有植被覆盖的城市冠层模型的气象和环境建模外文翻译资料

 2022-12-07 04:12

英语原文共 30 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

有植被覆盖的城市冠层模型的气象和环境建模

Sang-Hyun Lee · Soon-Ung Park

摘要：发展城市冠层模型是为了用于中尺度气象和环境模型中。城市的几何形状由简单的以峡谷纵横比（h/w）为特征及以叶面长宽比（sigma;l）和叶面密度概况为特征的峡谷植被的互相类似的建筑所组成。在这个模型中，考虑了五种表面之间（房顶、墙壁、路面、叶子、土壤）的能量交换，同时能量储存关系被应用到各个方面。另外，模式可以在不假定热平衡的情况下预测冠层内大气的温度和绝对湿度。对于在峡谷内的辐射传输，考虑了短波辐射的多次反射和长波辐射的一次反射，然而阴影部分和辐射的吸收取决于利用透过率和叶面密度概况函数估算的峡谷植被。该模型在温哥华、不列颠哥伦比亚大学和法国马赛进行了实地测量评估，结果表明这个模型能够很好地模拟地表温度的观测、冠层大气的温度和绝对湿度、动量通量、净辐射能量、以及湍流通量和储热通量中的能量。敏感性试验表明，峡谷植被对地表温度以及感热和潜热通量的划分上都有很大影响。另外，土壤含水量和叶面积指数会影响地表能量平衡和植被覆盖率。这些结果表明，一个适当的峡谷植被的参数化方案是城市建模的前提。

关键字：峡谷植被 叶面积指数 中尺度环境模型 多次反射 地表能量平衡 城市冠层模型

1 引言

城市表面一般由不同的街道峡谷、建筑物和植被组成，由于城市形态的复杂性，潜在的障碍物对低气流和热构造产生了巨大的影响。近地表的城市大气通常包含两种不同的层次：一种是城市冠层（UCL），它从地面延伸到平均层顶（Oke 1982）；另一层位于城市粗糙度层（URSL）以上，它并非常值通量层，延伸到50-100m（Rotach 1993）。实地测量（Rotach 1993,1995;Feigenwinter et al.1999;Louka et al.2000;Grimmond and Oke 2002;Eliasson et al.2006）和风洞试验（Kastner-Klein et al.2001）表明城市区域的流场特征、湍流运动能量（TKE）和切应力对大气污染物散布和相关大气质量产生极大的影响。

因此，可以用几种方案模拟城市表面条件的复杂性。第一种方法是运用包括表面粗糙度、反照率、发射率、热容量、热传导等在内的物理、空气动力学特征变量来表示城市地表能量收支（即所谓的板模型）（Myrup 1969; Atwater 1977;Seamanetal.1989）第二种方法是运用基于单一植被模型的（Deardorff 1978;Dickinson etal. 1986; Sellers etal. 1986;Lee and Pielke 1992; Sellers et al. 1996; Dickinson etal. 1998;Walko etal. 2000）单层城市冠层模型（Oke et al. 1991; Johnson et al. 1991; Mills 1993;Masson 2000; Kusaka et al. 2001）。第三种方法是运用一种多层城市冠层模型的中尺度气象模式（Brown 2000; Ca et al. 2002; Martilli et al. 2002; Otte et al. 2004; Dupont et al. 2004）。

尽管第三种方案有很多优点能代表城市冠层的特征，尤其是城市粗糙度层，但它也存在一些不足，例如平均风的阻力系数和湍流运动能量不能从不同的城市形态很好地被建立。因此，在运用莫宁-奥布霍夫相似理论求水平面上的动量交换时假定阻力系数是恒定的。

在这些方案中，除了Dupont等（2004）考虑了建筑物峡谷之外，大多都忽略了城市街道峡谷内种植的植被。然而，峡谷植被会对城市表面温度以及周围大气温度和湿度产生很大影响（Hoyano1988;Robituetal.2006），由此改变城市区域的地表能量平衡，结果对气象模式可能会造成不同的下边界条件（如向上短波和长波辐射、动量、感热和潜热通量等）。

在这项研究中，有植被覆盖的城市冠层模式（VUCM）是在一个能真实体现城市表面特征的单层模型的基础上被发展起来的，这能够提高中尺度气象和环境模式的性能。VUCM包括植被对城市峡谷内的风速和辐射能量分配的影响以及土壤和植被能量的预算。

