于淼 竇晶晶 苗世光 楚艷麗 孫丹

（1 北京城市氣象研究院，北京 100089；2 北京市氣象局，北京 100089）

0 引言

目前，極端天氣氣候事件和社會經(jīng)濟發(fā)展對愈加迅速的城市化發(fā)展進程提出了挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對挑戰(zhàn)，研討和解決城市化發(fā)展過程中的關(guān)鍵科學問題，國際上成立了國際城市氣候協(xié)會（International Association for Urban Climate，IAUC）。作為一個在城市氣象與氣候領(lǐng)域?qū)で罂茖W、學術(shù)和技術(shù)發(fā)展的責任組織，其關(guān)注的領(lǐng)域包括：城市氣候?qū)W與氣象學；城市邊界層中的交互過程；城市空氣質(zhì)量；城市風與湍流；城市大氣及地表特征的觀測、模擬和遙感；城市陸面的微尺度過程；建筑氣候?qū)W；城市生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的生物氣象學和生物氣候?qū)W（包括人居舒適及災害）；將城市大氣過程納入設(shè)計、規(guī)劃和天氣建模，并通過中尺度氣候模型模擬等。自20世紀80年代末，IAUC通過組織城市氣候國際會議（International Conference on Urban Climate，ICUC），吸引了眾多國際城市氣象領(lǐng)域?qū)＜覍W者共同探討城市氣象學最新的研究成果及未來研究發(fā)展方向。2018年8月6—10日在美國紐約城市大學召開了第十屆城市氣候國際會議（ICUC-10）暨第十四屆城市環(huán)境論壇。會議由紐約城市大學、國際城市氣候協(xié)會及美國氣象學會城市環(huán)境委員會聯(lián)合舉辦，主題是“Sustainable and Resilient Urban Environments（可持續(xù)與彈性城市環(huán)境）”。

ICUC-10主題包含：全球氣候變化和城市化；城市氣候；極端天氣和氣候事件；城市能量和水平衡；城市冠層和城市粗糙子層；城市天氣預報；城市空氣污染；觀測及數(shù)據(jù)；城市水文；熱壓對城市環(huán)境及公共健康的影響；城市發(fā)展和可持續(xù)性，適應(yīng)性與減緩措施；智慧城市及城市規(guī)劃；跨學科城市現(xiàn)象模擬等。

本文基于ICUC-10會議的主要成果及相關(guān)文獻，分類匯總了最新研究進展和發(fā)展趨勢，根據(jù)我國城市化發(fā)展特性，探討我國城市氣象研究的未來發(fā)展方向。

1 重點研究進展

1.1 彈性城市的知識合作

美國國家航空航天局（NASA）的高級科學家Cynthia Rosenzweig在“Knowledge Partnerships for Resilient Cities（彈性城市的知識合作）”的研究中提出，當前城市氣候面臨諸多挑戰(zhàn)：熱浪頻率增加導致的健康問題及可能增加的空氣污染；氣候變化將改變城市熱島效應(yīng)，模式結(jié)果顯示，許多地區(qū)的熱島效應(yīng)有所減少，而有些地區(qū)有所增加；由于暴雨增加而造成的洪水將導致財產(chǎn)和基礎(chǔ)設(shè)施的破壞、商業(yè)和生計的損失以及與疾病相關(guān)的水污染；海平面上升、洪水與風暴潮的同時發(fā)生會對人口、財產(chǎn)和沿海生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生廣泛影響，并對商業(yè)和生計構(gòu)成威脅。Cynthia Rosenzweig也給出了城市影響的最新研究成果：城市中心和城市地區(qū)通常比周圍地區(qū)高出幾攝氏度，形成了所謂的城市熱島；許多發(fā)生在城市的極端事件，如熱浪、干旱、暴雨、沿海洪水的頻率和強度將增加；由于世界上大多數(shù)人口生活在城市地區(qū)，城市地區(qū)需要特別關(guān)注降低風險與恢復力建設(shè)問題。

