近20年来昆明市城市化进程对城市热岛效应的影响研究

近年来,城市化对城市气温影响是气候变暖研究中备受关注的问题之一。利用1987~2006年昆明及周围3个站点的气象数据分析城区和周围站点的气温变化差异,给出城市和郊区在不同年份、不同季节城市化影响下的气温变化趋势。研究发现:近20年来,城区年平均温度为15.7℃,郊区为14.9℃,受城市化的影响,昆明市城区热岛效应一直呈现增幅的趋势,其中在冬季热岛强度最大且增幅为0.399℃/10 a,而热岛强度最小的是夏季,UHI最高气温增幅为0.29℃/10 a,UHI最低气温增幅为0.56℃/10 a。在此基础上结合昆明城区的城市发展资料,运用熵值法、主成分分析方法探讨了城市发展对年热岛强度的影响,结果表明在不同时段影响因素不同,1987~1994年主要因素是建成区面积和人均GDP,而1995~2006年则是人均GDP和城镇人口。     

北京城市空间形态对热岛分布影响研究

在城市尺度上探究城市空间形态布局对城市热岛（UHI）影响研究,对于城市规划中通风环境改善、生态宜居城市建设具有重要意义。以北京为例,利用2009—2018年高密度自动气象站逐小时气温资料和2018年NPP/VIIRS夜光卫星资料,分析了UHI时空分布特征;利用2017年1∶2000基础地理信息和Landsat8卫星资料,开展了北京主城区建筑高度（BH）、建筑密度（BD）、建筑高度标准差（BSD）、容积率（FAR）、迎风截面积指数（FAI）、粗糙度长度（RL）、天空开阔度（SVF）、城市分数维（FD）等8个空间形态参数和植被覆盖度（VC）、不透水盖度（IC）、反照率（AB）等3个陆表参数的提取,并在城市尺度上开展了这些参数与UHI之间空间相关性及对UHI变化影响研究。结果显示：2009—2018年北京主城区年均、四季以及夜晚02时UHI均存在一个较为固定的形态,年均、春、夏、秋、冬、白天14时和夜晚02时UHI分别为1.81 ℃、1.50 ℃、1.43 ℃、2.16 ℃、2.17 ℃、0.48 ℃和2.77 ℃;8个空间形态参数在一年中大部分时段与UHI存在明显空间相关性,这种相关性在冬季强于其他季节,在夜晚02时强于白天14时,排名前三的分别为SVF、FAR和BD。空间形态参数已超越陆表参数成为UHI变化的重要驱动因子,11种参数对UHI变化的单独贡献为13.7%~63.7%,其中夏季、冬季和全年时段贡献最大的空间形态参数分别是BD（43.7%）、SVF（63.7%）和SVF（45.4%）,贡献最大的陆表参数分别是VC（42.6%）、AB（57.1%）和VC（45.3%）;夏季、冬季和全年时段多个参数对UHI变化的综合贡献分别为51.4%、69.1%和55.3%,主导要素分别为BD、SVF和BD。     

中国天山山区潜在蒸发量的时空变化

利用24个气象站1960-2006年的逐日气象资料,应用FAO Penman-Montcith模型,分析了天山山区潜在蒸发量的变化趋势,并在ArcGIS环境下通过IDW插值法分析了潜在蒸发量变化的空间分异,此外运用多元回归分析法对影响潜在蒸发量变化的主导因素进行了探讨.结果表明:年潜在蒸发量自60年代以来呈波状减小趋势,1986年之后减小趋势更加明显,2000年以后呈增加趋势.年潜在蒸发量的年际变化倾向率为-2.48 mm/a,表明潜在蒸发量总体上呈减小趋势;从季节来看,秋季的潜在蒸发量呈增加趋势,其它季节呈减小趋势,其中春季的减小幅度最大;风速是影响潜在蒸发量变化的主导因素,影响秋季潜在蒸发量变化的主导因素是气温.     

