威海城市热岛效应特征及其与城市化进程的关系

利用威海市1965—2013年地面气象观测资料和1977—2012年经济社会统计资料,采用城郊气温对比、相关分析等方法,分析了典型滨海城市威海的城市热岛效应特征及其与城市化进程的关系。结果表明:1)近50 a威海城市热岛强度阶段性变化明显,20世纪90年代以前呈现缓慢上升趋势,从90年代开始上升日益显著,平均上升速率为0.13℃/(10 a);2)城市热岛强度季节变化明显,春、夏季热岛效应较为显著,上升速率分别为0.02和0.18℃/(10 a),秋、冬季由于受海洋影响出现冷岛效应,但是随着城市化进程加快,2010年之后冬季也由"冷岛"转变为"热岛";3)城市化对威海市城区增温的贡献率达到36.4%,城市发展指标与城市热岛强度均有较好的正相关关系,其中市区人口规模、经济发展、住宅建设相关性显著,相关系数分别为0.76、0.73和0.44。     

武汉城市热岛效应及其影响要素分析

利用武汉市1961—2010年逐日气温观测资料和1981—2010年城市人口资料,采用城郊对比法、相关分析法、多元线性回归分析等方法,研究了武汉城市热岛效应及其影响要素。结果表明,武汉市自20世纪80年代后热岛效应显著,且随时间发展日益严重,2000年后有所减缓;冬季热岛效应较其他季节明显;最低气温对热岛增温贡献率达83.1%,最高气温和平均气温贡献率分别为33.3%和72.2%。总体而言,武汉为弱热岛强度等级。武汉市城市人口总数与热岛效应有较显著的正相关。气象要素中风速对热岛强度的影响较大。城市人口总数对城市热岛强度的影响更明显,武汉城市热岛受人为影响更严重。     

北京地区气象环境数值模拟试验

用区域边界层模式RBLM模拟北京地区气象环境特征.数值模拟结果表明(1)北京地区的气象环境很复杂,其主要特点是受昼夜循环的山谷风气流、城市热岛环流以及大尺度系统共同影响.(2)北京市区冬季地面风的日变化较小,主要是偏北气流,城市上游方向在市区的北边,而春夏季地面风的日变化比较明显,市区的进出口气流方向变化很大.(3)北京市城市热岛强度在夏季较强,城市热岛环流明显,城市中心近地面气温比郊区近地面气温高5～6℃左右.(4)数值模拟结果能较好地反映北京地区流场的日变化,与实际观测结果吻合较好.     

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。     

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。     

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。     

植被覆盖度对兰州地区气象场影响的模拟研究

利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式耦合Noah陆面过程模式,模拟了兰州地区冬季气象场,并用观测资料对模拟结果进行了检验。利用2006年中分辨率成像分光辐射计(MODIS)植被归一化指数(NDVI)计算得到的植被覆盖度替换模式默认的植被覆盖度,研究了植被覆盖度对WRF模式模拟结果的影响。结果表明,新的植被覆盖度数据使研究区域的地表反照率减小,发射率增加,感热通量白天增加、夜间减小;还明显地改进了WRF模式对近地面温度和风速的模拟;植被覆盖度对地表蒸发有很大影响,冬季干旱半干旱地区的植被基本处于休眠状态,地表蒸发以直接蒸发为主,使用新的植被覆盖度数据后,模拟区域的植被覆盖度增加,地表蒸发减小,近地面水汽含量减少,WRF模式模拟的边界层高度增大。     

