北京城市及周边热岛日变化及季节特征的卫星遥感研究与影响因子分析

以EOS-MODIS遥感信息反演的地表温度、土地覆盖类型、植被覆盖、地表蒸散,结合常规气象资料,并采用GIS空间分析技术和多元统计相关,对北京城市及周边2001年城市热岛(UHI)空间分布的季节规律和日变化及影响因子进行研究.分析北京地区的土地覆盖、地形高程、植被绿地状况、城市和郊区地表蒸散与热岛时空分布状况的关系.揭示出北京UHI主要特征为:(ⅰ)北京城市下垫面的高热容和密集建筑物的多次发射,加之北京特殊的三面环山地形特征,使得北京城区一年四季均存在明显的热岛分布,并以夏季最为明显,UHI与城市结构的轮廓相一致;北京城区与地势相对平坦的近郊区的地表温度差异在4~6℃左右,与地势较高的西北远郊区的地表温度差异在8~10℃左右;(ⅱ)北京地区日间和夜晚的UHI的季节分布和程度不同,以夜间UHI明显;夏季白天郊区地表比城区蒸散量大,潜热交换明显,反映出城市与郊区的温度差异显著;(ⅲ)地表覆盖类型对UHI的效应明显,北京地区植被绿地状况与UHI呈现明显反相关分布;夏季地表NDVI与下垫面的温度散点图的回归方程的负相关系数的平方R2达到0.6481,即植被覆盖好,则UHI不明显;揭示出植被绿地对降低UHI具有重要的作用.大范围的绿地建设能有效降低UHI.     

城市群落大气污染源影响的空间结构及尺度特征

以迅速发展的城市群落-北京及周边区域为样本, 利用2003年冬季(2月)、夏季(8月)北京城市大气环境现场科学试验(BECAPEX, Beijing City Air Pollution Observation Experiment)建筑群边界层大气污染动力-化学过程观测资料以及相关的气象要素、卫星反演气溶胶光学厚度等综合资料, 进行“点-面”空间结构动力-统计合成分析, 剖析北京大城市及周边区域大气污染影响域的空间结构及多尺度特征. 结果表明, 冬、夏季不同污染排放源对大气污染成分特征的贡献率具有显著差异, 统计模型主成分分析结果亦表明, 冬季气溶胶颗粒物成分结构以SO2和NOx影响为主; 夏季粒子成分结构则以CO, NOx影响为主. 冬、夏季北京城区不同方位测点近地层大气动力、热力结构及建筑群上边界各类污染物种均具有“同位相”变化及其“影响域”空间尺度特征. 功率谱分析发现冬、夏季颗粒物浓度和大气风场动力结构的周期谱相吻合, 冬季以长周期为主, 夏季则多为短周期, 揭示出冬、夏季大气环流季节性尺度特征对大气污染变化周期特征的影响效应. 分析城市区域热力非均匀性特征, 可发现北京地区热岛多尺度效应与高层建筑群面积非均匀扩展特征存在相关关系. 城市大气动力、热力特征空间结构中城市边界层群筑群湍流尺度特征对城市大气污染多尺度特征具有重要影响. 晴空、稳定天气条件下MODIS气溶胶变分订正分析场和污染源追踪相关合成风矢场综合分析模型均表明, 冬季北京大气污染气溶胶颗粒物的排放源可远距离追溯到北京南部周边的河北、山东及天津等地更大尺度空间范围, 气溶胶指数高值区与北京及周边地区居民户数高值区(采暖面源)空间分布存在关联. 冬、夏季空气质点后向轨迹特征呈类似上述多尺度特征, 且描述出不同季节污染源空间分布的尺度特征差异, 城区大气污染周边源轨迹路径主体来自城市近郊固定工业面源或采暖面源, 且冬季周边污染源扩散输送距离较夏季呈更远的空间尺度, 上述结论描述出城市区域大气污染源影响和大气动力结构引起的多尺度空间影响域及季节性特征. 冬季TOMS气溶胶光学厚度高值区域位于北京地区并向南延伸, 且呈南北向带状分布, 可描述出周边地形分布对区域尺度大气污染源扩散的动力影响效应. 研究分析表明: 北京周边大地形“谷地”内冬季污染程度与南部周边地区的污染排放源密切相关; 北京及周边地区冬季的气溶胶光学厚度和日照时数的“反位相”变化特征显著, 冬季云量、雾日数与气溶胶呈区域尺度相关特征, 反映了该区域尺度气溶胶影响的局地气候效应. 另外, 流域面尺度的大气干、湿沉降分布对密云水库区域尺度空间水体的影响分析亦反映了夏季水、土、气多圈层污染源影响多尺度空间结构对密云水库水质影响的可能性.     

