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。     

地形及城市下垫面对北京夏季高温影响的数值研究

应用中尺度MM5v3模式,对2002年7月14日的高温过程进行模拟分析,探讨了北京周边地形及城市下垫面对气温变化的影响。结果表明,地形对气温的影响主要是通过焚风效应来实现的,它加剧了背风坡一侧高温的强度。敏感性试验还表明,城市下垫面通过所获得感热和释放潜热的不同进而影响近地面层温度,采用真实地表能较好改进模式对逐时气温演变、日最高气温及其出现时间的模拟精度。     

城市化对北京单次极端高温过程影响的数值模拟研究

城市化对高温热浪的频次和强度具有重要影响,但目前对于城市化影响高温热浪过程的机理了解还不充分。本文利用WRF模式,对2010年7月2～6日（北京时）北京一次高温过程进行了模拟,分析了城市化对此次高温过程的影响机理。采用优化后的WRF模式,能够模拟出北京连续5日高温的特征和城市热岛强度的变化。城市下垫面的不透水性决定了城区2 m高度处相对湿度低于乡村,削弱了城区通过潜热调节城市气温的能力。日落后,城市感热通量下降缓慢,城区降温速率小于乡村,夜间边界层稳定、高度低,风速小,抑制了城乡之间能量的传输,形成了夜间强的城市热岛强度,造成夜间城市气温明显高于乡村。日出后城乡地面感热通量、潜热通量迅速上升,边界层稳定性下降。午后,城市下垫面分别为地表感热通量和潜热通量的高、低值中心,通过潜热调节气温的能力被削弱;边界层稳定性降低,有利于能量的垂直扩散;此时,城市热岛强度小于夜间。因此,北京城市下垫面形成了明显的城市热岛效应,加重了城区极端高温事件的强度。此外,在这次高温热浪期间,中国东部大部分地区受到大陆暖高压控制,晴空少云,西北气流越山后形成焚风效应,是北京地区高温热浪形成的天气背景。     

南京地区下垫面变化对城市热岛效应影响的数值模拟

利用新一代中尺度研究和预报模式(Weather Research and Forecasting Model,简称WRF)分别耦合多冠层、单冠层和平板模式三种情况进行南京地区2007年8月1日的天气过程模拟,分析不同城市冠层方案对南京气象场的模拟效果。在此基础上,结合模拟效果最好的城市冠层方案,研究南京城市下垫面的变化对其热岛的影响。结果表明:多冠层方案对近地面气温、10 m风场的模拟效果最好;城区的扩张使南京地区近地面气温升高,主要表现为城市区域夜间升温显著,并且导致热岛强度明显增强;城市扩张后,城区白天风速大范围地减小,同时热岛环流更加显著,且具有明显的城市热岛的"下游效应"。     

中国不同纬度城市群对夏季短期高温天气影响的模拟研究

本文利用中尺度WRF v3.2模式,通过改变中国东部京津冀、长三角、珠三角3个典型城市群下垫面类型,对大规模城市化效应进行模拟研究,探究不同纬度(不同背景环流场)不同规模的城市群发展对短期夏季高温天气的影响及可能机制,结果表明:大规模城市化后,城市扩展区近地层(地表2 m)气温均出现显著升高,城市化率越高,城市扩展面积越大,中心升温值越显著,最大升温超过了1.8℃,在不同背景风场的作用下,升温范围都向下风区扩展,长三角地区城市扩展造成的升温比京津冀强,又强于珠三角地区;城市化改变城区湿度状况,使城区出现显著干岛,湿度响应具有显著的局地性,温湿空间分布有很好的对应关系,城区整体呈现出"干暖"趋势;城市化改变地表能量平衡,使感热通量增加潜热通量减少;调整降水分布,使主城区降水较少。     

城市人为热对北京热环境的影响

城市的人为热对城市热岛的产生有重要作用 ,通过对北京冬季的居民采暖排放废热、汽车排放废热和工业生产排放废热的估算 ,制定了考虑随时空变化的北京市人为热排放清单。利用北京大学城市边界层模式对北京冬季城市边界层结构特征进行模拟 ,通过考虑和忽略人为热的排放研究北京地面温度的变化 ,并通过几种方案减少人为热的排放对缓解城市热岛作用作出评价。     

规划建设对深圳夏季城市热岛影响的数值模拟研究

以区域边界层模式RBLM为工具,研究了城市规划建设对深圳夏季城市热岛的影响。分别模拟了当前的城市热岛、高密度建设和能耗增加后的城市热岛、以及布设通风走廊后的城市热岛,得到了以下结论:(1)深圳夏季存在城市热岛现象,且昼间热岛比夜间更为明显,高温中心集中在建设密度较高的南山、福田、罗湖和宝安西部等区;(2)建设密度加大及能源消费增加会导致深圳夏季近地面气温出现大面积的升高,并且夜间升温比昼间更为明显;(3)通风走廊的设置可以在一定程度上抵消高密度建设和能耗增加带来的负面效应。     

