不同类型冷却屋顶方案对城市群热环境的缓解效果

利用耦合单层城市冠层模型的中尺度数值模式WRF/UCM,选取8组不同反照率和绿化比例的屋顶冷却方案进行敏感性试验,模拟研究不同冷却屋顶方案对长三角城市群2013年夏季城市热环境的影响,并分析其影响机制。结果表明：不同冷却屋顶方案对城市群热环境的缓解效果与屋顶参数之间呈很强的线性关系。高温热浪天气下,HR4（反照率为1.0）和GR4（屋顶绿化率为100%）方案的制冷度日数分别降低了14.7%和10.9%,节约的能源比普通夏日更多。同时,高温热浪天气会增强热岛强度,高反照率屋顶方案在白天对热岛起到更有效的缓解,热浪天气下日平均热岛强度最大可降低1.36℃。相同方案下,在高温热浪天气下的缓解效果均胜于普通夏日,平均而言,高反照率屋顶和屋顶绿化的降温效果分别增大38.5%和34.9%,增湿效果分别增大29.5%和21.9%,这主要是由于在高温热浪天气下,高反照率屋顶方案能够减少更多的净辐射通量,屋顶绿化方案能够释放更多的潜热通量。此外,城市格点密集区域的降温效果优于分散的城市区域,处于城市群中的常州区域较单独的杭州区域的降温幅度平均高32%。     

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。     

从上海市热岛演变看城市绿化的重要意义

近40年来，上海城市热岛面积扩大了7－8倍，强度增强了一倍，导致了高温灾害的增加。上海热岛的迅速扩张和增强始于20世纪80年代，与上海城市的建设有明显的对应关系。如何合理规划城市建设，减缓热岛效应影响，以保证上海城市的健康和可持续发展，已成为一个迫切需要解决的问题。近几年来显示出的上海中心城区热岛强度减弱趋势表明，城市绿化建设对减缓城市热岛效应具有重要意义。     

珠三角城市集群化发展对热岛强度的影响

利用珠三角城市发展资料及珠三角地区近28年的气温资料,研究了珠三角城市集群化发展指标与城市热岛效应之间的关系。认为:(1)珠三角城市集群化发展指标在2000年前发展缓慢,2000年后,珠三角城市集群化发展指标增长率比2000年前增长了5~9倍;(2)热岛强度增温率2000年前为0.34℃·(10a)~(-1),而2000年后热岛强度增温率为0.69℃·(10a)~(-1),热岛强度增温率增加了1倍。(3)珠三角地区城市热岛强度逐年增强,年内热岛强度雨季和干季变化明显,雨季热岛强度弱而干季热岛强度强,最弱热岛出现在降水充沛的7月,最强热岛出现在天气干燥的12月。(4)采用灰色关联度分析结果显示:城市建成区面积、工业总产值、全年总用电量和常住人口等指标对气温和热岛强度影响明显;根据城市发展指标对气温和热岛强度的关联度,采用灰色模型拟合了城市集群化发展指标对气温和热岛强度的平均拟合相对误差分别为2.7%和7.0%,说明该模型可以较好地拟合城市集群化发展指标对气温和热岛强度的影响。     

京津冀城市群气候变化及影响适应研究综述

本文对2000年以来京津冀城市群气候变化及影响适应的研究成果进行了综述。研究表明：20世纪60年代以来,京津冀城市群年平均气温和极端高温指数显著升高,年降水量波动减少,到21世纪10年代,极端强降水指数降低。京津冀气候变化是全球变暖和城市化共同作用的结果,城市化加速了京津冀变暖趋势,增加了极端高温和极端强降水的频率和强度,气候风险高。未来京津冀城市群协同发展,面临高温热浪、强降水、水资源短缺和海平面上升等风险将更严峻,气候变化适应是京津冀城市群可持续发展面临的紧迫问题,适应策略等方面研究已取得了明显进展,但适用性和针对性还存在不足。本文提出了未来研究展望：深入研究城市化对气候变化的反馈,发展全球气候变化和城市化共同作用下的气候风险精细化预估技术,系统研究气候变化对城市的影响和不同行业的脆弱性,加强温室气体监测评估技术研究,加强适应气候变化的策略、路径和技术研究。     

