每日一文：大气与城市地表相互作用的参数化：现状与展望

Basic Information:

Title: Parameterization of the Interaction between the Atmosphere and the Urban Surface: Current State and Prospects (大气与城市地表相互作用的参数化：现状与展望)

Authors: M. A. Tarasova, M. I. Varentsov, and V. M. Stepanenko

Affiliation: Faculty of Geography, Moscow State University, Moscow, Russia

Keywords: urban meteorology, urban parameterizations, atmospheric model

URLs: Paper, [GitHub: None]

论文简要 :

本文旨在更新城市参数化的相关信息，比较不同模型中用于描述物理过程的方法，并提出改进建议。通过对各种复杂程度的常见城市参数化的分析，确定了描述“城市地表-大气”相互作用的主要物理过程，包括能量平衡、辐射传热、地表湿度平衡、城市冠层中的湍流热湿交换、人为影响、辐射和湍流与城市植被的相互作用。同时，指出了城市参数化发展的现代趋势和改进方向。

背景信息:

论文背景: 城市化进程的加速自20世纪中叶以来已经观察到。城市对环境产生了重要影响，形成了微气候特征，如城市热岛效应、对流天气事件的增强等。为了更准确地预测天气和气候，需要正确设置数值大气模型的边界条件，特别是由大气与地表之间的相互作用决定的边界条件。然而，目前的大气模型无法明确考虑大气与城市环境中个体元素之间的热交换。为了解决这个问题，使用了城市冠层中的物理过程参数化方法。

过去方案: 过去的城市参数化方法主要采用了简化的几何描述，将城市地表视为平坦的水平表面，并通过修改地表方案参数来计算地表湍流和辐射通量。然而，过去的综述已经过时，而最近的综述没有完全涵盖模型中用于描述物理过程的方法。

论文的Motivation: 鉴于过去综述的过时性和现有综述对物理过程描述的不完整性，本文旨在更新城市参数化的相关信息，比较不同模型中用于描述物理过程的方法，并提出改进建议。通过对各种复杂程度的常见城市参数化的分析，确定了描述“城市地表-大气”相互作用的主要物理过程，并指出了城市参数化发展的现代趋势和改进方向。

方法:

a. 理论背景:

城市参数化用于描述大气数值模型中城市表面与大气之间的相互作用。主要有两种城市参数化：平板模型和峡谷模型。平板模型将城市表面视为平坦水平表面，并修改土地表面方案参数以考虑城市特征。峡谷模型则将城市区域表示为一组建筑和道路，建筑之间的空间称为峡谷。峡谷的参数，如高度和宽度，用于确定表面特性。平板模型计算表面温度和相应的感热和潜热通量的一个值，而峡谷模型考虑城市环境的异质性，并计算城市峡谷内各个元素的通量。

b. 技术路线:

城市峡谷模型描述城市峡谷内发生的辐射过程。需要考虑的两个主要效应是遮蔽和反射/再辐射，以准确描述辐射通量。遮蔽发生在峡谷墙壁在道路或对面峡谷墙壁上投下阴影时。反射短波辐射在城市峡谷模型中被认为是各个峡谷元素的方程组解决的结果。峡谷的高度是参数化辐射平衡的重要因素。大多数情况下，城市表面被表示为具有平均高度的单一峡谷。在高度作为平均值给出的参数化中，峡谷屋顶的表面不与峡谷其他元素的辐射通量发生相互作用。辐射通量的计算考虑了城市表面的三维特性，使用了天空视因子来表示从道路或墙壁看到的天空的比例。短波辐射包括直接、散射和反射辐射。直接太阳辐射的计算考虑了每个垂直层对表面遮蔽的贡献，而不考虑遮蔽。散射太阳辐射的计算类似，也不考虑遮蔽。

结果:

a. 详细的实验设置:

单层城市峡谷模型不将城市环境划分为垂直层，导致了对入射太阳辐射到道路表面和墙壁的方程中第二和第四项的缺失。此外，排除了墙壁的每个部分对太阳辐射反射的贡献。

b. 详细的实验结果:

在批量参数化中，城市峡谷并未明确重现。而是通过两个主要参数“批量反照率”和“批量发射率”来影响辐射通量。峡谷的长宽比影响了城市峡谷系统的有效反照率，长宽比的增加会显著降低有效反照率。

Note:

本总结源自于LLM的总结，请注意数据判别