1960-2009年横断山区潜在蒸发量时空变化

以横断山区20 个气象站1960-2009 年逐日气象数据为基础,应用1998 年FAO 修正的Penman-Monteith 模型分析了横断山区潜在蒸发量的变化,在ArcGIS 环境下通过样条插值法分析了潜在蒸发量变化的时空分异,并对影响潜在蒸发量变化的气象因素进行了讨论,结果表明：年潜在蒸发量自20 世纪60 年代中期以来呈波动减小趋势,20 世纪80 年代中期之后减小趋势更加明显,2000-2009 年呈增加趋势。潜在蒸发量的年际变化倾向率为-0.17 mm a^-1,从空间分布来看,北部、中部、南部都呈减少趋势,倾向率由北向南逐渐减小。从季节来看,秋季和冬季潜在蒸发量呈增加趋势,春季和夏季呈减小趋势,春季减小趋势大于夏季,秋季增加趋势大于冬季。气温上升、风速和日照时数的降低是横断山区潜在蒸发量减少的主导因素,风速和日照时数的下降导致春季和夏季潜在蒸发量减小,气温上升导致秋季和冬季潜在蒸发量增加。     

野外近地表风沙流脉动特征分析

基于风沙流实时测量系统对流沙地表的输沙强度以及不同高度风速进行实时测量所获得的数据,分析野外实际风场中的风沙流脉动特征。结果表明:沙粒的存在削弱平均流场,但对风速的高阶统计矩和分布形式影响不大,不同高度、不同来流平均风速条件下,风沙流中风速仍近似符合高斯分布;瞬时输沙强度服从指数分布,滞后风速约1 s,脉动强烈;30 min输沙强度平均值和脉动标准差均随平均风速的增大而呈幂函数增加,但随风速脉动强度的变化呈先增大后减小的趋势。这意味着脉动风速对输沙率具有重要影响,需要在输沙率预测公式中予以考虑。     

博斯腾湖流域潜在蒸散发时空演变及归因分析

本研究采用博斯腾湖流域1970—2014年的气象站点数据及Penman-Monteith公式计算潜在蒸散发（ET0），对比分析了流域山区和平原区ET0的时空变化及对主要气象因子的不同影响。结果表明：1）在年际尺度上，山区ET0在1970—2000年整体呈波动下降的趋势（P<0.01），2000年开始，ET0呈现略微上升的趋势；平原区ET0在1970—1993年间以-77 mm/10a的速率呈减小的趋势（P<0.01），1993年之后逆转为以83.8 mm/10a的速率呈上升趋势（P<0.01），平原区的变化明显强于山区。2）季节上呈现夏季为流域ET0最高的季节，是年变化的主要贡献者；而变化趋势则表现为平原区春季和夏季ET0大于山区，秋季和冬季略小于山区。3）ET0变化对净辐射和风速最为敏感，同时，山区净辐射和风速对ET0变化的贡献率最大，平原区影响ET0变化的主导因素是风速，风速对ET0的贡献率均超过50%。     

农田风蚀量随风速的变化

采用长期野外观测和风洞模拟实验相结合的手段就农田风蚀量随风速的变化问题进行研究。结果表明:无论是野外观测的农田输沙强度,还是风洞模拟得到的风蚀强度随风速变化趋势均符合指数函数。这与前人通过实验得到的其他地区农田和草地风蚀量随风速变化的趋势一致,说明农田和草地上风蚀量随风速增加呈指数规律变化是一种普遍存在的现象。表土抗蚀性因子和地表粗糙因子不同导致的沙源供应能力的差异,可能是不同地类之间风蚀量随风速变化规律不同的主要原因。农田和草地沙源供应有限,风蚀量随风速增大呈指数规律变化;沙漠地区沙源充足,风蚀量随风速增加呈幂函数变化。本研究对于确定沙源供应条件对于风蚀量与风速关系的影响,构建基于有限沙源供应的风蚀模型具有重要意义。     

