北京城市热岛效应对冬夏季降水的影响研究

利用北京地区20个气象观测站最近30年（1975～2004年）冬季（12～2月）、夏季（6～8月）平均气温、降水量和降水日数资料，研究了城市热岛效应的年代际变化及其对降水的影响。结果表明:（1）最近30年来，北京城区与北部山区之间的温度梯度在明显加大，其中，冬季温度梯度的平均增幅为0.6℃/10 a，夏季约为0.2℃/10 a。（2）在北京城区南北两侧，冬季和夏季的降水日数、降水量的相对变化趋势明显不同:相对区域平均而言，在城区及南部近郊区，冬季降水日数和降水量都在明显增加；夏季，城区北侧的降水日数呈加速增长趋势，尽管南部平原郊区的相对降水日数变化不大，但降水量在相对减少。（3）城市热岛效应对不同季节降水分布的影响，可能是城乡温度梯度与盛行风相互作用的结果，就北京地区而言，地形的存在，强化了城区与北部郊区之间的温度梯度:冬季盛行北风气流，在北部郊区，热岛效应强迫产生的边界层下沉运动有可能造成局地降水天气过程相对减少，城区及其南侧则相反；夏季盛行南风气流，随着城市热岛效应的增强， 发生在北部近郊区的弱降水天气过程趋于增多。     

基于自动站观测的北京夏季降水特征

应用2007~2011年北京地区237个自动气象站资料,分析了北京夏季降水的精细化时空分布特征及城郊差异,结果表明:(1)北京大部分地区夏季平均有效降水时数约120~160 h,降水时数高值区主要位于北部怀柔、密云山前迎风坡一带。城、郊区间有效降水时数差异并不明显,城市化对局地降水强度有较明显影响。(2)北京夏季降水主要出现在傍晚到前半夜,凌晨到正午降水较少出现。夏季平均降水量极大值出现在17:00(北京时间),为3.2 mm/h。降水量存在较明显的周期变化特征,其中7 d左右的周期是主周期。(3)夏季城区平均降水量多于郊区,城、郊雨量差异主要来自较强降水过程。城市效应会导致城区弱降水事件的减少,亦会导致较强降水事件的增多。(4)城、郊区间降水持续时长的差异主要由较强降水过程决定,多数情况下城区降水持续时长大于郊区,午后到前半夜发生的降水尤甚。     

近50 a来北京市气温和降水的变化

利用1961—2008年北京11个台站的气候观测资料,分析了过去48a北京城区、郊区的气温和降水变化趋势。结果表明：在这48a中,北京城区、郊区的年平均温度都呈明显上升趋势,城区比郊区上升幅度更快;本地年降水量呈下降趋势,且城区下降幅度比郊区明显。说明在全球变暖的背景下,北京的气温和降水的变化趋势相反;通过城区和郊区、平原站和高山站的比较可以看出,城市的热岛效应增加了变化幅度。     

近48年城市化发展对北京区域气候的影响分析

利用1961～2008年北京12个台站的气候观测资料, 研究分析了北京城区和郊区气温、降水、相对湿度、风速的年际和四季变化趋势及特点, 并探讨了城市化发展对北京区域气候的影响。结果表明: 近半个世纪以来, 平均气温上升明显, 其中尤以冬季最为突出, 而夏季最弱。通过气温变化的年代比较发现气温增加有加快的趋势, 尤其是城市地区, 导致热岛效应不断加强, 特别是1990年代以后增幅更加明显。最高和最低气温在近48年来也都呈上升趋势, 且城市化发展对最低气温的变化影响最大, 其次是平均气温, 对最高气温影响最弱。而降水有减弱的趋势, 尤其是夏季的降水减弱最为明显。城区的风速和湿度都呈减小的趋势, 这与城市化的加剧, 尤其是下垫面的变化有密切的关系。     

利用遥感地表参数分析上海市的热岛效应及治理对策

从NOAA-AVHRR数据提取出晴空状况下上海市的地表反照率、地表温度和植被指数参数，分析了冬夏两季遥感地表参数所反映的热岛效应变化。发现在冬夏两季的白天和夜晚都存在明显的城市热岛效应，在冬季夜晚的热岛效应比白天强，而在夏季夜晚的热岛效应比白天弱。这是由于下垫面的差异，导致白天城区地表温度大大超过郊区。城区的地表反照率和植被指数始终小于郊区。进一步的相关分析表明，夏季城市的地表温度与植被指数、地表反照率存在显著的负相关，相关系数分别为-0．975、-0．712。通过提高植被覆盖率和地表反照率，可以减小城市热岛效应。     