2 模型描述

2.1 城市概况

由于真正的城市表面被复杂的建筑物、道路、树木以及人工材料等覆盖，有必要将它简化为几何形式，为了将联系动量和能量传递的物理过程适当参数化。一个简单的城市几何特征，类似于Oke和Cleugh （1987）提出的 “峡谷”框架，被用于和调整考虑了受植被影响的峡谷环境，例如阴影区域、吸收的辐射、蒸散量、叶表面湍流通量和动量阻力等的影响。有效叶面积指数为计算城市数木的感热通量和潜热通量，利用该方法能对城市树木和冠层空气之间的能量通量进行定量估算。

一个VUCM示意图如图1所示，并把在模型中使用的参数列于表1。整个城市的表面被部分分为两个部分：屋顶和峡谷。峡谷部分由平坦道路、两个相对建筑的墙面和自然表面（植被和土壤）组成。冠层空气可定义为被两面墙包围的空气，这意味着冠层空气量是由峡谷宽度和建筑物高度所决定的。冠层空气的热量和含水量随体积的变化而变化。可能的能量交换途径由图1中的实心箭头表示：屋顶→大气、冠层空气→大气、墙壁→冠层空气、道路→冠层空气、土壤→冠层空气、植被→冠层空气。

图1.VUCM示意图（光和按箭头分别指示热和湿的途径）

（下标R，C，w，r，l，s分别表示屋顶，峡谷，墙，道路，植被和土壤）

2.2 表面温度

2.2.1 人为的表面：屋顶、墙面和路面

图2. 表面温度的垂直网格结构（温度和流量的网格点是交错的）

通过求解经过多层处理且垂直网格间距可变（图2）的一维热传导方程，计算出人为表面温度和室内的热通量，从而求算出有效墙面温度，而不是对两面墙单独处理。当峡谷纵横比为1时，这样的简化对峡谷顶层的能量交换影响不大，小于2Wm-2。温度Ti，K和热通量的Fi，K的计算如下：

（1）

（2）

其中下标i指的是人为表面，下标k从1到n变化，表示垂直层，Ci,k和Ki,k分别指体积热容量和热传导率。

当房顶或道路上积水时，假设整个水平面被水覆盖，而且顶层和水层同时处于热平衡态。这种假设与Masson（2000）的不同，他假定在屋顶和道路的部分被水覆盖，其他区域仍然是干的。为求解方程（1）（2），在人为表面的顶层深度中增加了水深以及体积热容量的重量平均与它们的深度比。

在第i层表面的底部和顶部的能量通量应被估算为求解方程的边界条件，预先指定的建筑物内部温度或零垂直温度梯度可作为屋顶和墙壁的底部边界条件，而在路面上应用零垂直温度梯度（零热通量）。若建筑物内部温度设为屋顶和墙面的温度，则它们可根据最底层和上覆层之间的温差被视为热源或散热。顶部表面（第n 1层）的能量通量可由下式来估计: Fi,n 1 = Sidarr;uarr; Lidarr;uarr;minus; Hi minus;lambda;Ei （3）

式中通量分别代表太阳净辐射、净长波辐射、湍流热通量和潜热通量在每个水平表面i上的吸收和/或发射。但由于墙面不能蓄水，所以在该假设中忽略了墙面的潜热通量。

2.2.2 自然表面：植被和土壤

从内能以及水和干土的质量来诊断土壤温度（Walko等 2000），相对于一个完全冰冻潮湿的土壤在0◦C的参考状态下的湿地内能为Qs,k（Jm-3），定义各层的k为：

（4）

式中Ts,k是第k层的土壤温度（◦C），Ws,k是每格体积土壤中水的质量（kgmminus;3），、分别是相对于总的土壤水中冰和液态水的部分，、分别为冰和水的比热（Jkg-1K-1），是干燥土壤的热容量（Jm-3K-1），为冰融化释放的潜热。随着土壤温度的变化，由第k层的Qs,k来诊断出冰和液态水的含量（表2）。

层与层之间的土壤热通量为：

其中导热系数（Wm-1K-1）取决于通过湿度势(m)的土壤含水量，由下式给出：

为简单起见，等式5a中省略了表示垂直层的下表k。土壤上部的能量预算为：

式中分别为净短波辐射、净长波辐射、湍流感热通量、潜热通量。最深的土壤层的温度被认为与离上覆层最近的土壤温度相等，这可作为底部边界条件（零通量条件）。

（下标同表1）

土壤层之间的水汽通量为：

式中（kgm-2s-1）表示每层的水汽通量，为液态水的密度，（ms-1）为渗透系数，z（m）为土壤层的深度。由Clapp and Hornberger（1978）得和的参数形式为：

