3.4 清单法在城市基础数据集估算中的应用

数值模拟是城市气象研究不可缺少和最具潜力的工具，如何在模式中准确、细致地描述城市冠层对大气边界层动力、热力结构的影响并建立合理的参数化方案，是提高城市气象数值模拟性能的关键问题。而解决这一关键问题的基础是：详细、准确地描述城市下垫面非均匀性和城市冠层几何形态特征，即高分辨率城市形态学数据集建设。

本节以杭州市为例介绍了利用清单法建立的杭州地区高分辨率地表类型、建筑物、污染物排放、人为热清单等基础数据。

3.4.1 地表类型和城市建筑

将遥感和地理信息系统结合，得到模拟域内1km分辨率的地表类型如图3.4.1 所示。地表类型分为14类。

建筑数据由杭州市规划局提供，为2008—2009年1∶ 2000杭州基础地理信息数据，矢量格式，经纬度投影，地理坐标系为WGS-84。数据有效属性包括：建筑结构（STRUCT）、建筑楼层数（FLOOR）、建筑底面周长（SHAPE＿Leng）、建筑底面积（SHAPE＿Area）等。建筑数据涵盖下城区、拱墅区（2021年已并入下城区）、江干区（2021年已并入上城区）、上城区、西湖区、滨江区、萧山区七个区（无余杭区建筑数据）。

基于杭州市区建筑物矢量数据，运用ENVI和ArcGis软件，发展城市形态特征参数计算方法。城市形态特征参数主要包括：算术平均建筑物高度及其标准差、底面积加权平均建筑物高度、建筑物覆盖率、建筑物迎风面积系数、建筑物表面积指数、天穹可见度等。

杭州七个行政区范围内算术平均建筑高度和底面积加权平均建筑高度分布如图3.4.2和图3.4.3所示。杭州市区建筑分布密集，且越来越呈现多中心分布模式。拱墅区、下城区、上城区、江干区以及西湖区东北部是杭州主城区，建筑分布尤为密集，且高楼林立。杭州依山傍水，拥有得天独厚的地理优势和生态环境，使得建筑区围绕西湖、钱塘江形成规律性分布。江东新城位于萧山区东北部的沿钱塘江区域，处于环杭州湾产业带和环杭州湾城市群的核心位置，规划总面积500平方公里，包括江东新城、临江新城、空港新城和前进工业园区。

定义建筑密度（亦称建筑物覆盖率）λ _p 为网格内建筑物底面积A _p 与网格面积A _T 之比。图3.4.4为杭州建筑物覆盖率分布。

城市冠层和建筑布局影响城市平均风场的分布和局地涡旋的产生，使得风场、湍流也显现出极大的非均匀性。被建筑物或人工铺面所覆盖的用地直接影响地表粗糙度，也间接影响该地区风渗透量。较大的建筑覆盖率或较高的建筑容积率，例如高大且密集的裙房会减弱该地区行人层的风流通。Yoshie（2006）在日本和中国香港旺角地区的研究表明建筑物覆盖率达0～30％时，建筑区域内平均风速为2 m·s ^-1 ；建筑物覆盖率达30％～50％时，平均风速为1.5 m·s ^-1 ；当建筑物覆盖率增加至50％以上时，建筑区域内平均风速小于1 m·s ^-1 。

建筑迎风面系数是计算城市冠层中建筑对风的拖曳阻力的关键参数，该系数随着风向而变化。图3.4.5是杭州风向频率较大的北风、东北风、东风和东南风四个风向下的建筑迎风面系数的空间分布，这四个风向下杭州建筑迎风面系数范围依次为：0～0.76，0～0.68，0 ～0.42，0～0.69。

3.4.2 大气污染物排放源分布

污染物排放清单是空气质量数值模拟的必要条件，建立高分辨率的排放清单则是城市空气质量精细化模拟的关键。根据杭州市环保局提供的排放源数据制作了2014年排放源清单，主要考虑了工业点源、生活面源和交通排放源三种人为排放。模拟区域内，SO ₂ 年排放总量为55931.5 t，其中工业排放占49154.8 t；NO _x 年排放总量为73536.5 t，其中交通排放源和工业点源分别为35242.0 t和37654.5 t；PM ₁₀ 年排放总量为68158 t，其中交通排放源占41849.9 t，工业点源占21606.1 t；CO年排放总量为813831 t，其中工业排放为657528 t，交通排放为154169 t。交通排放源和生活面源按比例分布在模式第二层和第三层（5 m和10 m高度），工业点源分布在模式第四层至第八层（30 m至400 m内）。

图3.4.6 ～图3.4.8分别给出了工业点源、生活面源和交通源的主要污染物排放源的分布。从工业排放源来看，排放源集中在拱墅区，其中排放量最大污染源SO ₂ 年排放量达到7776 t，NO _x 排放量达到2550 t，PM ₁₀ 排放量达到2594 t，CO排放量达到260000 t。下城区SO ₂ 和NO _x 排放比较集中，江干区和萧山区分别存在一较大排放源。从生活面源来看，江北主城区是主要排放源，滨江区和萧山区排放量相对较小。从交通源来看，高值区位于主城区，主要是NO _x 和HC排放。