武汉市城市热岛强度非对称性变化

利用武汉市区气象站及其周边4个县气象站1960-2005年的气温资料,计算了46 a及分时段的季节和年平均气温、平均最高和最低气温倾向率,城市热岛强度倾向率及其贡献率。结果表明：46 a来,城区和郊区的平均气温均以上升趋势为主,最低气温增幅最大,最高气温增幅最小,甚至下降;冬季增幅最快,夏季增幅最慢,甚至下降,这是第一类非对称性。 城市热岛效应也存在增强趋势,以年平均、最低和最高气温表示的城市热岛强度倾向率分别为0.235℃/10 a、0.425℃/10 a和0.034℃/10 a,热岛效应贡献率分别达到60.4%、67.7%和21.8%,这是第二类非对称性。 46 a来的增温和城市热岛强度加强主要是最近23 a快速增温所致,进入本世纪增温进一步加剧。 摘要 计算了武汉市气象站、周边4县气象站平均的1960～2005年间以及前后两半时段四季和年平均、最高、最低气温倾向率,城市热岛强度倾向率和贡献率。结果表明：1）46年来,城区和郊区的平均气温均以增趋势为主,平均气温倾向率为正,最低气温增幅最大,最高气温增幅最小甚至下降,冬季增幅最快,夏季增幅最慢甚至下降,这是第一类非对称性;2）城市热岛效应也存在增趋势,以年平均、最低、最高气温表示的城市热岛强度倾向率分别为0.235、0.425、0.034 ℃/10a,热岛效应贡献率分别达到60.4%、67.7%、21.8%,这是第二类非对称性,3）46年来的增温和城市热岛强度加强主要是后23年快速增温所致,前23年气温变化不明显。武汉市气象站气温资料严重地保留着城市化影响,建议尽快迁站。 关键词 城市热岛强度 最高气温 最低气温 非对称性变化     

伏牛山南坡生态变化对降水的影响

利用1958～2000年有代表性的周边县树木增减资料、1984年10月～1986年9月树冠对降水的截流观测资料及1950～1999年西峡县山洪资料,分析了伏牛山南坡森林覆盖率对降水的影响,结果表明森林覆盖率高的地区,平均年雨量值大;林区树冠和植被对降水的截流率在60%以上,植被越好,树林郁闭越大,山地的山洪和水土流失就越小,不但可减轻洪水灾害,而且蓄水于地下,以丰补欠,调节林区水分供应;西峡县因森林覆盖率的降低,山洪次数增加.因此,应治山造林,绿化荒山.     

河北省城市热岛强度变化对区域地表平均气温序列的影响

按照大中城市站、城市站、国家基本/基准站与乡村站等类别,对河北省区域内55个气象站1961～2003年和1981～2003年时段月、季、年平均气温变化进行了对比分析.结果表明:近40年来,大中城市增温趋势最为显著,城市站、国家基本/基准站增温趋势较强,乡村站增温趋势最小,季节中以冬季增温为最大;城市热岛效应增强因素对大中城市站、城市站、国家基本/基准站年平均温度增加的份额分别占到44.7%、38.7%、39.7%.城市热岛效应增强因素对季节增暖的作用在夏秋季较大,冬季最小;近20年来各类台站增温趋势更加明显,但热岛增温效应对平均温度序列增温的相对贡献却在降低,说明近20年的迅速增温可能是由于大气环流和增强的温室效应引起的;近20年全省各类台站由于城市热岛效应引起的增温与1961～2003年整个时段相比表现不一,部分站城市热岛增温效应绝对量趋于增强,部分站城市热岛增温效应趋于弱化或消失.因此,城市热岛增温效应对台站和区域平均温度序列的影响比较复杂,它受到人口增长、城市化进程、乡村台站环境变化等多种因素的影响.     

城市生态环境与绿化植被相互作用研究

多年来城市生态环境和城市绿化植被研究一直是国内外学者关注的热点。本文从城市的气候、水文、土壤等环境特征发展变化以及城市绿化植被的生态环境效应等方面,阐述了国内外在该领域的研究动态和取得的成果,并指出了研究的不足和今岳应该加强之处．以期为推动和促进我国城市环境与城市生态动态研究提供参考依据。     

城市热岛效应研究进展

随着城市规模的高速发展和城市人口的急剧膨胀,因城市下垫面结构的急剧变化和城市人为热排放的迅速增加所引起的城市热岛效应已逐渐成为严重影响城市人居环境和居民健康的重要因素。城市热岛效应研究已成为城市气候和区域气候研究中的热点问题。为更好地研究城市热岛效应,及时追踪国内外最新进展,综述了城市热岛的概念和形成机制,重点介绍了地面气象资料观测法、遥感监测法和边界层数值模式模拟法等3种城市热岛效应研究方法,总结了城市热岛效应国内外最新研究进展。最后基于现有城市热岛效应研究不够完善和深入,研究过于简单化和表面化,尺度局限于宏观大尺度以及各种方法自身的局限性等不足,指出在未来的城市热岛效应研究中,应突破现有的大中尺度,注意结合高分辨率卫星遥感影像进行多尺度多平台监测以及综合考虑气溶胶粒子对辐射强迫的影响等。     

