从不同的陆面资料看城市化对北京强降水的影响

2004年7月10日,北京地区出现了一次强降水过程.该次过程主要是由中尺度对流云团的活动造成的,整个大环流形势给暴雨的发展提供了水汽条件.分析近地面的特征场发现,在降水发生前1-2 h,北京城区存在一个暖中心,其温度比周边地区高出2-3 ℃,存在明显的热岛现象.该城市热岛现象的出现,使得城区的气压相对较低,郊区有较冷空气向城区辐合,有利于城区产生上升运动,形成对流降水.另外,对该次过程的数值模拟结果表明,使用了最新的陆面资料的模拟结果明显好于没有使用最新的陆面资料的模拟结果.这在一定程度上说明了城市热岛效应对该次强降水具有一定的影响.     

热岛与海风相互作用对珠三角午后强降水影响的观测和模拟研究

通过地面风场加密观测及雷达回波分析表明,2011年6月21日午后海风引发对流首先出现在珠江口,之后随着海风向内陆深入并与珠三角地区热岛环流相互作用,引起对流发展强度增强,为广州市带来了一次雨强达60 mm/h的强降水过程。在对观测资料进行分析的基础上,应用具有云分辨尺度的CR-WRF模式并耦合城市冠层模式,模拟研究了珠三角城市地表对海风发展及其与城市热岛相互作用对强降水过程的影响。与观测结果相对比,尽管模拟最大降水与观测比较仍有一定差距,但模拟结果反映出了海风发展与热岛相互作用对强降水的影响过程。对比模拟试验结果表明城市地表的影响可在城市区形成更高的温度,热岛与海风相互作用可导致广州城区南部降水增多15 mm以上,接近总降雨量的30%。无城市地表影响时,模拟的海风可更早影响到城市区并到达更北位置,造成降水落区偏北。对其影响物理机制的分析表明,受城市热岛影响,边界层中可形成干暖“盖”对流稳定层,抑制不稳定能量过早释放,使对流系统一旦发展起来后表现更激烈,并在边界层形成更强的外流。强降水对流系统在边界层形成的外流与热岛入流一起共同对海风形成阻挡作用,是导致广州城区南部降水增强的重要影响因子。      

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。     

太原城市化进程对城市热岛的影响

采用城市化的多项要素指标,系统考察了太原1980-2009年期间城市化的发展对其城市热岛效应的影响关系,发现城市化的发展是导致城市热岛效应形成和加剧的主要原因.认为:①近30年,太原市郊区的增温率为0.51℃/10a,市区的增温率为0.90℃/10a,热岛强度的增温率为0.39℃/10a,热岛效应不断增强;②各类城市发展指数与城市热岛效应都有很好的相关关系;③太原城郊温差和总人口对数呈线性相关关系,其长期变化相关系数为0.81;④太原城郊温差和城市房屋建筑面积对数呈线性关系,其长期变化相关系数为0.85.     

南宁城市化进程对小气候环境变化影响的分析

据南宁市气象局及周边４个县气象观测资料的综合分析发现,构成一地气候基本特征的气温、降雨、光照（辐射能）随着南宁市政建设的高速发展,发生了较为明显的改变,其中尤以气温、光照时间的变化为甚;气温明显上升,光照时间迅速减少,这种变化在一定程度上带来城市气候的负面效应,影响广大居民的居住环境。以此,提出了改变这种变化趋势的建议。     

辽宁长历时强降水的环境特征分析

利用NCEP 1°×1°格点再分析、FY-2E相当黑体亮温TBB和地面加密自动气象站等资料,分析了辽宁3次典型长历时强降水TBB值与降水强度的关系、中尺度环境场特征及维持机制,并初步建立了辽宁长历时强降水概念预报模型。结果表明:在副热带高压的形态、位置和强度有利于辽宁产生强降水的大尺度形势下,副热带高压西侧低空急流持续输送的充沛暖湿空气与高空干冷空气在同一地点长时间相互作用,为强降水的发生和维持提供了有利的环境背景条件。强降水持续时间与其上空的强垂直速度持续时间有很好的对应关系,强降水持续时高空一般为弱的不稳定或中性层结。强降水不仅可出现在对流云团发展旺盛的冷云区内部或边缘,也可发生在TBB值较小的暖云区内。TBB值的大小与降水强度没有必然的关系,但TBB值的快速减小都预示强降水即将发生。这些结论有利于深化认识辽宁地区长历时强降水的成因并为预报提供线索。     