单次极端高温过程中城市热岛效应的识别

利用高密度自动观测站逐时气温资料和NCEP再分析资料,按照客观的标准选择参考站,分析2010年7月2~6日北京一次极端高温过程中城市热岛强度(IUHI)对城区地面气温时空分布的影响。此次高温过程连续5日的日最高气温均超过35.0°C,为北京站1951年以来连续5日平均最高气温的最高值。大陆暖高压控制我国大部分地区,北京处于高压脊前,西北气流下沉增温,加之气流越山引起的焚风效应,是导致此次极端高温过程发生的环流背景。但受城市热岛效应影响,最高、最低和平均气温的空间分布均出现了以城区为中心的高值区,从城区中心向郊区平均IUHI逐渐减小,最低气温IUHI较大,四环线以内5日平均IUHI达到2.93°C,四、五环线之间1.87°C,五、六环线之间1.43°C;最高气温IUHI较小,但四环线以内,四、五环线之间和五、六环线之间5日平均IUHI仍分别达到1.45°C、0.96°C和0.72°C。在7月3~6日夜间,四环内IUHI极值均在3.00°C以上,特别是7月6日凌晨达到5.50°C;白天IUHI相对较小,其中2日早晨甚至还出现了负值。城区各地带IUHI日变化规律几乎同步,具有两个相对稳定阶段和两个快速变化阶段。稳定的强IUHI阶段从21:00(北京时间,下同)持续到次日05:00,稳定的弱IUHI阶段从08:00至18:00;05:00至08:00是IUHI快速衰减阶段,而18:00至21:00是IUHI快速上升阶段。因此,城市热岛效应对北京城区夏季单次极端高温过程的强度及其空间分布具有显著影响,在很大程度上加重了城区特别是中心城区的高温影响。     

基于MODIS数据的土地覆盖资料对长三角城市群区域夏季高温模拟的影响评估

随着长三角地区经济发展的同时,人类活动对自然环境产生了很大影响,其中土地覆盖状况变化显著,尤以城市化扩展为主。为了评估土地覆盖资料对天气过程的数值模拟影响,了解土地覆盖变化对区域气象环境产生的作用,本文利用中尺度数值天气模式WRFV30/Noah/UCM,选取2005年250 m分辨率的MODIS数据制作土地覆盖资料,针对2007年7月长三角地区一次夏季高温过程进行数值试验,分析表明：新的土地覆盖资料更真实地反映了长三角地区的下垫面结构,尤其体现出区域内城市群面积快速增长的特征。将模拟结果与高分辨率的气象站观测资料对比,统计结果显示精细化土地覆盖资料的引入明显改善了模拟效果,较真实的反映出城市化发展对区域气象环境的影响作用。     

基于MODIS数据的土地覆盖资料对长三角城市群区域夏季高温模拟的影响评估

随着长三角地区经济发展的同时,人类活动对自然环境产生了很大影响,其中土地覆盖状况变化显著,尤以城市化扩展为主。为了评估土地覆盖资料对天气过程的数值模拟影响,了解土地覆盖变化对区域气象环境产生的作用,本文利用中尺度数值天气模式WRFV3.0/Noah/UCM,选取2005年250 m分辨率的MOD IS数据制作土地覆盖资料,针对2007年7月长三角地区一次夏季高温过程进行数值试验,分析表明:新的土地覆盖资料更真实地反映了长三角地区的下垫面结构,尤其体现出区域内城市群面积快速增长的特征。将模拟结果与高分辨率的气象站观测资料对比,统计结果显示精细化土地覆盖资料的引入明显改善了模拟效果,较真实的反映出城市化发展对区域气象环境的影响作用。     

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。     

合肥市夏季热岛特征研究

根据2002牟夏季高温期间合肥市城市小气候考察的资料，分析了合肥市夏季城市热岛特征以及热岛强度的历史变化。结果表明：1）合肥市夏季热岛强度的日变化与冬季明显不同，夏季晴天一天中热岛强度只出现一个峰值，其基本特征与Oke提出的理想状态下的城市热岛强度日变化的模式曲线非常相似，而冬季与高纬地区的加拿大卡尔加里城市的热岛强度日变化特征接近。这反映了冬、夏两季人类活动、能源消耗量的不同；2）随着城市范围的扩大和城市绿化工程的实施，合肥市热岛面积、分布形状有了一定的改变，但主要分布特征和强度基本没有变化。     