近30年北京夏季降水演变的城郊对比

利用1975～2004年北京13个站的夏季降水资料,对30年来北京城区与郊区降水的时空变化趋势进行了对比分析,得出以下主要结论： 1）无论是城区站还是郊区站,北京的夏季降水量均呈明显下降趋势,且城区站的夏季降水量总体上要小于郊区站。2）从大兴、海淀和昌平3站夏季降水量的时间变化特征来看,位于城区盛行风向下风向的昌平下降趋势最不明显,在一定程度上表征了城市化对北京夏季降水的影响。3）地形仍然是决定北京地区降水分布的主导因素,但降水高值区存在向西南城区方向延伸或移动的趋势,而城市化可能是造成这种变化的一个原因。     

北京降水特征及北京市观象台降水资料代表性

将北京分为城区、郊区、南部山区及北部山区4个区域,利用14个观测站1978—2010年共33年的月降水量资料,分析了不同区域降水年变化和夏季降水特征及其差异。结果表明:各区域年平均降水量存在较大差异,郊区降水量最多 (620 mm),城区与南部山区降水量较少,而北部山区降水量最少 (476 mm);城区与南部山区的年降水量较接近,二者与郊区和北部山区都有显著差异。4个区域的降水量都表现出减少趋势,郊区最明显 (47 mm/10 a),北部山区的减少趋势最小 (0.7 mm/10 a)。对4个区域夏季 (6—9月) 降水量分析发现,城区与南部山区具有较好的一致性,二者与郊区和北部山区具有显著差异。均方根偏差和相关系数的计算结果表明:北京市观象台与城区和南部山区的降水年变化和夏季降水特征差异均不显著,而与郊区和北部山区有显著差异,说明北京市观象台降水资料对城区和南部山区具有最优代表性,而对北部山区和郊区的代表性较差。     

北京地区夏季降水与气温的对应关系

随着全球气候的持续变暖,各种高影响天气气候事件的发生频率和强度均有明显增强。由于大气热力条件与降水的变化有着密切的联系,开展降水与气温对应关系的研究具有重要的科学意义。本文应用北京地区20个气象站1978—2012年夏季逐日降水及气温资料,分析了不同量级降水与气温的对应关系及城、郊区间的差异。结果表明:(1)北京地区降水量随气温的升高有一个先升后降的过程。中雨及以上量级的降水,当气温达到临界值后雨量保持平稳,随气温变化不明显。而当气温进一步上升到一定程度后,降水量开始随气温升高而迅速减弱。越是强度大的降水,其在达到峰值前随气温的增速越接近Clausius-Clapeyron变率。(2)降水频率、强度随气温变化的临界值各不相同。当气温超过临界值后,降水频率及强度均开始减弱。(3)城、郊区间不同量级的降水随气温具有相似的变化趋势,但到达临界值前城区降水随气温的增速比郊区更大,表明城区降水对气温的敏感性比郊区更强。鉴于城市化对区域气候的主要影响是导致热岛效应的增强,这将有助于我们从另一个角度探讨城市化效应对降水的影响机制。     

北京城区近地面比湿和风场时空分布特征

利用2008—2012年北京城区平均5 km的高密度自动气象站逐时观测数据,分析了北京城区近地面比湿、风向和风速的时空精细分布特征,初步探究了城市下垫面对局地气象要素的影响机制。研究表明:夏季白天北京城区为干岛,冬季城区表现为弱湿岛特征。受城市效应的影响,北京城区与郊区比湿日变化有明显差异。近地面10 m风受到地形、城市和季节性盛行风的共同影响。当气流经过城区时有明显的绕流现象。夏季05:00—10:00 (北京时,下同),受山风、弱的夏季偏南风和城市热岛共同作用,气流向城市中心辐合。冬季15:00—19:00,受季节盛行风偏北气流和谷风偏南气流的共同作用,在城区形成一条西北—东南走向的辐合线。对风速研究发现:城市粗糙下垫面使北京城区风速减小,二环路和三环路之间存在一条“n”状的风速小值带。由此可见,除已开展较多研究的城市热岛效应外,北京城市效应对近地面湿度和风场亦有显著影响。     

汉中市热岛效应变化特征分析

利用2009—2018年汉中国家基本气象站及望江、金寨、汉王、铺镇4个乡村区域站气温观测资料,采用城、郊气温对比法对汉中市热岛效应变化规律及其气象影响因子进行了分析。结果表明:汉中市近10年(2009—2018年)城区站年平均气温均高于周边郊区4站,2012年开始城区站气温呈明显逐年增加趋势,2013年以后城区站与郊区站温差迅速增大。近10年热岛效应强度年平均值为0.7℃,呈明显逐年增加趋势,特别是2014年以后热岛效应强度增加迅速,强度均值在0.8℃以上。近10年热岛效应强度存在明显的季节变化,表现为春季最强,冬季次之,夏季最弱;年内各月均存在热岛效应,8月—次年2月热岛效应强度逐渐增强,之后到8月逐渐减弱;一天当中,最冷月(1月)和最热月(7月)热岛效应强度均表现为夜间强白天较弱的特点,1月12—15时、7月11—14时出现"冷岛"效应;汉中市年平均热岛效应强度与年平均气温呈显著正相关,与年平均相对湿度和低云量呈显著负相关。     

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.     

