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.     

北京地区夏季城市气候趋势和环境效应的分析研究

本文利用1994～2003年北京市11个气象台站的7、8月夏季常规地面观测资料,并结合中国科学院大气物理研究所325m高铁塔观测资料,分析了近10年的城市化进程对北京市夏季城市气候造成的影响. 结果表明,各气象要素变化都突现了城市化进程的影响：(1)城区相对湿度较郊区明显偏小,呈现一“干岛”特征,且相对湿度呈逐年下降趋势;(2)降水方面,近10年来,北京市的夏季降水量逐年下降非常明显;(3)平均日蒸发量和日照时数城区大于郊区;(4)虽然城区能见度明显小于郊区,但总体来讲,1999年以后,北京地区的能见度趋好;(5)地温同样存在城市热岛现象;(6)北京地区35℃以上高温天数基本呈增多趋势,且城区高温天数明显多于郊区;(7)边界层强逆温的存在有利于城市夏季强热岛的出现.     

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.     

超大城市热岛效应的季节变化特征及其年际差异

本文以超大城市上海为例,分析了近50年四季城郊温差的总体变化趋势,同时利用城市化进程中4个年份(1987、1990、1997和2004年)9个气象站的气温数据,重点研究了上海地区热岛效应的季节变化特征及年际差异.结果表明,近50年来上海城郊温差逐年显著增长,年平均热岛天数频率为86.0%,年平均热岛强度为1.17 ℃,秋季热岛频率和强度高于其他季节,累积热岛强度也最大.不同时刻热岛的特征表明,夜间热岛(2∶00,20∶00时刻)累积强度在四季都较大,在春、夏季14∶00时刻热岛累积强度较大,而在秋、冬季8∶00时刻热岛累积强度较大.进一步分析表明,热岛效应的四季差异主要在于较强热岛和强热岛出现频率的差异;秋季大气最稳定的F类型比例较高可能是热岛效应更加显著的原因之一.四个年份对比分析表明,1997年之前的三个年份,热岛效应的四季差异比较显著.之后,随着年代的推移,四季累积热岛强度逐渐趋于均化,并且夏季低强度热岛有向中强热岛和强热岛转化的趋势,一定程度上反映了夏季人为热的贡献.     

北京城市及周边热岛日变化及季节特征的卫星遥感研究与影响因子分析

以EOS-MODIS遥感信息反演的地表温度、土地覆盖类型、植被覆盖、地表蒸散,结合常规气象资料,并采用GIS空间分析技术和多元统计相关,对北京城市及周边2001年城市热岛(UHI)空间分布的季节规律和日变化及影响因子进行研究.分析北京地区的土地覆盖、地形高程、植被绿地状况、城市和郊区地表蒸散与热岛时空分布状况的关系.揭示出北京UHI主要特征为:(ⅰ)北京城市下垫面的高热容和密集建筑物的多次发射,加之北京特殊的三面环山地形特征,使得北京城区一年四季均存在明显的热岛分布,并以夏季最为明显,UHI与城市结构的轮廓相一致;北京城区与地势相对平坦的近郊区的地表温度差异在4~6℃左右,与地势较高的西北远郊区的地表温度差异在8~10℃左右;(ⅱ)北京地区日间和夜晚的UHI的季节分布和程度不同,以夜间UHI明显;夏季白天郊区地表比城区蒸散量大,潜热交换明显,反映出城市与郊区的温度差异显著;(ⅲ)地表覆盖类型对UHI的效应明显,北京地区植被绿地状况与UHI呈现明显反相关分布;夏季地表NDVI与下垫面的温度散点图的回归方程的负相关系数的平方R2达到0.6481,即植被覆盖好,则UHI不明显;揭示出植被绿地对降低UHI具有重要的作用.大范围的绿地建设能有效降低UHI.     

北京地区气温的年代际变化和热岛效应

用北京地区20个气象观测站41年(1960~2000年)的年平均气温记录,研究了北京地区的大尺度气温变化及其热岛效应.结果认为,(1)北京地区气温的年际变化具有大尺度的特点,1981年是显著的跃变点,跃变点比跃变前北京地区气温增加了0.55℃,近40年的增温率为0.25℃/10年.(2)北京城市热岛效应具有典型性.1960~2000年北京城市热岛平均强度接近1℃.随着北京城市建设和城市化速度的加快,北京城市热岛强度也在明显地增加,近40年热岛强度的增温率为0.31℃/10年.     

