北京城市热岛“尺度”变化与城市发展

用北京地区20个气象观测站、1960~2000年的温度资料研究了北京城市热岛的季节变化, 年际变化, 进而用北京的城市化指数, 讨论了它与热岛强度与尺度范围变化之间的关系, 得到如下几点结论: (i) 北京城市热岛存在明显的季节变化, 其中以冬季为最强, 春、秋季次之, 夏季为最小, 城市热岛的季节变化主要发生在市区, 冬季市中心的温度在0.8℃以上, 夏季只有0.5℃. (ii) 北京城市热岛强度具有清楚年际增温, 年平均热岛强度的增温率为0.3088℃/10a, 其中冬季的增温率最大, 春、秋季次之, 夏季为最小, 热岛强度的增加主要由市区的温度上升引起的. (iii) 改革开放以来, 城市化指数成几十倍乃至百倍的增长, 热岛强度也出现了跃变式的增加, 且随城市建筑群扩大, 热岛“尺度”范围亦显著扩大. (iv) 城市化指数的年际变化与城市热岛强度的年际变化非常相似, 具有良好的线性关系, 它们与热岛强度之间的相关系数都已超过了0.1%信度.     

上海近50年气温变化与城市化发展的关系

根据上海地区2个气象站近50年的年均气温数据,采用回归分析、滑动平均和Mann\|Kendall检验法研究上海地区气温的年代际变化与跃变,城郊温差的年际变化;采用趋势拟合与相关分析,研究城郊温差与城市人口、GDP、能源消耗量、建成区面积和住宅竣工面积等各项城市发展指标的关系.结果表明：（1）近50年来,上海地区年均气温缓慢上升,20世纪90年代后城郊温差呈锯齿状上升趋势,若以徐家汇代表城区,奉贤代表郊区,则近50年来,城郊温差增温率为0.23℃/10a.（2）1989~1990年为上海城区气温的跃变年份,而郊区的气温跃变出现在20世纪90年代中期.（3）各项城市发展指标均与上海城郊温差有着显著的相关性,表明它们与上海城市热岛的发展关系密切,其中,住宅建设是上海城市热岛最主要的驱动因素,城市人口和经济发展也具有重要影响.     

近10年来北京夏季城市热岛的变化及环境效应的分析研究

根据1993～2003年北京地区气象台站7、8月的温度资料，分析研究了近10年来北京夏季城市热岛的变化及其环境效应.结果表明：北京夏季城市热岛的水平范围扩大到近郊区和远郊区的通州，分布特征也由“单中心”转变为“多中心”；平均热岛强度呈逐渐增强趋势，在夏季出现了强热岛；北京夏季出现热岛和强热岛的天数激增，7月最大热岛强度也呈逐年上升趋势；热岛的强度和水平分布都有明显的日变化；由于热岛效应使城区增温显著，北京夏季的高温日（Tmax≥35℃）也逐年增多. 本文还指出朝阳区气象观测站由于周围高大植被的影响，观测资料已不具备城区代表性.同时也证明绿化对降低城市热岛效应是极为有效的.本文的研究成果对北京城市发展和规划有一定的科学参考价值.     

北京城市化进程对城市热岛的影响研究

利用1971～2000年北京20个气象观测站逐日４个时次（02:00、08:00、14:00、20:00）的温度资料，选取具有代表性的城区和郊区多个站点的平均值对北京城市化进程对城市热岛效应的影响、城市热岛强度的日变化和长期变化进行了研究.分析结果指出：（1）北京城市热岛强度和总人口对数呈线性相关关系，其长期变化相关系数为076；（2）北京城市建成区的范围与城市热岛影响范围呈同步变化趋势；(3)不同时次城市热岛强度的长期变化指出，北京城市热岛强度以平均每10年022℃的速率加剧，其中1999年北京热岛强度达113℃（夜间，02:00）；(4)夜间热岛强度明显大于日间.就10年平均而言, 20世纪80年代和90年代夜戒热岛强度均超过05℃；(5)一天4个时次热岛强度的季节变化趋势基本一致，均表现为冬季强、夏季弱.并且，夜间02:00时热岛最强，中午14:00时热岛最弱.     

城市化进程对北京地区冬季降水分布的影响

根据北京地区城市化程度将城市化进程分成两个时期: 即以1980年为分界点, 将1961~1980年划分为城市化慢速期, 1981~2000年为城市化快速期. 利用北京地区14个标准气象站40 a的降水量资料. 研究了城市化进程对北京地区降水分布的影响. 结果表明: 北京地区冬季降水分布发生了显著的、系统性的变化; 城市化缓慢期, 北京地区南部为降水相对较多地区, 北部为降水相对偏少地区; 城市化快速期, 相对降水量的分布正相反, 南部地区变为降水相对较少地区, 而北部变为降水相对偏多地区. 随着城市规模的扩大, 北京冬季“城市热岛”和“城市干岛”效应增强, 加速了云下降水物的蒸发过程, 使城区及南部地区的降水相对减少. 这可能是造成北京冬季降水分布变化的重要原因之一.     