1.2 規(guī)劃亞洲健康城市

香港中文大學建筑學院的任超在關(guān)于“Urban Climate Science for Planning Healthy Cities in Asia（規(guī)劃亞洲健康城市的城市氣候科學）”的研究中指出：1）香港城市微氣候研究技術(shù)研討會及啟動活動指南，為建筑行業(yè)的從業(yè)人員提供了城市微氣候設(shè)計的知識和靈感；體現(xiàn)了前瞻性、用戶友好性和適用性；2）《城市風環(huán)境評估與通風廊道規(guī)劃指南》通過探討中國城市化所帶來的氣候環(huán)境問題和城市通風廊道專項規(guī)劃研究，集中介紹了國內(nèi)外通風廊道規(guī)劃實際應(yīng)用經(jīng)驗，并選取英國倫敦、美國洛杉磯、德國斯圖加特、日本東京、中國香港的實際應(yīng)用案例，包括各地風環(huán)境評估的考量重點、通風廊道規(guī)劃的設(shè)計要素、相關(guān)法律法規(guī)及管控實施等。面對中國未來的城市化，必須將氣候環(huán)境作為自然資源積極保護和修復，明確“城市風環(huán)境”與“城市通風廊道”對城市居住環(huán)境品質(zhì)和公共衛(wèi)生的重要性，確立城市規(guī)劃中風環(huán)境評估與應(yīng)用的必要性。提出“呼吸城市”這一新的城市建設(shè)理念，旨在加強城市生態(tài)文明規(guī)劃建設(shè)和精細化管理，加強對建筑、道路、公園、綠地、開放空間、水體水系等城市形態(tài)與空間要素的合理布局與管理，促進對自然風的疏導與滲透，加強城市內(nèi)部空氣對流、交換、凈化的能力，從而改善城市通風，緩解霧霾與夏季熱島效應(yīng)等城市環(huán)境問題；3）需要制定氣候可行性論證規(guī)范、城市通風廊道設(shè)計及城市總體規(guī)劃氣候可行性論證技術(shù)等行業(yè)標準。

1.3 城市化引發(fā)的科學問題

美國喬治亞大學的J. Marshall Shepherd在研究中指出，城市影響降水的可能機制包括：靜穩(wěn)條件，強熱島導致輻合運動增強，降水在城市中心增強；區(qū)域強風，上風向輻合增強，導致城市下風向和城市邊緣地區(qū)降水增強；弱風條件，城市熱島導致輻合，導致降水在城市邊緣地區(qū)增強。城市影響降水可能由一個或者多個因素共同作用影響：1）由于底層水平加熱使得熱混合增強，使大氣不穩(wěn)定性增強；2）由于高層建筑造成的氣動粗糙度增加，增加了湍流和機械混合；3）汽車和工業(yè)添加氣溶膠引起的微物理和動態(tài)過程的修正；4）物理或熱力學過程使降水系統(tǒng)分叉。

Shepherd提出城市化對降水影響的研究方向：1）城市化對極端降水事件的影響，研究結(jié)果顯示，在世界范圍內(nèi)很多城市的極端降水發(fā)生頻率呈正趨勢，并有99%的置信水平。頻繁的城市極端降水導致城市內(nèi)澇頻發(fā)，這是否影響城市地表水文系統(tǒng)，是今后的研究重點。2）城市徑流。越來越多的城市徑流數(shù)據(jù)超出標準閾值范圍以及較大的單位徑流峰值，城市發(fā)展的定位和配置也對徑流有顯著影響，在制定土地使用政策時，要盡量減少因城市化而造成的流量變化，必須考慮城市發(fā)展的范圍、結(jié)構(gòu)和定位。3）城市化是否對冬季降水有影響。之前研究重點關(guān)注城市化對夏季降水的影響，而對冬季的關(guān)注很少，例如對凍雨的影響。4）城市化是否對臺風有影響。5）城市化對區(qū)域氣候的影響是如何影響大尺度氣候變化的。

1.4 城市海洋研究新前沿

美國Jupiter公司的聯(lián)合創(chuàng)始人 Alan F. Blumberg以“The Urban Ocean—A New Frontier（城市海洋——新前沿）”研究為基礎(chǔ)，指出很多沿海城市發(fā)展迅速，正在經(jīng)歷或已經(jīng)完成高速城市化發(fā)展。他提出了“城市海洋”這一概念，指出了城市海洋的獨特性，其受到時間和空間變化的影響，特別是受到災難性事件及人類相互作用的影響，例如土地退化、河流管理、氣候變化和其他人為活動。Blumberg提出了城市海洋動力洪水模型，發(fā)展了街區(qū)洪水的預警模型，可以提前5 d預測風暴潮/降雨造成的街區(qū)洪水，并利用集合預報的方法，得到更加可信的預報結(jié)果。

1.5 城市氣象研究與應(yīng)用的結(jié)合

北京城市氣象研究院（城市院，即原中國氣象局北京城市氣象研究所）苗世光研究員介紹了城市所“京津冀城市群強降水及霧霾觀測試驗（SURF）”的主要研究成果及睿圖（Rapid-refresh Multi-scale Analysis and Prediction System，RMAPS）數(shù)值預報模式系統(tǒng)。SURF科學試驗通過強化國際合作達到對城市天氣系統(tǒng)的更深入認識，發(fā)展高分辨天氣預報模式，增強城市預報產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域，比如能源、公共健康、氣候變化、空氣質(zhì)量、城市規(guī)劃、應(yīng)急響應(yīng)管理等，開展城市影響降水和氣溶膠的科學研究。成果主要包括：邊界層湍流特征研究，驗證了HOST假設(shè)在城市地區(qū)的適用性；城市地表能量平衡觀測研究，評估了北京地區(qū)的輻射通量、感熱潛熱通量特征；用激光雷達反演了北京城市邊界層高度；城市影響降水的氣候特征；氣溶膠對輻射的影響；城市建筑物的儲熱研究，觀測城市建筑物內(nèi)外表面的溫度；城市建筑物特征研究，建立城市數(shù)據(jù)集；城市水文過程的改進，在城市冠層模式（UCM）中改進了城市水文過程，并用鐵塔觀測數(shù)據(jù)進行評估；冷卻塔模型對高分辨城市預報系統(tǒng)中地表通量模擬的改進；灰區(qū)模型對城市邊界層方案的改進；氣溶膠對降水影響的機理研究。介紹了城市所發(fā)展的RMAPS-Urban數(shù)值預報系統(tǒng)，包括模式設(shè)置，同化系統(tǒng)數(shù)據(jù)、方法和改進，以及預報效果評估和未來工作計劃。

