Impacts of urban morphology parameters on thermodynamic environmental simulations using different urban canopy schemes

Shen Chong; Liu Yiming; Chen Xi; Chen Xiaoyang; Fan Qi; Wang Xuemei; Wu Xiaoxuan; Lan Jing; Wu Jie

doi:10.11714/acta.snus.ZR20260088

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Impacts of urban morphology parameters on thermodynamic environmental simulations using different urban canopy schemes

Research articles | 更新时间：2026-09-19

- Impacts of urban morphology parameters on thermodynamic environmental simulations using different urban canopy schemes
- Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni Vol. 65, Pages: 13-25(2026)
- 作者机构：
  
  1.广州市生态与农业气象中心，广东广州511430
  2.广东省气候变化与自然灾害研究重点实验室 / 中山大学大气科学学院，广东珠海519082
  3.广东省环境科学研究院，广东广州510045
  4.粤港澳大湾区气象研究院 / 中国气象局广州热带海洋气象研究所，广东广州510640
  5.粤港澳环境质量协同创新联合实验室 / 暨南大学环境与气候学院，广东广州511486
  6.广州市城市规划勘测设计研究院有限公司，广东广州510060
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.11714/acta.snus.ZR20260088
  CLC： P40
- Received：08 April 2026，
  
  Revised：2026-05-31，
  
  Accepted：08 June 2026，
  
  Online First：19 September 2026，
  
  Published：25 September 2026
- 稿件说明：
移动端阅览
申冲,刘一鸣,陈希等.城市形态参数对不同城市冠层方案热动力环境模拟的影响[J].中山大学学报(自然科学版)(中英文),2026,65(05):13-25.

Shen Chong,Liu Yiming,Chen Xi,et al.Impacts of urban morphology parameters on thermodynamic environmental simulations using different urban canopy schemes[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni,2026,65(05):13-25.
申冲,刘一鸣,陈希等.城市形态参数对不同城市冠层方案热动力环境模拟的影响[J].中山大学学报(自然科学版)(中英文),2026,65(05):13-25. DOI： 10.11714/acta.snus.ZR20260088.

Shen Chong,Liu Yiming,Chen Xi,et al.Impacts of urban morphology parameters on thermodynamic environmental simulations using different urban canopy schemes[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni,2026,65(05):13-25. DOI： 10.11714/acta.snus.ZR20260088.

摘要

WRF（weather research and forecasting）模式默认城市形态参数呈均质化特征，难以真实刻画城市下垫面空间异质性。为探究本地化城市形态参数对WRF模式不同城市冠层方案热动力环境模拟的影响，以超大城市广州为研究对象，开展敏感性试验，对比模式默认与本地化城市形态参数下，单层城市冠层（UCM）和多层城市冠层（BEP）方案对近地面气象要素的模拟差异。结果表明：1）本地化城市形态参数优化效果存在方案差异，对UCM方案2 m温度、BEP方案10 m风速改善最突出，偏差改善率分别达90.1%和49.8%，超71%站点的2 m温度、93%站点的10 m风速模拟能力提升。2）本地化城市形态参数导致UCM方案和BEP方案模拟的地表温度升高，中心城区增幅更大；BEP方案受街谷收窄、热量截留增强的影响对升温的影响更显著，且本地化参数对地表温度的影响高于2 m温度。3）建筑物高度标准差增加提升了地表粗糙度，使2种方案的10 m风速均下降0.8 m/s以上；城市形态参数导致UCM方案边界层高度增加60~90 m，BEP方案则降低10~30 m，该差异与2 m温度及动量湍流垂直交换相关。本研究揭示了城市冠层方案对城市形态参数的响应规律，完善了WRF模式城市形态参数的本地化应用，可为城市精细化气候模拟提供技术支撑。

Abstract

The default urban morphology parameters in the WRF （weather research and forecasting） model are spatially homogenized and cannot adequately characterize the spatial heterogeneity of real urban underlying surfaces. To investigate the impacts of localized urban morphology parameters on thermodynamic environment simulations using different urban canopy schemes in the WRF model， this study takes the megacity of Guangzhou as a case study and conducts sensitivity experiments. The simulation performances of the single-layer urban canopy （UCM） and the multi-layer building effect parameterization （BEP） schemes for near-surface meteorological elements under the default and localized parameters settings are compared. The results show that： 1） The optimization effects of the localized urban morphology parameters differ significantly between the two schemes. The most notable improvements are found in 2 m temperature for the UCM scheme and in 10 m wind speed for the BEP scheme， with bias reduction rates reaching 90.1% and 49.8%， respectively. More than 71% of stations exhibit improved performance in 2 m temperature simulations， and over 93% show enhanced capability in 10 m wind speed simulations. 2） The localized urban morphology parameters lead to increases in simulated surface skin temperature in both schemes， with a more pronounced rise in the central urban area. Specifically， the BEP scheme demonstrates a greater temperature rise due to narrowed street canyons and enhanced heat trapping. The impact of these parameters on surface skin temperature is greater than that on 2 m temperature. 3） Due to increased surface roughness induced by larger standard deviations of building height， the 10 m wind speeds in both schemes decrease by more than 0.8 m/s. These parameters cause the planetary boundary layer height to increase by 60-90 m in the UCM scheme， while it decreases by 10-30 m in the BEP scheme. These differences are closely related to changes in 2 m temperature and vertical turbulent momentum exchange. This study clarifies the response characteristics of different urban canopy schemes to urban morphology parameters， refines the localized application of these parameters in the WRF model，and provides technical support for high-resolution urban climate simulations.

