图解“热力环流”教学中的常见悖论

《普通高中地理课程标准（实验）解读》认为,大气的不均匀受热是大气运动的主要原因,大气热力环流则是理解许多大气运动类型的理论基础。小到城市热岛环流,大到全球性大气环流,都可以用大气热力环流的原理来解释。因此,热力环流在大气环境部分有着极其重要的作用。但笔者发现,因认知上的偏差,关于热力环流的内涵、外延,还存在着不少的错误观点及论断,且这种错误观点及论断还能自圆其说,形成悖论。本文通过理论分析、实践探究来剖析并纠正热力环流的内涵及外延在教学中的常见悖论。     

哈尔滨市道路系统与城市热岛关系研究

采用哈尔滨市1989,2001,2007年Landsat TM遥感影像资料,利用单窗算法对地面温度进行反演,分析哈尔滨市热场的分布情况,并与20世纪90年代地形图结合来分析道路系统间的温度情况及其与城市热岛的关系。结果表明:铁路和公路温度差异显著且处于不同温度区的铁路温度也有显著的差异;铁路沿线地区热岛效应比较显著,铁路能使周围一定区域温度升高;公路系统作为一种特殊的廊道系统,对城市热岛有一定的阻隔、减缓作用;哈尔滨市铁路对热岛的影响范围不超过300 m,公路对城市热岛的降温作用最大值不超过0.4℃,在120 m以外降低作用很小或没有;绿化率的不同也影响道路对城市热岛的作用效果。     

地表参数反演及城市热岛时空演变分析

采用TES算法实现了ASTER地表温度的反演,在对发射率估算方法改进基础上,利用单窗算法反演1989年TM地表温度。结合C地形校正,利用线性光谱模型提取植被覆盖度与城市不透水面密度,利用反射率提取NDVI。从多方面对城市热岛时空演变进行综合研究,研究表明,与等间距法相比,均值-标准差法可以较合理地刻画地表热场的分布,一定程度上可以避开不同时相的差异。最后时空对比及空间统计学分析显示,1989~2004年间福州市城市热岛面积、热岛强度都有所增加,城市热岛总体趋势为西北-东南走向,并逐渐向北-南方向偏移,而且城市热岛重心向东南方向偏移。     

城市热岛斑块遥感识别及空间扩张路径研究——以北京市为例

研究利用MODIS地表温度数据产品,引入概率阈值算法提升城市热岛斑块空间识别精度。在此基础上,构建城市热岛扩张指数将城市热岛斑块时空变化过程分解为飞地型、边缘型、填充型扩张模式和缩减型模式。基于土地利用变化过程,开展城市热岛斑块空间扩张模式的路径分析,准确识别城市热岛斑块空间扩张路径的来源和归趋。研究表明：2020年北京市夏季昼夜城市热岛斑块总面积分别为3932 km²和2 266 km²,占北京市总面积比例23.96%和13.81%。2005―2020年夏季昼夜城市热岛斑块面积比例分别增加43.40%和24.44%。增长型城市热岛斑块面积大于缩减型城市热岛斑块面积。边缘型扩张模式是增长型城市热岛斑块最主要的模式。耕地、城市建设用地、农村居民点是增长型城市热岛斑块主要的空间扩张路径。研究结果为揭示城市热环境形成过程和精细化管理提供理论依据和数据支撑。     

济南市城市热岛效应的时空分布特征

论文应用区域自动气象站2007～2008年逐时气温观测资料,分析了济南城市热岛的时空分布特征,结果表明,无论春、夏、秋、冬,济南的城市热岛在空间分布上均以泉城广场、市政府为中心呈环状放射发展。热岛强度以冬季最强,秋、春季次之,夏季最弱。对城市热岛进行小波分析发现,济南冬季和夏季城市热岛的主要振荡周期是以准24h为代表的日变化和准270h所代表的旬变化为主。夏季日变化不如冬季明显,夏季旬变化略强于冬季。济南城市热岛以日为周期呈规律性变化,城市热岛强度表现为夜间强,白天弱。     

天津市夜间城市热岛的数值模拟

本文基于Myrap等人的工作,提出了一个能量平衡模式,并用实测的天津市夜间近地面温度场对模式进行了验证.应用这个模式,可给出天津市近地面热岛的适当预报,同时,可对天津市夜间城市热岛中各能量通量的空间变化进行讨论.     

