城市化和全球变暖对休斯顿大都会地区海风、热应激及制冷需求的影响

《Atmospheric Research》：Impact of urbanization and global warming on sea-breeze, heat stress and cooling demand over greater Houston area

城市扩张与气候变化协同削弱海陆风强度15-20%，导致休斯顿大都市区地表温度升高3.9°C，热指数上升6-7°C，冷却能源需求近倍增，凸显沿海城市热应力加剧与应对策略需求。

　　

Mukul Tewari|Francisco Salamanca|Aditya K. Dubey|Pallav Ray|Lloyd A. Treinish|Jorge E. Gonzalez-Cruz|Vinnarasi Rajendran

美国纽约州奥尔巴尼大学大气科学研究中心

摘要

全球变暖和城市扩张的复合效应改变了局部大气环流，加剧了热应激并增加了制冷能源需求，尤其是在大城市中。通过使用先进的城市建模框架，我们研究了德克萨斯州休斯顿大都会区在当前和未来气候条件下的夏季局部环流情况。研究表明，到2100年，由于近地表温度升高、湿度增加以及陆海风减弱，全市的制冷能源需求将几乎翻倍。结果指出，城市扩张和预计的气候变暖共同作用使陆海风强度降低了约15-20%，内陆渗透距离减少了约20-25公里，并使夏季陆海风出现的频率降低了10-15%。这些变化导致近地表温度上升了多达3.9°C，热指数上升了6-7°C，整个休斯顿大都会区的制冷能源需求几乎翻倍。这种对热应激的脆弱性在沿海城市最为严重，因为减弱的海风无法缓解城市热岛效应，但足以增加近地表湿度。这些结果强调了迫切需要采取立即和可持续的策略，如城市绿化、高反射表面和通风走廊，以减轻热应激和不断上升的能源需求，特别是在全球范围内的脆弱沿海城市。

引言

沿海地区是全球人口快速增长的主要居住地，其独特的局部大气环流是由陆地和海洋表面之间的温差驱动的，即陆海风循环（Miller等人，2003年）。这种循环的特点是日间吹向陆地（海风）和夜间吹向海洋（陆风）的风向变化（Papanastasiou和Melas，2009年；Cuxart等人，2014年），在调节沿海气候方面起着关键作用，特别是在缓解夏季极端高温方面。然而，由于城市发展导致的人口密度和空间范围的增加，加上气候变化的影响，陆海风循环可能会发生显著变化。了解主要沿海大都市区（如休斯顿大都会区）的陆海风如何演变对于制定有效的适应和缓解策略以减少热应激和制冷能源需求至关重要。

复杂性的另一个因素是众所周知的城市热岛（UHI）效应，即城市中心比周边农村地区温度显著更高（例如，Salamanca Palou和Mahalov，2019年；Zhao等人，2014年；Brownlee等人，2017年；Imhoff等人，2010年；Zhou等人，2019年；Liao等人，2017年）。城市人口增长、城市形态演变与全球变暖之间的复杂相互作用可能导致UHI强度的潜在临界点（Manoli等人，2019年）。在沿海地区，自然土地覆盖逐渐转变为城市化表面，通常表现为住宅用地强度的增加，这可能会加剧UHI效应并增加能源消耗。

除了土地利用和温度变化外，空气质量驱动的气溶胶变化也显著影响UHI强度及其日变化行为。气溶胶浓度升高会改变短波和长波辐射通量，白天使地表冷却，而夜间则增强热量保持。例如，Li等人（2018年）的研究表明，在柏林，较高的气溶胶负荷部分抑制了白天的太阳辐射，但增加了夜间的长波辐射强迫，使夜间UHI效应增强了约12%。Wu等人（2019年）的研究显示，随着中国2013年国家空气污染控制计划的实施，2014年至2017年间PM2.5浓度的急剧下降在长江三角洲引发了UHI的“跷跷板效应”：白天的UHI效应增强了1K，而夜间UHI效应减弱了1K，这是由于下行短波辐射增强和大气顶层长波辐射增加所致。