其中为饱和水分势，（m3m-3）为饱和土壤含水量，为土壤含水量，为饱和导水率，b是一个取决于土质的指数参数。

基于大叶法，我们认为峡谷植被是一个平行于地面的单层，植被表面（或叶片表面）的能量平衡由下式给出：

式中为植被温度（或叶片温度），（Jm-2K-1）为植被表面的比热能，分别表示净短波辐射、净长波辐射、感热通量、以及从根区在植物表面蒸腾的水汽通量。植被的热容量计算式为：

式中的数值等同于每叶面积指数（LAI）中1mm水深的热容量（Garratt 1992）。

2.3 表面水分收支

潮湿的表面在地表能量平衡中起着重要的作用。当表面是湿的，潜热通量将会增加，从而提高湿度，但相比干表面条件会降低周围空气的温度，因此，降水量（在雨天）和结露（在晴朗的夜晚）被认为是在有植被覆盖的冠层模式中的表面水源。但这其中不包括城市中可忽略的人为水源。

根据植被覆盖率将自然表面的降水量划分为植被和土壤表面。当在植被表面的含水量超过植被所能容纳的最大限度时，多余的部分首先经过热传导而与植被温度达到热平衡，然后从植被散布到土壤表面。对于屋顶和路面，当降水量首先达到其饱和水容量之后，多余的水分将随即流失。

尽管观察得每晚的露水量几乎不超过0.5mm（Garratt 1992），但在地表能量平衡方程中考虑露水含量是有必要的（Richards 2002）。露水的形成不仅由一些气象条件如温度、湿度、风速和长波辐射传输（Gandhidasan和Abualhamayel 2005）等支配，同时也会受到基本物理特性的影响（Beysens 1995）。即使露水的形成过程复杂，但在有植被覆盖的城市冠层模型中，一个简单的能量平衡方程（(Madeira等 2002）可以用来估算屋顶、道路、植被和土壤地表的露水量和持续时间。屋顶的露流量取决于屋顶表面温度计算得到的水蒸汽的饱和比湿与屋顶表面覆盖的大气比湿之差，而道路、植被和土壤表面的通量取决于饱和比湿和冠层大气比湿。

因此，每个表面的水分收支方程为：

式中（kgm-2s-1）分别为降水率和蒸发/结露速率，表面上的蒸发或冷凝（结露）取决于湍流水汽通量的方向。设屋顶和道路的最大水容量为2kgm-2，相当于2mm水深。植被获得的最大水量，可以用一个简单的关于叶面积指数的参数化函数来表示：

各层土壤含水量可由下式计算：

下边界条件为。

2.4 冠层大气能量收支

与Masson（2000）和Kusaka等（2001）的理论不同，在有植被覆盖的城市冠层模型中冠层大气的温度和绝对湿度是可以预测的。冠层大气温度（）的能量平衡方程如下：

式中分别为墙面、地面和植被表面的感热通量，为从峡谷排放到上覆大气中的感热通量，为释放到峡谷中的人为热通量，rho;为空气密度，为干空气的比热容，分别为冠层空气量和峡谷底面积。

是表示为通过峡谷底部等效通量的道路和土壤中的感热通量的总和，即：

下面，将以与同样的方式来定义含有上划线和下标g的变量X（）。

冠层空气绝对湿度的水汽质量平衡方程为：

式中为道路和土壤表面释放出的水汽通量（kgm-2s-1），为植被的水汽通量，为冠层空气和峡谷顶部上覆大气之间湍流交换的水汽通量。在土壤和叶片表面的蒸发/结露的物理过程中，应考虑根区叶面的蒸腾作用。注意可将峡谷植被和墙面上的能量通量等量转化为考虑了叶长宽比（）和峡谷纵横比（）的水平地面能量通量。叶长宽比定义为，其中有效叶面积指数，日照叶面积指数的概念由Kjelgren和Montague（1998）提出。

2.5 短波辐射收支

为了确定峡谷内每个表面的辐射通量的吸收，所考虑的峡谷特点是通过峡谷纵横比和叶面密度分布以及反照率、发射率、每个表面的导热性与扩散性等表面性质所体现出的峡谷几何形式。图3为在屋顶、墙壁、地面和植被上所估计的入射太阳辐射通量示意图。

总入射太阳辐射通量（）分为直接辐射通量（）和漫射辐射通量（）两部分。建筑物和植被或其它

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[31500]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章