关键词

Keywords

references

陈训来，冯业荣，王安宇，等， 2007 . 珠江三角洲城市群灰霾天气主要污染物的数值研究［J］. 中山大学学报（自然科学版），（ 4 ）： 103 - 107 .

洪莹莹，刘一鸣，张舒婷，等， 2015 . 珠三角城市化对大气边界层特征影响的数值模拟［J］. 中山大学学报（自然科学版）， 54 （ 1 ）： 116 - 123，129 .

蒙伟光，张艳霞，李江南，等， 2010 . WRF/UCM在广州高温天气及城市热岛模拟研究中的应用［J］. 热带气象学报， 26 （ 3 ）： 273 - 282 .

沈傲，田春艳，刘一鸣，等， 2019 . 海陆风环流中海盐气溶胶对大气影响的模拟［J］. 中国环境科学， 39 （ 4 ）： 1427 - 1435 .

王咏薇，蒋维楣，刘红年， 2008 . 大气数值模式中城市效应参数化方案研究进展［J］. 地球科学进展， 23 （ 4 ）： 371 - 381 .

王咏薇，任侠，翟雪飞，等， 2016 . 南京复杂下垫面条件下的三维城市热环境模拟［J］. 大气科学学报， 39 （ 4 ）： 525 - 535 .

Chen F ， Yu B ， Wu M ， et al ， 2022 . Improved urban finescale forecasting during a heat wave by using high-resolution urban canopy parameters ［J］. Front Clim ， 3 ： 771441 .

Darmanto N S ， Varquez A C G ， Kanda M ， 2017 . Urban roughness parameters estimation from globally available datasets for mesoscale modeling in megacities ［J］. Urban Clim ， 21 ： 243 - 261 .

de la Paz D ， Borge R ， Martilli A ， 2016 . Assessment of a high resolution annual WRF-BEP/CMAQ simulation for the urban area of Madrid （Spain）［J］. Atmos Environ ， 144 ： 282 - 296 .

Feddema J J ， Oleson K W ， Bonan G B ， et al ， 2005 . The importance of land-cover change in simulating future climates ［J］. Science ， 310 （ 5754 ）： 1674 - 1678 .

Glotfelty T ， Tewari M ， Sampson K ， et al ， 2013 . NUDAPT 44 documentation ［R/OL］. （ 2013-04-25 ）［ 2026-02-13 ］. https：//ral.ucar.edu/sites/default/files/public/product-tool/NUDAPT_44_Documentation.pdf https://ral.ucar.edu/sites/default/files/public/product-tool/NUDAPT_44_Documentation.pdf .

He X ， Li Y ， Wang X ， et al ， 2019 . High-resolution dataset of urban canopy parameters for Beijing and its application to the integrated WRF/Urban modelling system ［J］. J Clean Prod ， 208 ： 373 - 383 .

Kamath H G ， Singh M ， Malviya N ， et al ， 2024 . GLObal Building heights for Urban Studies （UT-GLOBUS） for city- and street- scale urban simulations： Development and first applications ［J］. Sci Data ， 11 ： 886 .

Kusaka H ， Kondo H ， Kikegawa Y ， et al ， 2001 . A simple single-layer urban canopy model for atmospheric models： Comparison with multi-layer and slab models ［J］. Bound Layer Meteor ， 101 （ 3 ）： 329 - 358 .

Lin W ， Zhang L ， Du D ， et al ， 2009 . Quantification of land use / land cover changes in Pearl River Delta and its impact on regional climate in summer using numerical modeling ［J］. Reg Environ Change ， 9 （ 2 ）： 75 - 82 .

Loridan T ， Grimmond C S B ， Grossman-Clarke S ， et al ， 2010 . Trade-offs and responsiveness of the single-layer urban canopy parametrization in WRF： An offline evaluation using the MOSCEM optimization algorithm and field observations ［J］. QJR Meteorol Soc ， 136 （ 649 ）： 997 - 1019 .

Loridan T ， Lindberg F ， Jorba O ， et al ， 2013 . High resolution simulation of the variability of surface energy balance fluxes across central London with urban zones for energy partitioning ［J］. Bound Layer Meteor ， 147 （ 3 ）： 493 - 523 .

