3.2 遥感光学影像在城市冠层参数提取中的应用

3.2.1 提取方法

虽然城市冠层参数数据的可利用率在不断增长，但数据集目前仅局限于几个地理位置（如美国），尚未建立涵盖全球的高分辨率UCPs数据集。遥感信息技术是现阶段获取城市冠层参数的主要手段。我们利用遥感光学影像提取了珠三角城市冠层参数并应用到珠三角地区城市气象条件的模拟当中，得到了精度较高的气象要素模拟结果（Chen et al.，2021）。城市建筑高度提取是获取城市冠层参数的关键，我们可以根据同一建筑的不同卫星影像，利用视差原理得到建筑物高度，如图3.2.1。

从图可以看出，同一栋建筑从不同卫星观测到的视场角度不同，分别为α ₁ 和α ₂ 。建筑物（P ₀ P ₁ P ₂ P ₃ ）与P ₁ 和P ₂ 形成的三角金字塔在不同的图像中分别是建筑物顶部的位置。在直角三角形P ₃ P ₀ P ₁ 和P ₃ P ₀ P ₂ 中，可以使用L ₁ ，L ₂ ，α ₁ ，和α ₂ 来表示建筑物H的高度：

其中H是被观测建筑物的高度；L ₁ 是P ₀ P ₁ 的边长；L ₂ 是P ₀ P ₂ 的边长；α ₁ 是卫星1的视角；α ₂ 是卫星2的视角。

在另一边，根据余弦定理，L ₁ 和L ₂ 可以与底部三角形P ₀ P ₁ P ₂ 中的θ和d建立关系：

θ是两颗卫星之间的方位差，d是P ₁ P ₂ 长度。

由于建筑物屋顶在不同图像中的位置不同，可以根据两幅图像的位置差和单元大小来计算d。这样，就可以通过一个公式推导出建筑物高度与图像之间的相位差，简化公式如下。建筑模型的3D视图如图3.2.1（b）所示。

H（单位：m）是被观测建筑物的高度；d（单位：m）是两幅图像中建筑物屋顶位置之间的距离；K是d和H的相关系数；x ₁ ，x ₂ ，y ₁ 和y ₂ 是不同图像中建筑物顶部的坐标位置，即P ₁ ，P ₂ 的坐标位置；GSD是地面采样距离，表示图像的像元大小；α ₁ 是卫星1的视角；α ₂ 是卫星2的视角。

基于地理信息系统（GIS）开发了城市冠层参数计算软件，在获取到城市建筑高度信息之后，能够将其转换为WRF模式识别的静态数据库。具体的计算参数结果如图3.2.2，图3.2.3。

3.2.2 在模式中的初步应用

利用珠三角的城市冠层参数，将其耦合到BEP模式当中用以评估对广州气象条件的影响。首先对10 m风速和2 m温度的模拟结果进行验证，其次我们对广州边界层内动力热力环境进行了评估。

对于10 m风速和2 m温度来讲，其相关系数均在0.6以上，均方根误差在引入了城市冠层参数之后有明显的下降。这意味着考虑了更加真实的城市冠层以后，能够使得模式更好地再现气象参数的模拟（表3.2.1）。

图3.2.4表示的是增加了城市冠层参数与默认相比广州市10 m风速和2 m温度差值结果。可以看出，城市建筑的增加导致10 m风场下降明显，市区及周边地区10 m风速下降了1～3 m·s ^-1 。同时也导致城市区域温度增加明显，广州市区温度增加了0～2 ℃。

城市冠层对城市气象要素的影响主要在陆地地表和大气边界层内的机械和热过程。因此我们在增加了城市冠层之后，也分析了其对边界层内部动力热力的影响。

①摩擦速度（u*）表示惯性子层中的动量通量。它与粗糙度长度有关，并影响平均风速。我们针对不同模型案例计算了城市和郊区的摩擦速度u*，市区的u*平均值分别为0.53 和0.63 m·s ^-1 （CASE1 和CASE2，图3.2.5）。加入UCPs后，城市地表形态有明显差异，地表粗糙度增加，u*值增加更为显著。在不同的情况下，郊区的u*约为0.3 m·s ^-1 。增加城市冠层参数可以更准确地描述地表形态，提高u*的模拟能力，从而导致风速的降低。

②城市冠层的增加同时也导致地表温度的变化。水泥地面和沥青路等建筑覆盖的土地具有很强的蓄热能力。增加了城市冠层之后（图3.2.6），城市区域LST急剧增加，幅度在0～25 K。由于准确描述了城市地区的建筑密度和形态结构，城市建筑的墙壁吸收了部分热量，建筑和街道的几何形状对辐射有多重反射效应，城市建筑的密度限制了空气的流通，进而导致太阳辐射的“陷阱”，改变了地表热量收支过程（Oke et al.，2017）。

③城市冠层的增加也影响到地表能量平衡的变化。图3.2.7 表示的是CASE1 和CASE2 辐射分量的平均日周期。短波辐射没有显示，因为短波向上和向下分量没有显著差异。但是增加了城市冠层参数以后（CASE2）使向上的长波辐射增加了14.3 W·m ^-2 ，向上的长波辐射的增加主要是由LST的增加决定的。再考虑城市密度和几何形状后，LST急剧增加，因而从地面释放的能量增加明显，也导致日平均全波辐射净通量降低了15.6 W·m ^-2 。

④大气热过程与动力过程是耦合的，边界层的发展是这种耦合的结果。行星边界层高度（PBLH）指的是行星边界层的厚度。图3.2.8 显示的是在模拟期间广州市主城区沿着113.29 °E截面上PBLH的平均变化情况。可以看出，增加了城市冠层之后，PBLH增加了192.2 m。我们同时发现不同模式下PBLH的差异的空间分布与2 m温度相似（图略）。PBLH的高值区域与2 m温度高值区域一致，说明PBLH的变化主要受地表加热的控制，从而导致垂直对流的增加。

⑤根据上面的研究，动力上讲，城市冠层降低了近地表的风速，而热力学上讲，城市冠层提高了边界层的高度。因此定量评估城市冠层对边界层通风效应的影响就显得很有必要。通风指数指的是边界层或混合层高度与边界层或混合层内平均风速的乘积。图3.2.9显示的是CASE2和CASE1城市通风指数（VI）结果的差值。可以看出增加了城市冠层以后，城市区域通风指数下降了500～2000 m ² ·s ^-1 。城市区域通风指数偏低的原因为：虽然其边界层升高，但是风速受城市建筑的影响处于非常低的水平。这种情况容易导致污染物不易扩散。

由上面的分析可以看出，精准刻画城市冠层信息对于城市气象场的模拟至关重要，而获取真实准确地描述城市冠层信息是研究城市冠层对气象条件影响的重要前提。 5uUeikTmW0QwBqX8kJMXPLfjVUop/ebzOpfa/wbqaV+UQ0lsHGyl4pIH6OQWoEh0