污染天气下成都城市热岛环流结构的数值模拟

本文利用中尺度模式WRF V3.9对2016年7月16日成都一次污染天气下的城市热岛环流个例进行了数值模拟,分析了城市热岛环流的三维结构及演变特征.并通过设计减少气溶胶光学厚度的敏感性试验,研究了污染对城市热岛环流的可能影响.结果表明:当地时间17∶00城市热岛环流开始形成.随着热岛强度增强,环流增强,城乡边界处的城市风锋不断向城市中心推进.19∶00热岛环流结构最显著.21∶00环流结构被破坏,仅低层存在微弱的乡村风.在热岛环流结构最显著时刻,近地面风场由郊区向城市辐合,地面以上2.0km处风场由城市向乡村辐散,辐散中心与辐合中心位置大致对应.此时城市风锋在城市处合并,环流的水平尺度约为城市尺度的2～2.5倍.当气溶胶光学厚度减小后,城市热岛环流尺度和强度以减小为主.特别是在热岛环流最显著时刻,低层乡村风风速减小,城市风锋最大上升速度降低,环流的水平尺度在西、南、北三个方向均减小,且高空回流高度降低.可能的影响机制是,气溶胶光学厚度减小后,净辐射通量增大,城乡地表能量通量差异增大,城市边界层高度升高.但城市边界层高度升高对城市热岛的抑制作用超过了城乡地表能量通量差异增加对城市热岛的增...     

城市群落大气污染源影响的空间结构及尺度特征

以迅速发展的城市群落-北京及周边区域为样本, 利用2003年冬季(2月)、夏季(8月)北京城市大气环境现场科学试验(BECAPEX, Beijing City Air Pollution Observation Experiment)建筑群边界层大气污染动力-化学过程观测资料以及相关的气象要素、卫星反演气溶胶光学厚度等综合资料, 进行“点-面”空间结构动力-统计合成分析, 剖析北京大城市及周边区域大气污染影响域的空间结构及多尺度特征. 结果表明, 冬、夏季不同污染排放源对大气污染成分特征的贡献率具有显著差异, 统计模型主成分分析结果亦表明, 冬季气溶胶颗粒物成分结构以SO2和NOx影响为主; 夏季粒子成分结构则以CO, NOx影响为主. 冬、夏季北京城区不同方位测点近地层大气动力、热力结构及建筑群上边界各类污染物种均具有“同位相”变化及其“影响域”空间尺度特征. 功率谱分析发现冬、夏季颗粒物浓度和大气风场动力结构的周期谱相吻合, 冬季以长周期为主, 夏季则多为短周期, 揭示出冬、夏季大气环流季节性尺度特征对大气污染变化周期特征的影响效应. 分析城市区域热力非均匀性特征, 可发现北京地区热岛多尺度效应与高层建筑群面积非均匀扩展特征存在相关关系. 城市大气动力、热力特征空间结构中城市边界层群筑群湍流尺度特征对城市大气污染多尺度特征具有重要影响. 晴空、稳定天气条件下MODIS气溶胶变分订正分析场和污染源追踪相关合成风矢场综合分析模型均表明, 冬季北京大气污染气溶胶颗粒物的排放源可远距离追溯到北京南部周边的河北、山东及天津等地更大尺度空间范围, 气溶胶指数高值区与北京及周边地区居民户数高值区(采暖面源)空间分布存在关联. 冬、夏季空气质点后向轨迹特征呈类似上述多尺度特征, 且描述出不同季节污染源空间分布的尺度特征差异, 城区大气污染周边源轨迹路径主体来自城市近郊固定工业面源或采暖面源, 且冬季周边污染源扩散输送距离较夏季呈更远的空间尺度, 上述结论描述出城市区域大气污染源影响和大气动力结构引起的多尺度空间影响域及季节性特征. 冬季TOMS气溶胶光学厚度高值区域位于北京地区并向南延伸, 且呈南北向带状分布, 可描述出周边地形分布对区域尺度大气污染源扩散的动力影响效应. 研究分析表明: 北京周边大地形“谷地”内冬季污染程度与南部周边地区的污染排放源密切相关; 北京及周边地区冬季的气溶胶光学厚度和日照时数的“反位相”变化特征显著, 冬季云量、雾日数与气溶胶呈区域尺度相关特征, 反映了该区域尺度气溶胶影响的局地气候效应. 另外, 流域面尺度的大气干、湿沉降分布对密云水库区域尺度空间水体的影响分析亦反映了夏季水、土、气多圈层污染源影响多尺度空间结构对密云水库水质影响的可能性.     