城市化对北京气象站极端气温指数趋势变化的影响

利用5个乡村气象站和北京气象站(简称北京站)1960～2008年日最高、最低气温资料,比较分析了北京地区城市和乡村极端气温指数年、季节的时间变化以及城市化对北京站各极端气温指数趋势变化的影响.结果表明:1960～2008年北京站霜冻日数、冷夜日数、冷昼日数和平均日较差均显著减少,暖夜日数、暖昼日数、平均最高气温和平均最...     

1987-2017年间南极点大气风温垂直结构及趋势变化特征

本文基于1987—2017年南极点的无线电探空数据,研究了地面至30 km海拔高度的气温、风向和风速的垂直分布及变化趋势.多年平均的逐月数据表明,气温在各高度上均具有显著的季节变化,南半球夏季（冬季）对流层低层温度最高达-25℃（最低达-60℃）,分别出现于1月（7月）地面以上约500 m（近地面）.近30年来,年平均地面气温呈0.3℃/10a的增加趋势,增温趋势总体上随高度增加而减缓,至对流层上层的气温变化趋势为负,约为-0.25℃/10a.对于对流层整层平均气温,秋季上升趋势在四季中最为明显,达0.55℃/10a,而年平均气温的趋势约为0.3℃/10a.近地面全年盛行东北风,风速大多在2~10 m·s^-1范围内;对流层的低层（高层）为西北风（西南风）,在海拔6~9 km处,对流层急流可达25 m·s^-1;而平流层低层（高层）为南风（东南风）,最大风速可超过30 m·s^-1.风速和温度梯度变化特征在地面至10 km（10~30 km）高度段表现为负相关（正相关）.近30年近地面呈现北风增加东风减少的趋势,而高空南风减少,东风和北风增多.对流层整层平均风速显示,各季节平均风速均呈增加趋势,并且与温度类似,秋季的增加趋势最显著,达0.59 m·s^-1/10a,而春季趋势最为平缓,仅0.05 m·s^-1/10a.对流层整层年平均风速的线性趋势为0.24 m·s^-1/10a,地面年平均风速呈0.05 m·s^-1/10a的增加趋势.     

CMIP6模式模拟的人类活动和自然强迫对全球地表气温多尺度变化的影响

量化人类活动在气候变化中的定量贡献是气候变化检测归因研究的核心科学问题,也是提高气候变化预测和预估水平的重要科学基础.本文基于最新的第6次国际耦合模式比较计划(CMIP6)多模式历史归因模拟试验(DAMIP),检测了人为因素(ANT)和自然因素(NAT)对近百年(1915—2014年)全球地表气温多尺度变化的影响,归因了温室气体(GHG)、气溶胶(AA)、土地利用(LU)等不同人为因素对全球地表气温长期变化的相对贡献及南北半球差异.结果显示,近百年来人为因素引起的全球陆地实际增温约为1.1℃(0.8℃～1.3℃),对南北半球的贡献则分别约为0.7℃和1.2℃;全球大多数区域人为排放GHG和AA的显著作用在1960—1980年期间就能够被检测到,其中北半球AA的冷却作用要超前于GHG的增温效应;气候系统内部自然变率是调制大多数区域气温年代际(10～30年)及多年代际变率(30～60年)的主导因子,而人为和自然外强迫在全球地表气温年代际变率中的方差贡献约为5%～20%,但二者在北半球尤其在东亚和欧洲中高纬度地区地表气温多年代际变率中的方差贡献可达50%.人为因素强迫可使近50年(1965—...     

华北断块区地震幕与大华北气温异常时空演化特征

研究了1966-1976年间华北断块区地震幕活动与大华北地区1960年2月-1977年1月气温异常时空演化之间的关系.主要结论是:(1)华北地区1960年2月(增温)和1977年1月(降温)以及1975年9月和1976年2月(增温)的气温增温-降温过程,与地震幕活动开始和结束时间相关联:(2)气温异常时间与范围之间,以及它们与地震能量之间有较高的可信度;(3)1960年2月-1976年7月28日唐山7.8级地震时的16.5年可按0.618N 划分18个时段,地震幕中单个地震及天气增温的时间恰好位于某几个时段中.      

