《Journal of Hydrology》：Influence of anthropogenic water dissipation on urban heat island – a case study of Beijing
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本研究构建了城市人为水分蒸散计算模型，并与WRF模型耦合，模拟北京夏冬两季的热岛效应及水分循环。结果表明，人为蒸散显著增加潜热通量（夏季+30 W/m2）和湿度（+0.12 g/kg），有效缓解夏季热岛（降温0.7℃），冬季维持高湿度，验证了模型准确性。
罗卓然|王先志|刘家宏|张尚红|张莉|邵伟伟|葛新欣
华北电力大学水资源与水电工程学院，中国北京102206
摘要
在快速城市化进程中，人为用水活动（如室内建筑用水、道路洒水和植被灌溉等）已成为城市水循环的重要组成部分，而通过蒸发和蒸腾作用产生的水汽散失对城市能量平衡和局部气候有显著影响。然而，当前主流的城市气候模型普遍缺乏对城市人为水散失过程的详细描述，这限制了它们模拟城市热岛效应和水文过程的能力。本研究构建了一个城市人为水散失的计算模型，将人为用水活动产生的水分通量纳入城市冠层模型（UCM），并与WRF模型耦合进行模拟。以北京夏季和冬季的典型时期为例，模拟并分析了人为水散失对城市热岛效应（UHI）的影响。结果表明，人为水散失显著增加了城市地区的潜热通量（LH）和特定湿度。夏季，城市地区的潜热通量增加了约30 W/m2，2米高度的平均温度降低了约0.7℃，从而有效降低了城市热岛效应的强度。尽管冬季人为水散失量减少，但它仍对维持较高的特定湿度有积极作用，城市地区的特定湿度增加了约0.12 g/kg。模拟结果与观测数据高度吻合，强调了在城市气候模型中纳入人为水散失过程的必要性。
引言
在快速城市化过程中，城市地表覆盖发生了巨大变化，大量自然透水表面被不透水的人工表面所取代（Tellman等人，2021年；Zhang等人，2023年；Zhang等人，2024年）。这种变化显著削弱了自然蒸发冷却能力，改变了城市地区的水热循环过程，进一步加剧了城市热岛效应（UHI）（Deng等人，2024年；Pei等人，2024年；Zhao等人，2024年）。同时，城市人为水散失（包括生活用水、道路洒水、绿地灌溉等）作为高强度人类活动干预城市水文循环的关键环节，通过蒸发和蒸腾作用产生了大量的水分散失（Luo等人，2022a；Zhou等人，2018年；Zhou等人，2019年）。这一过程不仅显著影响城市表面的能量动态，还对城市热岛效应具有潜在影响（Cui等人，2025年；Li等人，2023年；Wang和Jia，2016年）。因此，研究城市人为水散失如何影响城市水文气象过程已成为城市水文气象学跨学科领域的热点课题。
为了更好地利用天气研究与预报（WRF）模型描述城市环境中的热量、动量和水汽传输物理过程，当前的研究主要采用将城市冠层模型（UCM）与WRF耦合的方式进行模拟（Li等人，2019年；Sultana和Satyanarayana，2023年；Thiruridathil等人，2024年）。Wang等人（2022年）通过将WRF模型与UCM结合，评估了凉爽屋顶和植被屋顶对城市热岛效应及人体热舒适度的影响，发现凉爽屋顶在降低城市温度方面比植被屋顶更有效。这两种方法都减少了气流、平均辐射温度并提高了湿度水平；Zhang等人（2018年）利用WRF模型结合建筑效应参数化方法，模拟了哈维飓风期间休斯顿地区的极端降水事件，发现城市化增加了地表粗糙度和地表温度，加剧了地表附近的大气汇聚和高层大气的分散，从而促进了降水；Chen等人（2025年）将光伏屋顶和绿色屋顶纳入UCM，考虑了光伏板和绿色植被对城市表面能量平衡（包括显热和潜热）的影响以及其对建筑的遮阳效果，提高了UCM对城市热环境的模拟能力。尽管UCM在模拟城市地表温度和显热通量方面效果显著，但在研究和实际应用中受到了广泛关注，但大多数此类模型缺乏或仅包含过于简化的水文模块，难以准确模拟与水传输过程相关的水分平衡和潜热通量。
