土地利用变化对城市气象环境影响的数值研究

采用南京大学的三维非静力区域边界层模式,选取典型天气状况作为代表,对北京1980、1990、2000及2004年不同土地利用类型冬夏两季的城市边界层特征进行数值模拟,结果表明:城市土地利用状况的改变对边界层热力及动力结构产生显著的影响,这种影响在夏季个例的日间尤为明显.如,由于建筑储热能力变化,地表反照率变化,导致城市表能量平衡重新分配,1980年个例较之2004年个例,夏季城市区域平均净辐射通量增加160 W.m-2.城市植被覆盖率减小,地表湿度降低,使得潜热通量最大减小81 W.m-2,感热通量则最大增加146 W.m-2.热通量和动量通量增大,地气相互作用的加剧,夏季城市区域气温增幅最大达2.2℃.建筑物高度及密度增大,湍能增强,且影响高度增大,混合层高度增加,使水汽等物质输送加强,分布更加均匀.城市动力粗糙度增加引起的阻尼作用在风速大时较明显,北京冬季日间风速较大,风速减少最大可达2.02 m.s-1;然而冬季大气层结较为稳定,湍能发展受到抑制,湍能及通量输送的变化不如夏季个例明显;地表较为干燥、植被覆盖稀少,潜热减小及感热增加的变化幅度较小,增温变化也不如夏季个例明显.     

城市水体对热岛的消减效应——以南京市为例

以南京市为研究对象,利用2013年8月11日的Landsat8TIRS热红外数据,基于大气校正法反演地表温度;结合土地利用现状数据,定性分析南京市热岛的空间分布;利用缓冲区分析、剖面分析,定量分析河流、湖泊等城市水体在周边不同范围内对城市热岛的消减作用.结果表明:利用大气校正法可准确反演出南京市地表温度空间分布;南京市热岛主要出现在人口密集、工业发达地区;城市水体在300m范围内可以显著消减城市热岛现象,地表温度由水体向周围递增;城市河流比湖泊对城市热岛的消减效果更显著.     

南京城市边界层微气象特征观测与分析

南京大学大气科学系分别于2005年7月17日～7月31日,2006年2月18日～3月10日在南京市市区和郊区两个观测点进行了城市边界层气象观测,同时采用流动观测方法和在6个固定观测点进行城市热岛观测,观测发现:南京市存在明显的城市热岛特征,气温由市区中心的最高值向郊区逐步减少,冬夏季节的平均热岛强度分别为1.2℃和0.83℃,晴天热岛强度大于阴天,夜间热岛强度普遍高于白天,夏季和冬季热岛强度最大可达3.6℃和2.4℃.热岛强度随高度增加而减小,在约400 m高度,城区和郊区气温没有明显差异.观测结果还表明城区湿度普遍低于郊区,冬夏季节的城市与郊区的相对湿度差分别为10.6%和7.3%.南京紫金山森林地区对附近地区的气温和湿度有明显影响;城区风速明显低于郊区,高度越低,城区与郊区风速相差越大.南京市区的平均零平面位移约为19.9 m,平均粗糙度1.1m.     

中高密度城市居住区热岛强度计算模型研究

基于城市热岛效应形成的物理过程, 采用解析法求解能量平衡方程, 构建城市热岛强度计算模型, 为考虑热岛影响的室外建筑热工设计参数修正提供基础模型。该模型包括城市地表能量平衡计算模块和城市冠层能量平衡计算模块两部分。同时, 采用全球城市热岛数据集以及西安、伯明翰、麦迪逊和巴塞尔的观测数据对模型进行验证, 结果表明, 城市地表能量平衡计算模块在郊区自然下垫面(RMSE<1℃)和城市建成区下垫面(RMSE<3.2℃)都具有较高的精度; 城市冠层能量平衡计算模块的计算精度较高(RMSE<1.5℃), 与同类型模型的计算精度相近, 并与实测结果有很好的一致性。采用观测数据验证城市热岛强度计算模型构建过程中仅保留一阶项的合理性(RMSE<0.7℃)。敏感性分析结果表明, 城市下垫面参数的敏感性受气候条件影响; 气象要素中, 风速的敏感性最高。     

珠江三角洲城市尺度规划对大气环境的影响效应

 为探讨城市尺度规划对局地气象环境的影响,以珠江三角洲不同时期的下垫面为例,选取2001年3月的气象条件,采用数值模拟手段,模拟并分析比较该地区城市群的发展对城市气象环境的影响。结果表明,珠江三角洲城市化发展过程带来热岛强度和范围的扩大,城市区域风速减小,小风面积增大。利用城市尺度规划大气环境评估体系,对广州城市发展规划进行评估,给出影响和优劣比较的定量结果,城市发展对气象环境影响较明显的是城市热岛强度、小风区分布、大气自净能力3个指标,即城市热岛增强,风速减小,大气的自净能力下降。综合评价指数表明在不利天气条件下,城市化过程带来的大气环境影响较大。     

