換特性及其變化規(guī)律的研究尚有待深入開展[22-24]。

城市是最復(fù)雜的非均勻下墊面類型之一。目前對城市近地層結(jié)構(gòu)和湍流特性，形成了“城市冠層+粗糙子層+慣性子層+混合層”的結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)[25]。大量的觀測研究結(jié)果表明，城市冠層（Urban Canopy Layer）內(nèi)建筑物三維表面的能量平衡過程及由此誘發(fā)的對近地層大氣的通量交換過程與平坦下墊面顯著不同[26]，如果能詳細(xì)地描述出城市區(qū)域尺度數(shù)值模擬中城市冠層對上部大氣的能量、動(dòng)量和物質(zhì)交換的影響，大氣數(shù)值模式的預(yù)報(bào)及診斷效果就能得到很好的改進(jìn)。對于城市效應(yīng)及人為活動(dòng)影響大氣運(yùn)動(dòng)的可分辨程度及處理方法不同，小區(qū)尺度和微尺度的數(shù)值模擬中，水平分辨率多為數(shù)米至十幾米，建筑物是尺度可分辨的。而在城市區(qū)域尺度的數(shù)值模擬中，建筑物是尺度不可分辨的，須采用次網(wǎng)格的參數(shù)化方案考慮建筑物對大氣運(yùn)動(dòng)的影響，才能合理地模擬城市邊界層及氣象環(huán)境、大氣環(huán)境等的變化。隨著城市規(guī)模的擴(kuò)張，城市下墊面建筑物覆蓋率顯著增加，進(jìn)行城市環(huán)境、城市邊界層結(jié)構(gòu)等的數(shù)值模擬研究工作必須合理地考慮城市建筑物三維結(jié)構(gòu)對大氣運(yùn)動(dòng)的影響。由于城市建筑物對空氣的黏滯性和摩擦作用，城市邊界層內(nèi)有其獨(dú)特的風(fēng)切變特征。強(qiáng)的風(fēng)切變特征再加上地表顯著的儲(chǔ)熱特征，使城市邊界層內(nèi)的湍能得以充分發(fā)展成各種尺度的湍流渦旋。這種湍流交換或湍流混合構(gòu)成了通過邊界層向上或向下的質(zhì)量、能量和熱量的交換機(jī)制，從而使一定范圍的城市地表對自由大氣具有明顯的強(qiáng)迫作用。Roth[25]的研究指出，城市復(fù)雜非均勻下墊面影響邊界層結(jié)構(gòu)主要是通過以下兩個(gè)方面，其一為由于建筑物的存在對氣流產(chǎn)生拖曳影響，并使更多平均動(dòng)能向湍能發(fā)展；其二為建筑物對太陽短波輻射的陰影遮蔽影響，對地氣長波輻射的截限影響，及由于建筑物地表使地氣潛熱交換減小。粗糙子層的湍流

特性具有不同于自然下墊面的特征，城市地氣（動(dòng)量和熱量）交換過程由于下墊面的復(fù)雜結(jié)構(gòu)而遠(yuǎn)沒有被認(rèn)識(shí)清楚。

傳統(tǒng)的陸面模式對于城市效應(yīng)的處理僅通過改變下墊面動(dòng)力、熱力特征參數(shù)來體現(xiàn)[27]，而未能詳細(xì)考慮特殊的城市下墊面幾何特征對低層大氣動(dòng)力、熱力結(jié)構(gòu)和地表能量平衡的影響，導(dǎo)致城市陸面能量與水分平衡的模擬能力不足，成為影響城市氣象數(shù)值模擬研究能力的關(guān)鍵因素。為了精細(xì)描述城市化的天氣氣候效應(yīng)，2000年以來相繼發(fā)展了多種復(fù)雜程度的城市冠層模式[28-29]，主要包括：整體城市陸面模式[27,30]、單層城市冠層模式[31-32]和多層城市冠層模式[33-35]。Grimmond等組織的“國際城市地表能量平衡模式比較計(jì)劃”研究表明[36-37]：沒有任何一個(gè)模式對城市地表能量平衡的所有分量都有好的模擬效果，模式中合理考慮蒸發(fā)過程至關(guān)重要。

