大数据-算法-河谷城市兰州热岛效应的观测与数值模拟.pdf

《大数据-算法在观测与数值模拟兰州热岛效应中的应用》 大数据技术在现代科学研究中发挥着至关重要的作用，尤其在环境科学领域，它能够帮助我们解析复杂的现象，如城市热岛效应。城市热岛效应是指城市地区温度普遍高于周边乡村地区的现象，这主要由城市化过程中的土地利用变化、建筑密集度增加以及人类活动等因素引起。兰州作为一座河谷城市，其地形特点和地表特性使其热岛效应具有独特性。 通过对大数据的分析和特定算法的应用，科学家们可以更深入地了解这种现象。在本研究中，研究人员使用了先进的气象模型——WRF-UCM（Weather Research and Forecasting Model with an Urban Canopy Module），该模型结合了非局地混合作用和边界层顶夹卷作用的YSU边界层参数化方案，以及MYJ局地闭合方案，以模拟对流边界层和稳定边界层的特征。研究发现，YSU方案在模拟对流边界层时表现出色，而MYJ方案在模拟稳定边界层时更为精确。 兰州的热岛效应表现出明显的季节性差异。冬季，热岛强度的日变化呈现双峰结构，高峰出现在晚上19:00和早晨6:00，低谷在下午13:00。夏季则转变为单峰结构，高峰在20:00，低谷在上午10:00。冬季热岛效应持续时间较长，这与城市下垫面的夜间温度升高有关，冬季温差可达到约2.4°C，夏季则可能高达4°C。同时，城市化导致的风速降低也是热岛效应的一个重要表现，城市与自然下垫面的风速差大约为1.0至1.5 m/s。 通过比较去城市下垫面的模拟结果，研究人员发现城市下垫面近地层的气温显著高于自然下垫面，尤其是在夜间。城市下垫面的特性，如建筑物对风的阻挡，是导致这一现象的主要原因。此外，城市下垫面的热岛环流在夜间能够促进山风环流，使得上升气流的高度高于自然状态。在冬季白天，山峰的加热效应和山谷风的交互影响形成一个脱地逆温层。夏季，强烈的太阳辐射和湍流运动使得河谷内的大气混合均匀，而热岛环流与谷风环流在特定时段相互促进。 城市地表辐射平衡的差异是热岛效应产生的关键因素。城市表面长波辐射的加热作用是夜间热岛强度超过白天的主要原因。城市下垫面对太阳辐射的“截陷”效应导致净辐射通量增加，加上建筑材料的不透水性，使得城市潜热通量远低于感热通量，增加了城市储热能力。这些因素共同作用，加剧了城市热岛效应。 总结来说，大数据和算法的应用揭示了兰州热岛效应的时空特征和形成机制，有助于我们理解城市化进程对区域气候和环境的影响。通过这些深入的研究，我们可以提出更有效的城市规划策略，以减少热岛效应，改善城市微气候，提升居民的生活质量。