1998年广西环江M_S4.9地震前卫星热红外异常分析

收集了1998年2~5月广西环江MS4.9地震震区连续的NOAA/AVHRR卫星遥感热红外资料,经过去云等数据处理,选取当地夜间时段的热红外数据进行地表温度反演,分析地震前、后地表温度异常时间演化过程及其异常空间分布与活动断裂关系,并讨论了震区地形地貌、季节性气候等非构造因子对地温异常的影响。结果表明:(1)在环江MS4.9地震发生前2个月震中附近出现热红外异常增温现象,异常增温与发震时间有一定对应性。显著增温主要表现在震前半个月左右,震后温度逐步下降;(2)对地形地貌、季节性气候等非构造因子进行相关分析表明,环江MS4.9地震反映出反季节变化的震前构造"增温"信息;(3)异常升温由震中沿NW与NE向共轭断裂交叉发育,与此次环江地震NW向发震构造较为一致。充分考虑地形地貌、季节性气候等非构造因素对异常升温的影响,认为此次环江MS4.9地震前热红外升温可能为震前短临异常现象。     

中国区域陆表热力作用时空分布及异常变化区域的成因

基于互补相关理论,通过20cm蒸发皿气象观测数据分析了中国区域1980～2000年地表热力时空变化和分布．结果显示：四川盆地为中心的长江中上游流域和黑龙江北部地区热力作用显著异常增强;新疆和云南部分区域热力作用显著减少．上述区域内低云覆盖率也同步发生显著的异常变化．通过西太平洋副热带高压波动数据和热带风暴频率资料证实,天气系统是造成地表热力异常分布的主要原因,并合理地解释了中国大部分区域年降水周期性和准周期性波动的成因．同时利用NOAA—AVHRR卫星遥感数据,分析了下垫面性质变化对地表热力异常分布的影响．在地表植被增加区域,地表热力作用下降;在地表植被减少强度最大的城市化周边地区,热力作用显著增强,而更大范围的热力增强却与天气系统引发的低云异常减少有关．     

北京地区夏季城市气候趋势和环境效应的分析研究

本文利用1994～2003年北京市11个气象台站的7、8月夏季常规地面观测资料，并结合中国科学院大气物理研究所325m高铁塔观测资料，分析了近10年的城市化进程对北京市夏季城市气候造成的影响. 结果表明，各气象要素变化都突现了城市化进程的影响：(1)城区相对湿度较郊区明显偏小，呈现一“干岛”特征，且相对湿度呈逐年下降趋势；(2)降水方面，近10年来，北京市的夏季降水量逐年下降非常明显；(3)平均日蒸发量和日照时数城区大于郊区；(4)虽然城区能见度明显小于郊区，但总体来讲，1999年以后，北京地区的能见度趋好；(5)地温同样存在城市热岛现象；(6)北京地区35℃以上高温天数基本呈增多趋势，且城区高温天数明显多于郊区；(7)边界层强逆温的存在有利于城市夏季强热岛的出现.     

北京城市化进程对边界层风场结构影响的研究

随着近10年来北京城市化步伐的加快,城市规模迅速扩大,北京三环以外的地区已由20世纪七、八十年代的城郊非均匀下垫面发展成现在粗糙复杂的城区下垫面,市区建筑物相应增多、增密和增高,导致城区地面动力学粗糙度明显增大.本文统计分析了北京325 m气象塔1994年和1997～2003年夏季平均场观测资料,结果表明:(1)在受下垫面影响最为剧烈的近地层,风向逐年趋于紊乱,现在气象塔周围近地面的流场已经具备了典型城市粗糙下垫面的流场特征;(2)近地面夏季平均风速呈现非常明显的逐年递减的趋势,而且距离地表越近,平均风速逐年递减的趋势也越为显著,这种风速逐年递减的趋势直到63 m左右才不明显,说明现在气象塔47 m以下的观测资料反映的是城市冠层的流场特征,城市冠层厚度约在47～63 m之间;(3)随着北京城市化的发展,城区近地面的平均风速存在逐年递减的趋势,但阵风并不存在相似的递减趋势,表明城市冠层的抬升对阵风的影响并不显著.     