2.2.2 數(shù)值模式的城市化

國內(nèi)外已有許多學(xué)者將城市冠層模式引入到中尺度氣象模式[29]、氣候模式[38]以及大氣擴(kuò)散和空氣質(zhì)量模式[39]中，開展了城市熱島、邊界層結(jié)構(gòu)、及其對降水、污染擴(kuò)散影響等方面的研究工作。英國氣象局[40]和法國氣象局[31]已經(jīng)或者正在其業(yè)務(wù)模式中測試城市冠層模式的性能。北京市氣象局亦正在開展北京快速更新循環(huán)數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)BJ-RUCv2.0耦合城市冠層模式的效果測試，初步結(jié)果表明（圖4）：耦合后可在一定程度上改善了近地層氣象要素的預(yù)報(bào)效果，有效提高模式對城市邊界層特征的模擬能力。

由于城市和非城市區(qū)域?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)不同，并且城市范圍不斷擴(kuò)大，因此，為了更好地研究城市化對全球氣候的影響，需要在空間分辨率不斷提高的全球氣候模式（GCM）中加入對城市陸面過程的描述。目前國際上已經(jīng)開展了相關(guān)研究，但還處于起步階段。Oleson等[41-42]在GCM中加入城市參數(shù)化方案，并指出簡單的陸面模式無法反映城市地表能量平衡，進(jìn)一步導(dǎo)致無法反映城市化的氣候效應(yīng)，因此建立了一個(gè)城市冠層模式，并對城市化的氣候效應(yīng)做了初步評估。Jin等[43]亦指出，為了對城市天氣和氣候進(jìn)行建模，必須在全球和區(qū)域氣候模式中加入城市地表，并提出可以利用MODIS等衛(wèi)星資料建立城市方案。McCarthy等[44]在全球氣候模式HadAM3中加入了MOSES（Met Office Surface Exchange Scheme）城市陸面方案[40]，并對由CO2引起全球變化影響和城市化影響的貢獻(xiàn)比例進(jìn)行了估計(jì)，研究表明：城市化引起的土地利用改變和人為熱對氣溫升幅的貢獻(xiàn)在某些地區(qū)與CO2貢獻(xiàn)相當(dāng)，但該結(jié)論還有較大不確定性。

2.2.3 空氣質(zhì)量與應(yīng)急模擬

圖4 BJ-RUCv2.0中采用新土地利用分類資料和城市冠層模式效果的對比測試（基于2010年04月30天預(yù)報(bào)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析）

目前的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)大多采用化學(xué)傳輸模式與氣象模式離線耦合方式[45-46]。即，用氣象模

式每30min或1h的輸出場驅(qū)動(dòng)化學(xué)傳輸模式，沒有從化學(xué)傳輸模式到氣象模式的反饋過程。這種化學(xué)與氣象的單向耦合忽略了氣溶膠對輻射收支、云微物理和降水等方面的反饋，亦不能體現(xiàn)氣象場的連續(xù)時(shí)間變化。WRF/Chem模式[47]為雙向耦合研究提供了有效模擬手段。Herwehe等[48]對單雙向耦合的對比研究表明：氣象模式在陸面、邊界層、云物理等方面的變化均對空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)有重要影響。

在城市突發(fā)安全事件中（有毒物質(zhì)泄漏、火災(zāi)等），城市環(huán)境應(yīng)急管理需求快速、可靠的氣象場和有害物質(zhì)影響范圍信息。計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模式因?yàn)橛?jì)算耗時(shí)較多而限制了其在快速響應(yīng)方面的應(yīng)用。“超大城市群復(fù)雜下墊面邊界層過程及精細(xì)氣象預(yù)報(bào)關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目組研發(fā)了能夠在較短時(shí)間內(nèi)（～2min）模擬千米尺度、考慮建筑物動(dòng)力影響的快速風(fēng)場診斷模式和包含不同氣體處理、可燃性和劑量模擬的高效城市應(yīng)急擴(kuò)散模式，基于精細(xì)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)和城市地理信息系統(tǒng)建立了城市環(huán)境氣象應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)①“超大城市群復(fù)雜下墊面邊界層過程及精細(xì)氣象預(yù)報(bào)關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目組，基于精細(xì)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)的城市環(huán)境氣象應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)測試報(bào)告，2013年4月25日。該系統(tǒng)已在北京市氣候中心業(yè)務(wù)試運(yùn)行。

2.2.4 耦合模擬系統(tǒng)

近年來，利用三維建筑數(shù)據(jù)庫、機(jī)載激光雷達(dá)、數(shù)字高程、衛(wèi)星等資料建立了高分辨城市形態(tài)數(shù)據(jù)集（例如美國的NUDAPT平臺(tái)[49]），并已應(yīng)用到城市邊界層及降水模擬中，取得了較好的效果[50-53]。

