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.     

北京城市热岛的时空变化分析

利用1987、1999、2000、2001、2002和2005年六幅陆地卫星影像研究北京市规划区地表城市热岛（SUHI）．首先用决策树分类法进行分类,得到六幅不同时相的土地利用／覆盖分类图像．根据Artis＆Carnahan算法利用热红外通道的灰度值计算地表辐射亮温,基于分类结果进行比辐射率纠正,计算地表温度．通过分析北京市规划区1987～2005年间地表城市热岛的特征,发现不同土地利用／土地覆盖类型与地表城市热岛有密切关系;2001年、2002年和2005年影像中市区的热岛分布的破碎度增加,由原来的集中分布慢慢向周围扩散,并在市区中心植被覆盖高的区域出现蓝色“凉爽”区;地表城市热岛增加的区域与城市扩展区域一致,城市化过程是城市热岛面积不断增加的主要的原因．     

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.     

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.     

城市冠层结构热力效应对城市热岛形成及强度影响的模拟研究

本文在城市边界层预报模式中耦合了一个单层冠层模式,此模式能够体现城市冠层结构和人为热源对城市热岛的共同作用.通过传统平板模式和城市冠层模式的模拟结果与自动气象站观测资料对比发现,耦合了城市冠层模式的模拟结果与观测资料更为吻合,尤其能够较好地模拟出城市地区夜间地面的气温变化情况.对北京城市区域的模拟结果进行分析,白家庄地区冠层建筑物使得城市地区气温白天下降,夜晚上升,不考虑人为热源作用时,城市冠层使得白家庄站地面气温白天最低下降2.5℃,夜间气温最大升高为4.7℃.针对模拟区域较小的理想算例模拟结果分析表明,城市冠层模式能够很好地模拟城市地区地表能量平衡关系,体现城市冠层对长短波辐射的封截以及热量存储能力,全天平均净辐射通量由传统模式的43.38 W/m2变为84.19 W/m2,热存储通量白天最大值为278.04 W/m2,夜晚最大释放热存储通量为160.35 W/m2.冠层建筑物和人为热源对夜间城市热岛强度的贡献分别为70.65％和29.35％.城市冠层建筑物对夜间城市热岛的形成起决定性作用.     

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.     

长江三角洲城市热岛与太湖对局地环流影响的分析研究

发展了一个适合于长江三角洲地区的细网格区域气象模式, 利用这个模式成功模拟了长江三角洲地区海陆风、湖陆风、城市热岛等小尺度天气现象, 并研究了该地区地面风切变线形成的特征和机理, 指出海风和湖风的相互作用, 是地面切变线形成、维持的一个主要因素.     

上海近50年气温变化与城市化发展的关系

根据上海地区2个气象站近50年的年均气温数据,采用回归分析、滑动平均和Mann\|Kendall检验法研究上海地区气温的年代际变化与跃变,城郊温差的年际变化;采用趋势拟合与相关分析,研究城郊温差与城市人口、GDP、能源消耗量、建成区面积和住宅竣工面积等各项城市发展指标的关系.结果表明：（1）近50年来,上海地区年均气温缓慢上升,20世纪90年代后城郊温差呈锯齿状上升趋势,若以徐家汇代表城区,奉贤代表郊区,则近50年来,城郊温差增温率为0.23℃/10a.（2）1989~1990年为上海城区气温的跃变年份,而郊区的气温跃变出现在20世纪90年代中期.（3）各项城市发展指标均与上海城郊温差有着显著的相关性,表明它们与上海城市热岛的发展关系密切,其中,住宅建设是上海城市热岛最主要的驱动因素,城市人口和经济发展也具有重要影响.     

2011-2020年弗拉姆海峡夏季海冰漂移跟踪及变化分析

准确的弗拉姆海峡海冰漂移监测对于量化弗拉姆海峡的海冰输出量,减少北极海冰流失量估计的不确定性具有十分重要的意义.由于数据源和算法的限制,现有的方法在夏季海冰漂移中应用效果不佳,难以监测到准确的海冰运动.本研究发展了一种基于MODIS时序数据和A-KAZE算法的夏季逐日海冰漂移跟踪方法,并基于该方法开展了2011—2020年弗拉姆海峡夏季(4—9月)逐日的海冰漂移监测研究,分析了近10年弗拉姆海峡海冰流速的变化规律.研究选取2020年4月29日到5月5日弗拉姆海峡局部区域作为实验区对研究提出的方法进行了验证.实验结果表明,本研究提出的方法相比于经典的MCC模式匹配算法在跟踪精度上有很大提高,其中速度的均方根误差减少了2.13 km·d^-1(73%),角度的均方根误差减少了10°(38%). 相比于常用的SIFT、SURF特征跟踪算法,本方法提取到的海冰漂移矢量在数量上更多,空间分布更广.同时,相比于使用MODIS每日合成数据,本方法使用的时序MODIS影像在实验区获取了更大的海冰漂移跟踪范围,平均每日的跟踪面积提升了862.62 km²(近16倍),有效减少了云覆盖对光学数据跟踪效果的影响.此外,研究发现近10年弗拉姆海峡区域夏季海冰流速的空间分布比较一致,呈现出海峡南部流速高于北部,远离海岸流速高于近岸流速的规律.弗拉姆海峡夏季平均海冰流速在年际上不存在明显的增加或减少的趋势,但是在月尺度上总体呈现出4—7月下降,7—9月回升的趋势.本研究提出的海冰漂移跟踪方法可为夏季的海冰漂移研究提供新的思路,针对近10年弗拉姆海峡夏季海冰流速的分析结果也可应用于北极海冰快速变化等相关研究中.

     

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.     

Groundwater temperature evolution in the subsurface urban heat island of Cologne,Germany

Long‐term heating of shallow urban aquifers is observed worldwide. Our measurements in the city of Cologne, Germany revealed that the groundwater temperatures found in the city centre are more than 5 K higher than the undisturbed background. To explore the role of groundwater flow for the development of subsurface urban heat islands, a numerical flow and heat transport model is set up, which describes the hydraulic conditions of Cologne and simulates the transient evolution of thermal anomalies in the urban ground. A main focus is on the influence of horizontal groundwater flow, groundwater recharge and trends in local ground warming. To examine heat transport in groundwater, a scenario consisting of a local hot spot with a length of 1 km of long‐term ground heating was set up in the centre of the city. Groundwater temperature‐depth profiles at upstream, central and downstream locations of this hot spot are inspected. The simulation results indicate that the main thermal transport mechanisms are long‐term vertical conductive heat input, horizontal advection and transverse dispersion. Groundwater recharge rates in the city are low (<100 mm a^?1) and thus do not significantly contribute to heat transport into the urban aquifer. With groundwater flow, local vertical temperature profiles become very complex and are hard to interpret, if local flow conditions and heat sources are not thoroughly known. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

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.     

Effect of urbanization on the winter precipitation distribution in Beijing area

According to the urbanization extent of Beijing area, and with 1980 as a turning point, the duration from 1961 to 2000 is divided into two periods: one is defined as the slow urbanization period from 1961 to 1980, and other one as the fast urbanization period from 1981 to 2000. Based on the 40-year’s precipi-tation data of 14 standard weather stations in Beijing area, the effect of urbanization on precipitation distribution is studied. It is found that there has been a noticeable and systematic change of wi...