WRF/NCAR模拟的夏季长三角城市群区域 多城市热岛和地表能量平衡

利用一个包含城市冠层效应的区域模式（WRF/NCAR）,对长三角特大城市群的夏季气候效应进行了5 a（2003—2007年）高分辨数值模拟,通过长三角地区有无城市的对比试验分析,重点分析了城市群所造成的多城市热岛和地表能量平衡及其日变化特征。结果表明：城市化会导致显著的地表升温,但昼夜不同的升温幅度造成城市地表温度日较差的降低,以及部分郊区日较差增加;城市化也减小城市近地面风速,但沿海城市升温造成的热力差异,增大白天的海风并降低夜间的陆风。同时大范围城市群的热岛能够显著降低低层气压,导致部分海面风速持续的增加;城市下垫面具有很小的潜热通量,但感热通量和热存储量较大,白天的热岛逐渐增加,并在日落前达到最大,夜间热岛基本维持,但在日出前后迅速减弱;较大的入射短波辐射、较小的向下长波辐射和较低的10 m风速能够减弱白天的热岛,而增强夜间的热岛,并且使热岛峰值从17时延后至20时出现;反之亦然。     

WRF/NCAR模拟的夏季长三角城市群区域多城市热岛和地表能量平衡

利用一个包含城市冠层效应的区域模式(WRF/NCAR),对长三角特大城市群的夏季气候效应进行了5 a(2003—2007年)高分辨数值模拟,通过长三角地区有无城市的对比试验分析,重点分析了城市群所造成的多城市热岛和地表能量平衡及其日变化特征。结果表明:城市化会导致显著的地表升温,但昼夜不同的升温幅度造成城市地表温度日较差的降低,以及部分郊区日较差增加;城市化也减小城市近地面风速,但沿海城市升温造成的热力差异,增大白天的海风并降低夜间的陆风。同时大范围城市群的热岛能够显著降低低层气压,导致部分海面风速持续的增加;城市下垫面具有很小的潜热通量,但感热通量和热存储量较大,白天的热岛逐渐增加,并在日落前达到最大,夜间热岛基本维持,但在日出前后迅速减弱;较大的入射短波辐射、较小的向下长波辐射和较低的10 m风速能够减弱白天的热岛,而增强夜间的热岛,并且使热岛峰值从17时延后至20时出现;反之亦然。     

长三角城市群非均匀性对区域热岛效应影响的数值模拟

使用中尺度数值模式WRF3.9/Noah/UCM,对长三角地区无明显天气过程的2013年8月11至17日一周进行数值模拟,采用2013年500 m分辨率的MODIS数据更新土地覆盖资料,依据城镇比例将城市下垫面进一步分类为高中低3种类型,以此研究长三角城市群非均匀性对区域热岛效应的影响。结果表明:长三角城市群近地面气象要素场对城市下垫面的非均匀性比较敏感,平均热岛强度、干岛强度和风速衰减相较于不考虑城市非均匀性分别减小了16.41%、20.04%和6.25%;受背景风场影响,白天城市群的热岛强度弱于夜晚,均有向下游扩展现象,且内陆城市的热岛强度和干岛强度较沿岸区域更强;相比于均匀城市下垫面试验,考虑非均匀城市影响后,整体热岛强度和干岛强度减弱;白天垂直热岛环流结构明显,整体可以伸展至2 km高度,在东南风背景下,热岛上游高密度城市的热岛环流会抑制下游热岛环流发展,考虑城市非均匀性后,上游效应更显著;热岛强度受非均匀性影响在傍晚和夜间最高减弱可达0.2℃,且进入较强热岛的时间会推迟,维持时间也将缩短。因此,忽略城市下垫面的非均匀性,可能会高估区域热岛效应。     