A Physically-Based Scheme For The Urban Energy Budget In Atmospheric Models

An urban surface scheme for atmospheric mesoscale models ispresented. A generalization of local canyon geometry isdefined instead of the usual bare soil formulation currently usedto represent cities in atmospheric models. This allows refinement ofthe radiative budgets as well as momentum, turbulent heat and ground fluxes.The scheme is aimed to be as general as possible, in order to representany city in the world, for any time or weather condition(heat island cooling by night, urban wake, water evaporation after rainfalland snow effects).Two main parts of the scheme are validated against published data.Firstly, it is shown that the evolution of the model-predictedfluxes during a night with calm winds is satisfactory, considering both the longwave budget and the surface temperatures. Secondly, the original shortwave scheme is tested off-line and compared to the effective albedoof a canyon scale model. These two validations show that the radiative energy input to the urban surface model is realistic.Sensitivity tests of the model are performed for one-yearsimulation periods, for both oceanic and continental climates. The scheme has the ability to retrieve, without ad hoc assumptions, the diurnal hysteresis between the turbulent heat flux and ground heat flux. It reproduces the damping of the daytime turbulent heat flux by the heat storage flux observed in city centres. The latent heat flux is negligible on average,but can be large when short time scales are considered (especially afterrainfall). It also suggests that in densely built areas, domesticheating can overwhelm the net radiation, and supply a continuous turbulentheat flux towards the atmosphere. This becomes very important inwinter for continental climates. Finally, a comparison with a vegetation scheme shows that the suburban environment can be represented with a bare soil formulation for large temporal or spatial averages (typical of globalclimatic studies), but that a surface scheme dedicated to the urban surface is necessary when smaller scales are considered: town meteorological forecasts, mesoscale or local studies.     

Simulation of a Summer Urban Breeze Over Paris

Numerical simulations for an anticyclonic summer episode in the Paris area have been performed at the meso- scale for a 48-hour period, and compared to observations from a dense operational observational network. The meteorological stations have been classified, according to the extent of urbanization of their surroundings, into four classes (central Paris, urban, suburban, and rural). The atmospheric model, coupled with an urban surface scheme, correctly reproduces the temperature (within 1 K from the observations) and humidity. The intense urban heat island during the night is also well represented.Following the validation, the model is used to quantify atmospheric effects of Paris on the boundary layer, through a comparison with a purely rural simulation. At night, the model simulates a neutral or even slightly unstable boundary layer to a depth of 200 m over the city. In contrast, a very stable layer formed in the countryside. During the day, the boundary layer was more turbulent and 500 m deeper over Paris; vertical velocities of up to 1 m s^-1 were created over the city. This leads to an urban breeze with convergence at low levels (with winds around 5 to 7 m s^-1), and divergence at the boundary-layer top (with similar wind speeds). The horizontal extent of the breeze reaches for more than 50 km from the city centre, and could have an important impact on pollutant diffusion in the area for calm days.Finally, three other spring cases are presented briefly. These show that an urban breeze develops if the synoptic wind is weak enough or disorganized; an urban plume develops otherwise.     

城市建筑物对边界层结构影响的数值试验研究

在区域边界层模式的数值模拟中引入建筑物的影响,与实际观测的对比表明,模拟结果能较好地体现建筑物对城市风场的影响,提高了模拟性能。本研究根据城市形态特征,设计不同建筑物高度和密度的敏感性试验,结果表明:建筑物一般会使城市地区风速减小,风速最大可减小1.6 m/s,易引起低层气流的辐合。湍流动能中的机械产生作用增加,湍流交换加强,大气层结的不稳定性增大,混合层高度增加。地表和大气之间动量交换被削弱;日间热量交换减弱,夜间热量交换增强。这些变化表明,建筑物对城市气流及边界层结构的影响十分明显,尤其在风速较大的时候。     

Formation of horizontal convective rolls in urban areas

The formation of horizontal convective rolls (HCRs) in urban areas is investigated in this paper using observations and fine-scale numerical simulations. Cloud streets organized parallel to the mean boundary-layer wind (a manifestation of HCRs) are seen in the Fengyun-2C satellite imagery around local noon in Beijing. Observed vertical velocity and horizontal wind fields from an urban wind profiler suggest that the time scale for alternating updraft and downdraft in the boundary layer is about 30 min, and the length of the updraft/downdraft is about 9 km. Numerical simulations show that most HCRs occur in the urban areas with − z_i / L < 25 (z_i: the boundary-layer depth, L: the Monin–Obukhov length). Sensitivity tests reveal that HCRs are common in urban boundary layers, while rural areas are more conducive to forming cellular convection; the aspect ratio of HCRs in urban areas is smaller than the typical value over natural landscapes.     

