基于MODIS时间序列的内蒙古城市热(冷)岛效应研究

基于MODIS遥感卫星数据,反演地表温度,研究内蒙古各城市昼夜城市热岛空间分布和季节变化特征。结果显示:(1)白天内蒙古西部地区城市热岛效应弱;中部地区除集宁外,城市热岛出现概率呈对半趋势,没有东部地区城市热岛效应强;东部地区城市热岛效应出现概率最多,以赤峰和通辽尤为显著。夜间全区城市热岛出现的概率比白天大,有些城市达到了100%的现象。(2)内蒙古城市热岛并没有表现出统一季节变化规律,白天,冬季出现城市热岛的有锡林浩特、海拉尔、集宁和通辽;夏季为热岛的城市有呼和浩特、乌兰浩特。夜间,呼和浩特全年热岛,基本全年热岛(除个别月份)的有集宁、通辽、乌海、乌兰浩特和锡林浩特;春季为热岛的是临河;秋季为热岛的有赤峰和东胜;热岛有季节变化规律的是巴彦浩特、海拉尔、包头。(3)呼和浩特夏季6-8月呈现热岛效应;冬季12月依旧表现为热岛,且夜间城市热岛更严重。(4)集宁除5月、7月、12月为冷岛,其余月份为热岛; 7月白天为弱冷岛,夜间为热岛,城郊温差较小;冬季12月白天集宁市区为热岛效应,夜间集宁市区呈现弱冷岛效应。     

廊坊市城市热岛效应的昼夜变化特征分析

利用2005年9月～2008年8月廊坊市区域加密自动站逐小时气温资料,采用城、郊气温对比法研究了廊坊城市热岛效应,结果表明:廊坊城市热岛强度夜间大于白天,但变化幅度白天大于夜间,但在四季不同时段也存在"城市冷岛"现象.不同气象条件下,廊坊城市热岛强度及变化存在明显差异,晴朗无风时城市平均热岛强度最大,平均强度达1.25℃,阴雨天气条件下城市平均热岛强度最小,平均强度仅有0.10℃.     

北京夏季高温变化特征及对城市热岛强度的影响

随着全球气候变暖和快速城市化，城市夏季高温及热浪出现频次和强度明显增加，但人口高度集聚的特大城市中夏季高温长期变化特征对城市热岛的影响程度和作用机制仍不甚明了。本文选择京津冀特大型城市群的核心城市北京为研究对象，基于长期气象观测数据计算夏季高温和城市热岛强度，阐明5—8月夏季高温长期变化特征及对城市热岛强度的影响。研究发现，1978—2020年北京城区夏季高温日数、强度和极端高温均呈现显著增加趋势，相伴随的是高温起始时间明显提前，结束时间显著推迟；高温天最高气温热岛强度呈显著降低趋势，而平均气温和最低气温热岛强度则呈轻微下降趋势；5—8月高温天最高、平均和最低气温多年平均热岛强度分别为0.73 ℃、1.61 ℃和2.40 ℃，明显高于非高温天的0.09 ℃、0.80 ℃和1.40 ℃，高温和非高温天热岛强度差值均在0.6 ℃以上，表明夏季高温放大城市热岛强度。预估未来全球变暖和快速城市化背景下北京城市热岛效应将进一步加剧，会形成更频繁和持续更长的夏季高温，给城市居民带来严重的健康风险。     

近十年长江三角洲城市热岛变化及其与城市群发展的关系

利用MODIS(MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer,中分辨率成像光谱仪)白天地表温度、地表类型产品和DMSP/OLS夜间灯光数据,分析了长江三角洲(简称长三角)地区城市群温度场及其变化的分布特征。结果表明:长三角城市群热岛在春夏季最强,秋季次之,冬季最弱;2001年以来,长三角地区夏季热岛区面积不断变大,其中强热岛区的增长速度最大,导致温度过渡区面积大幅减小;各城市群中,以苏锡常城市群的强热岛区增长最快,呈现与上海热岛连成一体成为大城市群热岛区,并沿海岸线有向杭州湾发展成为更大城市群热岛区的趋势;城郊地区的地表温度增温幅度最大,夜间灯光灰度值的加强趋势也最高,城市地区几乎没有增温,夜间灯光灰度值的加强趋势也最小,且地表温度和夜间灯光灰度值的空间相关性较好,表明长三角近十年地表温度的精细变化与城市化进程密切相关。     