长三角城市群区大气污染对气象要素及地表能量平衡的影响研究

利用2012年4-6月南京溧水野外观测站近地层微气象、地表辐射和通量交换数据,结合南京大学地球系统区域过程综合观测研究站(SORPES-NJU)的PM2.5质量浓度以及环境保护部发布的逐日API资料,使用聚类分析、合成分析和个例分析的方法,定量分析了南京地区不同大气污染程度下气象要素和地表能量平衡的响应特征.结果表明,观测期间南京地区污染天盛行偏南风,且风速较清洁天气低约30%.气溶胶白天对到达地面的太阳辐射的削弱作用大于对地面有效辐射的减弱作用,使得地面净辐射减小(日均值约46.3 W·m-2).气溶胶减弱感热通量、潜热通量,并影响二者在能量平衡中的比重.个例分析表明气溶胶通过减小白天地面净辐射,减弱地气系统能量,导致近地层气温降低(最大差值约1℃),湍流运动减弱,从而进一步抑制污染物的扩散,形成空气污染-地表能量收支-边界层结构间的正反馈过程.     

城市绿化灌溉对气象环境影响的模拟分析

城市绿地灌溉作为城市重要的水文过程,研究其对城市气象条件的影响有利于提高城市精细化预报并理解城市水循环过程。基于WRFV3. 7. 1模式,选取Noah/SLUCM陆面及城市冠层模型,以2010年夏季一次强烈的高温热浪天气过程作为天气背景,模拟分析了城市绿化灌溉对于中国东部重要城市南京的气象环境的影响。结果显示,绿地灌溉对城市地表能量平衡存在较大的影响。城市地区潜热最大增加45 W/m~2,地表温度最大减小0. 25℃。绿地灌溉对于城市地区边界层内的气温的有降低的作用,在边界层附近下降得最为明显,而边界层以上的温度则略有上升。对于日趋严重的热岛效应,城市绿地灌溉有减弱其强度的作用,在09:00时,可以将热岛强度最大减小0. 25℃。     

云南高原蒙自城市热岛效应分析

根据蒙自市和屏边县气象站1951-2002年52年的气象资料,分析了蒙自城市热岛变化特征.结果表明蒙自城市存在热岛效应且有逐年增大的趋势.通过分析得知,近10年来蒙自热岛平均强度为1.56℃,热岛春季最强,夏季最弱;一天之中热岛强度08时最弱14时最强.利用灰色关联度分析法,分析了影响蒙自热岛效应的主要气象因子,得出影响蒙自城市热岛效应的主要气象因子是风速.     

北京地区不同城市热岛指标和城市效应研究方法的对比分析

城市热岛效应是城市气候的突出现象之一,由于观测手段差异和数据代表性的不同,对城市热岛存在多种定义,其中冠层城市热岛和地表城市热岛的应用最广泛,但是目前两者之间的比较工作开展相对较少.“城市效应”是指由于城市的出现对一个地区气候的影响,城市热岛本质上属于城市效应的表征之一.分离“城市效应”常用的方法有“城乡差异”和“城市化前后对比”两种,二者分别从观测资料的空间和时间差异着手计算,目前对两种方法结论的一致性分析尤为欠缺.以北京地区为研究对象,利用地面气象站和卫星遥感观测数据,对比分析了该地区气温和地表温度、冠层热岛和地表热岛的数值与变化情况,并进一步分析了分离“城市增温效应”两种方法的可比性,结果表明：（1）2009-2017年北京地区五种热岛指标均值比较为：由卫星遥感反演得到的日间地表热岛最大,其次为地面观测得到的最低气温冠层热岛和卫星遥感反演得到的夜间地表热岛,二者数值相近,地面观测得到的平均气温冠层热岛再次,而地面观测得到的最高气温冠层热岛远小于其他四类;（2）以通州站为例,1980-2017年用以分离“城市增温效应”的城市化前后差异和城乡对比两种方法的结果分别为0.65℃/（10...     

京津冀城市群热岛强度遥感监测及其城市规模效应分析

本文利用MODIS月度地表温度产品(MOD11C3、MYD11C3)获取2001、2010和2016年京津冀城市群年平均和季平均地表温度数据,并结合夜间灯光数据和土地利用数据估算京津冀城市群各地级市城市热岛强度.分别从年度、季度、月度三个方面分析京津冀城市群各地级市2001—2016年城市热岛情况,并结合城市发展规模对其进行相关分析,以期为京津冀城市群后期城市规划提供参考依据.结果表明:2001—2016年间,京津冀城市群建成区面积扩大明显,且城市规模越大,建成区面积增长越大;京津冀城市群热岛强度与城市规模有关,一二线城市整体热岛强度高于三四线城市.根据京津冀城市群年度数据分析得出,年平均夜间热岛强度高于日间热岛,且二者差异随城市规模扩大而减小;从季度数据可以看出,冬季夜间热岛强于日间热岛,而在夏季日间热岛和夜间热岛的强弱关系则与城市规模有关,城市规模越大,日间和夜间热岛强度之间差异增大;通过分析逐月数据发现,日间热岛呈现出夏季高、冬季低的特点,峰值多在8月份出现,而夜间热岛各月份间无明显变化.     