2 主要研究進展

2.1 城市氣候過程

2.1.1 風切變在城市邊界層中的作用

英國雷丁大學的Barlow[1]指出，城市邊界層過程控制了污染物在城市上空的混合和運輸，從而控制了地表污染濃度。因此，建立城市空氣污染模型需要充分再現(xiàn)城市物理過程。城市邊界層（UBL）可以比周圍的鄉(xiāng)村邊界層（RBL）更深，由于城市熱島，對流可以持續(xù)到晚上，這可能有利于污染物濃度降低。顯然，感熱通量的增加對UBL的生長及其日循環(huán)的時間起著很大的作用。然而，與鄉(xiāng)村相比，城市表面較粗糙處的風切變也會增加；特別是當?shù)退賃BL成長為高速RBL時，在反演過程中會有相當大的風切變。通過觀測和模擬，證明風切變在UBL的日循環(huán)中扮演了相當重要的角色。利用設(shè)置在英國倫敦的地面多普勒激光雷達和現(xiàn)場儀器獲取觀測數(shù)據(jù)，在不同分辨率下運行英國氣象局統(tǒng)一模型開展模擬，分析夜間射流對控制UBL晨間演化的作用，上部UBL風切變對湍流特性的影響，以及表面風切變對控制UBL穩(wěn)定性和對流的作用。

2.1.2 社區(qū)層面城市內(nèi)部熱剖面研究

印度理工學院的Surabhi Mehrotra以孟買為例，對社區(qū)層面的城市內(nèi)部熱剖面進行了研究，指出建成區(qū)的空間格局對城市表面加熱現(xiàn)象有顯著影響，改變了城市能量與其周圍環(huán)境的交換。通過觀測和模式分析，研究了高異質(zhì)性城市孟買建成區(qū)內(nèi)的熱變化。城市區(qū)域的異質(zhì)性是由建筑和自然環(huán)境參數(shù)的變化引起的，比如建筑覆蓋、建筑高度、天空視野因子、植被類型等，形成了不同的城市建筑形式（Urban building form，UBF）。這些參數(shù)在過去的研究中被廣泛采用，有助于提高對城市地區(qū)熱負荷或冷卻潛力的認識。為了得到城市建筑形態(tài)的均質(zhì)聚類，在構(gòu)建自然參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用主成分和聚類分析方法，得到5個均質(zhì)聚類UBF。通過遙感衛(wèi)星Landsat OLI/TIRS觀測到地表溫度，計算驗證星溫度分布特征。為了分析當?shù)氐臒崞拭?，為每個UBF模擬了行人平均輻射溫度（Tmrt）。對每個UBF集群進行Tmrt模擬，并使用6種方向輻射模型“SOLWEIG”。利用微氣象現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，驗證了Tmrt模擬的有效性。利用統(tǒng)計誤差量化技術(shù)，證實了模型對小時Tmrt數(shù)據(jù)的適用性。

2.1.3 局部氣候帶對地表熱島-冠層熱島關(guān)系的影響

英國伯明翰大學的Feng研究了衛(wèi)星遙感地表溫度（Ts）與冠層空氣溫度（Ta）之間的關(guān)系對一系列城市氣候應(yīng)用具有的潛在重要意義。因為背景溫度的變化，比如背景區(qū)域尺度溫度較大的日變化、逐日或者逐級季節(jié)的變化幅度遠大于Ts與Ta之間這種幾攝氏度的差異，所以Ts與Ta的簡單回歸分析統(tǒng)計意義并不明確。因此，在回歸分析中使用城市熱島強度（UHII）是有利的，因為它減少了背景溫度變化的影響。

2.2 城市環(huán)境對氣候變化的適應(yīng)與應(yīng)對

2.2.1 氣候可適應(yīng)城市的塑造

通過創(chuàng)新、多尺度和適應(yīng)性緩解設(shè)計方法，塑造可適應(yīng)氣候變化的城市。

城市氣候必須是當代城市規(guī)劃設(shè)計的一個關(guān)鍵考慮因素，氣候適應(yīng)性設(shè)計原則為城市設(shè)計提供了一系列“適應(yīng)性緩解”策略，指導城市規(guī)劃，應(yīng)對氣候風險。

