《Atmosphere》：Evaluation of Different Urban Canopy Schemes in Simulating a Heatwave and Urban Heat Island over North China
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城市化显著影响区域气候，准确刻画城市冠层过程对于模拟高度城市化区域（如华北地区）的热浪至关重要。为评估不同城市冠层方案对地表参数模拟的影响，本研究对比了无城市冠层模型（NOUCM）、单层城市冠层模型（SLUCM）和多层城市冠层模型（MLUCM）在2023年7月
城市化显著影响区域气候，准确刻画城市冠层过程对于模拟高度城市化区域（如华北地区）的热浪至关重要。为评估不同城市冠层方案对地表参数模拟的影响，本研究对比了无城市冠层模型（NOUCM）、单层城市冠层模型（SLUCM）和多层城市冠层模型（MLUCM）在2023年7月5日至7日华北地区一次热浪事件中的表现。模拟采用WRFv4.6.1模式，并使用141个城市站点的观测数据进行验证。NOUCM在10 m风速模拟中呈现正偏差。SLUCM引入了建筑物拖曳效应，但其单层表征无法解析拖曳的垂直分布，导致均方根误差（RMSE）相较于NOUCM增加了15.8%。MLUCM显式表征了建筑物拖曳效应，使RMSE降低了29.5%。对于2 m气温，所有方案均表现为正偏差。SLUCM模拟出白天更冷、夜间更暖的温度特征，且夜间偏差较大。MLUCM更真实地模拟了遮蔽和辐射截留效应，使白天的RMSE降低了18.2%，并且夜间偏差接近于零。对于2 m比湿，SLUCM和MLUCM分别将RMSE降低了1.8%和0.7%。在城市热岛（UHI）强度方面，MLUCM的整体RMSE为0.721 °C，分别比NOUCM和SLUCM低30.2%和33.2%。MLUCM还产生了最小的白天和夜间偏差，并在12–20时期间与观测值吻合良好。SLUCM的夜间UHI偏差为+1.094 °C，而NOUCM的白天偏差为+1.176 °C。总体而言，MLUCM在模拟风速、气温和UHI强度方面表现出优越的性能，尽管其在2 m比湿方面的优势有限。这些发现为高度城市化区域的业务化数值天气预报中选择城市冠层方案提供了参考依据。
研究背景与科学问题
城市化是人类活动引起地表变化的主要形式，对区域气候产生深远影响，尤其在快速城市化地区更为显著。华北地区是中国城市化进程最快的区域之一，京津冀城市群在过去二十年中迅速扩张，深刻改变了区域气候。随着城市面积扩大和不透水面比例增加，地表覆盖的剧烈变化严重扰动了区域能量平衡和水循环。观测研究表明，城市化引起的城市热岛效应导致华北地区国家基本基准站的年平均温度每十年上升约0.11 °C，约占观测增温的37.9%。城市化与气候变化的协同效应放大了极端高温事件的风险，过去五十年间降水减少与极端高温之间的关系有所增强，而城市化显著加强了夏季干旱与热浪之间的联系。然而，在城市数值天气预报中，如何准确参数化复杂的城市特征仍是一项重大挑战。此前研究表明，模式模拟对城市冠层方案的敏感性甚至高于对行星边界层方案的敏感性。目前广泛使用的两种城市冠层方案——单层城市冠层模型（SLUCM）和多层建筑环境参数化方案（MLUCM）——在不同地区的表现存在区域依赖性。例如，MLUCM在多伦多能更好地再现城市热岛强度，而在班加罗尔，由于MLUCM中的白天辐射截留导致地表温度被高估，SLUCM反而显示出更小的偏差。因此，有必要针对高度城市化的华北地区，系统评估不同城市冠层方案在热浪事件中的模拟性能。
研究方法概述