上海城市热岛与热浪协同作用及其影响因子

在全球变暖的背景下,热浪变得更加频繁。城市地区由于城市热岛效应在热浪事件中承受更大的风险。然而城市热岛与热浪之间的相互作用还少有研究。利用2016-2017年两个夏季（6-8月）上海城、郊气象站逐时气温、风速、相对湿度资料、城区徐家汇和郊区奉贤涡动相关通量观测资料对比分析了热浪和非热浪期间城市热岛强度的差异,并利用一个平流扩散解析模型揭示了城市热岛与热浪相互作用的物理机制。结果表明,热浪期间的城市热岛强度相比非热浪期间明显增强,且白天增强大于夜间,显示出城市热岛与热浪之间的协同效应。热浪期间城、郊相对湿度比值相对非热浪期间明显减小,表明热浪期间城区地表相对郊区变得更干,从而抑制了蒸发作用,加剧了城市热岛强度;平均风速也明显减小,平流降温效应减弱,对城市热岛强度起正反馈效应。热浪期间城区净辐射通量的增加大于郊区,使城区获得更大地表辐射输入;由于城区更少的植被覆盖和更多的不透水下垫面,热浪期间城区潜热通量略有降低,而郊区明显增加;城区感热通量增幅则大于郊区,这种感热和潜热通量分配的改变也加剧了城市热岛强度。本研究对城市如何应对加剧的热风险具有重要的科学指示意义。     

上海城市太阳辐射与热岛强度

本文根据上海1984年有代表性的154天,进行影响上海城市热岛强度的回归分析。发现城市热岛强度与太阳直接辐射日总量为正相关,与风速和云量为负相关。太阳直接辐射日总量对城市热岛的影响与城乡下垫面的反射、吸收和增温、冷却的差异有关。我们又用气象卫星资料,结合实测的太阳辐射日总量和城、乡的气温、云量、风速等气象资料,对上海1984年不同季节城市热岛的若干典型个例进行分析,说明上海城市太阳直接辐射日总量对上海城市热岛形成及其强度变化起着重要作用。     

长春市城区大气污染特征研究

研究了长春市地貌景观的变化,并以空气污染气象学为指导,重点探讨了由于城区粗糙度的变化,导致大气边界层的改变,从而形成了城市区域特殊的温度和风场。出现了城市热岛和“静风”下的环流现象,改变了城区各部分大气环境质量。局部地区呈现出污染加重的趋势。为今后制定城市发展规划,防治大气污染提供了科学依据和对策。     

北京地区城市热岛强度长期变化特征及气候学影响机制

选择北京地区为研究区,基于1967~2016年城市站（北京站）和城郊农村站（密云站）的长期气象观测数据,研究平均气温、最高气温、最低气温对应的城市热岛强度长期变化特征及其气候学影响机制。研究发现,过去50 a平均气温和最低气温对应的城市热岛强度显著增加,增温率分别为0.29℃/10a和0.45℃/10a,而最高气温对应的城市热岛强度则没有明显变化趋势;统计分析显示过去50 a北京地区相对湿度、风速和日照时数显著降低以及气温显著上升有利于城市热岛的形成,强化城市热岛强度;未来全球变暖和快速城市化背景下北京地区城市热岛效应将进一步加剧,形成更频繁和持续时间更长的夏季城市高温热浪,严重危及城市居民生产生活和生命健康。     

改进的热惯量模式及遥感土壤水分

本文提出一个考虑地表显热通量及潜热通量的热惯量模式。模式利用了地面定标的方法并充分利用了热象图的空间分布信息,因而较大幅度地提高了估算土壤水分含量的精度。     

长江源区五道梁的土壤热状况研究

活动层土壤热状况是寒区陆面物理过程研究的重要内容之一。利用五道梁能量收支观测站1993年9月～2000年12月份实测辐射及土壤热通量资料结合五道梁气象站1961-2010时段的气象资料分析了近50 a来该地区活动层土壤的热状况。结果表明：五道梁地区土壤热通量有显著的年际、年代际变化;20世纪60～80年代,土壤热通量小于0.0 W/m²,活动层土壤以放热为主,自90年代以来,土壤热通量大于0.0 W/m²,活动层土壤以吸热为主。过去50 a中该地土壤热通量呈现增大趋势,平均每10 a土壤热通量增大0.31 W/m²。土壤热通量随净辐射的增大而增大。土壤热平衡系数的变化特点与土壤热通量的变化特点一致。60～80年代,活动层土壤热平衡系数<1,该地区冻土相对比较稳定,而自90年代以来此间土壤热平衡系数<1,表明该地多年冻土呈现出退化迹象。活动层土壤热平衡系数可表示为气温、地表温度及水汽压的函数。     

不同覆盖条件对土壤水热分布影响的计算机模拟Ⅰ——数学模型

本文建立了用于数值解的不同覆盖条件下土壤二维水热运动数学模型。该模型中多孔材料覆盖层(砂砾、秸秆等)被当作传热多孔介质处理,对水分传输的影响被当乍具有一定阻力的阻挡层处理,且将油纸、塑膜及土面增温剂等均视为薄膜类材料。省略了许多假设条件,因而使覆盖效应的研究建立在更加科学的基础上,可以更为深入地了解覆盖层在不同气候条件下对土壤水分蒸发、入渗及地温影响机理和程度。为综合评价和选用农用覆盖材料及其参数提供了手段。     