北京城市化进程对边界层风场结构影响的研究

随着近10年来北京城市化步伐的加快,城市规模迅速扩大,北京三环以外的地区已由20世纪七、八十年代的城郊非均匀下垫面发展成现在粗糙复杂的城区下垫面,市区建筑物相应增多、增密和增高,导致城区地面动力学粗糙度明显增大.本文统计分析了北京325 m气象塔1994年和1997～2003年夏季平均场观测资料,结果表明:(1)在受下垫面影响最为剧烈的近地层,风向逐年趋于紊乱,现在气象塔周围近地面的流场已经具备了典型城市粗糙下垫面的流场特征;(2)近地面夏季平均风速呈现非常明显的逐年递减的趋势,而且距离地表越近,平均风速逐年递减的趋势也越为显著,这种风速逐年递减的趋势直到63 m左右才不明显,说明现在气象塔47 m以下的观测资料反映的是城市冠层的流场特征,城市冠层厚度约在47～63 m之间;(3)随着北京城市化的发展,城区近地面的平均风速存在逐年递减的趋势,但阵风并不存在相似的递减趋势,表明城市冠层的抬升对阵风的影响并不显著.     

基于卫星资料的北京陆表水体的热环境效应分析

应用不同分辨率的卫星资料对北京水体类别、密云水库及城区典型水体的热环境特性及城区水体对其周围热环境影响进行研究分析.利用2006年的MODIS卫星地表温度产品对北京不同类型的地表温度研究显示:就北京四季平均状态来说,水体类别在白天具有降温作用,在秋季和冬季夜晚具有保温作用,在春季和夏季夜晚具有降温作用.利用NOAA/AVHRR卫星资料对密云水库的研究分析显示:密云水库在夏季白天具有"冷湖效应",夜晚具有"暖湖效应";密云水库在冬季未结冰时白天和夜间具有"暖湖效应",在结冰时白天具有"冷湖效应"而晚上无冷暖效应.利用FY-3A/MERSI、NOAA/AVHRR和Landsat-TM卫星资料对北京城区典型水体监测结果显示:城区水体不会有热岛现象出现,大面积的水体易出现"冷岛效应".利用2008年夏季Landsat-TM卫星资料对城区典型水体和天坛公园绿地500 m范围内的建筑地温研究分析显示:城区水体温度明显低于天坛公园绿地.城区各水体周边100 m范围内建筑区地温平均下降1.2℃;100～200 m内下降0.6℃;200～300 m内下降0.4℃,300 m范围外无明显变化.天坛公园绿地周边仅100 m内的建筑区地温下降,下降值为0.4℃.这些研究结果表明:卫星资料能有效监测水体的热环境效应,大面积的水体是降低城市地表热岛效应的重要来源,北京城区水体对周边最大300 m范围内的建筑区地表温度具有降温效应.     

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.     

城市热岛效应和气溶胶浓度的动力、热力学分析

在能量平衡方程中引入气溶胶的吸收和散射作用,并与三维行星边界层运动方程组相耦合,根据温度分布显式求解运动场,探讨三维行星边界层内温度、运动、气溶胶浓度分布特征.结果表明,城市人为热释放直接决定了城市热岛效应的强度,城市面积越大,城市热岛效应的强度也越强,城市面积固定时,城市越分散,城市热岛效应的强度越弱,这为城市建设多采取卫星城的方式提供了一定的理论支撑.气溶胶的散射作用要大于吸收作用,其对城市热岛效应的强度主要起削弱作用,当气溶胶浓度较大时,吸收作用更显著一些,此时城市热岛效应的强度会有一定的增强,但是幅度不大.当城市热岛效应的强度增强时,其所驱动的环流也会增强,造成城区中心气溶胶浓度略有下降.     

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.     

北京夏季晴天边界层特征及城市下垫面对海风影响的数值模拟

对耦合了Noah陆面模式和单层城市冠层模式的WRF(Weather Research and Forecasting)模式系统进行了改进和优化,通过对2010年8月6－7日北京地区晴天个例的模拟试验,检验了优化前后模式系统的模拟能力,分析研究了该个例中城市边界层的特征及日变化.另外,使用优化后的模拟系统通过两组敏感性试验研究了京津城市下垫面对海风的影响.结果表明,优化方案能够显著提高模式系统对该个例的模拟性能,模式系统基本能够模拟出北京夏季边界层的日变化特征,精确的地表使用类型分类等地理信息数据对提高模式预报的准确度有着至关重要的作用,京津城市对海风的发展和推进过程有明显影响,能够阻碍海风的推进、加强风场的水平辐合和垂直上升气流,北京城市下垫面还能在海风到达前增加其强度和推进速度,并在海风经过后延缓其消亡、增加其推进距离.     