Salamanca等[51]將建筑物能量模式耦合到WRF模式中，研究了精細(xì)城市形態(tài)資料和不同復(fù)雜程度的城市冠層模式對近地層氣象要素模擬效果的影響，以及空調(diào)系統(tǒng)對氣溫和制冷能源消耗的影響。Miao等[52]基于WRF/Noah/SLUCM耦合模擬系統(tǒng)，采用高分辨率城市形態(tài)資料，通過對北京城區(qū)一次局地暴雨過程的數(shù)值模擬及敏感性試驗(yàn)，研究了北京城市化對雷暴生成、發(fā)展和移動(dòng)的影響，以及對降水面積、位置和強(qiáng)度的影響。研究表明：城市冠層精細(xì)模擬對城市地區(qū)降水模擬的改進(jìn)較為明顯；與對照試驗(yàn)相比，無城市時(shí)，降水明顯減少；城市使雷暴單體合并，城市化初期（20世紀(jì)80年代）使雷暴合并后減弱、降水減少，城市化后期（21世紀(jì)）使對流增強(qiáng)，進(jìn)一步城市化易使降水出現(xiàn)分叉結(jié)構(gòu)；城市熱力影響比動(dòng)力影響更重要；熱力影響中，感熱和潛熱同等重要。

城市街區(qū)尺度氣象模式[54-55]或計(jì)算流體力學(xué)模式，通過與中尺度氣象模式相耦合，可以更好地模擬建筑物可分辨尺度的氣象環(huán)境場特征，為城市氣象精細(xì)模擬、氣象服務(wù)、應(yīng)急管理等提供了一個(gè)有效的解決途徑[56-57]。

3 城市氣象用戶需求分析——防災(zāi)減災(zāi)和宜居城市建設(shè)

城市化給人們生產(chǎn)生活帶來便利的同時(shí)，也帶來了巨大的環(huán)境壓力和較大的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。城市面臨著高溫?zé)崂?、樓宇風(fēng)、城市洪澇、空氣污染、水污染、公共健康及社會(huì)安全（恐怖活動(dòng)、污染泄露）等各方面的威脅，沿海城市還面臨著海平面上升、風(fēng)暴潮影響等諸多問題。城市人口、基礎(chǔ)設(shè)施和生產(chǎn)要素密集，使得城市災(zāi)害承載力不斷下降，脆弱性不斷增加。極端天氣事件（如“城市洪澇”）和環(huán)境災(zāi)害事件（如“城市霧霾”）頻發(fā)，對城市運(yùn)行的危機(jī)管理和風(fēng)險(xiǎn)管理不斷提出挑戰(zhàn)。城市管理者為降低城市脆弱性、提高城市應(yīng)對風(fēng)險(xiǎn)的能力，不斷提出新的城市氣象服務(wù)需求。更好地認(rèn)識(shí)、科學(xué)地適應(yīng)和應(yīng)對氣象及環(huán)境問題已成為城市可持續(xù)發(fā)展面臨的迫切任務(wù)。

表2列出了目前亟待解決的主要城市氣象用戶需求，可歸納為以下幾個(gè)方面。

（1）按照用戶需求定制的觀測和模式系統(tǒng)：目前，非常缺乏針對城市氣象用戶需求而開展的觀測和數(shù)值模擬工作，這將極大地限制城市氣象的應(yīng)用和效益的發(fā)揮。

（2）數(shù)據(jù)共享：很多城市氣象用戶有自己的觀測系統(tǒng)，形成了獨(dú)立的資料庫。然而，各用戶之間有共性的數(shù)據(jù)需求。如果管理部門把各用戶的資料規(guī)范化、收集、共享，則可以最大限度地發(fā)揮各觀測系統(tǒng)的作用，避免重復(fù)建設(shè)和資料使用的不規(guī)范。

（3）短期預(yù)報(bào)更長的預(yù)報(bào)時(shí)效、精度和可信度問題：精準(zhǔn)的預(yù)報(bào)可以有效減少氣象災(zāi)害造成的損失。因此，延長短期預(yù)報(bào)的時(shí)效、提高精度和可信度，對于減少“空報(bào)”帶來的人財(cái)物損失和“漏報(bào)”帶來的災(zāi)害損失至關(guān)重要。