Spatial Variability of Flow Statistics within Regular Building Arrays

Turbulence statistics obtained by direct numerical simulations are analysed to investigate spatial heterogeneity within regular arrays of building-like cubical obstacles. Two different array layouts are studied, staggered and square, both at a packing density of . The flow statistics analysed are mean streamwise velocity (), shear stress (), turbulent kinetic energy (k) and dispersive stress fraction (). The spatial flow patterns and spatial distribution of these statistics in the two arrays are found to be very different. Local regions of high spatial variability are identified. The overall spatial variances of the statistics are shown to be generally very significant in comparison with their spatial averages within the arrays. Above the arrays the spatial variances as well as dispersive stresses decay rapidly to zero. The heterogeneity is explored further by separately considering six different flow regimes identified within the arrays, described here as: channelling region, constricted region, intersection region, building wake region, canyon region and front-recirculation region. It is found that the flow in the first three regions is relatively homogeneous, but that spatial variances in the latter three regions are large, especially in the building wake and canyon regions. The implication is that, in general, the flow immediately behind (and, to a lesser extent, in front of) a building is much more heterogeneous than elsewhere, even in the relatively dense arrays considered here. Most of the dispersive stress is concentrated in these regions. Considering the experimental difficulties of obtaining enough point measurements to form a representative spatial average, the error incurred by degrading the sampling resolution is investigated. It is found that a good estimate for both area and line averages can be obtained using a relatively small number of strategically located sampling points.     

城市大气边界层的数值研究

本文利用能量闭合的二维非线性、非定常模式,结合地面热量平衡方程,研究了城市热岛和城市热岛环流以及其它相关的城市边界层参量的发展演变规律;同时探讨了在城市污染面源的情况下,污染物的扩散、输送问题.模拟结果得到了天津市城市热岛观测资料的证实.     

太阳能光伏屋顶对城市热环境及能源供需影响的模拟

太阳能光伏屋顶的安装在一定程度上能缓解城市化带来的能源危机和城市热环境的破坏。将太阳能板的传热模型引入WRF模式的多层城市冠层方案中,选取了2017年7月21—27日一次典型的高温热浪天气过程,在线模拟太阳能屋顶两种安装形式（贴覆式和支架式）对城市热环境及能量平衡的影响。结果表明:（1）贴覆式太阳能屋顶可使白天2 m气温最多降低0.29°C,降温效果优于支架式屋顶,但夜间温度下降较小。支架式屋顶白天最大降温0.23°C,夜间降温效果明显,与普通屋顶相比,温度最多降低了0.60°C。（2）太阳能屋顶白天确实可以起到降温效果,抑制白天边界层的发展高度,降低边界层的厚度。（3）太阳能屋顶除了对城市气象的影响外,最重要的是它对能源的贡献。从结果来看,太阳能电池板产生的电能可以满足商业区54.5%的空调消耗。      

基于高分辨率数值模拟的杭州市通风廊道气象效应研究

城市通风廊道能增加城市空气流通能力,缓解城市热岛,为了定量评估城市通风廊道的气象效应,本文采用区域边界层化学模式(RBLM-Chem),利用杭州市高分辨率地表类型、城市建筑等资料,开展了杭州市通风廊道影响的模拟研究,模式水平分辨率为250 m。本文针对冬季和夏季两个典型个例进行数值模拟和敏感性试验,夏季个例时间为2013年8月12日,盛行南风,风向顺着通风廊道;冬季个例时间为2014年1月28日,盛行东风,风向垂直于通风廊道。主要结论如下:城市绿色通风廊道有增加风速、降低气温、提高湿度的作用,与没有通风廊道的情况相比,夏季风顺着廊道方向时,廊道区域风速平均增加可达1.4 m/s,廊道区域内60 m高度风速平均增加可达1 m/s。而冬季风垂直于廊道时,廊道区域风速增加较小,仅有0.5 m/s左右。通风廊道夏季降温幅度平均可达2.7°C,冬季降温幅度较小,仅有0.6°C左右。通风廊道对气象场的影响随风向向下游延伸,夏季在通风廊道下游250 m处,风速增加、气温下降、相对湿度增加最大值分别为1.5 m/s、2.9°C、3.1%,即使在通风廊道下游1500 m处,最大降温仍有1.2°C。