南宁城市化进程对小气候环境变化影响的分析

据南宁市气象局及周边４个县气象观测资料的综合分析发现,构成一地气候基本特征的气温、降雨、光照（辐射能）随着南宁市政建设的高速发展,发生了较为明显的改变,其中尤以气温、光照时间的变化为甚;气温明显上升,光照时间迅速减少,这种变化在一定程度上带来城市气候的负面效应,影响广大居民的居住环境。以此,提出了改变这种变化趋势的建议。     

城市热岛与海风锋叠加作用对一次局地强降水的影响

利用常规观测资料、天津255 m气象塔资料、多普勒雷达资料和VDRAS反演资料及中尺度TJ WRF模式输出资料,对2010年8月16日天津城区出现的一次局地强降水过程进行分析,重点分析了城市热岛与海风锋叠加作用对此次局地强降水的触发机制。结果表明：此次局地强降水发生在低层槽后弱的反环流条件下,具有明显的γ中尺度对流降水特征;城市热岛效应能造成局地的热力不均匀,这对形成地面中尺度辐合线非常有利。海风锋由岸边向市区移动中与中尺度辐合线相遇,能激发局地不稳定能量的释放,从而产生强对流天气。城市热岛对海风锋的移动有明显阻挡作用;当海风锋移到城市热岛效应明显区域附近时,其后侧气流会出现明显分支绕流和爬升现象,而且两者相遇处的辐合上升运动会迅速加强,这为该地不稳定能量的释放及雷暴的发生发展提供了有利的动力热力条件。中尺度TJ WRF模式可以很好地模拟出这一现象。     

东北平原腹地城市化与城市热岛的可能驱动因子

用近50年逐日气象观测记录和城市发展统计资料分析了东北平原腹地3个不同规模城市,即大城市长春,中等城市延吉和山区小城镇临江的年和季节平均气温、最高最低气温等,发现其差别很大,其排序不一定同城市化速率(人口和国内生产总值GDP)、土地利用或能见度趋势对应。但气温日较差趋势均与城市化速率成比例。3个城市气温趋势均表现为变暖,且最低气温趋势大于最高气温趋势;冬季变暖强于夏季。这说明影响夜间或冬季气温的才是城市热岛的主要驱动因子。冬、夏最高气温趋势排序一致,除临江外,最低气温趋势排序与最高气温相反。临江冬季最低气温趋势最强,可能与其特殊地理环境造成的弱风气候有关。最低气温趋势排序与城市化速率排序大致相同,最高气温趋势排序相反。综合对比分析表明,这3个城市气候变暖差异的主要因子不可能是土地利用,而是城市人为热释放和空气污染,后者主要影响夜间的射出长波辐射。二者的影响范围趋势应该同城市化速率成比例,对气温趋势有明显影响。其次,不能忽略地理环境因子对气温趋势及其排序的影响。不过,气温日较差在一定程度上可以削弱城市地理因素等的影响,其趋势是一个反映城市化对气候影响的的合适指标。研究还表明,需要重视空气污染对长波辐射的影响并应该在数值模式辐射参数化中加以考虑。     

太湖湖陆风背景下的苏州城市化对城市热岛特征的影响

利用南京大学区域边界层模式,选取苏州地区2006年8月12日晴天小风的天气作为背景天气条件进行算例的模拟。分析了该地区在湖陆风环流背景下的城市化进程对热岛特征的影响。结果表明:苏州地区的风场受大尺度系统、湖陆风环流和城市热岛环流系统的共同影响,且湖陆风环流的强度大于热岛环流。苏州地区的城市热岛影响高度可达400 m左右,且在背景风场的影响下,该地区的温度分布会体现出比较明显的下游效应特征,下游效应的距离可达10 km左右。这种下游效应在400 m高度以下比较明显,随高度的升高而逐渐减弱。20 a的城市化进程(1986—2006年)导致苏州城区地表感热通量增加了200 W/m²、潜热通量减少了200 W/m²、湍能增加了0.045 m²/s²、日平均热岛强度增加了0.4 ℃;热岛环流加强,并使白天混合层最大高度升高了400 m,但对夜间逆温层发展的影响较小。太湖湖陆风,使靠近太湖的苏州市郊的混合层、逆温层高度明显下降,但对距离较远的苏州市区的混合层、逆温层高度影响不大。且太湖的存在对于城市化进程导致的苏州地区热岛强度增加、地表湍流动能增加、感热通量增加、潜热通量减少的趋势有比较明显的缓解作用。     