基于MODIS资料分析近15年广州城市热岛特征及演变规律

利用MODIS地表温度数据,计算城市热岛强度指数,分析近15年广州市城市热岛的时空分布特征及演变规律,并结合气象观测数据、社会统计数据定性分析其主要影响因素。结果表明:广州市城市热岛的空间分布受地形地貌影响明显,负热岛区主要分布于森林密集的北部山区,无热岛区主要分布于中部低山丘陵区域,热岛区主要分布于高度城市化的中南部平原区。关于城市热岛的日变化规律,白天热岛区、负热岛区面积均小于夜间,但白天热岛区强度、负热岛区强度大于夜间。关于城市热岛的季节变化规律,冬季热岛区面积最大,热岛强度最小,夏季热岛区面积最小,热岛强度最大;冬季负热岛区面积最小,负热岛强度最小,夏季负热岛区面积最大,负热岛强度最大。对于城市热岛的年际变化规律,近15年来广州市的热岛区、负热岛区占全市总面积的百分比呈上升趋势,无热岛区所占百分比呈下降趋势,人为热排放在城市中心区域的持续增长,加上区内建筑物密度大、植被覆盖度低,导致了热岛区的增加,而北部山区至中部丘陵山区的植被的持续好转,加上地理特征限制了该区域的城市化发展,导致了负热岛区的增加。      

基于遥感的南宁城市热岛效应时空演变分析

利用MODIS、TIRS等遥感数据对南宁市2013年四季及昼夜的地表温度、热场强度和热岛强度分别进行计算,研究南宁城市热岛的水平空间分布、四季演变及昼夜变化特征。结果表明:南宁市的热岛中心主要集中在西乡塘区及江南区,有大面积植被覆盖的兴宁区、良庆区及青秀区热岛相对较弱;白天高温区域分散于城市的南北两侧,夜晚集中于市中心,白天热岛强度明显大于晚上;夏季热岛强度最强,冬季热岛强度最弱。     

北京秋季城市热岛效应及其气象影响因子

应用北京地区地面气象观测台1990～2004年10月的气温资料,分析了近15年来北京秋季城市热岛的特征,结果表明,北京秋季夜间城市热岛要强于白天.此外,对比分析了一个强热岛和一个弱热岛的特征及其气象影响因子,结果表明,北京秋季夜间特定条件下存在强热岛,白天城市强热岛会减弱消失,城市强热岛的日变化非常明显.夜间城市强热岛形成和维持是多个因子综合作用的结果.白天日照充足的晴夜,北京城郊地面风场很弱(≤1.0 m·s-1),同时城区垂直方向47 m以下大气风场持续很弱(≤1.0 m·s-1),城区320 m以下大气持续存在强逆温.日落后郊区地面大气降温速率和幅度远大于城区,促使夜间强热岛的形成和维持.白天日出后太阳辐射的加热作用所引起的郊区地面大气升温速率和幅度大于城区,城区大气稳定度的减弱以及城区大气逆温的消失是夜间强热岛减弱并最终消失的重要原因.     

ASTER数据地表温度产品精度评价

以北京市为研究区,基于ASTER热红外波段数据反演的地表温度及地面气象站地表温度,利用绝对误差和相对误差开展了精度验证研究,分析了地表温度空间分布。结果表明:ASTER数据反演的夜间地表温度在热岛强度高的冬季精度高于其他热岛效应弱的季节,而ASTER数据反演的白天地表温度在热岛强度高的夏季与其他热岛效应弱的季节精度相当; ASTER数据反演的地表温度小于气象站地表温度观测值。ASTER数据反演的地表温度与气象站观测地表温度空间分布一致,且夜间冬季的热岛强度高于秋季,白天夏季的热岛强度高于秋季;夜间的热岛强度高于白天。     