1）城市系統(tǒng)的效率：通過在建筑、交通和工業(yè)領(lǐng)域?qū)嵤┑吞己徒咏愕哪茉唇鉀Q方案，可以減少基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生的城市廢熱和溫室氣體排放。

2）形式和布局：改進建筑物和城區(qū)的形式和布局可以提供冷卻和通風，減少能源使用，并允許市民應(yīng)對更高的溫度和更強烈的徑流。

3）耐熱建筑材料：選擇低熱容量材料和反射涂層，通過管理表面的熱交換來提高建筑性能。

4）植被覆蓋：增加建筑和開放空間的綠化面積，可以同時滿足降低室外溫度、建筑降溫等需求，同時隔離碳。

2.2.2 互聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施的優(yōu)化管理

極端天氣氣候事件及其后果，包括死亡人數(shù)和其他社會經(jīng)濟影響，日益成為公共事件的關(guān)鍵焦點?；ヂ?lián)基礎(chǔ)設(shè)施包括相互依賴的服務(wù)或相互依賴的基礎(chǔ)設(shè)施。依賴這些服務(wù)的用戶不可避免地受到影響，特別是公眾日益依賴這些服務(wù)。主要研究基礎(chǔ)設(shè)施及其互聯(lián)性在極端天氣和氣候變化帶來的后果中所扮演的角色，以及如何減輕負面影響。一方面，基礎(chǔ)設(shè)施互連具有很好的相互支持性和擴展性。另一方面，通過與這些連接相關(guān)的許多其他系統(tǒng)的級聯(lián)，使單個基礎(chǔ)設(shè)施的破壞升級。這些相互聯(lián)系及其影響往往不確定和不可預料，考慮這些不確定性是極端事件背景下管理基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)的關(guān)鍵因素。

2.3 最新城市氣象探測技術(shù)

2.3.1 城市局部云覆蓋監(jiān)測

日本愛媛大學的Fujimori等[2]研究了太陽輻射的減少與云層厚度的密切相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)太陽輻射的大小決定了高空云層厚度的指數(shù)。然而，由于觀測臺站數(shù)量有限，較難獲得高空間分辨率的太陽輻射觀測。

因為太陽能電池板的數(shù)量在住宅、商業(yè)建筑和學校中迅速增加，提出一種利用光伏（PV）系統(tǒng)估算太陽輻射的新方法，并驗證了應(yīng)用該方法觀測城市局部云覆蓋量的有效性。

如果在某個季節(jié)里用一天時間獲得了校準參數(shù)，光伏板的太陽輻射估值就與實測太陽輻射高度一致，在晴朗和多云天氣條件下均得到良好的結(jié)果。證明了在傾斜太陽能電池板的情況下，使用直接/散射分離的轉(zhuǎn)換可以提高估值。在傾斜角度為20°和30°的情況下，驗證了該方法的有效性，相關(guān)性高于0.99。

2.3.2 樹木和建筑對北美郊區(qū)重粒子擴散的影響

圣澤維爾大學的Roy等[3]指出，在世界各地的城市中，以小顆粒形式通過空氣傳播的污染物對人類健康構(gòu)成重大威脅。在過去的幾十年里，已經(jīng)進行了幾項色散研究試驗。大多數(shù)研究中，示蹤氣體都從中心商業(yè)區(qū)的點源釋放出來，目的是描述城市形態(tài)對由此產(chǎn)生的示蹤羽的復雜性的影響。羽流本身通常通過一系列傳感器進行量化，傳感器分布在距離源10 m到幾千米的空間距離上。這些試驗增強了對城市離散度的了解，為模型評估提供了優(yōu)秀的數(shù)據(jù)集，但仍然缺乏郊區(qū)城市離散度特征的數(shù)據(jù)集。

2.3.3 小型城市風場研究

德國漢堡大學的Wiesner等[4]指出，由于在粗糙子層內(nèi)建筑物高度的變化，造成城市風場在空間和時間上的變化。對研究人員和城市規(guī)劃者來說，估計某一感興趣點上的風況是一項挑戰(zhàn)。目前利用數(shù)值模型來獲取小尺度風況信息，大多數(shù)城市模型的空間分辨率仍然太粗，無法解析風速在城市微觀結(jié)構(gòu)中的變化。風洞試驗允許對結(jié)構(gòu)進行詳細的觀察，同時要求對形狀和形態(tài)進行簡化。在實際環(huán)境中，通過高分辨率觀測可以收集到最精確的風數(shù)據(jù)，由于儀器數(shù)量有限，這些數(shù)據(jù)往往時間有限，成本高，而且只能提供選定地點的信息。