巴丹吉林沙漠周边地区近50 a来气候变化特征

 利用巴丹吉林沙漠周边9个气象站的1960—2009年逐月平均气温、平均最高气温、平均最低气温、降水量、平均相对湿度和日照时数及1960—2008年逐月平均风速的观测资料,运用线性回归、滑动平均和Mann-Kendall突变检验分析了该区近50 a来气候变化特征。结果表明,近50 a来,巴丹吉林沙漠周边地区年平均气温以0.40 ℃/10a的速率显著升高;四季平均气温的升高亦很显著,以冬季的升温速率最大;年、季节平均最高气温和平均最低气温均呈显著升高趋势;年、季平均日较差则显著减小,且以最低气温的升温速率大于最高气温的升温速率为特点。年降水量以0.87 mm/10a的速率呈不显著增加趋势;各季节降水量变化略有差异且均不显著,春季降水量略有减少,夏、秋和冬季略有增加。湿润指数的变化不明显,总体来看,年和冬季湿润指数略有增大,春、夏和秋季湿润指数略有减小。年日照时数以34.8 h/10a的速率显著增加,各季节日照时数亦均有增加趋势,其中春季增加最为明显。年平均风速以-0.092 m·s-1·(10a)-1的速率呈显著减小趋势;各季节平均风速均显著减小,以冬季的减小速率最大。     

风沙流中风速纵向脉动的实验研究

在4种风速条件下对风沙流中风速纵向脉动特性进行了风洞实验研究。研究发现，风速纵向脉动很大．不容忽视；脉动绝对大小随进口风速提高有增强趋势，随着高度的增加则变化不大；垂线脉动强度平均值随主流速度基本成正向线性关系；以脉动强度与当地风速之比表示的相对脉动强度随高度增加而降低，并且不同风速条件下相对脉动强度在床面附近相差较大，远离床面则趋向一致。另外，采用幂函数形式可较好地描述风沙流中平均风速的垂线分布。     

塔克拉玛干地区气候变化对全球变暖的响应

从地面水汽压(大气含水量)、平均风速、湿润指数、相对湿度和气压的角度分析在全球变暖的情况下,塔克拉玛干地区气候的年和季节变化特征,结果表明:①年和四季平均风速呈阶梯式下降趋势,具有显著减小的线性趋势,并于1973年发生了由大到小的突变。②夏、秋、冬季和年地面水汽压(大气含水量)自20世纪80年代以来呈较大幅度波动式上升,具有显著的线性增加趋势。夏、秋季地面水汽压于1969年和1973年发生了由少到多的突变。秋、冬季大气含水量的显著增加并没有导致降水量的增加,降水量的变化不能充分反映大气含水量的变化。③夏季湿润指数有显著增加趋势,春季有微弱的上升趋势,而降水量夏季和年有显著增加趋势,春季有微弱的上升趋势,说明综合反映气候干湿变化的湿润指数变化与单用降水量表示的气候干湿变化不完全一致。④夏、秋季和年相对湿度呈波动式上升趋势,夏季和年相对湿度分别于1970年和1974年发生了由低到高的突变。⑤年和四季的平均气压40a来无变化。     

北京地区城市热岛强度长期变化特征及气候学影响机制

选择北京地区为研究区,基于1967~2016年城市站（北京站）和城郊农村站（密云站）的长期气象观测数据,研究平均气温、最高气温、最低气温对应的城市热岛强度长期变化特征及其气候学影响机制。研究发现,过去50 a平均气温和最低气温对应的城市热岛强度显著增加,增温率分别为0.29℃/10a和0.45℃/10a,而最高气温对应的城市热岛强度则没有明显变化趋势;统计分析显示过去50 a北京地区相对湿度、风速和日照时数显著降低以及气温显著上升有利于城市热岛的形成,强化城市热岛强度;未来全球变暖和快速城市化背景下北京地区城市热岛效应将进一步加剧,形成更频繁和持续时间更长的夏季城市高温热浪,严重危及城市居民生产生活和生命健康。     