南京夏季城市热岛时空分布特征的观测分析

利用2010年南京夏季城市热岛三维观测试验资料,分析了南京夏季典型天气条件下城市热岛的时空分布特征。结果表明,南京夏季高温晴天日平均热岛强度达1℃以上,夜间热岛强度稳定且强于白天,热岛分布具有方向性特征并与城市土地利用现状对应较好。白天,城市大气混合层的发展速度和高度均大于郊区;夜间,由于城市大气层结的不稳定及下垫面的粗糙特性,致使城市低空始终存在着一个对流混合层,其高度至少有250 m。城市下垫面高热量储存和强湍流输送的共同作用形成边界层内热岛,热岛强度总体上随高度递减,影响高度在白天约900 m、夜间约300 m。     

北京地区城市热岛的时空分布特征

应用自动气象站逐时气温观测资料分析了北京城市热岛的时空分布特征。结果表明，无论冬、夏季，北京的城市热岛在空间分布上均表现出多中心结构。热岛强度冬季大于夏季、夜间大于白天，热岛中心随时间存在漂移现象，日变化幅度冬季大于夏季。城市热岛在时间域上呈多尺度结构，冬、夏季均以20-30h所对应的日变化和120-270h的周变化为主，周变化振荡的波谷主要出现在周六至周一，波峰出现在周三至周五，变化趋势冬季比夏季明显。     

北京夏季强热岛分析及数值模拟研究

应用北京地区20个常规地面气象站、2个自动气象站和中国科学院大气物理研究所325m气象铁塔的资料，对北京2003年7月热岛状况进行了统计分析，发现北京夏季夜间存在强热岛效应，夏季夜间存在强热岛效应的天数占到了1/3，强弱热岛天数合计占到了大约4/5。进一步分析7月1日强热岛特征及其气象影响因子，结果表明：夜间存在强热岛时，郊区所有测站的地面气温都要低于主城区地面气温，城市强热岛的高温中心在天安门和白家庄连线的主城区；白天日照充足的晴夜，日落后城区320m以下低层大气存在逆温和弱的风速，城区地面气温下降速率和幅度均远小于郊区，城市强热岛因此得以形成和维持。日出后至正午，北京北部郊区日照时间比城区长，郊区地面大气得到来自太阳辐射的能量多于城区，而太阳辐射的加热作用使城区低层大气逆温消失，大气稳定度减弱，并使郊区地面气温上升速率和幅度大于城区，最终导致夜间出现的强热岛减弱、消失。此外，应用MM5模式对强热岛进行了初步数值模拟研究，发现在MM5中考虑城市人为热和热储存，可以改善模式对热岛的数值模拟，表明城市人为热和热储存在夏季强热岛的形成中有重要作用。     

不同气象条件下廊坊城市热岛效应变化特征

利用2005年9月—2008年8月廊坊市区域加密自动站逐时气温资料,采用城、郊气温对比法研究了不同气象条件对廊坊城市热岛效应的影响。结果表明：廊坊城市热岛强度夜间大于白天,但变化幅度白天大于夜间;在四季不同时段存在“城市冷岛”现象。不同气象条件下,廊坊城市热岛强度及变化存在明显差异,晴朗无风时城市平均热岛强度最大,平均强度达1.25℃,阴雨气象条件下城市平均热岛强度最小,平均强度仅有0.10℃。     

昆明城市热岛效应立体分布特征

利用低纬高原城市昆明城内外垂直观测资料，探讨了低纬高原城市的城市气候立体分布特征，通过比较分析，得出如下初步结果：昆明城市热岛效应不仅在地面附近存在，而且在城市上空也存在；其城市热岛效应为夜间强，影响高度高（＞50m)；昼间弱，影响高度低（＜50m)；近地面强，上空弱；昆明城市区域的气温垂直分布昼间为随高度增高温度递减，而夜间为逆温分布；受昆明城市周边环境影响，昆明城市热岛效应最大值中心呈现随高度增高而偏多现象。如此的气温立体空间分布，将对城市污染扩散、建筑物的设计、城市节能等产生影响。     