北京市城、郊气候要素对比研究

利用北京市市区4个站点和郊区3个站点40a的气候资料,分析了北京市城、郊平均气温、降水、日照、能见度和相对湿度的变化特征。研究发现:40a来北京市城、郊年平均气温明显上升,城区气温平均升温幅度为0.43℃/10a,郊区气温平均升温幅度为0.21℃/10a。北京市热岛效应明显增强,城、郊气温年代变化特征中,城、郊温差20世纪60年代最小,90年代最大;在城、郊气温年际变化特征中,1961～1977年城、郊温差较小,1978～2000年城、郊温差较大。在城、郊气温季变化特征中,冬季城、郊季平均气温温差最大,春季城、郊季平均气温温差最小。近几年虽然高温(≥35℃)日数明显增多,但是年最高气温变化不大,只有1997年、1999年和2000年年最高气温超过38℃。北京市年日照时数呈明显下降趋势,城区40a来日照时数下降幅度为78.9h/10a,城、郊日照时数差异随季节有不同的变化,并且秋季最大,1961～2000年秋季郊区日照时数比城区平均多0.34h。40a来北京市年降水量略有减少,且年降水量变化幅度很大,城区40a来降水量减少幅度为45.2mm/10a,由于城市化影响,下垫面性质改变,城区<10mm的降雨日数远远小于郊区,40a间城区<10mm的降雨日数比郊区少603d。1981～2000年间北京市城区水平能见度2月份、5月份、9月份和10月份较好,北京市城、郊低值能见     

北京城、郊和山区不同强度等级降水变化特征比较

利用北京地区1977-2013年18个站点逐小时降水资料,将小时降水分为弱降水（第50百分位值以下）、中等强度降水（第50至90百分位值）以及强降水（第90百分位值以上）3个等级,对北京地区山区、郊区以及城区夏季不同强度等级降水变化特征进行了深入细致的分析。结果表明,北京地区夏季降水量存在显著的减少趋势,这种减少趋势主要是由于弱降水和中等强度降水的显著减少引起的,强降水没有表现出明显的增多或减少趋势;与郊区相比,2004年之后城区的强降水对夏季总降水量的贡献越来越大而弱降水的贡献减小。在降水日变化上,不同地区、不同等级的降水存在差异。弱降水存在清晨和夜间双峰值特征,中等强度和强降水只存在夜间单峰值特征。清晨峰值时刻,山区、郊区和城区弱降水都表现出一致的显著减少趋势;夜间峰值时刻,山区的各等级降水变化不显著,而在2004年之后,城区弱降水少于郊区,强降水则多于郊区。北京地区降水过程不对称性特征（降水过程峰值前后差异性）十分明显,其中以强降水的不对称性最强,相对于郊区和山区来说,城区强降水过程的不对称性有增大的趋势。     

基于气温日较差的西宁热岛效应研究

本文选取西宁(城区)、湟中(南郊)、互助(北郊)3个气象观测站1986～2015年最高和最低温度资料,研究分析基于气温日较差的西宁热岛效应。结果表明,近30年城区、北郊年平均日较差总体呈下降趋势,下降幅度分别为0.15和0.29℃/10a,年代际分析表明21世纪10年代城区日较差距平偏低最多为0.73℃,日较差存在周末效应;城区日较差下降速率快于郊区,日较差变化趋势春季为正,其余各季为负,城区冬季变化显著,大于郊区;城区日较差逐渐减小,说明城市浑浊度逐年增加,热岛效应增强。      

济南市城市化发展对降水的影响分析

利用济南6个气象站1964—2013年的日降水观测资料以及城市发展指标数据,运用线性倾向估计、相关分析等统计方法分析了济南地区降水的时间变化特征,探讨城市化发展对济南降水的影响。结果表明：（1）城区的年平均降水量增加的趋势明显大于郊区;春季和夏季降水量的增加趋势均为城区大于郊区,夏季城区降水的极端性增强,秋冬季城郊之间的变化趋势不明显;（2）降水总日数和小雨日数城区和郊区都表现为减少的趋势,而大雨、暴雨及以上降水日数都表现为增加的趋势,城区比郊区增加的幅度略大,即大雨及以上的降水城区比郊区更容易出现;（3）城市效应对降雨的影响主要表现在大雨和暴雨以上强降水增多。     