這種兩難局面導致的問題：如何有效地將這三種方法結(jié)合在一起，以獲得某一特定地點風況更全面的信息？本研究的目的是發(fā)現(xiàn)每種方法的優(yōu)點和弱點，并找到一種方法來結(jié)合它們。為此，采用這三種方法對快速發(fā)展的城區(qū)大型建筑沿線的風場進行了研究。目標區(qū)域位于易北河德國漢堡市中心，因為它具有相對簡單的河流入流條件，這簡化了數(shù)值模型和風洞模型中建筑內(nèi)外模擬流動的面積。

2.4 城市環(huán)境數(shù)值模擬

2.4.1 高分辨率植被模型

法國國家氣象研究中心的De Munck 等[5]指出了近年來高分辨率植被模型對城市氣候變化的影響。從城市規(guī)模到社區(qū)規(guī)模、街道規(guī)模，城市景觀的異質(zhì)性，無論是從組成、土地利用或版式形態(tài)來看，都在微氣候條件下產(chǎn)生了空間和時間上的變化。為了分析這種可變性，2014年在法國圖盧茲附近開展了觀測試驗，作為EUREQUA研究項目的一部分，在1，4和6月的加密觀測期間，11個氣象站、操作員和一輛裝有儀器的汽車，在更大范圍內(nèi)收集了微氣候觀測數(shù)據(jù)。為城市規(guī)劃研究提供相關(guān)的氣候信息，需要成功地在高空間分辨率下模擬這種微氣候變化。

植被在城市微氣候條件中扮演著決定性的角色，符合當前城市規(guī)劃優(yōu)先級，因此重點研究了模擬結(jié)果對植被數(shù)據(jù)質(zhì)量和準確性的敏感性。

利用Meso-NH氣象模型，加上TEB（Town energy budget）—城市冠層模型，來模擬不同季節(jié)城市微氣候的變化。TEB模型可以模擬城市覆蓋層和低層大氣之間的相互作用，它以城市景觀的幾何簡化表示為基礎(chǔ)，可以在百米尺度上考慮并模擬城市特征的變化。TEB包含了城市植被與周圍建筑相互作用的詳細描述，以及街道樹木的輻射和通風效應(yīng)。為了描述鄰近地區(qū)的表面積，使用了精確的土地利用地圖和該地區(qū)的版式形態(tài)參數(shù)。對于植被，根據(jù)對衛(wèi)星數(shù)據(jù)的分析，進行了具體的處理，以便更精確地描述城市植被，這在城市制圖中往往記錄不足。除了更好地繪制綠色區(qū)域外，三層植被（草、灌木和喬木植被）也有所不同，另外還區(qū)分了街道樹木和花園樹木。

2.4.2 城區(qū)復雜植被的能量和濕度

新加坡國立大學的Hayati等[6]利用快速反應(yīng)環(huán)境模擬軟件對植被覆蓋情況復雜的城區(qū)能量和濕度進行了計算研究。城市微氣候?qū)Τ鞘泻徒紖^(qū)局部氣候變化有重要影響。這些變化嚴重影響污染物的運輸、空氣質(zhì)量、水和能源消耗以及城市居民的總體健康和舒適度。盡管對城市大氣流動的計算模型進行了廣泛的研究，針對微氣候驅(qū)動力（包括動量通量、輻射通量和湍流熱通量以及主要城市基礎(chǔ)設(shè)施要素），即在街道、社區(qū)和城市尺度上，很少有人研究復雜的城市配置。城市微氣候研究的城市工業(yè)綜合體環(huán)境模擬軟件（QUIC EnvSim），是一款基于OpenGL和NVIDIA的CUDA（計算統(tǒng)一設(shè)備架構(gòu)）環(huán)境，并行化圖形處理單元（gpu）的建筑解析城市仿真軟件。

2.4.3 城市樹木對污染物擴散的影響

亞利桑那州立大學的Wang等[7]利用耦合的LESLagrangian隨機模型量化了城市樹木對污染物擴散的影響。城市樹木可以有效地緩解加重的熱應(yīng)力，尤其是在夏季，提高行人的熱舒適度和能源的應(yīng)用效率。同時，樹木的存在改變了空氣的流動模式和湍流輸送方式，通過物理和生化過程影響空氣污染物的擴散。然而，關(guān)于這一主題的數(shù)值模擬和試驗研究仍處于起步階段。在該研究中，他們使用一個耦合的大渦模擬（LES）—拉格朗日隨機模型（LSM）框架，研究了城市樹木對街道峽谷內(nèi)空氣污染物擴散的影響。通過水通道和現(xiàn)場試驗，驗證了模型的速度場和顆粒分布，表明了模型的合理性。與風洞觀測結(jié)果的對比也表明模型的合理性。利用不同的峽谷（建筑高度與街道寬度）比率和樹木幾何形狀模擬了交通排放的離散情況。結(jié)果表明，在中等峽谷寬高比條件下，高于建筑平均高度的樹木對峽谷流場和溫度場的影響最大。純量顆粒物的分散最容易受到街道峽谷中高大樹木的影響，例如大樹的存在會使街道峽谷內(nèi)的污染物濃度增加73.5%。此外，標量粒子的運移和濃度在背風和迎風壁上的空間分布對街道峽谷和城市樹木的形態(tài)高度敏感。LES-LSM耦合模型框架的開發(fā)及其在建筑環(huán)境中的顆粒運輸應(yīng)用可用于城市環(huán)境問題的可持續(xù)解決方案，如空氣質(zhì)量監(jiān)測和污染風險分析。