上海城市热岛与热浪协同作用及其影响因子

在全球变暖的背景下,热浪变得更加频繁。城市地区由于城市热岛效应在热浪事件中承受更大的风险。然而城市热岛与热浪之间的相互作用还少有研究。利用2016-2017年两个夏季（6-8月）上海城、郊气象站逐时气温、风速、相对湿度资料、城区徐家汇和郊区奉贤涡动相关通量观测资料对比分析了热浪和非热浪期间城市热岛强度的差异,并利用一个平流扩散解析模型揭示了城市热岛与热浪相互作用的物理机制。结果表明,热浪期间的城市热岛强度相比非热浪期间明显增强,且白天增强大于夜间,显示出城市热岛与热浪之间的协同效应。热浪期间城、郊相对湿度比值相对非热浪期间明显减小,表明热浪期间城区地表相对郊区变得更干,从而抑制了蒸发作用,加剧了城市热岛强度;平均风速也明显减小,平流降温效应减弱,对城市热岛强度起正反馈效应。热浪期间城区净辐射通量的增加大于郊区,使城区获得更大地表辐射输入;由于城区更少的植被覆盖和更多的不透水下垫面,热浪期间城区潜热通量略有降低,而郊区明显增加;城区感热通量增幅则大于郊区,这种感热和潜热通量分配的改变也加剧了城市热岛强度。本研究对城市如何应对加剧的热风险具有重要的科学指示意义。     

北京地区气温多尺度分析和热岛效应

以北京地区20个气象观测站47年(1960-2006年)逐日的平均气温记录为基础,利用线性倾向估计、突变分析、小波分析等分析方法对北京地区气温的时空分布特征及其热岛状况进行了分析.研究表明:近47年来北京地区年平均气温变化呈上升趋势,7年滑动平均曲线表明这种上升趋势近年来稍有减弱.城市热岛效应明显,四季热岛效应的时间和空间均有差异.冬季热岛效应比夏季强,但夏季热岛效应呈现出多中心的现象.小波分析表明热岛强度存在3个周期变化.在25a左右的尺度上,进入21世纪春季和冬季相对较弱,夏季和秋季较强.     

Characteristics of urban heat island effect in Lhasa City

This paper analyzes the Urban Heat Island (UHI) effect in Lhasa City of Tibet using meteorological observations, the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), Land Surface Temperature (LST) data obtained from Earth Observing System/Moderate resolution Imaging Spectroradiometer (EOS/MODIS) information, and correlation and composite analyses. The results show: (1) Areas with high temperature are primarily located in the center of the city or nearby counties, while low temperature areas are in the suburbs of counties. The area with high temperature has expanded in recent years and some high-temperature centers have even migrated to certain other regions. (2) The UHI intensity tends to be stronger both in annual and seasonal variations, especially in winter. Also, LST is somewhat positively related to mean air temperature. (3) A negative correlation exists between the changes of LST and NDVI with the increase of vegetation from urban to rural areas in different seasons. (4) The UHI intensity is negatively correlated with precipitation while positively correlated with wind speed, and the relation between the UHI intensity and evaporation varies with the seasons, namely, the intensity is positively correlated with summer evaporation but negatively correlated with winter evaporation. (5) UHI intensity might be enhanced by intensified urbanization, wherein built-up areas expand, there is increased heat from human activity, and there is more artificial heat input to the atmosphere.     

长江三角洲城市带扩展对区域温度变化的影响

利用DMSP/OLS 夜间灯光数据、土地利用统计数据和气象站常规观测资料, 结合NOAA/AVHRR、MODIS 反演的月地表温度数据, 定量考察了长江三角洲城市群热岛增温效应对区域温度气候趋势的贡献, 结果表明: ① 1992-2003 年长江三角洲城市化经历了一个快速的空间扩展过程, 宁镇扬、苏锡常、上海大城市区、杭州湾4 个城市群构成了一个“之” 字形城市带, 城市群之间出现城市化连片趋势, 城市带区域内1961-2005 年年平均气温增温 速率为0.28~0.44 ^oC/10a, 显著高于非城市带区域。② 城市热岛效应对区域平均温度的影响以夏秋季最强, 春季次之, 冬季最弱。③ 长江三角洲城市带热岛强度和城市总人口对数呈线性正相关关系。④ 城市带增温效应使得区域的年平均气温在1961-2005 年间增加了0.072 ^oC, 其中1991-2005 年间增温幅度为0.047 ^oC; 年最高气温升高了0.162 ^oC, 其中1991-2005 年间 增温幅度为0.083 ^oC, 表明1991-2005 年间长江三角洲城市带的空间扩展正在改变区域温度变化趋势, 且这种增温趋势显著。     

北京城市热岛环境时空变化规律研究

借助北京地区1997年、2004年的Landsat TM热红外图像,在RS和GIS技术的支持下,利用大 气探空数据对图像进行大气校正,采用单窗算法反演得到北京市区和周围地区的地表温度分 布图,地面验证表明单窗算法反演地表温度具有较高的精度.研究发现,北京市存在明显的 城市热岛效应;不同下垫面所对应的地表温度有明显差异,总体上城区地面温度明显高于郊 区,水体温度最低;随着城市规模的扩张,北京市的城市热岛效应有逐年增强的趋势,且人为因素对城市热岛的贡献逐渐加大.     