北京春季城市热岛特征及强热岛影响因子

应用北京地区地面气象观测台1990-2004年4月的气温资料,分析了近15a北京春季城市热岛特征,结果表明：春季夜间城市热岛要强于白天。还分析了春季一个强热岛形成和减弱消失过程的气象影响因子,结果表明：北京春季夜间特定条件下存在强热岛,强热岛中心在白家庄、天安门、公主坟连线的主城区;白天强热岛会减弱消失。强热岛在夜间形成的原因是日落后郊区地面大气降温速率和幅度远大于城区地面大气。白天有日照的晴夜北京城、郊地面风场很弱（≤1．0m／s）,多个测站甚至出现静风,同时城区垂直方向上15m高度以下持续存在很弱（≤1．5m／s）的风场,城区320m高度以下大气持续存在强逆温,这些因素共同促使春季强热岛的形成和维持。强热岛在白天减弱消失的原因是日出后太阳辐射的加热作用引起郊区地面大气升温速率和幅度大于城区地面大气,同时城区大气稳定度减弱、城区大气逆温消失、城郊地面风速增加。     

Summer temperature variability across four urban neighborhoods in Knoxville,Tennessee, USA

The urban heat island (UHI) is a well-documented effect of urbanization on local climate, identified by higher temperatures compared to surrounding areas, especially at night and during the warm season. The details of a UHI are city-specific, and microclimates may even exist within a given city. Thus, investigating the spatiotemporal variability of a city’s UHI is an ongoing and critical research need. We deploy ten weather stations across Knoxville, Tennessee, to analyze the city’s UHI and its differential impacts across urban neighborhoods: two each in four neighborhoods, one in more dense tree cover and one in less dense tree cover, and one each in downtown Knoxville and Ijams Nature Center that serve as control locations. Three months of temperature data (beginning 2 July 2014) are analyzed using paired-sample t tests and a three-way analysis of variance. Major findings include the following: (1) Within a given neighborhood, tree cover helps negate daytime heat (resulting in up to 1.19 ^°C lower maximum temperature), but does not have as large of an influence on minimum temperature; (2) largest temperature differences between neighborhoods occur during the day (0.38–1.16 ^°C difference), but larger differences between neighborhoods and the downtown control occur at night (1.04–1.88 ^°C difference); (3) presiding weather (i.e., air mass type) has a significant, consistent impact on the temperature in a given city, and lacks the differential impacts found at a larger-scale in previous studies; (4) distance from city center does not impact temperature as much as land use factors. This is a preliminary step towards informing local planning with a scientific understanding of how mitigation strategies may help minimize the UHI and reduce the effects of extreme weather on public health and well-being.     

北京中心商务区夏季近地面气温时空分布特征

利用2012年6-8月31个自动观测站点气温资料,分析了北京中心商务区（CBD）夏季近地面气温时空分布特征及影响因子,并将CBD地区夏季气温监测数据与朝阳区气象站同期地面气温进行比较分析。结果表明：下垫面类型和人为热排放等差异是直接影响城市中心商务区近地面气温空间分布的主要原因。人口密集区、高层建筑与柏油路面集中区成为夏季月平均气温高值中心,较绿地覆盖区域的低值中心偏高约1.0 ℃;夜间人类活动及车辆使用造成的人为热排放是导致夜间城市地面气温空间差异的主要原因,而白天气温空间差异相对减小。CBD地区与朝阳站平均温差存在较明显的周内和日内变化韵律,且白天和夜间二者温差基本都为正值,但夜间的差值更加明显,即CBD地区平均气温一般高于朝阳站,表现出明显的附加城市热岛效应,而且这种附加城市热岛效应具有同城市热岛强度相近的日内变化规律。进一步分析表明,不同天气条件下CBD区域的附加城市热岛强度表现出显著差异,晴好微风少云天气情况下,附加城市热岛效应更明显,主要表现在夜间;阴天、高湿天气条件下,附加城市热岛效应在白天和夜间均较弱;降水天气条件下附加城市热岛效应日夜差异最小,说明日照和太阳辐射在引起附加城市热岛效应方面起着重要作用。不同天气条件下CBD地区内部的附加城市热岛效应空间分布基本一致。     

Simulation of urban climate with high-resolution WRF model: A case study in Nanjing, China