Spatial structure and scale feature of the atmospheric pollution source impact of city agglomeration

The spatial structure and multi-scale feature of the atmospheric pollution influence domain of Beijing and its peripheral areas (a rapidly developed city agglomeration) is dissected and analyzed in this paper on the basis of the atmospheric pollution dynamic-chemical process observation data of the urban building ensemble boundary layer of the Beijing City Air Pollution Observation Experiment (BECAPEX) in winter (February) and summer (August) 2003, and relevant meteorological elements and satellite retrieval aerosol optical depth (AOD), etc. comprehensive data with the dynamic-statistical integrated analysis of "point-surface" spatial structure. Results show that there existed significant difference in the contribution of winter/summer different pollution emission sources to the component character of atmospheric pollution, and the principal component analysis (PCA) results of statistical model also indicate that SO2 and NOX dominated in the component structure of winter aerosol particle; instead, CO and NOX dominated in summer. Surface layer atmospheric dynamic and thermal structures and various pollutant species at the upper boundary of building ensembles at urban different observational sites of Beijing in winter and summer showed an "in-phase" variation and its spatial scale feature of "influence domain". The power spectrum analysis (PSA) shows that the period spectrum of winter/summer particle concentration accorded with those of atmospheric wind field: the longer period was dominative in winter, but the shorter period in summer, revealing the impact of the seasonal scale feature of winter/summer atmospheric general circulation on the period of atmospheric pollution variations. It is found that from analyzing urban area thermal heterogeneity that the multiscale effect of Beijing region urban heat island (UHI) was associated with the heterogeneous expansion of tall buildings area. In urban atmospheric dynamical and thermal characteristic spatial structures, the turbulent scale feature of the urban boundary layer (UBL) of architectural complexes had important impact on the multi-scale feature of urban atmospheric pollution. The comprehensive analyses of the variational analysis field of Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) AOD-surface PM10 under the condition of clear sky and the correlation resultant wind vector field for pollution source-tracing suggest that the emission sources for winter Beijing atmospheric pollution aerosols particle might be remotely traced to the south peripheral greater-scale spatial range of Hebei, Shandong, Tianjin, etc., and the spatial distribution of the high value area of AOD was associated with that of the high value area of resident family number (heating surface source). The backward trajectory feature of winter/ summer air particles exhibits analogous multi-scale feature, and depicts the difference in the scale feature of the pollution sources spatial distribution in different seasons. The peripheral source trajectory paths of urban atmospheric pollution (UAP) mainly come from the fixed industrial surface source or heating surface source in the outskirt of Beijing, and the diffusion and transport distance of peripheral sources in winter is larger than one in summer. The above conclusions depict the multi-scale spatial influence domain and seasonal features caused by UAP source influence and atmospheric dynamical structure. The high value area of the winter Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS) AOD lay in the Beijing region and its south peripheral area, an S-N zonal pattern, which reflects the dynamical effect of peripheral topographic pattern on the diffusion of regional scale atmospheric pollution sources. Study suggests that the extent of winter atmospheric pollution within the "valley" megarelief in Beijing and periphery was close related with the pollution emission sources of the south peripheral area; and the significant "anti-phase" variation feature of winter AOD and sunshine duration in Beijing and its peripheral areas, and regional scale correlation of low cloud cover, fog days, and aerosols reflects the local climatic effect of aerosol influence in this region. Besides, analysis of the impacts of atmospheric dry/wet deposition distributions within a valley-scale on the regional water body of Miyun reservoir also reveals the possible influence of the multi-scale spatial structure of summer water, soil and atmospheric pollution sources on the water quality of Miyun reservoir.     

城市规划中绿化布局对区域气象环境影响的数值试验研究

城市的植被覆盖对城市区域的气象环境有重要影响. 为了探讨利用区域边界层气象模式来研究这种影响的可行性,本文以北京为例,采用北京地区目前的城市规划资料以及拟议中的绿化方案,初步模拟分析了不同绿化带布局对北京市冬夏气象环境的影响,并进行了讨论. 同时对地气相互作用过程中的各种地面通量进行一些定量分析,以研究其对气象环境的影响. 通过本文工作发现,所用区域边界模式能够较细致地模拟出城市规划中绿化布局对区域气象环境的影响. 结果表明：绿化林和绿化草地的增加会导致地面风速减小,一般减小05m/s;在冬天算例中,北部绿化林和绿化草地会造成白天轻微增温,夜间微弱降温,幅度约为05～1℃, 东南面绿化带对市区内气象环境影响不大;在夏天算例中,北部绿化林使气温降低,最大幅度约为2℃,东南面绿化林降低北京市区南部的气温,有利于缓解北京夏季的高温灾害.     

2012年7月20日江苏宝应M4.9地震加速度场的计算

运用 ShakeMap 中的计算方法,计算2012年7月20日江苏宝应 M 4．9地震的加速度场,结果发现,水平向峰值加速度的分布与真实的烈度分布基本一致,说明利用江苏省强震动台网43个固定台站的观测资料,可为快速评定此次地震的烈度提供科学、准确的参考信息。