城市人为水散失是城市水循环的重要组成部分，反映了高强度人类活动引起的水汽散失（Guo等人，2021年；Luo等人，2021a）。根据《城市建设统计年鉴》，全国城市用水量从1978年的78.75亿立方米增加到2023年的687.56亿立方米。用水强度的显著增加不仅吸收了大量汽化潜热，还显著增加了大气中的水分含量，这对城市表面的能量交换和水循环具有重要影响（Liu等人，2024年；Ando和Ueyama，2017年；Harmay和Choi，2025年）。Liu等人（2018年）通过结合实验监测和统计分析，研究了城市典型工厂、建筑和居民区的水循环，发现城市地区建筑物密集且人类活动强度高，其蒸发蒸腾量远高于郊区表面。因此，需要全面考虑城市底层表面的物质多样性和各表面的水文过程，以提高WRF模型模拟城市热岛效应的准确性。
基于城市水文原型的观测和实验数据，本研究划分了不同类型的城市表面，并构建了一个用于计算城市地区人为水散失的模型。将人为用水活动（如室内建筑用水、铺砌表面灌溉以及土壤和植被灌溉）产生的水分通量纳入UCM，并与WRF模型耦合，对北京夏季和冬季的典型时期进行城市热岛效应和水汽通量的数值模拟。通过将改进后的耦合模型与传统UCM耦合WRF模型的模拟结果进行比较，量化了城市人为水散失对区域水分和热量平衡以及城市热岛效应的影响，为后续研究的案例分析奠定了基础，并为城市水文研究提供了科学依据。
研究区域
选定的研究区域北京位于华北平原北部，地理坐标范围为东经115.7°至117.4°，北纬39.4°至41.6°。该市总面积为16,410.54平方公里，由16个区组成（Yan等人，2021年；Luo等人，2019年）。北京的地形特征是西北部海拔较高，东南部海拔较低（图1）。北京属于温带季风气候。
模拟结果验证
图4比较了夏季和冬季不同模拟方案（PRE、UCM、MSLUCM）与观测数据（OBS）在2米高度温度时间序列上的差异。夏季（图4a和b），三种方案都能模拟温度的日变化趋势，其中MSLUCM方案在捕捉最高和最低温度方面表现最佳，而NON和UCM方案略微高估了温度峰值。这表明，在夏季，
讨论
从方法创新的角度来看，本研究构建并耦合的城市人为水散失计算模型具有很强的推广和应用潜力。其模型框架基于建筑物、硬化地面、土壤和植被的人为水散失物理机制，原则上可以应用于不同气候区和城市化程度的城市。在其他城市应用时，需要根据实际情况进行参数调整。
结论
通过将UCM与WRF耦合，并引入城市人为水散失计算模型，分析了人为水散失对北京城市热岛效应的影响。主要结论如下：
（1）构建了一个用于计算城市人为水散失的模型，并成功将其与WRF模型耦合，形成了更准确的城市气象和水文耦合模拟模型。模型的准确性和可信度得到了验证。
CRediT作者贡献声明
罗卓然：数据整理、资金获取、方法论、软件开发、初稿撰写。王先志：数据整理、正式分析。刘家宏：概念构建、方法论、撰写及审稿编辑。张尚红：正式分析。张莉：数据可视化。邵伟伟：项目监督。葛新欣：软件开发。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（52509016、U2243224、52579009）、流域水循环模拟与调控国家重点实验室以及中国水利水电研究院（IWHR-SKLKF202411）的支持。