这些发现表明，气溶胶-辐射-边界层相互作用对城市热环境有可测量的控制作用，应在未来沿海城市气候预测中予以充分考虑。至关重要的是，未来的气候变化加上更强的UHI效应也预计会改变局部陆海风循环，但这些变化的风将如何影响城市/农村地区的温度模式、UHI强度和制冷能源需求在温暖气候下的变化仍不清楚。最近的研究提供了关于不同背景条件下海陆风时间变化和结构演变的新见解（Shen等人，2019年；Shen和Zhao，2020年；Shen等人，2021年；Shen等人，2022a；Shen等人，2022b），揭示了城市化和气候变暖如何改变海陆风的起始时间、渗透距离和强度。尽管对城市-气候相互作用的认识日益增加，但很少有研究同时量化城市扩张和背景变暖对中尺度环流和建筑尺度能源需求的非线性反馈。现有研究通常分别考虑土地利用或气候变化。例如，Fan等人（2020年）表明，城市土地覆盖变化和气溶胶排放共同调节了海风循环和对流降水，而Gao和Bukovsky（2023年）展示了城市扩张和变暖对未来人群暴露于极端高温的综合影响。本研究则探讨了城市化和气候变暖对热应激、沿海环流和制冷能源需求的综合影响。

为了解决这些关键知识空白，我们研究了海风动态和制冷能源需求对城市扩张和气候变化的复杂且可能是非线性响应。具体来说，我们旨在解决以下基本问题：（1）城市扩张和更温暖的气候将如何影响海风的强度、频率和内陆渗透距离？（2）这对夏季制冷能源消耗和热舒适度意味着什么？

为了解决这些问题，我们采用了先进的高分辨率（3公里）区域气候建模框架，该框架结合了复杂的多层城市冠层模型和建筑能源模型。这种先进的建模方法在多个城市地区得到了验证（例如，Tewari等人，2017年；Salamanca等人，2013年），比大规模（约20公里）研究（例如，Zheng等人，2021年；Krayenhoff等人，2018年）更有效地捕捉了城市异质性，后者往往忽略了详细的城市扩张和城市内部的变化。通过进行这些高分辨率的区域气候模拟，我们可以分析近地表温度、海风循环和气候变化之间的复杂非线性相互作用，特别关注主要沿海中纬度大都市区脆弱人群的制冷能源需求和热应激暴露的预测变化。

部分摘录

数值模型

我们使用了Advanced Research Weather Research and Forecasting（WRF-ARW）模型（版本3.9.1，Skamarock等人，2021年），并结合了多层建筑效应参数化（BEP，Martilli等人，2002年）和建筑能源模型（BEM，BEP_BEM，Salamanca和Martilli，2010年；Salamanca和Martilli，2010年；Salamanca等人，2011年）。BEP_BEM模型完全集成在WRF模型中，解决了建筑物与室外环境之间的热交换以及暖通空调系统的影响。

结果

我们根据补充表S2中的模型配置进行了六次数值实验（补充表S1），以探讨城市化和气候变化对陆海风循环和热应激的单独和综合影响。这些实验涵盖了RCP8.5温室气体路径下低（SSP2）和高（SSP5）城市扩张的对比未来情景。低扩张情景假设相对受控的增长，保留了一些

讨论

我们利用历史数据分析和高分辨率区域气候模拟，探讨了城市化和气候变化对快速扩张的休斯顿大都会区陆海风动态、热应激和制冷能源需求的复杂相互作用。城市化显著改变了地表能量平衡和边界层动态，对沿海气象和海陆风（SLB）行为产生了可测量的影响。

结论

本研究使用高分辨率（3公里）WRF模拟，在当前和未来情景下，考察了城市扩张和全球变暖对休斯顿大都会区海风、热应激和制冷能源需求的综合影响。通过将预测的土地利用变化与区域气候强迫相结合，分析捕捉了地表城市化和热力学变暖对中尺度环流的协同影响。结果表明，城市增长和温度升高

CRediT作者贡献声明

Mukul Tewari：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，监督，方法论，正式分析，数据管理，概念化。Francisco Salamanca：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，方法论，调查，正式分析。Aditya K. Dubey：撰写 – 原稿，可视化，方法论。Pallav Ray：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，正式分析。Lloyd A. Treinish：撰写 – 审稿与

未引用参考文献

Bougeault和Lacarrere，1988

Iacono等人，2008

Niu等人，2011

Salamanca等人，2015

Thompson等人，2004

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

作者感谢亚利桑那州立大学的Matei Georgescu教授分享了休斯顿地区的城市扩张数据集。