城市能量平衡与通量观测：储热项、人为热与闭合率
Urban Energy Balance and Flux Observations
城市是能量平衡最难测的下垫面：储热项占比大、人为热不可忽略、闭合率随地表异质性恶化。本文综合马赛、凤凰城、香港、马瑙斯等站的实测，给出储热修正、人为热估算与闭合率解读的可操作方案。
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一、城市能量平衡的独特项
城市能量平衡比自然下垫面多两个必须显式处理的项：
Rn + Qf = H + λE + Qs + ΔQa
其中 Qf 为人为热（交通/建筑/人体），Qs 为冠层储热（建筑体、路面、空气）。自然下垫面常忽略这两项，城市忽略任一都会系统破坏闭合。
二、实测证据：各城市站的关键数值
马赛（Grimmond et al., 密集建成区）：
- 白天感热 H 主导，储热 Qs 显著且峰值出现在正午之前（超前于 H 峰值）；
- 潜热 λE 小但不可忽略；
- CO2：中心城区几乎总是源，午后植被使其减弱；
- 高建成区大气极少稳定——稳定度分层少见。
香港高密度高塔区（Cui & Chui, 1 年）：
- 人为热 Qf 峰值约 750 W/m²（下午）——五项能量中最大；
- Qe 最小（约 150 W/m² 以内）；
- Rn 变化范围 −50~600、H 0~450、Qs −30~300 W/m²；
- 闭合率与地表异质性负相关：方向稳定、高宽比大、不稳定层结占多时闭合最好；
- H、λE 的不确定性分别约 8% 与 7%。
亚马逊马瑙斯（Hall et al., 2025，热带城市）：
- 干季短波辐射显著高于湿季，反照率干季更高；
- 潜热对季节变化的敏感性低、感热敏感性高；
- 加入冠层储热与土壤热通量后能量闭合显著改善——热带城市同样必须测 Qs。
凤凰城（Templeton et al., 移动 EC 塔）：
- 三种覆被（停车场/旱景/湿景草坪）的能量分配差异巨大；
- 灌溉草坪蒸发分数最高，且对降水事件不敏感（灌溉消除了干旱区水分限制）；
- 干旱区城市蒸散的准确估算必须量化户外灌溉水量。
三、储热 Qs 的两种处理
- 直接测量：表面热通量板 + 建筑体温度剖面（高精度但昂贵）；
- 经验模型（OHM）：Qs = Σ aᵢ(∂Q*/∂t) + bᵢ(∂Q*/∂t)² 类目标滞后模型——香港站显示 EBC 对 OHM 系数不敏感，可放心用。
判据：加入 Qs 后闭合率是否提升 ≥5 个百分点——提升不足说明还有项未测（如 Qf、ΔQa）。
四、人为热 Qf 的估算
- 香港站用 LUCY 大尺度模型模拟并与 AHE_KL 数据库交叉验证，一致性良好；
- 卫星反演（Chrysoulakis et al.）：卫星净辐射与地面一致性在 5% 内，但湍流通量被系统性低估，H 对表面温度 ±2 K 扰动敏感（−64.1 ~ +69.3 W/m²）——卫星只能做空间热点识别，不能替代地面 EC。
五、城市 EC 建塔建议
| 项目 | 建议 |
|---|---|
| 高度 | 高密度城区不必过度追求超高（香港研究：相对低矮高密度城区塔高要求比低矮城区宽松） |
| 要素 | 辐射四分量 + 2 层温湿风 + 表面热通量板 + 建筑表面温度 |
| 必备附加 | 储热 Qs（OHM 或直接测）、人为热估算、CO2 浓度（源汇判定） |
| 闭合评估 | 分风向来向评估闭合率（异质性方向差异） |
| 发布 | 分季节、分下垫面类型，注明储热与人为热处理方式 |
参考来源：Grimmond, C.S.B. et al. Flux and turbulence measurements at a densely built-up site in Marseille. Journal of Geophysical Research；Cui, W. & Chui, T.F.M. Measurements and simulations of energy fluxes over a high-rise and compact urban area in Hong Kong. Science of the Total Environment；Hall, D.H. et al. Impacts of urbanization on energy balance in a central Amazonia city. Scientific Reports (2025)；Templeton, N.P. et al. Quantifying water and energy fluxes over different urban land covers in Phoenix, Arizona. JGR Atmospheres；Chrysoulakis, N. et al. Urban energy exchanges monitoring from space. Scientific Reports (2018).