3.4.3 人为热排放估算

随着城市人口的增长、工业和交通的发展，城市人为热对城市环境和气候的影响越来越重要，人为热也成为城市气象模拟研究必须考虑的一个重要因素。本节以2014年为基准，综合考虑了杭州工业、交通、生活和人体散热四种人为热排放源，利用杭州工业能源消耗总量、机动车保有量、主干道车流量、生活能源消耗总量、人口数等数据，估算出杭州工业、交通、生活和人体散热四种人为热通量。

本节将人为热排放源分为四种：工业排放、交通排放、生活排放及人体散热。利用工业企业能源年消费总量、标准煤热值估算得到工业废热排放总量；利用机动车保有量、不同车型车辆分布、不同车型车辆年均行驶里程、百公里油耗、汽油热值等数据，估算得到交通废热年排放总量；利用居民生活消费电力、天然气、液化石油气等各能源总量和及其平均热值，估算得到生活废热年排放总量；利用人体向外日散失热量及人口数量估算得到人体散热年排放总量。根据各排放源排放热量的日变化规律将所得的各排放源日排放总量具体分配到每个小时中，再除以杭州市区建成区的面积，最后对各部分求和，从而得到各排放源排放通量日变化特征以及杭州市区总平均人为热排放通量的日变化特征。

根据《杭州统计年鉴2015》，截至2014年年末，杭州市区建成区面积495.22 平方公里。2014年杭州市工业GDP为110230328 万元，单位工业GDP能耗0.48 吨标准煤·万元 ^－1 。中国规定的标准煤发热值29307.6 kJ·kg ^-1 。工业所消耗的能源全部变成热排放到大气中。由此估算出杭州市区2014年工业废热年排放总量约为1.808×10 ¹⁸ J，工业平均人为热通量为99.29 W·m ^-2 。

本节参考了日本东京地区对工业废热日排放规律的设置，即假设工业人为热总排放白天占60％，夜间占40％（9时上班，17 时下班），从而得到工业人为热排放通量日变化特征，每小时工业人为热与日平均值的比例为：09—17时为1.6，其余时间为0.64。

对于交通排放源排放的废热则通过杭州市区机动车燃料的消耗进行估算。根据《杭州统计年鉴2015》，得到2014年各类机动车保有量如表3.4.1。

其中各类车型中汽油车、柴油车和液化石油气车的比例见表3.4.2。

根据文献的调研结果，2014年杭州市各类机动车的年均行驶里程数如表3.4.3，本节假设杭州各类机动车的年均行驶里程数与珠三角地区相同。

2014年3月工信部发布的《公示2014年度乘用车企业平均燃料消耗量情况》，中国轿车平均油耗为百公里7.22L。各类车型的平均油耗见表3.4.4。

根据上述数据得到各类型车辆的油耗见表3.4.5。

由表3.4.5统计可得杭州2014年交通消耗汽油、柴油、液化石油气总量，根据汽油平均热值为34800 kJ·L ^-1 、柴油平均热值为35900 kJ·L ^-1 和液化石油气平均热值为26000 kJ·L ^-1 ，可得汽油、柴油、液化气的人为热见表3.4.6。

由此可得交通人为热年排放总量为228347181114300 kJ，交通平均人为热通量为14.62 W·m ^-2 。

根据杭州市交通局在市区几条主干道调研得到的车流量数据，可得每小时车流量与日平均车流量的比值（表3.4.7），交通人为热的日变化特征与车流量的日变化相同。

根据《杭州统计年鉴2015》，2014年杭州市区居民用电量总计72.56 亿千瓦时，按3.27吨标准煤/万千瓦时计算，人为热为4.453 W·m ^-2 。

家庭液化气总计用量9.89万吨，液化石油气平均热值为47472 kJ·kg ^-1 ，估算得家庭液化气人为热4694980800000 kJ。

家庭用人工煤气及天然气用量18019万立方米。人工煤气平均热值为16746 kJ·m ^－3 ，天然气平均热值为35588 kJ·m ^-3 ，由此估算得生活煤气天然气废热年排放总量为4715031730000 kJ。生活用气废热总量9410012530000000 J，平均人为热通量为0.603 W·m ^-2 。

生活人为热总计为5.06 W·m ^-2 。

人体各种散热方式散失的热量，如表3.4.8。

由上可得人体每天散失即向外排放的热量为12540 kJ，根据《杭州统计年鉴2015》，截至2014年年底杭州市区的人口为525.07 万人，从而估算得人体人为热年排放总量为6.58 ×10 ¹⁶ J，假定人体人为热不随时间变化而变化，则人体平均人为热通量为4.22 W·m ^-2 。

根据上述统计，杭州市2014 年工业、交通、生活和人体散热四种人为热通量分别为99.29，14.62，5.06，4.22 W·m ^-2 。杭州市区全天平均排放通量123.19 W·m ^-2 。

根据杭州市2014年VOC和SO ₂ 的高分辨率排放清单，分别将工业人为热和面源（含交通、生活、人体）人为热按比例分摊到各网格上，形成人为热的空间分布（图3.4.9）。