2.5 城市遙感

2.5.1 城市化影響的評估

美國噴氣推進實驗室的Jeffrey C. Luvall利用全球遙感觀測來評估城市化的影響。據(jù)估計，到2025年，世界上將有66%的人口居住在城市。自然景觀植被轉(zhuǎn)化為人造城市結(jié)構(gòu)，如道路和建筑物，極大地改變了區(qū)域地表能源預算、水文、降水模式和氣象學。城市熱島（UHI）是由人造材料在白天吸收的能量，在晚上釋放出來，從而使城市內(nèi)部的空氣變熱。城市和周邊鄉(xiāng)村之間的氣溫差異幅度可達2～8 ℃。早在1833年，倫敦就報道過UHI，這是最早被觀測到的城市化現(xiàn)象之一。來自許多城市的研究表明，這些影響包括空氣質(zhì)量下降、能源消耗增加、區(qū)域氣候變化和對人類健康的直接影響等。

地表溫度和反照率是地表能量收支的主要組成部分，為了理解UHI現(xiàn)象，用表面能量收支來定義表面很有用。使用能源術(shù)語建模模擬地表能源收支可以直接比較城市景觀中遇到的各種地表，從植被（森林和草本）到非植被（裸露的土壤、道路和建筑）。這些變量也很容易通過飛機或衛(wèi)星平臺的遙感觀測到，使人們能夠獲得城市表面的空間變異性。此外，激光雷達對城市地區(qū)物理結(jié)構(gòu)的觀測對于確定粗糙度系數(shù)和其他建模城市氣候的關(guān)鍵參數(shù)非常重要。

2.5.2 城市氣候模型的評價

圣路易斯大學的Benjamin Le Roy采用紅外衛(wèi)星圖像評價城市尺度氣候模型。對城市氣候的研究，需要開展對城市現(xiàn)象（如城市熱島）的長期監(jiān)測，以及相關(guān)的模型（可用于數(shù)值天氣預報或氣候影響研究），在時間和空間上的適當觀測。業(yè)務(wù)觀測網(wǎng)絡(luò)遵循WMO標準，不適合城市環(huán)境?？梢栽诔鞘兄性O(shè)置特定的儀器來記錄城市氣候，例如：1）固定的觀測站，可以進行長期觀測，但只能在某些地點進行；2）移動觀測，可以覆蓋更大的空間，但觀測時間短。

紅外衛(wèi)星圖像是一種潛力巨大的工具，它結(jié)合了城市尺度上的連續(xù)空間覆蓋（取決于衛(wèi)星的不同空間分辨率）和長達數(shù)年的時間深度（取決于空間任務(wù)）等優(yōu)點。但這些數(shù)據(jù)在城市應(yīng)用中仍未得到充分利用，尤其是長期分析。選擇方法和技術(shù)建立數(shù)據(jù)評價模型，必須考慮大氣和城市幾何形狀的影響，使用適當?shù)拇髿馄拭孢M行大氣校正。城市的三維幾何形狀和太陽的位置導致了朝陽和陰涼區(qū)域表面溫度的變化，提出了城市三維建模的幾種校正方法，對估值及其不確定性做出選擇。

2.5.3 利用地面熱成像觀測城市熱各向異性

希臘赫拉克勒斯研究和技術(shù)基金會的William T.J.Morrison指出，地面熱成像觀測到的長波輻射通量模擬可以模擬城市熱各向異性。城市幾何形態(tài)和建筑材料結(jié)合在一起，形成了復雜的長波紅外（LWIR）輻射（L）的空間、時間和方向模式。有效熱的各向異性（或方向變異性）導致遙感得到的城市表面溫度隨遙感視角而變化。針對綜合室外尺度模型（COSMO）試驗場和英國倫敦市中心站點，演示了利用LWIR攝像機觀測數(shù)據(jù)（Lcam）解決有效熱各向異性的方法。在COSMO的測試地點，24 h內(nèi)，像素級別的亮度差異在1小時內(nèi)達到17.5 K。為了理解這種變異性，使用離散各向異性輻射傳輸（DART）模型和Blender三維渲染軟件探索了表面的方向和陰影。把觀察到的像素和整個冠層表面分類。為了評估來自COSMO場地三維（L3D）表面的exitant長波輻射的可變性，對觀測進行分級。使用攝像機視圖模型模擬熱圖像來測試參數(shù)化，確定L3D通量的攝像機透視圖。24 h內(nèi)，每幅圖像（模擬和觀察到的）平均亮度溫度在0.5 K以內(nèi)。L3D和DART攝像機視圖模擬的高空間分辨率使像素和子面比較成為可能。在像素級，陰影遲滯、地面天空視圖因子和建筑邊緣效果并沒有完全被L3D解決。模擬和觀察到的亮度溫差在白天達到15 K。在COSMO場地開發(fā)的方法被推廣到解決亞小面可變性的來源，以便在倫敦中心場地進行觀測。DART是一種很有前途的工具，有助于增強對地面遙感影像的理解。

