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城市降水与空气污染的气象(观测)研究前沿报告
作者:   时间:2014年06月30日 【字号: 】【打印本页】【关闭】

            梁旭东,北京城市气象工程技术研究中心


一、该领域的学术进展

城市化是人类社会现代化发展过程中的必然趋势。城市化带来的土地覆盖的复杂化、人为热排放加剧、温室气体与气溶胶的排放增加等一系列问题,影响着城市大气环境和物理过程的变化,进而改变着常规的天气、气候特点。另一方面,城市的安全运行和居民的生产生活对天气尤其是高影响天气的预报需求越来越高。所以近年来针对城市(群)的天气、气候和大气环境效应研究成为当前国际社会和科学界共同关注的前沿课题之一。

针对城市降水和空气污染的气象关键技术研究,从2000年以来,美国、欧洲等地相继组织了一些综合观测实验和研究计划,涉及到的研究项目包括:城市地表参数的获取(反照率、粗糙度、湿参数)、地表能量平衡、城市边界层结构、城市热岛效应、城市环流与中尺度局地环流相互作用、城市对降水的影响、城市空气污染等内容。这些试验研究提升了城市作用对天气、气候影响机理以及对城市空气质量问题的认识水平。WMO 在全球开展了一系列城市气象和环境研究(GURME)项目,主要针对空气质量及其相关的气象观测,项目包括:北京大气环境污染控制机制研究项目、莫斯科超大城市可持续发展气象服务、用被动采样仪进行空气质量观测(美国NOAA)、拉丁美洲城市空气质量预报的改进以及上海城市气象和环境研究示范。国内较全面的研究试验是20012003年在北京开展的大气边界层动力、热力、化学综合观测试验(BECAPEX),该试验获取了北京城市大气动力和大气化学三维结构特征。2004年北京开展城市边界层观测试验(BUBLEX),2005-2006年南京市开展城市边界层观测;国家科技部973项目我国东部大规模城市化的气候效应及对策在我国东部长三角特大城市群区,针对地表物理特性、陆面过程、城市冠层和大气边界层、大气污染物及其辐射特性等,设计和开展多过程的协同强化观测试验;国家科技支撑计划京津冀城市群高影响天气预报中的关键技术研究围绕京津冀城市(群)局地环流与其对城市高影响天气过程影响开展综合观测科学试验,重点对城市(群)山谷风环流、热岛环流和海陆风环流和边界层结构进行观测。这些试验均是在特定环境条件下开展的短期观测试验,主要针对城市边界层结构、城市空气质量、城市化的天气/气候效应等开展研究,同时亦用于数值模式的发展与检验,并取得不同程度的进展。

近年来,新探测技术的发展和应用为城市气象观测提供了新途径。风廓线雷达和声雷达可观测水平风、混合层高度、垂直速度的垂直廓线,多普勒激光雷达可实现边界层三维风场观测,差分吸收激光雷达可实现边界层水汽廓线观测,地基微波辐射计可观测水汽、温度和云水的垂直廓线。另外,光导纤维温度测量等新技术和无人驾驶飞机(UAV)、要素自动采集器(HOBO)等新仪器平台的发展为更高水平及垂直空间分辨率三维大气观测提供了可能。这些新的观测仪器为开展更加深入的大气环境观测奠定了基础。

二、该领域亟待解决的科学问题

城市化给人们生产生活带来的便利的同时,也给社会的稳定运行带来了巨大的环境压力和灾害风险,面临极端天气事件(如“城市洪涝”)和环境灾害事件(如“城市雾霾”)频发,对城市运行的危机管理和风险管理不断提出挑战。对城市气象服务也不断提出新的需求。所以更好地认识、科学地适应和应对气象及环境问题已成为城市可持续发展面临的迫切任务。目前针对城市气象用户需求,亟待解决的科学问题主要可归纳为以下几个方面。

(1)按照用户需求定制的观测和模式系统:目前,非常缺乏针对城市政府决策和公众需求而开展的观测和数值模拟工作,这将极大地限制城市气象的应用和效益的发挥。

(2)数据共享:很多城市气象用户有自己的观测系统,形成了独立的资料库。然而,各用户之间有共性的数据需求。如果管理部门把各用户的资料规范化、收集、共享,则可以最大限度地发挥各观测系统的作用,避免重复建设和资料使用的不规范。

(3)城市天气预报的时效、精度和可信度问题:准确的预报可以有效减少气象灾害造成的损失。因此,延长预报的时效、提高精度和可信度,对于减少空报带来的人财物损失和漏报带来的灾害损失至关重要。