北京"城市热岛"效应现状及特征

利用2002年北京自动气象站资料,对北京“城市热岛”效应现状进行了分析。为了与20世纪70年代的结果相比较,选择城区代表站为天安门广场站,城郊代表站为朝阳气象站站。与20世纪70年代相比,目前北京的“城市热岛”表现出一些新特点:1)利用城区与城郊日均温差表示的“城市热岛”强度的统计结果表明,现在北京的“城市热岛”效应在夏季最强,秋、冬季次之,春季最弱,2)除夏季“城市热岛”整天存在(午后的平均强度在2℃左右)以外,其他季节的午后,天安门广场地区经常出现“城市冷岛”现象。3)北京“城市热岛”消失的极限风速没有发生系统性变化,当风速>3级时,北京“城市热岛”基本上消失。作者还研究了北京“城市热岛”形成和消失的日变化特征,以及“城市热岛”强度对风速等气象要素变化的响应特征。值得指出的是,对强“城市热岛”的个案分析显示,冬季夜晚“城市热岛”强度经常表现出较大的波动性,与此相伴随,城郊地面风出现风向突变和风速的阵性现象。     

南京城市热岛效应研究

利用4个气象站1961～2005年气温资料,对南京市的城市热岛效应进行了全面、细致的研究。结果表明：1）平均而言,南京市的热岛强度基本在0.5 ℃左右,热岛强度的高值体现在最低气温上,极端情况可能达到6 ℃左右;2）南京城市热岛效应具有明显的季节变化和日变化特征,夏半年要强于冬半年,夜间强于白天;3）随着城市规模的发展,南京市的城市热岛效应为增强趋势,用年平均气温计算获得的热岛强度增幅为0.109 ℃·(10 a)-1。     

兰州市近50年城市热岛强度变化特征

利用1956-2005年兰州市日平均气温、日最高气温和日最低气温,分析了近50年兰州市城市热岛效应变化,并利用城区和郊区3种气温的倾向率计算了城市热岛强度倾向率和热岛增温贡献率。结果表明：1956-2005年兰州市3种气温的城郊差均呈逐年上升趋势,平均气温、最高气温和最低气温的倾向率分别为每10年0.371℃、0.169℃和0.654℃,其中,最低气温的城郊差上升最明显。近50年兰州市增温主要发生在后25年（1981-2005年）,前25年除城区最低气温外基本上以降温为主。后25年中,城区年平均气温、最高气温和最低气温倾向率分别为每10年0.789℃、0.997℃和0.625℃,郊区则相应为每10年0.493℃、0.790℃和0.077℃,其中最高气温增温最显著,最低气温增温最少;以年平均、最高和最低气温表示的城市热岛强度的倾向率分别为每10年0.395℃、0.188℃和0.674℃,热岛效应对城区增温的贡献率分别达到87.0%、49.6%和100%。冬季城市和郊区的平均气温和最低气温倾向率最大,但热岛增温贡献率最大的是春、夏季气温,而不是冬季气温;这可能主要与兰州市冬季严重的空气污染有关, 因为其对城市热岛有一定的抑制作用。20世纪80年代以后兰州市热岛效应有增强的趋势,但平均气温和最高气温的热岛增温贡献率除个别季节外有所下降。     

近15年北京夏季城市热岛特征及其演变

根据北京地区20个地面气象观测台站1990-2004年7月的气温资料,分析了最近15年来北京夏季城市热岛的最新特征和变化趋势,也分析了城市热岛与气温,城郊地表温度差与地表温度,气温和地表温度间的关系。结果表明：北京夏季夜间出现了强热岛,郊区城市也出现了热岛现象,但白天城市热岛相对夜间不明显。夜间城市热岛强度呈逐年增强趋势,但白天这种趋势不明显。夜间城市热岛与气温呈正相关,气温高的年份,城市热岛强度相对也大;夜间城郊地表温差与地表温度呈正相关,地表温度越高,城郊地表温差越大;夜间,气温与地表温度呈正相关,气温越高,地表温度也高。白天,这些相关相对夜间来说不那么明显。研究成果对北京城市发展规划和高温灾害的防治有一定的科学参考价值。     

城市热岛影响因子的数值模拟与统计分析研究

利用数值模拟和统计分析方法,分析研究了苏州城市热岛的影响因子。结果表明:随着城市化进程的不断进行,苏州城区与郊区平均气温差不断增大;苏州现有人为热对城市热岛强度的贡献率不是很大,当人为热增加到实际的2倍时,人为热对城市热岛贡献率也相应增加;假设太湖水体为农田时,模拟得到的热岛强度比太湖为真实水体时计算得到的值要大。统计分析表明苏州站与郊区平均气温差ΔT1.5℃时对应的风速一般较小;平均气温差ΔT较小时对应的风向比较一致;平均气温差ΔT1.5℃的现象基本出现在高温时期,云量较多时也易出现ΔT0.5℃的现象。     

北京地区城市热岛的时空分布特征

应用自动气象站逐时气温观测资料分析了北京城市热岛的时空分布特征。结果表明，无论冬、夏季，北京的城市热岛在空间分布上均表现出多中心结构。热岛强度冬季大于夏季、夜间大于白天，热岛中心随时间存在漂移现象，日变化幅度冬季大于夏季。城市热岛在时间域上呈多尺度结构，冬、夏季均以20-30h所对应的日变化和120-270h的周变化为主，周变化振荡的波谷主要出现在周六至周一，波峰出现在周三至周五，变化趋势冬季比夏季明显。