青藏高原草地生态系统土壤有机碳动态特征

青藏高原草地碳动态对区域乃至全球碳循环都有非常重要的影响. 采用生态系统碳循环模型—CENTURY模型4.5版本探讨了青藏高原草地生态系统土壤有机碳(0~20 cm)在1960~2002年间的年际动态变化特征及其区域分异特征. CENTURY模型模拟的地上部分生物量与土壤表层有机碳与实测结果有较好的一致性. 从1960~2002年, 8个典型草地生态系统土壤有机碳含量表现出明显年际的波动, 变化幅度随生态系统土壤有机碳含量增加而增大; 青藏高原草地有机碳总量和主要草地生态系统有机碳总量也呈现出明显的年际变化, 而以1990~2000年期间的年际变化幅度最大, 在这期间主要生态系统有机碳总量都呈现出先上升而后迅速下降的变化. 土壤有机碳含量的区域分布特征表现出从东南向西北降低的地带性分异, 同时在东北和东南表现出非地带性分异特征. 该研究表明: 近40年来青藏高原典型草地生态系统随气候变动有比较敏感的响应, 同时, 在假定生态系统生理特性不变的条件下, 近10年来的气候变动增加了青藏高原草地土壤有机碳的积累和排放速度.     

Changes in the spatial scale of Beijing UHI and urban development

The seasonal and interannual variations of Beijing urban heat island (UHI) are investigated in this paper using the temperature data from 1960 to 2000 at 20 meteorological stations in the Beijing region, and then the relationship between the intensity and spatial scale of UHI and Beijing urbanization indices is analyzed and discussed. Main conclusions are the followings. First, Beijing UHI shows obvious seasonal variations, and it is strongest in winter, next in spring and autumn, and least in summer. The seasonal variation of the UHI mainly occurs in the urban area. The UHI intensity at the center of Beijing is more than 0.8℃ in winter, and only 0.5℃ in summer. Second, the intensity of Beijing HUI exhibits a clear interannual warming trend with its mean growth rate (MGR) being 0.3088℃/10 a. The MGR of HUI is largest in winter, next in spring and autumn, and least in summer, and the urban temperature increase makes a major contribution to the growth of HUI intensity. Third, since the Reform and Opening, the urbanization indices have grown several ten times or even one hundred times, the intensity of HUI has increased dramatically, and its spatial scale also expanded distinctively along with the expansion of urban architectural complexes. Fourth, the interannual variation of urbanization indices is very similar with that of HUI intensity, and their linear correlation coefficients are significant at a more than 0.001 confidence level.     

城市热岛效应下浅层土中混凝土的酸腐蚀试验研究

针对城市热岛效应引起城区浅层土地温场升高这一观测结果,采用室内快速模拟试验方法,对城区酸性土壤腐蚀混凝土材料的温度效应开展了试验研究。试验研究了在温度为5℃、20℃和40℃条件下,混凝土试样在酸浓度分别为0%、5%和10%的沙土介质中放置30d、90d后的抗压强度变化规律,并对混凝土试样在腐蚀过程中的腐蚀系数变化规律和微观机理进行了分析;最后,对南京城区热岛效应环境下浅层土中混凝土材料酸腐蚀的强度变化规律进行了分析。试验结果表明,在同一腐蚀浓度下,混凝土试样抗压强度的下降速度随着温度的升高而不断加快,其腐蚀系数也随着温度的升高而不断增大;腐蚀介质的浓度越大,环境温度对混凝土腐蚀系数的影响就越明显;在温度为40℃、硫酸浓度为10%的沙土中放置30 d后,混凝土的腐蚀系数K达到45.21%,约是在5℃条件下腐蚀系数的2倍,相当于环境温度每上升1℃,混凝土腐蚀系数平均增加0.64%。该研究成果对于减轻城市热岛效应对岩土工程的影响具有重要意义。     

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.     

城市布局规模与大气环境影响的数值研究

为探索城市建设对局地及周边大气环境的影响,本文采用典型代表性天气条件,以北京主城区及其东部发展带小城镇群的发展变化为例,设计算例进行数值模拟.分析结果表明：城镇群建设发展通过地气的相互作用对局地环境产生显著影响,在本文选择的夏日晴好天气条件下,就1980～2004年城市区域布局状况,模拟域内北京城市用地增加19%,城市区域平均气温增加1.91℃,植被覆盖率减少20%,城市区域平均比湿减少3.3 g·kg^-1,并且城市发展的格局规模不同,对城市气象环境的影响程度也不同. 此外,由于地气多因子的相互影响和反馈作用,城建规模的变化对周边的环境也存在显著的影响,城建规模越大,对周边的影响越大．例如, (1) 北京主城区的存在对周边小城镇午间14:00近地面温度影响最大可达到1.2℃,混合层高度可增高150 m左右; (2) 城市建设在影响周边气象环境的同时,也改变了城市污染物的输送扩散能力,北京主城区的存在使周边小城镇PM10的允许排放总量减小18.02 t·d^-1,同时,随着周边小城镇城市规模的扩大,影响主城区PM10逐渐由净的输出转变为净的收入,小城镇群的存在对主城区PM10净收支的贡献率达到0.192 t·d^-1.     