In this study, urban climate in Nanjing of eastern China is simulated using 1-km resolution Weather Research and Forecasting (WRF) model coupled with a single-layer Urban Canopy Model. Based on the 10-summer simulation results from 2000 to 2009 we find that the WRF model is capable of capturing the high-resolution features of urban climate over Nanjing area. Although WRF underestimates the total precipitation amount, the model performs well in simulating the surface air temperature, relative humidity, and precipitation frequency and inter-annual variability. We find that extremely hot events occur most frequently in urban area, with daily maximum (minimum) temperature exceeding 36°C (28°C) in around 40% (32%) of days. Urban Heat Island (UHI) effect at surface is more evident during nighttime than daytime, with 20% of cases the UHI intensity above 2.5°C at night. However, The UHI affects the vertical structure of Planet Boundary Layer (PBL) more deeply during daytime than nighttime. Net gain for latent heat and net radiation is larger over urban than rural surface during daytime. Correspondingly, net loss of sensible heat and ground heat are larger over urban surface resulting from warmer urban skin. Because of different diurnal characteristics of urban-rural differences in the latent heat, ground heat and other energy fluxes, the near surface UHI intensity exhibits a very complex diurnal feature. UHI effect is stronger in days with less cloud or lower wind speed. Model results reveal a larger precipitation frequency over urban area, mainly contributed by the light rain events (< 10 mm d^?1). Consistent with satellite dataset, around 10?C20% more precipitation occurs in urban than rural area at afternoon induced by more unstable urban PBL, which induces a strong vertical atmospheric mixing and upward moisture transport. A significant enhancement of precipitation is found in the downwind region of urban in our simulations in the afternoon.     

不同天气条件下沈阳城市热岛特征

利用1992—2008年沈阳站和新城子站逐日4个时次的平均气温、平均风速、降水量、云量和能见度资料,对不同天气条件下沈阳的城市热岛效应进行研究。结果表明：除雾和浓雾天气条件下,沈阳城市热岛强度在08时最弱外,其他天气条件下均表现为20时最强,14时最弱;不同天气条件下,夜间城市热岛强度均高于白天;晴朗无风条件下昼夜城市热岛强度差最大,为0.73℃。四季相比,除雾条件下秋季城市热岛强度最强外,其他天气条件下均为冬季最强;除大雨条件下春季城市热岛强度最弱外,其他条件下均为夏季最弱。沈阳城市热岛强度随降水量的增加而减弱,随能见度的降低而减弱,随着风速的增加而减弱。白天和夜间两个时次的差值表现为,1～3级风夜间变化幅度大于白天,0级和4～5级风速有相反规律,其他天气条件下无明显规律。     

北京及周边地区城市尺度热岛特征及其演变

采用北京及市郊地区共16个标准国家气候站的1961～2000年40年温度资料对北京及周边地区的城市尺度热岛特征及其演变进行了研究.研究表明北京城区与郊区温度是同位相升降,且郊区温度一直低于城区.其温差维持并同位向振荡,温度逐年升高,城区与郊区温差逐年增大,表明北京热岛效应一直稳定存在,而且北京的热岛效应在随时间加剧.以海淀为代表的北京城区大部热岛效应显著,门头沟、石景山、丰台、房山和通县等地是局地升温的显著区域.因此,北京具有城市、卫星城市"热岛"多中心的复杂特征.分析热岛效应增强的趋势表明世纪末的10年与80年代的10年相比,北京城区与郊区的热岛效应增强趋势显著.特别是以海淀为代表的北京城区大部,热岛效应进一步明显增强;北京的东南部的局地升温效应加剧,通县也是一个明显的升温区域,并有一个从河北省伸向北京东南部的"暖脊". 尺度滤波分析表明,北京城市热岛效应10年变化的增强区域与城市位置十分吻合.北京城市热岛效应还具有中尺度特征.以海淀为代表的北京城区大部是热岛的主要中心,主中心内还有几个更小的高中心嵌套其中,分别位于三环路以内的西部和北部.北京城郊热岛效应发展趋势仍是严峻的,须进一步努力进行北京及周边地区环境的改善.