基于加密观测资料的杭州城市热环境及闷热特征分析

基于加密观测的自动站资料,统计分析了杭州主城区热环境空间分布及时间演变特征,结果表明:杭州城市热岛效应在秋、冬季最强,春季次之,夏季最弱。江干、萧山、上城的大部地区为热岛强度主要高值区,年平均值达0.50℃以上。秋季最高值达0.75℃以上,其余季节高值区为0.50℃以上,高值区范围在冬季最大、夏季最小,热岛效应有从老城区向新城区扩展的趋势。杭州城市热岛效应还存在夜间强、白天弱的日变化特征,02:00高值中心达1.00℃以上,08:00降到0.50～0.75℃,14:00全市几乎均为0.00～0.25℃,20:00最大值为0.75℃以上。城区比郊区更易发生闷热天气,程度也更强,但近几年城乡热感差异有缩小趋势。     

太原城市下垫面扩张对边界层特征影响的个例研究

通过高分辨率卫星夜间灯光数据获取最新的城市地表分布,并利用高分辨率数值模式对2013年8月14~16日太原区域的一次高温过程进行研究,探讨城市下垫面扩张对大气边界层的影响。结果表明：基于DMSP/OLS夜间灯光数据对模式中地表参数修正后,能够更准确地反映太原主城区和高速公路沿线小规模建筑群的扩张,有效改善了模式的预报性能,显著提高对近地面气温、地表温度的预报能力。城市下垫面的扩张,使城区夜间升温明显,热岛强度增强。与1992年的城市化状况相比,晴空天气条件下,2012年太原城区夜间气温上升5℃,热岛强度升高2~3℃。城市下垫面扩张,改变了地表能量分配关系,使得地表感热传输明显加强,潜热通量明显减弱,城市冠层作用下的储热能力增强。边界层内部湍流交换、水汽输送等的进一步研究表明：城市地表水汽输送减弱,边界层水汽含量减少,2~4 km高度的水汽含量增加,湍流动能的影响高度增高,湍流混合加剧;14：00,城区边界层高度抬高了800 m,城市上空混合层加深,持续时间更长。     

基于融合资料的天津短时强降水环境物理量可信度及特征分析

针对2009—2017年6～9月天津地区140次短时强降水天气过程,将NCEP FNL(1°×1°)全球分析资料与地面气象观测数据融合,计算天津地区短时强降水的融合物理量参数,通过偏差和偏差区间占有率等分析融合物理量的可信度,并在大量样本统计基础上给出不同月份的短时强降水环境参量特征和指标。结果表明：(1)基于NCEP FNL分析资料与地面气象观测数据的融合物理量在短时强降水潜势判断中具有较高的可信度,融合CAPE、LI、LCL平均绝对误差分别为260.7J.kg_^-1、0.9℃、14hPa,与融合前的NCEP FNL物理量相比绝对误差分别降低了58.1%、48.0%、49.0%。(2)不同月份短时强降水发生所必需的水汽、热力和能量等环境条件差异显著,TPW、K、LI、CAPE、LCL和Z₀均呈现明显的月变化特征。(3)若以75%短时强降水发生的环境条件作为预报指标,7～8月TPW、K、CAPE、Z₀、LCL物理量阈值极为相近,短时强降水多发生在TPW>45kg.m_^-2、K>32℃、CAPE>835J.kg_^-1、LCL>882 hPa、Z₀>4300m条件下,6月物理量指标要求明显降低,如TPW>34kg.m_^-2、K>30℃、CAPE>353J.kg_^-1、LCL>880 hPa、Z₀>3900m,9月预报指标要求则最低。     

城市化发展与气象环境影响的观测与分析研究

通过分析2002年7月12日和2006年5月4日Landsat-5高分辨率资源卫星资料,表明南京市热岛分布特征与南京市的城市建设和区域经济发展的空间特征相当一致,土地利用类型、地表反照率、叶面积指数、植被覆盖度等地表参数分布与城市热岛分布相吻合.运用数值模拟手段对南京城市化对边界层特性产生的影响进行研究,结果表明,随着城市发展,地表反照率减小、植被减少、地表湿度降低,使蒸发耗热减小、感热通量增多,城市波恩比增加,地表和大气间的热交换增强.     