基于EOF的南京气温变化特征及热岛效应研究

利用经验正交函数分析方法(EOF)对南京市1961—2016年地面气温数据进行时空分解,分析南京气温变化特征,并通过城、郊气温差值法分析热岛出现频率、热岛强度及昼夜热岛强度差异。结果表明:南京1961—1993年年平均气温在15.5℃上下波动,1993年以后各区和全市的年平均气温明显上升,其中城市中部增温和气温变化活跃程度远高于周边地区,是热岛中心;从热岛出现的频率以及强度来看,20世纪60年代和70年代热岛现象出现频率相对较低,强度也相对较弱,而80年代以后各时期热岛出现频率明显较高,并且热岛强度呈明显的上升趋势,其中2001—2016年为热岛强度最大时段;对于热岛强度等级而言,目前南京市的热岛等级属于弱热岛,但是中等热岛出现频率逐渐加剧;南京市热岛效应有昼夜差异,具体表现为夜晚热岛略强于白昼。     

夏季长三角城市群热岛效应及其对大气边界层结构影响的数值模拟

利用WRF/Noah/UCM模拟系统对长三角地区城市群进行了2003—2007年共5个夏季的高分辨率数值模拟,研究了夏季长三角城市群热岛效应及其对大气边界层影响。开展了2组平行的积分试验,控制试验为MODIS遥感资料给出的地表特征分布,敏感性试验将长三角地区的城市表面改为农田类型,其他与控制试验完全相同。两组试验的对比分析表明城市群热岛存在明显的日变化特征,热岛效应白天向上发展较高,夜间地表热岛强度明显增强。城市热岛导致午后城市上空产生强烈的局地上升气流,从而使得低层大气以补偿流的形式向城市辐合,然而在夜间上升运动很微弱。伴随这种热力状况的日变化,大气边界层高度也存在明显的日变化,白天增高,夜间降低。同时,白天城市边界层内风速明显减小,夜间地面风速减小加剧,但夜间边界层顶风速却有所增强。另外,城市化还会导致“城市干岛”现象,且其白天强度大于夜间。     

成都地区夏季城市热岛变化及其与城市发展的关系

利用2000-2010年MODIS地表温度产品影像,结合DMSP/OLS夜间灯光数据,分析了成都地区夏季城市温度场及其城市热岛变化的分布特征及其演变规律。结果表明：随着城市化加快,成都地区夏季热环境发生了较大变化,整个区域以中温区向次高温区转换为主。成都地区热岛效应昼夜变化较大：白天热岛面积不断增大,与周围卫星城热岛连成一体,2000年和2010年城市热岛对区域的增温贡献分别为0.13℃和0.29℃,变化量达0.16℃,夜间并不存在大面积强热岛区。旧城区内城市热岛面积有所增加,但不显著,城市扩展区内热岛的规模显著增大,2010年较2000年新增强热岛区域面积166.43 km²,变化幅度达54%。高城市化水平的成都市地区的日较差相对于周边低城市化水平地区明显减少。同时,城市热岛还与人口的平方根具有很好的正相关关系,成都地区非农业人口规模每增长100万人,热岛效应强度增加0.4℃。     

太原城市下垫面扩张对边界层特征影响的个例研究

通过高分辨率卫星夜间灯光数据获取最新的城市地表分布,并利用高分辨率数值模式对2013年8月14~16日太原区域的一次高温过程进行研究,探讨城市下垫面扩张对大气边界层的影响。结果表明：基于DMSP/OLS夜间灯光数据对模式中地表参数修正后,能够更准确地反映太原主城区和高速公路沿线小规模建筑群的扩张,有效改善了模式的预报性能,显著提高对近地面气温、地表温度的预报能力。城市下垫面的扩张,使城区夜间升温明显,热岛强度增强。与1992年的城市化状况相比,晴空天气条件下,2012年太原城区夜间气温上升5℃,热岛强度升高2~3℃。城市下垫面扩张,改变了地表能量分配关系,使得地表感热传输明显加强,潜热通量明显减弱,城市冠层作用下的储热能力增强。边界层内部湍流交换、水汽输送等的进一步研究表明：城市地表水汽输送减弱,边界层水汽含量减少,2~4 km高度的水汽含量增加,湍流动能的影响高度增高,湍流混合加剧;14：00,城区边界层高度抬高了800 m,城市上空混合层加深,持续时间更长。     