（4）長期預(yù)報(bào)更好地預(yù)報(bào)極端事件和趨勢：傳統(tǒng)的長期預(yù)報(bào)中沒有包含城市的影響。需發(fā)展可考慮城市影響的預(yù)報(bào)方法和降尺度技術(shù)，以滿足用戶的需求。

（5）環(huán)境干預(yù)措施影響評估：目前，亟需在不同尺度上開展城市綠地、垂直/空中花園、白色墻壁/屋頂、透水路面等環(huán)境干預(yù)措施影響的定量評估。然而，基于現(xiàn)有數(shù)值模擬方法尚不能給出明確的結(jié)論。

（6）城市氣象模式與其他模式的耦合：發(fā)展陸

地―海洋―城市耦合模式滿足海岸城市的用戶需求，發(fā)展大氣化學(xué)―氣象耦合模式（包含污染物對氣象場的影響）滿足氣象和大氣化學(xué)雙方用戶的需求，等等。

表2 亟待解決的用戶需求[8]

4 基于用戶需求的城市氣象研究展望

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，城市氣象的發(fā)展正面臨如下方面的新挑戰(zhàn)。

（1）城市氣象觀測新技術(shù)：如何利用PDA網(wǎng)絡(luò)（包括智能手機(jī)）、機(jī)動(dòng)車等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全邊界層的觀測。

（2）非常規(guī)的信息傳播技術(shù)：通過網(wǎng)絡(luò)（社交網(wǎng)站、視頻網(wǎng)站等）、短信等多種方式，實(shí)現(xiàn)重要信息報(bào)告/資料獲取。

（3）動(dòng)態(tài)城市：城市GIS資料的定期更新。

（4）“城市”信號(hào)與氣候：缺乏長期的城市氣候記錄，城市影響與溫室氣體影響的區(qū)分，GCM的“城市化”，GCM結(jié)果的降尺度。

（5）數(shù)值模式系統(tǒng)的“城市化”：天氣/氣候/空氣質(zhì)量模式的城市化、城市地區(qū)模擬結(jié)果的檢驗(yàn)方法。

（6）城市氣象―決策支持綜合體系構(gòu)建：將城市氣象科學(xué)研究與業(yè)務(wù)應(yīng)用緊密結(jié)合，形成有機(jī)整體，主要包括以下各方面：

① 城市氣象觀測與數(shù)值模擬研究計(jì)劃、觀測與數(shù)值模擬的互動(dòng)；

② 城市氣象專家與用戶之間的有效溝通/交流機(jī)制；

③ 城市氣象試驗(yàn)基地（Testbed）；

④ 研究成果業(yè)務(wù)應(yīng)用框架（及時(shí)將研究成果落地）。

面對上述挑戰(zhàn)，城市氣象服務(wù)一方面需要基礎(chǔ)研究為其提供科技支撐，另一方面需要應(yīng)用研究為其提供工程技術(shù)支撐。在上述城市氣象用戶需求分析、研究進(jìn)展評述和面臨挑戰(zhàn)剖析的基礎(chǔ)上，給出了基于用戶需求的城市氣象研究展望（表3），包括基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究兩個(gè)方面。

城市地表變化是城市化最顯著的表現(xiàn)之一。城市化使自然地表變?yōu)槿斯さ乇?，通過下墊面與大氣之間進(jìn)行的動(dòng)量和能量交換，改變了低層大氣物理過程。城市生產(chǎn)生活的集中排放，改變了城市地區(qū)大氣成分、增加大氣渾濁度、消減太陽輻射、降低能見度，在加劇大氣污染的同時(shí)為云、霧和降水的形成提供了豐富的凝結(jié)核。城市化從熱力、動(dòng)力和化學(xué)成分等多個(gè)方面影響了城市天氣氣候和環(huán)境。因此，研究城市氣象和環(huán)境問題重點(diǎn)需要以下幾個(gè)方面的科技支撐。

（1）城市氣象觀測研究

城市邊界層是最復(fù)雜的非均勻大氣邊界層之一，開展邊界層觀測是認(rèn)識(shí)這一復(fù)雜大氣邊界層的有效途徑。針對城市陸面與邊界層過程多尺度非均勻性的特點(diǎn)，發(fā)展新探測技術(shù)與設(shè)備，研究城市氣象觀測方法，開展城市氣象綜合觀測試驗(yàn)，建立觀測網(wǎng)。