(4)对天气极端事件和趋势的预测:传统的长期预报中没有包含城市的影响。需发展可考虑城市影响的预报方法和更小尺度的预报技术,以满足用户的需求。

(5)环境干预措施影响评估:目前,亟需在不同尺度上开展城市绿地、垂直/空中花园、白色墙壁/屋顶、透水路面等环境干预措施影响的定量评估。然而,基于现有数值模拟方法尚不能给出明确的结论。

(6)城市气象模式与其他模式的耦合:发展陆地-海洋-城市耦合模式满足海岸城市的用户需求,发展大气化学-气象耦合模式(包含污染物对气象场的影响)满足气象和大气化学双方用户的需求。

三、该领域相关技术成果进一步转化应用方向建议

城市气象研究相关技术成果将主要应用于为城市运行、安全提供更加精细化的气象服务。随着科学技术的飞速发展,城市气象研究的发展与实际应用将结合的越来越紧密,其发展方向包括:

(1)城市气象观测新技术:如何利用PDA网络(包括智能手机)、移动观测等新技术,实现全边界层的观测。

(2)非常规的信息传播技术:通过网络(社交网站、视频网站等)、短信等多种方式,实现重要信息报告/资料获取。

(3)动态城市信息:城市地理信息系统资料的定期更新。

(4)数值模式系统的城市化:天气/气候/空气质量模式的城市化、并提高城市地区模拟结果的检验方法研究。

(6)城市气象-决策支持综合体系构建:将城市气象科学研究与政府决策和公众需求紧密结合,形成有机整体,主要包括:

① 城市气象观测与数值模拟的互动;

② 城市气象专家与用户之间的有效沟通/交流机制;

③ 城市气象试验基地(Testbed);

④ 研究成果业务应用框架(及时将研究成果落地)。

面对上述挑战,城市气象服务一方面需要基础研究为其提供科技支撑,另一方面需要应用研究为其提供工程技术支撑。基于用户需求的城市气象研究应包括基础研究和应用研究两个方面。城市地表变化是城市化最显著的表现之一。城市化使自然地表变为人工地表,通过下垫面与大气之间进行的动量和能量交换,改变了低层大气物理过程。城市生产生活的集中排放,改变了城市地区大气成分、增加大气浑浊度、消减太阳辐射、降低能见度,在加剧大气污染的同时为云、雾和降水的形成提供了丰富的凝结核。城市化从热力、动力和化学成分等多个方面影响了城市天气气候和环境。因此,研究城市气象和环境问题重点需要以下几个方面的科技支撑。

(1)城市气象观测研究

城市边界层是最复杂的非均匀大气边界层之一,开展边界层观测是认识这一复杂大气边界层的有效途径。针对城市陆面与边界层过程多尺度非均匀性的特点,发展新探测技术与设备,研究城市气象观测方法,开展城市气象综合观测试验,建立观测网。

为了满足现代化城市运行管理的基本目标,气象要素要成为城市运行态势监控与危机应对实时信息采集系统之组成部分,必须在传统气象观测基础之上,通过城市气象观测系统工程建设,建立起以用户需求为导向、预警与预报相结合、定点与机动互补的城市气象观测体系。

(2)城市气象基础数据集的建立

城市气象基础数据集建设是开展城市气象研究的重要基础性工作。开展基于遥感资料的城市气象基础数据反演方法研究,建立人为热排放清单(包括感热和潜热两部分)。同时,研究适用于业务系统的城市气象基础数据获取方法,实现数据的共享和有效管理。

(3)城市陆面与边界层过程研究

城市陆面与边界层过程研究是开展城市气象研究与应用的基础。针对我国城市及其地理、气候特点,研究城市非均匀地表非线性相互作用机理,发展能够合理反映城市化影响的城市陆面模式和边界层参数化方案,并实现与天气、气候、空气质量及污染扩散模式的耦合。在精细模拟方面,发展建筑物能量模式研究城市能源消耗与气象条件的反馈过程。发展分布式城市水文模式,与城市陆面模式耦合,建立城市沥涝模型。

(4)气象-化学耦合模拟

城市污染(气溶胶、雾霾等)对辐射及降水的影响非常重要。需发展气象模式与大气化学模式在线、双向耦合技术,研究城市气溶胶对辐射、云雾物理及降水过程的影响机理。

(5)城市气象决策支持系统

城市管理者需要基于风险管理要求建立相应的决策支持系统,极端天气和大气污染对各行各业和人民生活的影响评估是其重要组成部分。开展城市气象灾害发生发展演变规律研究,加强城市气象灾害监测预警、风险区划与管理;开展城市交通、管网等基础设施和运行系统的脆弱性、暴露度和承灾能力的评估;开发城市安全运行(供电、供暖、供水、交通等)和大气环境、公共健康等领域气象影响预报技术;开发智能化的专业气象服务产品的制作和发布技术;开展城市气候变化影响评估和城市应对气候变化措施研究。

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