城市中湍流和能量通量的观测分析:以榆中县为例

利用"城市气象/示踪外场试验"期间(2011年10月1-14日)在兰州市榆中县城区获取的观测资料,分析了城区内的湍流统计特征和地表能量收支状况.结果表明,白天城区内大气为中等不稳定层结,而夜间则接近于中性;计算的无量纲相似关系式与其他城市的结果较为一致;反照率日变化呈现非对称U型结构,日出日落时刻反照率较大,白天较小且接近于常数0.14.白天能量输送以感热为主,感热和潜热占净辐射的比例分别为23%和2%,波文比为11.白天热储量占净辐射的比例高达75%,而夜间两者大小相当.夜间热储量的释放可以抵消甚至超过损失的长波辐射,从而促进城市热岛现象的发生.     

2002-2018年北京市通州区城市热岛(冷岛)效应时空分异规律及其影响因素

北京市通州区于2015年正式成为首都市副中心。截止至2018年,已有大量的人口、工业、商业迁入通州区,使得人为活动大大增加。人为活动以及下垫面的变化会影响通州区地表温度的时空分布。为了给通州区今后的发展进行指导,本文通过MODIS数据和气象数据,得到北京市通州区城市热岛（冷岛）效应的时空分异规律,分析了地表温度和归一化植被指数（NDVI）及气象要素之间的关系。结果表明：北京市通州区1951~2018年的四季气温呈显著上升趋势;城市热岛（冷岛）与环境要素关系密切,归一化植被指数与地表温度呈显著负相关,这表明通州区的植被分布对热场具有调节作用;城市热岛比例指数与平均气温、平均相对湿度呈负相关（相关系数分别为0.012和0.119）;城市冷岛比例指数与平均气温、最大风速呈正相关（相关系数分别为0.186和0.089）。说明随着通州区平均气温的升高,通州区热岛现象减弱,城市冷岛现象增强。通州区最大风速的增加对城市冷岛现象有增强作用。通州区平均相对湿度的增加对城市热岛现象有削弱作用。可见该研究结果可以为北京市通州区城市规划和生态城市建设提供依据。     

基于DTR的城市热岛强度指数构建与应用——以福州市为例

城市热岛强度是城市热岛研究和应用中的一个重要度量指标,但其定量计算一直是一难点.由于中国城市发展基本现状与气象设施条件的制约,目前常用的基于气象站的城乡温差计算法,较难准确客观地计算中国城市的热岛强度.当前卫星热红外数据反演的地表温度已广泛应用于城市热岛的研究中,因此,本文根据温度日较差(DTR)变化趋势分析,通过地表温度遥感影像的剖面数据,构建了基于DTR的城市热岛强度指数(UHII_(DTR)),并将其应用于福州市1989~2013年间的城市热岛强度计算,以定量评价城市热岛强度变化情况.研究表明,新建立的UHII_(DTR)可以客观、准确地反映出福州的城市热岛变化.福州市在1989~2013年间UHII_(DTR)逐渐下降,从1989年的5.22℃下降至2013年的3.01℃,城市热岛效应不断加剧.从UHII_(DTR)的年际变化趋势来看,福州未来的热岛现象仍将进一步加剧.     

一种城市热岛强度的计算方法——以合肥市为例

城市热岛是指城市化过程中城区高空以及近地面大气温度高于城区以外郊区的现象。城市热岛强度是城市热场分布的重要表达手段,目前,对专门研究城市热岛强度的计算方法讨论较少。本文利用Landsat5数据,基于遥感相关理论,以合肥市为例,反演出城市地表亮温,同时引入城市形态分维理论,使用改进的半径法对合肥市的城市热场状况进行研究,发现亮温的水平分布在城市建成区与非城市建成区间有突变现象,并以此分析城市热力场的空间分布,得到热岛强度计算公式,从而得出城市热岛强度的表达方式。在城市热岛强度计算过程中,着重考虑了城市热场分布特征,克服了在研究城市热岛时寻找郊区气温值的困惑,这对于城市热岛强度的表达研究具有一定的指导意义。     