黄土高原半干旱草地降水前后土壤的温、湿度及热力特征

本文利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(简称SACOL站）陆面过程综合观测资料,分析了强降水前后榆中黄土高原半干旱草地土壤温、湿特征的差异,讨论了水分状况对土壤热力参数及地表能量分配的影响。结果表明:水分胁迫条件下,黄土高原半干旱草地土壤在10 cm深度存在一个湿层;强降水过程可使土壤湿度受影响范围接近40 cm深度。水分胁迫条件下,感热通量是黄土高原半干旱草地生态系统能量分配过程中净辐射的最大消耗项;无水分胁迫条件下,潜热通量是能量平衡系统中净辐射分量的最大消耗项。降水改变了土壤湿度并使得土壤热传导率发生变化,土壤热传导系数和土壤热容量随土壤湿度增加而增大。     

重庆市区冬季热岛和湿岛效应的研究

1989年12月15日——1990年1月15日,重庆雾害课题组在市区进行了包含地面气象、边界层气象和大气污染等多种项目的外场综合观测。本文利用此观测资料,分析了城市热岛的水平分布,热岛和湿岛的垂直结构及其成因。     

荒漠下垫面陆面过程和大气边界层相互作用敏感性实验

建立了一个研究荒漠下垫面陆面物理过程与大气边界层相互作用的模式. 模拟了荒漠下垫面的土壤环境物理、地面热量通量、蒸发、蒸散及大气边界层结构特征.并对主要的环境物理参数进行了敏感性实验.结果表明,本模式能合理地模拟荒漠下垫面地表热量平衡、土壤体积含水量、地表植被蒸发散阻抗、地表水汽通量日变化和湍流交换系数、湍流动能、位温和比湿廓线等.该模式还可进一步应用于研究区域陆面物理过程与大气边界层相互作用机制,及与中尺度大气模式耦合用于区域环境生态和气候的研究.     

Soil thermal properties and heat transfer processes near Ny-Alesund, northwestern Spitsbergen, Svalbard

The annually thawing active layer of permafrost is central to considerations of climate change consequences in arctic areas and interpretations of deep permafrost temperatures that constitute and exceptional archive of past climate change. Moreover, a sound understanding of the thermal regime of the active layer is of great interest, because all chemical, biological and physical processes are concentrated there. The author studied this layer by examining the soil physical properties and heat transfer processes that dictate soil temperatures for an arctic desert site in northwestern Spitsbergen. A wide array of soil physical properties based on field observations and laboratory measurements were defined. These include mineralogy, grain size distribution, local regolith thickness, porosity, density, typical soil moisture profile, heat capacity and thermal conductivity. Heat transfer processes were studied through modeling of soil temperatures. The heat transfer model accounted for much of the observed soil thermal regime. It was found that thermal conduction, phase change of soil water at 0°C, and changes in unfrozen water content are the primary thermal processes that explain the observed soil temperatues in this field site. Melt-water infiltration, which is often overlooked in the energy budget, causes abrupt warming events and delivers considerable energy to the soil in late spring. An increase in frequency or magnitude of infiltration events could mimic simple spring time surface warming. Advection of ground water and soil internal evaporation were found to be generally unimportant at the site studied.     

沙坡头地区土壤水分吸湿凝结的动态观测与理论计算

采用实际观测与理论计算相结合方法研究了沙地表层土壤吸湿凝结水量及其变化过程。沙土水分吸湿凝结过程可分两个阶段：第一阶段是由沙土自身物理性质决定的分子凝结过程,所吸收水量主要受温度和湿度影响,最大不超过沙土最大吸湿水量;第二阶段是由近地面微气象条件决定的水分凝结过程,所吸收水量受空气水汽压、地面温度和地表可利用能量的影响。采用能量平衡和空气动力学综合方法计算沙地吸湿凝水量及其动态变化,与实测值相比结果合理,方法是可行的。     

北京城市热状况及热岛形成原因的探讨

本文利用1982—1985年期间在北京所设的城市气候站观测资料,讨论了城市热状况,指出城郊升降温速率的差异、城市建筑物的阻挡作用是形成城市热岛的原因之一。     

基于卫星遥感的夏季长春市城区热场分析

采用先进的遥感手段,能够大面积同步和动态地监测地面热场的分布和变化情况。利用长春市地区的LANDSAT图象,对于热红外波段遥感图象灰度值和地面温度之间的关系进行了定量的解译,并且采用TM6图象增强和密度分割的方法得到了长春市地面热场等级图,取得了很好的模拟效果。结果显示了长春市热场的分布具有明显的规律性。城市能耗和下垫面性质对于区域温度有直接的影响,此外,还结合图象分析了热场分布的形成因素。