2.6 城市地區(qū)極端天氣

2.6.1 高分辨率熱浪預測

美國紐約城市大學的Ortiz等[8]開展了紐約市高分辨率熱浪預測研究。預計全球氣溫將在整個21世紀上升，促使極端事件發(fā)生變化，特別是熱浪頻率、持續(xù)時間和強度會增加。此外，由于人為熱、風速變化和輻射阻隔，大氣與城市環(huán)境之間存在正反饋。全球模型對再現(xiàn)大規(guī)模大氣現(xiàn)象很有用，但可能無法捕捉到城市與大氣互動及其高分辨率變化。

2.6.2 降雨觀測與模擬

日本筑波大學的Seino等[9]開展了東京強降雨事件的觀測和數(shù)值模擬。人口稠密的城市地區(qū)容易受到極端天氣的影響，例如嚴重的雷暴、暴雨和洪水。為了提高城市地區(qū)的抗災能力，需要更好地了解城市化對暴雨的影響。該研究選取了東京都市圈地區(qū)，基于日本氣象廳的非靜力模式（NHM）和方形棱鏡城市冠層（SPUC）方案，對2011年8月26日雷雨（例1）和2013年7月18日雷雨（例2）兩個極端雷暴形成環(huán)境進行了分析。加密觀測數(shù)據(jù)顯示，與例2相比，例1的強風暴中尺度環(huán)境具有較低的自由對流水平和較深的東風氣流層特征。使用真實的建成區(qū)環(huán)境（CRNT試驗）和較低城市化環(huán)境（LURB試驗），對比研究了城市對降水的影響。這兩個個例中，CRNT試驗相較于LURB試驗均在中心城區(qū)產(chǎn)生了更大的降水量。兩個試驗的氣象場對比表明，城市化引起的氣溫升高會導致東京降雨量增加，其原因是對流和上升運動加劇，而不是不穩(wěn)定效應(yīng)。這種對東京城市化如何促進降水增強的解釋，與前期無降水的午后降水的綜合分析結(jié)果非常一致。

2.6.3 熱浪和熱島的城市空間特征

智利圣地亞哥大學的Luz A. Cárdenas-Jirón分析了圣地亞哥過去10年熱浪和熱島在城市空間的分布特征。極端天氣事件對環(huán)境的影響之一表現(xiàn)為夏季熱環(huán)境對公共健康的影響。該現(xiàn)象的及早發(fā)現(xiàn)可以使政府及時向公眾發(fā)布預警，并且制定中期或長期應(yīng)對策略。該研究指出了熱浪對公共空間熱舒適性和熱壓的影響。對極端大氣溫度、地表和建筑物表面溫度（例如熱島特征）的綜合認知將促使人們更真實地理解室外生活空間中的熱環(huán)境特征。該研究分析了近10年（2007—2016年）智利中部地區(qū)的熱浪以及大都市地區(qū)表面變暖的趨勢，進而研究熱壓對圣地亞哥城市居民的影響。在中尺度和微觀尺度上，對1961—1990年的夏季（11—3月）溫度進行了均一化處理；分析日最高溫度（Tx）逐日時間序列，計算每月的溫度序列的90%的百分位數(shù)，來作為該月的熱浪臨界閾值。當Tx值連續(xù)3 d或以上超過該閾值時，定義為一次熱浪過程。利用空間分辨率為1 km的MODIS LST和月平均值，研究了近十幾年（2000—2016年）LST趨勢，并使用Mann-Kendall方法計算每月標準化異常。首先在城市范圍內(nèi)使用WBGT傳感器進行了9 d的夏季觀測，以估算熱應(yīng)力值。