研究人员利用中尺度数值天气预报模式WRFv4.6.1，采用水平分辨率3 km的单域配置，覆盖约5800 km×4500 km的区域，对应1945×1497个格点，积分时间步长为25秒，垂直方向设置60层，最低模型层距地面约25 m。模拟时段为2023年7月5日至7日，每天协调世界时00:00初始化一次，积分42小时，前6小时作为预热期不参与检验。初始和侧边界条件来自欧洲中期天气预报中心（ECMWF）预报数据集，空间分辨率0.25°×0.25°，时间分辨率6小时。其他物理参数化方案包括延世大学行星边界层方案、短波和长波快速辐射传输模型以及Noah陆面模型。研究人员设计了三个敏感性试验：无城市冠层模型（NOUCM）、单层城市冠层模型（SLUCM）和多层城市冠层模型（MLUCM）。SLUCM中建筑物高度统一设为7.5 m，建筑物间距和宽度均为9.4 m；MLUCM则采用差异化高度分布：10 m占20%、15 m占60%、20 m占20%，相应的建筑物间距和宽度分别为25 m和17 m。所有试验均使用2020年MODIS土地利用和植被覆盖度数据替代默认的地表数据。验证数据来自国家气象站网的逐时地面观测，包括10 m风速、2 m气温和2 m比湿，经过严格质量控制后选取华北地区141个城市站点进行检验。研究人员使用美国国家大气研究中心（NCAR）开发测试中心发布的模式评估工具（MET）进行定量评估，评价指标包括偏差（BIAS）和均方根误差（RMSE）。城市热岛（UHI）强度定义为城市站点与乡村站点的平均2 m气温差，其中城市站点为土地利用指数为13的站点，乡村站点包括森林、灌木、草地、农田和镶嵌地类，共识别出141个城市站点和856个乡村站点。
研究结果
3.1 近地面风速
三种方案在10 m风速模拟中均呈现正偏差，但幅度差异显著。MLUCM在整个模拟时段内持续产生最低的RMSE，表明系统性改善。NOUCM和SLUCM的偏差较大且具有明显的日循环特征。值得注意的是，SLUCM的RMSE在大部分时段甚至高于NOUCM，增幅达15.8%，表明单层拖曳效应未能改善任何时段的风速模拟。MLUCM显式表征了建筑物的三维动力拖曳，有效减少了风速高估，相对于NOUCM将RMSE降低了29.5%。白天时段，NOUCM和SLUCM在华北平原普遍呈现广泛的正偏差，SLUCM在天津多个站点的偏差尤为突出；MLUCM则显著减小了正偏差，部分区域甚至转为轻微负偏差。夜间时段，MLUCM模拟的风速更接近冠层内的实际风速，而NOUCM和SLUCM的高估仍然明显。
3.2 近地面温度
三种方案在2 m气温模拟中均呈现正偏差，其中NOUCM偏差最大，峰值达到2.85 °C，其次为SLUCM，MLUCM整体偏差最小，峰值为2.42 °C。与NOUCM相比，SLUCM在白天产生较低温度、夜间产生较高温度，这源于其对城市物理过程的参数化：一方面考虑建筑物对短波辐射的遮蔽效应，减少到达地表的短波辐射和感热通量，从而降低白天正偏差；另一方面模拟城市表面储存热量的缓慢释放，产生典型的城市热岛效应。MLUCM在整个预报时段均减小了温度偏差，其优势在于垂直多层结构能够更细致地表示不同高度的辐射吸收和湍流混合的垂直分布。白天，MLUCM更有效地将吸收的热量输送到上层边界层，减少近地表热量积聚，显著降低白天正偏差；与SLUCM夜间增温明显不同，MLUCM大幅减小了夜间偏差，部分时段接近零。从RMSE来看，SLUCM白天低于NOUCM，表明遮蔽效应改善了白天模拟，但夜间SLUCM的RMSE显著高于NOUCM，证实单层方案在夜间未能提供任何改进。
3.3 近地面比湿
三种方案2 m比湿的RMSE曲线在整个预报时段几乎完全重叠，表明城市冠层方案的选择对比湿整体模拟的影响有限。然而，所有方案均呈现系统性负偏差（干偏差），且白天更为明显。热浪期间，MLUCM的系统性干偏差白天峰值约为-2.3 g kg-1。MLUCM在比湿模拟中并未展现出明显优势，其干偏差甚至略为显著（差异通常小于0.5 g kg-1），这可能与其强烈的垂直混合有关，倾向于将水汽向上输送从而减少近地表比湿。此外，所有方案均未包含真实的城市储水和人为水汽源。