长沙城市化进程对局地气候的影响

利用1961—2010年湖南省长沙及周边郊县共5个气象站的逐日气温、降水和相对湿度观测数据,在对各气象要素资料序列进行均一性检验和订正的基础上,以郊县站作为背景场,系统地分析了长沙城市化不同阶段对城市气候的影响。结果表明:受城市化的影响,近50年长沙市区地面气温及其上升速率远高于郊县的,城市热岛效应明显,热岛效应对市区年平均气温的增温贡献率达30%,且主要出现在20世纪90年代之后,四季中城市化贡献率的最大值出现在夏季,秋季和春季的次之,冬季的最小。50年来长沙市区和郊县年降水量差值序列呈显著增加趋势,长沙城市雨岛效应较为显著,且主要发生在春季和夏季,城市化带来的雨岛效应加速了长沙降水结构两极分化,使城市内涝发生的概率进一步增大。50年来长沙市区和郊县年平均相对湿度及其差值的变化趋势均不显著,就全年平均而言,长沙的城市干岛效应并不明显,但近20年来干岛效应显著增强;分季节来看,近50年干岛效应主要发生在夏季。     

Numerical studies on urban heat island associated with urbanization in yangtze delta region

The impact of modifications of the surface characteristics on local climate is simulated with a numerical mesoscale model in the Yangtze delta region, east of China. The simulated reference case with the current surface properties shows that there is urban heat island in Shanghai city which is located in the center of this region. The mod-ifications of surface characteristics due to the urbanization around Shanghai will lead to the change of local air circu-lation and redistribution of surface temperature. Simulation for this case shows that the urbanization around Shanghai has little effect on Shanghai, but will extend the area of heat island. Another case is assumed that the area of grassland is kept as 50% while the urban areas are extended. Compared with the case of pure urbanization, the max-imum reduction of surface air temperature is 2.0oC in the daytime and 2.3oC at night.     

成都精细下垫面信息对城市气象影响的模拟试验

为了提高成都市精细化天气预报水平,使用成都地区精细下垫面土地利用资料,在WRF中耦合了单层城市冠层模式,对2008年7月6 日晴空背景下的成都城市气象特征进行了模拟,并和使用旧土地利用资料、slab模式的模拟结果进行了对比分析.模拟结果表明城区因为不透水下垫面的增加,使得地表蒸发和地表水汽通量显著减小,潜热通量减小,感...     

URBANIZATION EFFECTS ON OBSERVED CHANGES IN SUMMER EXTREME HEAT EVENTS OVER ZHEJIANG PROVINCE, EAST CHINA

Although the urban heat island (UHI) is a well-documented phenomenon, relatively little information in the literature is available about its impact on summer extreme heat event (EHE). As UHI is characterized by increased temperature, it can potentially increase the magnitude and duration of EHEs within cities. Based on daily maximum temperature records from 62 observation stations in Zhejiang province from the period 1971-2011 and satellite-measured nighttime light imagery from the Defense Meteorological Satellite Program (DMSP) Operational Linescan System (OLS) during 1992-2010, we analyzed the long-term change of summer EHEs and its association with the rapid urbanization process. The results could be concluded as follows: (1) Zhejiang has experienced rapid urbanization and dramatic growth in urban areas in the past two decades, especially after 2000. (2) The summer mean maximum temperature and the 95th percentile of summer daily maximum temperature in most of its stations have increased, with the most significant increase occurring in the highly urbanized areas including the city belt around Hangzhou Bay, Taizhou–Wenzhou and Jinghua–Yiwu city belts. (3) The hot days and hot-day degrees, defined by both daily 95th percentile and the threshold of 35℃, show that the UHI effect causes additional hot days and heat stress in urban stations compared to rural stations. The results in this study suggest that the UHI effect should be determined and incorporated in preparing high temperature forecasts in cities.     