Magnaye A M T ， Kusaka H ， 2024 . Potential effect of urbanization on extreme heat events in Metro Manila Philippines using WRF-UCM ［J］. Sustain Cities Soc ， 110 ： 105584 .

Martilli A ， Clappier A ， Rotach M W ， 2002 . An urban surface exchange parameterisation for mesoscale models ［J］. Bound Layer Meteor ， 104 （ 2 ）： 261 - 304 .

Masson V ， 2000 . A physically-based scheme for the urban energy budget in atmospheric models ［J］. Bound Layer Meteor ， 94 （ 3 ）： 357 - 397 .

Mohan M ， Kandya A ， 2015 . Impact of urbanization and land-use/land-cover change on diurnal temperature range： A case study of tropical urban airshed of India using remote sensing data ［J］. Sci Total Environ ， 506 / 507 ： 453 - 465 .

Powers J G ， Klemp J B ， Skamarock W C ， et al ， 2017 . The weather research and forecasting model： Overview， system efforts， and future directions ［J］. Bull Am Meteor Soc ， 98 （ 8 ）： 1717 - 1737 .

Shen C ， Chen X ， Dai W ， et al ， 2019 . Impacts of high-resolution urban canopy parameters within the WRF model on dynamical and thermal fields over Guangzhou， China ［J］. J Appl Meteor Climatol ， 58 （ 5 ）： 1155 - 1176 .

Shen C ， Liu Y ， Dai W ， et al ， 2023 . The influence of refined urban morphological parameters on dynamical and thermal fields in a single-layer urban canopy model ［J］. Atmosphere ， 14 （ 4 ）： 719 .

Wang X ， Chen F ， Wu Z ， et al ， 2009 . Impacts of weather conditions modified by urban expansion on surface ozone： Comparison between the Pearl River Delta and Yangtze River Delta regions ［J］. Adv Atmos Sci ， 26 （ 5 ）： 962 - 972 .

Wang Z H ， Bou-Zeid E ， Au S K ， et al ， 2011 . Analyzing the sensitivity of WRF’s single-layer urban canopy model to parameter uncertainty using advanced Monte Carlo simulation ［J］. J Appl Meteor Climatol ， 50 （ 9 ）： 1795 - 1814 .

Xie B ， Fung J C H ， Chan A ， et al ， 2012 . Evaluation of nonlocal and local planetary boundary layer schemes in the WRF model ［J］. J Geophys Res ， 117 （ D12 ）： 2011 JD017080.

Zhao Y ， Zhong L ， Ma Y ， et al ， 2021 . WRF/UCM simulations of the impacts of urban expansion and future climate change on atmospheric thermal environment in a Chinese megacity ［J］. Clim Change ， 169 （ 3 ）： 38 .

Zhou X ， Chen H ， 2018 . Impact of urbanization-related land use land cover changes and urban morphology changes on the urban heat island phenomenon ［J］. Sci Total Environ ， 635 ： 1467 - 1476 .

Zhu B ， Kang H ， Zhu T ， et al ， 2015 . Impact of Shanghai urban land surface forcing on downstream city ozone chemistry ［J］. J Geophys Res Atmos ， 120 （ 9 ）： 4340 - 4351 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Impact of direct assimilation of FY-4A AGRI radiance data on forecasting an extreme precipitation event in South China

The spatial divergence of park visits of Guangzhou residents and its influencing factors based on mobile phone signaling data

The identification of the influence of heat tracing method on underground temperature in the urbanization process of Guangzhou

Numerical simulation of a local radiation fog process and its water vapor source

Influence of neighborhood green space on leisure-time physical activity： Mediating effect of personal attributes—A case study of Guangzhou

Related Author

LI Guoping

ZHOU Kuo

WANG Donghai

SHEN Dan

YAO Lebao

WU Jinghao

LIU Ye

YE Bailin

Related Institution

School of Atmospheric Sciences， Chengdu University of Information Technology

Laboratory of Cloud-Precipitation Physics and Severe Storms， Institute of Atmospheric Physics， Chinese Academy of Sciences

National Observation and Research Station of Coastal Ecological Environments in Macao / Macau Environmental Research Institute / Faculty of Innovation Engineering， Macau University of Science and Technology， Macao

Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory

Guangdong Key Laboratory for Urbanization and Geo-simulation / Guangdong Provincial Engineering Research Center for Public Security and Disaster

Postal code：510275
Tel：020-84112585，84113223 Email：xuebaozr@mail.sysu.edu.cn
Technical support is provided by Beijing Founder electronics co., LTD 京ICP备09064830号-19 京公网安备11010802024621
It is recommended to read the content of this site in Chrome&IE9+. Please switch to extreme mode in browser 360.
Cookies We use cookies to help provide and enhance our service and tailor content. By continuing, you agree to the use of cookies.

⁰