3 城市氣象研究思考與展望

3.1 城市氣象未來發(fā)展

通過相關(guān)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，在全球尺度上，增加城市屋頂和不透水鋪砌表面的反照率所導致的負輻射強迫效應(yīng)相當于 44 Gt 二氧化碳的減排所產(chǎn)生的效果。使用耦合城市冠層模型的全球氣候模式模擬研究發(fā)現(xiàn)，如果將全球城市的房屋屋頂變成白色，全球平均的城市熱島強度將下降 33%，城市日最高氣溫將下降 0.6 ℃、日最低氣溫將下降 0.3 ℃。由于高緯度地區(qū)冬季太陽輻射較弱，白色屋頂對該地區(qū)熱島效應(yīng)的減緩效果不太明顯。用綠地將城市中的工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)和居民區(qū)分隔開，可以緩解城市化效應(yīng)使得降水增加的影響。通過數(shù)值模擬試驗人為增加植被覆蓋，能夠緩解北京地區(qū)夏季降水減少的趨勢，相比種植樹木而言，種草的改善效果更明顯。合理設(shè)計衛(wèi)星城市的位置對于減少城市化氣候效應(yīng)引起的負面影響具有一定的作用，例如在西南盛行風條件下，巴爾的摩市相比華盛頓市存在更高的地表氣溫和更差的空氣質(zhì)量，其原因在于上風向地區(qū)衛(wèi)星城的城市化發(fā)展所帶來的影響。

城市氣象領(lǐng)域未來發(fā)展，將不僅僅集中于城市對氣象（氣候）條件和現(xiàn)象影響機理的揭示，更將關(guān)注以下內(nèi)容：

1）大城市（群）對大尺度、長期氣候的影響：隨著城市存在時間的增長，以及發(fā)展規(guī)模的增大，城市（群）的存在和協(xié)同將對大尺度、長時間的氣候條件產(chǎn)生一定的影響。揭示城市對氣候條件的影響，將成為城市氣象領(lǐng)域重要的研究方向之一。

2）城市微氣候環(huán)境特征觀測及模擬：隨著觀測技術(shù)的發(fā)展，以及數(shù)值模式和計算機能力的不斷提高，城市微氣候得到了領(lǐng)域內(nèi)學者們越來越多的關(guān)注。城市微氣候從城市到城市，甚至在同一城市中不同地區(qū)之間都存在差異。例如，一些地區(qū)的自然通風效果好，感覺比其他地區(qū)涼爽。這種差異可以被看作是城市形式、氣候和人員活動相互作用的結(jié)果。城市微氣候特征不僅可以揭示城市形態(tài)、人類活動等對局地氣象、氣候條件的影響，同時也為城市適應(yīng)性研究、城市發(fā)展及規(guī)劃提供基礎(chǔ)和思路。

3）城市氣候適應(yīng)性、城市發(fā)展和可持續(xù)性研究：城市不斷發(fā)展的同時帶來了諸多挑戰(zhàn)，如高溫，霧霾等。過去幾年中，氣候可行性論證、城市通風廊道設(shè)計及城市總體規(guī)劃氣候可行性論證技術(shù)等發(fā)展卓有成效。要有效地解決城市地區(qū)的氣候彈性問題，需要開發(fā)創(chuàng)新的設(shè)計方法，能夠處理指導可持續(xù)城市再生和改造策略所需的復雜信息，并從多尺度的角度管理技術(shù)和環(huán)境解決方案。發(fā)展能夠緩解城市化帶來的氣象和環(huán)境壓力的新方法與新技術(shù)，仍為城市氣象研究領(lǐng)域的重點。

4）跨學科的城市氣象模擬與觀測：城市氣象氣候條件是城市快速發(fā)展過程中典型性難題，由于城市中人口聚集、活動頻繁等原因，城市氣象氣候研究需要交叉領(lǐng)域跨學科綜合考慮。城市氣候研究中經(jīng)濟學、社會學相關(guān)模型的應(yīng)用可以為城市效應(yīng)影響研究帶來新的思路。

3.2 應(yīng)對策略

目前國內(nèi)在城市氣象研究領(lǐng)域仍存在很多不足，如對城市氣象氣候研究重要性的認識不充分、城市觀測技術(shù)相對欠缺、城市尺度數(shù)值模式基礎(chǔ)相對薄弱等。因此，可以從以下幾方面開展城市氣象科學研究，提高對城市化氣候效應(yīng)的認識。

1）發(fā)展更加精確的描述城市下墊面土地利用類型的遙感資料集，對模擬城市土地利用方式對區(qū)域氣候的改變和影響至關(guān)重要。

2）著重改善現(xiàn)有城市冠層模型的模擬性能，針對區(qū)域城市特點，改進并完善各類城市參數(shù)，包括熱力、形態(tài)參數(shù)等，并對城市下墊面與區(qū)域大氣相互作用過程進行更合理的參數(shù)化。

3）收集更多、更精細的能源消耗數(shù)據(jù)，借助自動站、遙感觀測數(shù)據(jù)對人為熱釋放的時空分布進行準確描述，將人為熱更合理地引入到城市冠層模型中；

4）加強城市人為氣溶膠對城市區(qū)域氣候影響的研究。

5）雖然目前數(shù)值模式模擬結(jié)果還具有較大的不確定性，但是隨著模式物理過程的改進完善和高性能計算能力的迅速提升，進行高分辨和長時間的城市化區(qū)域氣候效應(yīng)的集合模擬，將成為解決這一領(lǐng)域科學問題的有效途徑。