Climate-induced changes in river water temperature in North Iberian Peninsula

With the surface air temperature (SAT) data at 37 stations on Central Yunnan Plateau (CYP) for 1961–2010 and the Defense Meteorological Satellite Program/Operational Linescan System (DMSP/OLS) nighttime light data, the temporal-spatial patterns of the SAT trends are detected using Sen’s Nonparametric Estimator of Slope approach and MK test, and the impact of urbanization on surface warming is analyzed by comparing the differences between the air temperature change trends of urban stations and their corresponding rural stations. Results indicated that annual mean air temperature showed a significant warming trend, which is equivalent to a rate of 0.17 °C/decade during the past 50 years. Seasonal mean air temperature presents a rising trend, and the trend was more significant in winter (0.31 °C/decade) than in other seasons. Annual/seasonal mean air temperature tends to increase in most areas, and higher warming trend appeared in urban areas, notably in Kunming city. The regional mean air temperature series was significantly impacted by urban warming, and the urbanization-induced warming contributed to approximately 32.3–62.9 % of the total regional warming during the past 50 years. Meantime, the urbanization-induced warming trend in winter and spring was more significant than that in summer and autumn. Since 1985, the urban heat island (UHI) intensity has gradually increased. And the urban temperatures always rise faster than rural temperatures on the CYP.     

Urbanization Impact on Regional Climate and Extreme Weather: Current Understanding,Uncertainties, and Future Research Directions

Urban environments lie at the confluence of social,cultural,and economic activities and have unique biophysical characteristics due to continued infrastructure development that generally replaces natural landscapes with built-up structures.The vast majority of studies on urban perturbation of local weather and climate have been centered on the urban heat island(UHI)effect,referring to the higher temperature in cities compared to their natural surroundings.Besides the UHI effect and heat waves,urbanization also impacts atmospheric moisture,wind,boundary layer structure,cloud formation,dispersion of air pollutants,precipitation,and storms.In this review article,we first introduce the datasets and methods used in studying urban areas and their impacts through both observation and modeling and then summarize the scientific insights on the impact of urbanization on various aspects of regional climate and extreme weather based on more than 500 studies.We also highlight the major research gaps and challenges in our understanding of the impacts of urbanization and provide our perspective and recommendations for future research priorities and directions.     

哈尔滨市城市发展与热岛效应的定量研究

 利用1986-2005年哈尔滨市区、郊区的年均气温资料以及哈尔滨市发展强度资料,分析了哈尔滨近20 a来城市发展与热岛效应的关系。结果表明：哈尔滨市发展强度指标与热岛效应之间具有显著的正相关关系,工业生产总值、建成区面积、全年用电量、公共交通实有车辆、年末实有道路面积、全年供水量是使哈尔滨市产生热岛效应的主要因子。综合城市发展指数与哈尔滨市年热岛强度指数的相关系数为0.72,二者拟合曲线初具环境库兹涅茨曲线特征。     

哈尔滨市城市发展与热岛效应的定量研究

利用1986-2005年哈尔滨市区、郊区的年均气温资料以及哈尔滨市发展强度资料,分析了哈尔滨近20 a来城市发展与热岛效应的关系。结果表明：哈尔滨市发展强度指标与热岛效应之间具有显著的正相关关系,工业生产总值、建成区面积、全年用电量、公共交通实有车辆、年末实有道路面积、全年供水量是使哈尔滨市产生热岛效应的主要因子。综合城市发展指数与哈尔滨市年热岛强度指数的相关系数为0.72,二者拟合曲线初具环境库兹涅茨曲线特征。