城市化进程对北京地区降水的影响分析

用北京20个基本气象站1978—2009年的日降水观测资料以及北京地区水文总站遍布全市的82个雨量站资料,讨论了北京地区降水分布的特征及其城市效应的影响。得到如下结论：（1）北京地区降水量的贡献以中雨以上降水为主。30多年来各级降水除了中雨趋势不明显以外,其他都呈现减小趋势。北京地区降雨量的减少,主要是由于大雨以上量级雨量减少所造成的。（2）近30 a来整个区域降水日数呈减少趋势：西部、西北部及北部山区降水日数较多,越靠近城区降水日数越少。（3）当大尺度降水系统较弱或者局地性强降水系统时,城市效应明显,即相对于区域平均而言,城区及下风方局地降雨增加;而大尺度天气系统较强时,城市效应基本被掩盖。（4）从强降水分布看,1980s以后随着城市化进城加快,短时强降雨局地性特征明显,降雨分布不均,降雨中心的面积和强度明显缩小。这种分布可以在城市热岛分布特征上得到一些合理的解释。     

基于MODIS资料研究广州市热环境

利用MODIS资料,采用推广分裂窗方法,对广州市热环境进行研究。通过实测数据与反演数据进行比较分析,表明该方法的数据精度基本满足研究要求。研究结果表明,广州市的高温区主要发生在荔湾、越秀、海珠、黄埔、天河等城区,这些区域建筑密集、人口集中、下垫面升温快;低温区域多发生在植被覆盖度高、水系分布密集、人为活动较为稀少的郊区。保护现有的水体面积和增加城市绿地面积是改善区域热环境的行之有效的办法。     

泰来城市化对风影响研究

本文使用泰来气象站1971-2004年十六方位风速、风向资料,2009年7月-2010年6月气象站与附近测风塔10 m高度逐时风速、风向资料,分析城市化对风序列的影响。结果表明:泰来县年平均风速呈明显减弱趋势,每10 a大约下降0.36 m/s;泰来测风塔与气象站各方向风速比较,无论是风速差值,还是相对误差均表明城市对风速影响显著,对风向也有较大影响;结合城市空间布局及气象站在城市中的位置,分析泰来十六方位风速变化速率,发现各方向风速下降趋势较为明显,其中受城市影响较大方向风速减弱趋势明显,受城市影响小的方向风速减小趋势较弱。     

城市热环境发展及缓解方案研究综述

城市热环境问题日益严重,通过对已有热环境的研究结果进行分析,进而探讨改善热环境的相应措施具有重要实践意义。从城市热环境的影响因子、观测方法、研究手段、降温原理以及降温效果等方面对城市热环境的发展和缓解进行总结。深入分析当前主要的研究手段和缓解措施,包括遥感技术和数值模拟的使用,绿色屋顶、绿色建材、城市灌溉、城市结构、通风廊道和人为热的降温效应。针对现有研究的不足,提出对未来的研究建议,为改善城市热环境提供理论依据。     

昆明和北京两幢建筑物表面热力效应的观测对比

利用昆明、北京两座城市内建筑物为研究对象, 对其不同朝向外墙壁面、屋顶面表面温度及壁面近旁气温进行了观测, 分析了建筑物外墙壁面表面温度及其近旁气温的垂直分布以及壁面、屋顶对周围大气的热力效应特征, 并对两座城市内建筑物的热力状况进行了比较分析。研究表明:建筑物表面温度受太阳辐射的影响要比近旁气温大得多, 一般说来, 壁面昼间是热源, 夜间是热汇; 受研究对象所在的大区域气候、人类活动等影响, 建筑物外表面的热力效应有许多异同; 建筑物屋顶面与近旁空气间的平均热通量基本为正值, 呈现较强的热源效应, 其热力效应强度与太阳辐射呈现正相关; 城市建筑物的外表面 (壁面、屋顶面) 已成为城市区域内有别于城市地面, 且对城市立体气候的形成具有不可忽视影响的热力作用面。     

下垫面对郑州城市强降水的影响:城市化及地形影响的数值模拟研究

利用WRF-ARW中尺度区域数值模式耦合单层城市冠层模式(slab-UCM),采用ERA-interim 0.5°×0.5°再分析资料作为初始场和边界条件,对2016年6月5日郑州地区发生的一次强对流天气进行模拟,并通过改变下垫面的土地利用类型与地形高度数据设置敏感性试验,探究了城市化及郑州西北部山脉地形对对流性强降水过程的影响。结果表明:1)此次强降水过程主要受高层的低槽系统影响,前期的对流不稳定层结为对流触发提供了有利的热力条件;2)城市热岛效应能够改变下垫面的热力状况,有利于在城市地区激发更强的上升运动,使降水向城区集中;3)郑州西北侧山脉激发的重力波能够使郑州地区对流增强;4)山脉能够阻挡低层干空气向郑州地区输送,因此山脉高度的削减造成郑州地区低层相对湿度减小,使雨滴蒸发冷却增强,进而导致与降水相联系的冷池的增强,雨带移速加快,进一步导致累积降水的减少。