Simulation of the Urban Heat Island Phenomenon in Mediterranean Climates

An intelligent data-driven method is used in the present study for investigating, analyzing and quantifying the urban heat island phenomenon in the major Athens region where hourly ambient air-temperature data are recorded at twenty-three stations. The heat island phenomenon has a serious impact on the energy consumption of buildings, increases smog production, while contributing to an increasing emission of pollutants from power plants, including sulfur dioxide, carbon monoxide, nitrous oxides and suspended particulates. The intelligent method is an artificial neural network approach in which the urban heat island intensity at day and nighttime are estimated using as inputs several climatic parameters. Various neural network architectures are designed and trained for the output estimation, which is the daytime and nighttime urban heat island intensity at each station for a two-year time period. The results are tested with extensive sets of non-training measurements and it is found that they correspond well with the actual values. Furthermore, the influence of several input climatic parameters measured at each station, such as solar radiation, daytime and nighttime air temperature, and maximum daily air temperature, on the urban heat island intensity fluctuations is investigated and analyzed separately for the day and nighttime period. From this investigation it is shown that heat island intensity is mainly influenced by urbanization factors. A sensitivity investigation has been performed, based on neural network techniques, in order to adequately quantify the impact of the above input parameters on the urban heat island phenomenon.     

The diurnal and seasonal characteristics of urban heat island variation in Beijing city and surrounding areas and impact factors based on remote sensing satellite data

Based on the land surface temperature (LST), the land cover classification map,vegetation coverage, and surface evapotranspiration derived from EOS-MODIS satellite data, and by the use of GIS spatial analytic technique and multivariate statistical analysis method, the urban heat island (UHI) spatial distribution of the diurnal and seasonal variabilities and its driving forces are studied in Beijing city and surrounding areas in 2001. The relationships among UHI distribution and landcover categories, topographic factor, vegetation greenness, and surface evapotranspiration are analyzed. The results indicate that: (i) The significant UHI occur in Beijing city areas in the four seasons due to high heat capacity and multi-reflection of compression building, as well as with special topographic features of its three sides surrounded by mountains,especially in the summer. The UHI spatial distribution is corresponding with the urban geometry structure profile. The LST difference is approximately 4-6℃ between Beijing city and suburb areas, comparatively is 8- 10℃ between Beijing city area and outer suburb area in northwestern regions. (ii) The UHI distribution and intensity in daytime are different from nighttime in Beijing city area, the nighttime UHI is obvious. However, in the daytime, the significant UHI mainly appears in the summer, the autumn takes second place, and the UHI in the winter and the spring seem not obvious. The surface evapotranspiration in suburb areas is larger than that in urban areas in the summer, and high latent heat exchange is evident, which leads to LST difference between city area and suburb area. (iii) The reflection of surface landcover categories is sensitive to the UHI, the correlation between vegetation greenness and UHI shows obviously negative.The scatterplot shows that there is the negative correlation between NDVI and LST (R2 = 0.6481).The results demonstrate that the vegetation greenness is an important factor for reducing the UHI,and large-scale construction of greenbelts can considerably reduce the UHI effect.     

城市化对石家庄站日气温变化的影响

利用1962—2011年逐日平均、最低和最高气温资料,对比分析了石家庄站和藁城站平均、最低和最高气温的概率分布特征.石家庄站是我国少有的自建站以来从未迁址的城市气象站,而附近的藁城站可近似看作乡村气象站.结果表明:城市化致使石家庄站1962—2011年平均、最低和最高气温的概率密度分布向高温方向偏移,其中对最低气温分布的影响尤其明显,对最高气温分布的影响很小;受城市化影响,石家庄站最低气温概率密度分布的高温部分增温比低温部分增温更加明显,最低气温分布形状更加扁平;相对于1962—1986年,1987—2011年石家庄站平均、最低和最高气温概率密度分布均向高温方向偏移,其中最低气温偏移最为明显,并导致1962—2011年整个分析时期最低气温分布出现非正态性;城市化对石家庄站气温分布的影响在冬、春季比夏、秋季更显著,最显著的城市化影响出现在冬季最低气温上;石家庄站基于最低气温的极端气温指数趋势受城市化影响严重,冷夜日数和暖夜日数的城市化影响分别为-1.13d/10a、1.48d/10a,但基于最高气温的冷昼和暖昼日数等极端气温指数变化趋势受城市化影响不明显.出现这种现象的主要原因是城市化对最低、最高气温分布的影响存在差异.