基于Landsat TM的地表热环境对城市扩展的响应——以重庆市南岸区为例

重庆直辖以来,城市建设步入高速发展阶段,城市热岛效应已成为城市生态问题的热点。以重庆市南岸区为例,以1988、1993、2000、2007年和2010年5个时期的遥感和矢量数据为基础,在RS和GIS的支持下,通过对南岸区建设用地重心转移、地表温度变化、热岛中心转移进行动态研究,分析了研究区建设用地重心转移过程、地表温度空间分布差异以及热岛中心运动特点。结果表明:研究区在22年间,建设用地扩展明显,重心逐渐向东南方向转移,且转移速度逐年提高;地表温度空间分布格局变化明显,城市热岛现象日益显著;城市高温区下垫面多以建设用地为主,城市低温区下垫面多以水域和高植被覆盖为主;城市热岛中心空间变化与建设用地重心空间变化具有较高的一致性。研究成果可为城市规划与城市生态环境保护提供决策参考。     

北京市夏季城市强热岛边界层气象特征

近年来,北京市城市化发展迅速,城市气候特征也发生明显变化。应用中科院大气所325m铁塔的梯度观测资料,对发生在北京市的夏季强热岛天气的边界层气象特征进行了分析。结果表明:发生在夜间的北京市夏季强热岛,其边界层存在很强的逆温层结,并且逆温层较厚,低层风速较小,一般不超过2.0m/s;但白天,随着太阳短波辐射的加强,逆温结构很快被破坏,城市热岛强度也迅速减弱。     

基于Landsat数据的南京市城市热岛效应季节性时空变化研究

为探究南京市热岛效应的季节性变化特征,以Landsat8遥感影像为数据源,采用大气校正模型对南京市2017年份4个不同时间的地表温度进行反演,然后根据反演结果采用均值-标准差法将南京市划分为5个热岛等级.结果表明春冬两季各等级热岛空间分布一致,夏秋两季各热岛空间分布基本相同.春冬两季以冷岛区为主,夏秋两季主要以正常区为主,春冬热岛效应相同,夏秋热岛效应相近.热岛强度指数变化以春夏秋冬为时间顺序呈先增后减的趋势且春冬季热岛强度相同,夏秋两季热岛强度相近,夏季热岛强度达到最大.     

城市冠层模式对城市气温模拟的改进

建立了一个城市冠层模式,并将该模式耦合在精细城市边界层预报模式中.城市冠层模式对城市地区地面气温夏季和冬季的模拟情况均优于传统平板模式的模拟结果,尤其是夜间地面气温的量值及变化趋势.城市冠层模式详细的考虑城市冠层建筑物三维结构对长短波辐射的作用以及热量存储能力.建筑物密集地区冠层地表反照率要低于建筑物相对稀疏地区,以北京地区的模拟为例,古观象台地表反照率夏季为0.167,冬季为0.163,南郊观象台夏季反照率为0.170,冬季为0.167.城市冠层模式能够较为准确的模拟城市地区地表能量平衡关系,白天净辐射通量要大于平板模式模拟结果,大多数能量存储在冠层三维结构中,感热通量较低;夜晚冠层释放存储的热量加热冠层表面,冠层通过向上的感热通量传输加热上部大气,夜间感热通量表现为正值.     

建筑密度对城市热岛影响的多孔介质数值模拟

根据城市空间结构与多孔介质的相似性,在城市热岛效应的研究中引入了多孔介质理论,采用体积平均技术和雷诺时均方程法建立了适用于城市湍流流动与换热的多孔介质数学模型,并利用微尺度数值模拟计算结果的空间体积平均对模型的有效性进行了验证.采用建立的城市多孔介质数学模型,合理地考虑城市热源在城市冠层内的空间分布,研究了建筑密度对城市热岛强度的影响.结果表明:城市区域热岛强度随着地面孔隙率的增大而减弱,地面孔隙率每增加0.1,就会引起城市热岛强度减小0.36 K;在城市游的乡村地区,随着离开城市距离的增加,热岛强度逐渐消失;城市冠层底部的热岛强要显著高于上部,热岛强度随高度的增加几乎呈线性减小;城市对上空气流的影响可以延伸至5倍的城市冠层高度.     

鄱阳湖区地表干旱与城市表面热岛的关系研究

立足于鄱阳湖区干旱与城市化两大环境问题,应用1995年～2016年间10个时相的Landsat5 TM 和Landsat8 OLI/TIRS遥感影像数据,采用TVDI干旱监测指数和归一化城市热岛的计算方法,利用空间统计和相关性统计分析方法,分区探讨环鄱阳湖区9个区县周边郊区地表干旱状态对城市热岛效应的影响.研究表明：1) 旱地及裸地区域的TVDI指数对干旱具有明显的指示作用.2) 研究区内热岛强度受季节影响较大,夏、秋两季热岛强度较强,冬季较弱,城市面积的扩展与归一化热岛强度无明显关系.3) 干旱与热岛强度呈现明显的正相关.