密云水库区域大气-土-水污染过程复合相关源

采用密云水库15km处WMO区域空气污染本底站——上甸子站1990~2001年降水化学资料,并结合2002~2003年现场科学试验阶段获取的大气干沉降和湿沉降资料,从大气-土-水污染过程的复合相关源角度,综合分析了大气干、湿沉降以及白河沿岸农田、矿区和城镇污染源对密云水库的水质综合影响特征.分析结果表明,该时段密云水库区域大气降水中离子以SO42?,NO3?,NH4+和Ca2+为主;密云水库湿酸沉降量夏半年(4~9月)大于冬半年(10~3月),其年际变化呈上升趋势,年平均达1038.45t,最高年份(1996)达1766.31t,最低年份(1994)为604.02t;密云水库区域大气降水pH的多年平均值为5.20,降水呈弱酸性,pH值年际变化呈下降趋势.密云水库水体不同深层的pH值均大于7.0.pH值垂直和水平空间分布呈非均一性特征,同一区域pH值随水深呈下降趋势;2002年和2003年密云水库降尘量分别为13513.08t和3577.64t,春季降尘量为全年之首,分别占其全年的61.91%和44.56%.由于大气干、湿沉降中含有多种重金属元素及有害元素,它们可能在一定程度上对库水富营养化、潜在重金属污染以及库水酸化起“加剧”作用.上述综合分析结果揭示出密云水库区域大气-土-水污染过程复合相关源特征及其多圈层相互作用效应.另外,夏季(雨季)是局地土壤污染源由于受暴雨或强降水冲刷后通过入库水系山谷坡地汇流,引起区域性大气-土-水连锁污染过程,导致水库或河流水质污染.统计分析亦发现密云水库水质污染可能与水库周边及上游局部区域降水冲刷和汇流因素相关.水库污染物浓度变化与水库上游局地区域降水量呈较显著的相关,这些相关特征揭示了水库水质污染过程大气-土-水多圈层相互作用效应.提出了水库污染复合相关源分析法观点及其追踪入库水系上游污染源空间分布技术途径.     

北京城市化对夏季大气边界层结构及 降水的月平均影响

为克服针对一次或几次天气过程研究城市化对边界层结构及降水影响的局限性,尝试研究北京城市化对夏季大气边界层结构及降水的月平均影响,本文首先总结了2006年8月份的主要天气过程,分析了气象站观测的10 m高度风速、2 m高度气温、2 m高度比湿和24 h降水的月平均分布特征,然后利用WRF/Noah/UCM模拟系统,进行了该月30个个例的高分辨率数值模拟及检验分析,并通过多组不同城市化情景的敏感性试验对比分析了城市化对夏季大气边界层结构及降水的月平均影响.研究表明:本文所用对高分辨率数值模拟结果进行月平均的方法可以较合理地模拟出城市化对大气边界层结构及降水的影响,并再现观测到的各站风频差异.8月份,北京城市化对气温的影响高度白天约为800 m,近地面气温升高1℃以上;夜间约为200 m,对近地面气温的影响达到最大(1.4℃以上).白天,城市化使城市及下风向的一些区域风速略有减小;夜间,城市及周边区域200 m以下风速明显减小,且在100 m左右高度处风速减小最明显,减小达0.8 m/s以上.城市化白天使700 m以下比湿减小,近地面处减小达1.2g/kg以上,夜间使近地面空气比湿略有减小.城市化对城市区域平均降水量的影响随城市发展的不同阶段而不同.初步模拟分析表明, 北京城市化已使上风向区域以及城区三环以内降水量减少,海淀和昌平降水明显增加.     