Impact of urban expansion on regional tempera-ture change in the Yangtze River Delta

Based on non-radiance-calibrated DMSP/OLS nighttime light imagery from 1992 to 2003, urban land area statistical data, meteorological data and land surface temperature data retrieved by MODIS and NOAA/AVHRR data, the influence of urbanization on regional cli-matic trend of temperature in the Yangtze River Delta (YRD) was analyzed. Conclusions are as follows: 1) There is a significant urbanization process from 1992 to 2003 in the YRD. Four city clusters of Nanjing–Zhenjiang–Yangzhou, Suzhou–Wuxi–Changzhou, Shanghai and Hangzhou Bay form a zigzag city belt. The increase rate of annual mean air temperature in city-belt is 0.28–0.44℃/10a from 1991 to 2005, which is far larger than that of non-city-belt. 2) The urban heat island (UHI) effect on regional mean air temperature in different seasons is summer>autumn>spring>winter. 3) The UHI intensity and the urban total population logarithm are creditably correlated. 4) The UHI effect made the regional annual mean air temperature increased 0.072℃ from 1961 to 2005, of which 0.047℃ from 1991 to 2005, and the annual maximum air temperature increased 0.162℃, of which 0.083℃ from 1991 to 2005. All these indicating that the urban expansion in the YRD from 1991 to 2005 may be regarded as a serious climate signal.     

Influence of urban expansion on the urban heat island effect in Shanghai

The urban heat island (UHI) effect resulting from rapid urbanization is attracting increasing attention among the global scientific community. This research analyzed the relationship between urban expansion and the UHI effect utilizing an integrated approach, including urban land interpretation and retrieving land surface temperature based on remote sensing, and spatial overlay analysis for revealing the relationship for different time periods between 1984 and 2014 in Shanghai, China. The results show that (1) the spatiotemporal changes in UHI are consistent with the expansion of urban land, and rapid urban expansion leads to an expansion of the UHI, in particular along roadways. (2) The mode of urban expansion is an important factor influencing the UHI effect. Urban sprawl (urban expansion in the edge-expansion way) is a form of typical expansion that leads to the rapid increase in the UHI. When the urban compactness ratio is less than 0.15, a compact design can effectively control the expansion rate of the UHI and mitigate its range of influence and intensity. However, when the urban compactness ratio is greater than 0.15, the urban design has a marked influence on the UHI ratio index: a more compact form produces a stronger UHI effect. So, finding an equilibrium between urban compactness ratio and urban expansion rate is good for effective urban management and planning.     

Predicting air temperature simultaneously for multiple locations in an urban environment: A bottom up approach

Cities are characterized by high heterogeneity that results in varied microclimate effects. The current study introduces a new bottom–up approach linking the urban Canyon Air Temperature (CAT) model with spatially distributed inputs extracted from a GIS data-base and remote sensing products to predict intra-urban temperature variability simultaneously for multiple locations in an urban environment. To provide proof of concept, the model was applied for the city of Bat-Yam, Israel. Simulation shows a maximum nighttime urban heat island (UHI) intensity of 2–2.25 °C, relative to a rural reference point, during both summer and winter, with significant spatial variability related to the height-to-width ratio of urban street canyons and to the surface land cover. The CAT simulation also highlighted the important influence of the local wind regime on the development and persistence of the nocturnal UHI. We conclude that linking CAT to a GIS data-base supports simulations at the city scale that reflect the local intra-urban variability. The model can be used to investigate both macro and micro scale spatio-temporal characteristics of the UHI in various urban development scenarios, which may be applied to generate appropriate geographically-explicit mitigation and adaptation measures.