為了滿足現(xiàn)代化城市運(yùn)行管理的基本目標(biāo)，氣象要素要成為城市運(yùn)行態(tài)勢監(jiān)控與危機(jī)應(yīng)對實(shí)時(shí)信息采集系統(tǒng)之組成部分，必須在傳統(tǒng)氣象觀測基礎(chǔ)之上，通過城市氣象觀測系統(tǒng)工程建設(shè)，建立起以用戶需求為導(dǎo)向、預(yù)警與預(yù)報(bào)相結(jié)合、定點(diǎn)與機(jī)動(dòng)互補(bǔ)的城市氣象觀測體系。

（2）城市氣象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集的建立

城市氣象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集建設(shè)是開展城市氣象研究的重要基礎(chǔ)性工作。開展基于遙感資料的城市氣象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)反演方法研究，建立人為熱排放清單（包括感熱和潛熱兩部分）。同時(shí)，研究適用于業(yè)務(wù)系統(tǒng)的城市氣象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取方法，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和有效管理。

（3）城市陸面與邊界層過程研究

城市陸面與邊界層過程研究是開展城市氣象研究與應(yīng)用的基礎(chǔ)。針對我國城市及其地理、氣候特點(diǎn)，研究城市非均勻地表非線性相互作用機(jī)理，發(fā)展能夠合理反映城市化影響的城市陸面模式和邊界層參數(shù)化方案，并實(shí)現(xiàn)與天氣、氣候、空氣質(zhì)量及污染擴(kuò)散模式的耦合。在精細(xì)模擬方面，發(fā)展建筑物能量模式，

研究城市能源消耗與氣象條件的反饋過程。發(fā)展分布式城市水文模式，與城市陸面模式耦合，建立城市瀝澇模型。

（4）氣象―化學(xué)耦合模擬

除城市下墊面改變和人為熱排放影響外，城市污染（氣溶膠等）對輻射及降水的影響亦非常重要。需發(fā)展氣象模式與大氣化學(xué)模式在線、雙向耦合技術(shù)，研究城市氣溶膠對輻射、云霧物理及降水過程的影響機(jī)理。

（5）城市氣象決策支持系統(tǒng)

城市管理者需要基于風(fēng)險(xiǎn)管理要求建立相應(yīng)的決策支持系統(tǒng)，極端天氣和大氣污染對各行各業(yè)和人民生活的影響評估是其重要組成部分。開展城市氣象災(zāi)害發(fā)生發(fā)展演變規(guī)律研究，加強(qiáng)城市氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃與管理；開展城市交通、管網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)行系統(tǒng)的脆弱性、暴露度和承災(zāi)能力的評估；開發(fā)城市安全運(yùn)行（供電、供暖、供水、交通等）和大氣環(huán)境、公共健康等領(lǐng)域氣象影響預(yù)報(bào)技術(shù)；開發(fā)智能化的專業(yè)氣象服務(wù)產(chǎn)品的制作和發(fā)布技術(shù)；開展城市氣候變化影響評估和城市應(yīng)對氣候變化措施研究。

表3 基于用戶需求的城市氣象研究展望

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Advances and Prospects of Urban Meteorology Research: Meeting Users' Needs

Miao Shiguang1, Wang Yingchun2
(1 Institute of Urban Meteorology, China Meteorological Administration, Beijing 100089 2 Beijing Meteorological Service, Beijing 100089)

Urbanization is an inevitable trend in the course of human civilization development. There are various ways for urbanization to impact on weather, climate, and the environment, including, land-use/land-cover change, anthropochory heat release, urban aerosols, anthropochory green-house gas emissions and so on. And vice versa, i.e., weather, climate, and the environment influence urban functions and residents' livehood. In this paper, the advances in observation and numerical modeling of urban meteorology are brief l y reviewed. Then the complexities of users' needs for the urban meteorology service are analyzed, outlining the shortages in observing and forecasting capacity. In order to meet end users' needs, the prospects of basic and the applied researches for urban meteorology are given. Finally, challenges in the way of urban meteorology researches are summarized. A closer coupling mechanism between observations and numerical modeling, and between the researches and end users' needs for the urban meteorology development is proposed.

urban meteorology, users' needs, advances, prospect

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.01.001

2013年6月20日；

2013年9月10日

苗世光（1976—），Email：sgmiao@ium.cn

資助信息：國家自然科學(xué)基金（41175015）；公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)（GYHY200906026）