3.4 地表能量通量
在NOUCM中，城市区域潜热通量接近于零，因为城市表面被视为不透水的平坦介质，蒸发基本缺失。相比之下，SLUCM和MLUCM均呈现出非零的潜热通量，因为它们考虑了城市峡谷内植被的蒸散发。白天，MLUCM的感热通量显著高于SLUCM，这与更强的垂直混合一致，同时MLUCM向下的地热通量（代表进入地下的储热）绝对值显著更小。这种能量分配机制表明，MLUCM中较大的感热通量与其精细的动力拖曳和湍流参数化有关，增强了垂直混合并将热量快速输送到更高层次，减少近地表积累；较小的地热通量则意味着更少的热量储存在深层地下。尽管MLUCM向大气输送了更多感热，但高效的垂直混合阻止了近地表过度增温，从而抑制了白天温度正偏差。夜间，由于MLUCM白天储存的热量较少，其向上的地热通量绝对值在三种方案中最小，导致夜间感热通量趋近于零，辐射冷却占主导，温度下降迅速，正偏差较小。相反，SLUCM白天地热通量大负值、夜间大正值，结合夜间湍流混合微弱，储存热量的持续释放导致显著的夜间感热加热和更大的夜间温度偏差。
3.5 城市热岛强度
MLUCM在大部分预报时段产生的UHI强度最接近观测值，尤其是在12至20时之间，MLUCM曲线几乎与观测曲线重合，偏差小于0.2 °C。SLUCM在白天的峰值时刻出现明显峰值，夜间则未显示出优于NOUCM的表现，甚至表现出更持久的正偏差，与单层方案过度的夜间热量释放一致。NOUCM在整个预报时段均呈正偏差。统计显示，MLUCM的白天和夜间UHI偏差分别为+0.349 °C和+0.094 °C，均为三种方案中最小的。MLUCM的UHI整体RMSE为0.721 °C，比NOUCM（1.033 °C）低30.2%，比SLUCM（1.079 °C）低33.2%。SLUCM的夜间UHI偏差达到+1.094 °C，甚至大于NOUCM，进一步证实了单层方案在表征夜间城市热存储方面的局限性。NOUCM的白天UHI偏差达到+1.176 °C，反映了无冠层方案过强的白天热效应。
讨论与结论
本研究表明，MLUCM在风速、温度和UHI强度模拟中始终优于NOUCM和SLUCM，而在2 m比湿方面的改进有限。MLUCM在风速方面的更好表现归因于其对三维建筑物拖曳的显式表征，而SLUCM使用均匀的7.5 m建筑高度低估了城市表面的动力粗糙度，产生更大的正风速偏差。温度和UHI结果进一步支持了地表能量通量分析揭示的机制：MLUCM通过多层垂直结构实现更合理的辐射吸收和湍流混合垂直分布，白天储存较少热量、夜间释放较少热量，而SLUCM白天储存较多热量并在夜间持续释放，导致夜间UHI显著高估。需要注意的是，SLUCM和MLUCM的相对表现具有区域依赖性，在班加罗尔等城市化水平较低的城市，单层假设可能更适合，而京津冀城市群的高建筑密度和大高度变异性更适合MLUCM的三维结构。所有方案在2 m比湿方面均存在干偏差，MLUCM未展现明显优势，这可能与所有方案将城市表面视为基本不透水、缺乏真实城市储水和人为水汽源表示有关，表明城市水文过程的表征仍是城市冠层建模的主要不确定性来源。研究也存在若干局限性：仅考察了一次热浪事件，结论可能不适用于其他天气条件或季节；SLUCM和MLUCM使用的城市形态参数为预设值而非来源于本地建筑数据集；模拟未包含人为热排放；UHI计算中乡村站点的选择可能影响估算幅度。未来研究应模拟更多热浪和非热浪案例以检验MLUCM优势的稳健性，引入基于局地气候分区（LCZ）的本地化城市形态参数并在关键城区采用更细的嵌套网格，探索MLUCM与城市水文参数化的结合以减少比湿干偏差，并通过严格定义的LCZ乡村站点进一步优化UHI计算。