GRACE卫星观测到的与汶川Ms8.0地震有关的重力变化

利用GRACE卫星重力资料,计算了中国大陆及周边的卫星重力时变场和地表密度变化分布,获取了具有代表性的点位区域的每月重力变化时间序列.同时获得了WUSH、LHAS、KUNM、LUZH站相对于区域参考框架的GPS位移时间序列.卫星重力观测结果显示喜马拉雅弧形带的重力在2004年苏门答腊M_w9.3地震后快速下降, 2006~2008年尤为明显,西域地块西北边界带上震后重力下降也较为显著;而沿青藏高原北至东边界2007年出现明显的重力上升沿构造边界的弧形分布,且2008年南北地震带中南段重力上升变化显著.这些苏门答腊地震后的重力变化趋势到汶川地震发生后才开始改变.GPS位移结果显示四个台站均记录到苏门答腊大地震的同震信号,震后WUSH、LHAS、KUNM站水平位移向量出现明显的运动趋势改变,且一直持续到2008年汶川M_s8.0地震的发生.GRACE卫星揭示的青藏高原及周边地表质量的变化为解释汶川地震的动力机制提供了新的观测途径和资料.本文结合区域构造运动的特点和GPS位移,对GRACE观测的时变重力场特征及汶川地震的动力机制进行了初步解释和讨论.     

城市冠层结构热力效应对城市热岛形成及强度影响的模拟研究

本文在城市边界层预报模式中耦合了一个单层冠层模式,此模式能够体现城市冠层结构和人为热源对城市热岛的共同作用.通过传统平板模式和城市冠层模式的模拟结果与自动气象站观测资料对比发现,耦合了城市冠层模式的模拟结果与观测资料更为吻合,尤其能够较好地模拟出城市地区夜间地面的气温变化情况.对北京城市区域的模拟结果进行分析,白家庄地区冠层建筑物使得城市地区气温白天下降,夜晚上升,不考虑人为热源作用时,城市冠层使得白家庄站地面气温白天最低下降2.5℃,夜间气温最大升高为4.7℃.针对模拟区域较小的理想算例模拟结果分析表明,城市冠层模式能够很好地模拟城市地区地表能量平衡关系,体现城市冠层对长短波辐射的封截以及热量存储能力,全天平均净辐射通量由传统模式的43.38 W/m²变为84.19 W/m²,热存储通量白天最大值为278.04 W/m²,夜晚最大释放热存储通量为160.35 W/m².冠层建筑物和人为热源对夜间城市热岛强度的贡献分别为70.65％和29.35％.城市冠层建筑物对夜间城市热岛的形成起决定性作用.     

A Monte Carlo study of rainfall forecasting with a stochastic model

A procedure for short-term rainfall forecasting in real-time is developed and a study of the role of sampling on forecast ability is conducted. Ground level rainfall fields are forecasted using a stochastic space-time rainfall model in state-space form. Updating of the rainfall field in real-time is accomplished using a distributed parameter Kalman filter to optimally combine measurement information and forecast model estimates. The influence of sampling density on forecast accuracy is evaluated using a series of a simulated rainfall events generated with the same stochastic rainfall model. Sampling was conducted at five different network spatial densities. The results quantify the influence of sampling network density on real-time rainfall field forecasting. Statistical analyses of the rainfall field residuals illustrate improvement in one hour lead time forecasts at higher measurement densities.     

Earthquake Engineering and Engineering Vibration Aims And Scope

正This journal is established by the Institute of Engineering Mechanics(IEM),China Earthquake Administration,to promote scientific exchange between Chinese and foreign scientists and engineers so as to improve the theory and practice of earthquake hazards mitigation,preparedness,and recovery.To accomplish this purpose,the journal aims to attract a balanced number of papers between Chinese and     

INTERNATIONAL RESEARCH AND TRAINING CENTER ON EROSION AND SEDIMENTATION(IRTCES)

正Director:Shangfu Kuang,China Vice-directors:Chunhong Hu,China Duihu Ning,China Guangquan Liu,China The International Research and Training Center on Erosion and Sedimentation(IRTCES)was jointly set up by the Government of China and UNESCO on July 21,1984.It aims at the promotion of international exchange of knowledge and cooperation in the studies of erosion and     

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正SCIENCE CHINA Earth Sciences,an academic journal cosponsored by the Chinese Academy of Sciences and the National Natural Science Foundation of China,and published by Science China Press and Springer,is committed to publishing high-quality,original results in both basic and applied research.