北京地区大气湿度变化及城市化影响分析

应用北京20个常规气象站1976—2015年逐日观测及同期北京城市发展数据,并借鉴一个新的城、郊区代表站点分类方法,分析了北京地区相对湿度的分布、变化特征及其对城市化的响应。结果表明:(1)北京地区相对湿度的空间分布不均匀,城市化发展早期相对湿度的分布主要受地形影响,城市化程度较高的年代城市效应的影响更为明显,(2)近40年来北京地区平均相对湿度呈现下降趋势,线性倾向率为-0.9%·(10 a)~(-1)。城区相对湿度的下降速率比郊区大,城、郊差异主要表现在20世纪90年代以后;(3)近40年来北京城市干岛强度呈上升趋势,线性倾向率为1.3%·(10 a)~(-1),城市干岛效应在季节分布上以冬季为最强,秋、春季次之,夏季较弱。检验表明自1995年以来北京干岛效应呈现出更为明显的增强趋势;(4)北京城市干岛效应与城市化进程有密切联系,其与北京城市化率及城市热岛强度之间具有显著的高相关性,相关系数分别高达0.87和0.86。     

1960-2009年武汉城区与郊区气候季节变化

利用1960-2009年武汉城区与郊区气象站逐日平均气温资料,采用相同气候季节划分方法,系统分析武汉城区与郊区气候季节起始时间、季节长度的变化趋势及其差异。结果表明：1980-2009年,武汉城区入春、入夏时间比郊区分别提前10 d和5 d,入秋、入冬时间城区比郊区推迟;武汉夏季长度城区比郊区长12 d,冬季、春季长度城区比郊区短6 d和5 d。1960-2009年武汉四季平均起始时间城区与郊区差别较小,但四季最早、最晚出现时间年际差别较大;武汉入春、入夏时间城区与郊区均提前,入秋、入冬时间均推后,但城区四季变化较显著,郊区仅入秋变化显著;武汉城区夏季长度呈极显著延长,冬季长度呈较显著缩短,城区春季、秋季及郊区四季长度变化均不显著。2000-2009年武汉城区与郊区季节起始时间和季节长度的变化较大,这是因为近10 a武汉作为中部地区崛起的支点,城区发展迅速。     

北京气温日变化特征的城郊差异及其季节变化分析

本文利用北京地区近4年67个自动气象站的逐小时气温观测资料,基于北京地区气温的日变化特征,通过分析日最高、最低气温出现时间的概率分布,研究了城区、郊区气温的日变化差异及季节特征.此外,进一步分析研究了不同单位时间间隔变温的日变化特征,及最大变温出现时间的概率分布情况.研究结果表明:平均而言,城区最高温度出现的时间偏晚,而最低温度出现的时间城区偏早于郊区,与郊区相比,北京城区站点温度的日变化特征更为一致,最高(低)温度出现的时间更加集中;温度日变化的特征随季节有明显的变化,最高温度出现时间在秋、冬两季最为集中,在春季和夏季较为分散;而最低温度出现时间在春、夏两季最为集中,在秋季和冬季最为分散.一天中正、负变温过程具有非对称特征,正变温是比较急剧的过程,负变温相对比较缓慢,北京城区站点的变温幅度小于郊区,春、秋和冬季变温幅度较大,夏季变温幅度最小.不同单位时间内变温速率的分析表明,最强的变温过程一般在3小时以内;最大变温出现时间的概率分布分析表明,最大正变温出现时间在冬季最为集中,夏季最为分散;而最大负变温在秋季最为集中,在春季最为分散.最高(低)温度、变温的城、郊特征差异主要是由于城市热容量比郊区大,且具有更多变化的复杂性而形成的.温度日变化的特征和其区域、季节差异性的揭示,不仅有助于更好地认识和理解区域气候特征和城市化对气温的影响,也可以为做好精细化的天气预报提供气候背景参考.     

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。     

南京地区城郊降雨差异特征分析

利用2009—2013年南京市71个加密自动气象站逐时降水观测资料,对南京地区城郊降雨差异的特征进行了分析。结果表明:南京地区城市"雨岛效应"存在明显的季节差异,城市"雨岛效应"集中出现在6—8月,尤其是7月和8月,而南京地区其他季节城郊降雨无明显差异。对于不同量级的降雨,南京地区小雨、中雨和大雨的降雨量城郊差异均不显著;而城市化使南京地区6—8月暴雨和短时强降水的城郊差异较明显,城区暴雨发生频次和强度及短时强降水的发生频次均高于周边郊区,易形成城市洪涝灾害。城市化进程对一般性降雨的城郊差异影响较小,但城市化使城区夏季暴雨和短时强降水等灾害性降水事件明显加强。