基于人居尺度的中国城市热岛强度时空变化及其驱动因子解析

全球变暖的大背景下城市地表热环境的日趋恶化是全球现代城市共同面临的生态环境问题之一,对城市地区居民的身心健康、空气质量改善以及植被生长发育等诸多方面造成不利影响.本文利用2001~2018年时间序列MODIS地表温度数据产品,基于一致性方法对我国1232个主要城镇人居斑块（面积>10 km²）的热岛强度及其时空变化模式进行了定量测度,并应用随机森林回归模型（RF）试图揭示人类活动、城市形态、地形、植被以及气象因素对我国城市热岛强度的非线性驱动机制.结果表明,在人居尺度上,我国超过90%的城镇存在显著的昼夜热岛现象;昼夜城市热岛强度分别达到（0.75±0.6）℃和（0.81±0.53）℃,且夏季日间热岛强度显著高于冬季,冬夏季节夜间热岛强度差异不大.2001~2018年间我国白天热岛强度呈现逐年轻微下降趋势,而冬季夜间热岛显著增加,在夏季和年均尺度上则无显著变化.在空间分布上,我国东部沿海省份的白天热岛强度显著高于西北和高原省份,而夜间热岛分布模式正好与之相反.RF回归结果表明,城镇的气候背景（年均降雨量）和地理位置（纬度）是我国昼夜城市热岛的最为重要的两个主控因子.此外,缩小城乡绿色植被覆被差异对白天热岛的减缓将起到一定作用,而优化调控中小型城镇建成区规模与人口密度对缓解我国夜间热岛的持续升高也将起到积极作用.     

关中平原城市群夏季城市热岛特征及驱动力

以2001~2017年夏季长时间序列的MODIS地温产品及相关数据为基础,使用Mann-Kendall非参数检验与Sen’s斜率分析法揭示了关中平原城市群地表热环境的时空变化趋势,利用主成分分析法构建城市热环境指数（UTEI）来表征地区热环境的优劣,借助地理探测器对影响地表温度（LST）的主要因子进行驱动力分析.结果表明,关中平原城市群2001~2017年间夏季白天平均LST为29.3℃,夜晚为18.3℃,白天和夜晚LST的变化率分别为-0.053和0.026℃/a,白天的降温幅度略高于夜间的增温幅度.地表热岛强度（SUHII）在17a间呈上升趋势,白天的增长速率大于夜间,老城区的SUHII大于新建城区.UTEI与LST之间存在显著的负相关,白天（P<0.05,R²=0.850）和夜晚（P<0.05,R²=0.624）都表现为二次曲线关系.因子探测分析表明,地表干度指数（NDBSI）、高程（DEM）与增强植被指数（EVI）是白天LST空间分异的主控因子（q>0.6）,夜晚LST受夜间灯光、DEM与气溶胶光学厚度（AOD）的影响更大（q>0.4）.交互探测结果显示,DEM与NDBSI之间的交互效果在白天最好,DEM与夜间灯光之间的交互作用在夜间最大,任意双因子之间的交互作用优于单一因子的作用效果.本研究对于加强关中平原城市群地表热环境的监测与评价具有重要指导意义.     

昼夜增温速率的不对称性对新疆地区植被动态的影响

结合1982~2013年归一化植被指数(NDVI)、植被类型和气象数据,分别利用一元线性回归和二阶偏相关分析方法,分析了新疆地区生长季白天最高气温(T_(max))和生长季夜间最低气温(T_(min))的变化趋势以及昼夜增温的不对称性对各类型植被活动的影响.结果表明:近32年来新疆地区T_(max)及T_(min)都存在极为显著的上升趋势,生长季T_(min)的增长速率约为T_(max)增长速率的1.5倍,昼夜增温速率呈现出不对称性;昼夜增温对植被活动的影响呈现出明显的分异特征:相比于白天增温,夜间温度的变化对新疆植被的影响区域更为广泛,而且对植被的影响程度更大;各植被类型NDVI对昼夜增温速率的不对称性也产生了不同的响应:白天增温对针叶林产生显著的积极影响,而夜间增温对针叶林、农业植被、草原及草甸植被表现出显著的积极影响.     

基于植被指数和地表反照率影响的北京城市热岛变化

利用TERRA/MODIS遥感反演的地表温度资料,对2000—2006年北京城市热岛季节变化特征进行了研究,结合同期降水量、植被指数和地表反照率变化,分析了该地夏季城市热岛的年际变化成因. 结果表明:北京多年四季热岛分布主要以城区为中心向周边郊区延伸,其中夏季城市热岛最强,春、秋和冬季较弱,这种热岛强度的季节性差异主要与太阳辐射强度、地表植被覆盖状况和城市人为热释放等的季节性变化密切相关. 北京夏季城市热岛的年际变化特征为:2005和2006年最显著,热岛中心强度分别为10.54和9.61 ℃;2002和2004年城市热岛最弱,热岛中心强度分别为6.54和7.39 ℃. 2000—2006年北京市夏季城市热岛具有明显增强趋势,热岛强度增温率为0.326 ℃/a. 北京夏季降水对城区地表温度影响大于郊区,降水主要通过影响城区地表温度来影响城市热岛变化;夏季地表植被和地表反照率变化对地表温度和城市热岛也均有较大影响. 2000年以来,北京郊区夏季地表植被指数增加率远高于城区,受地表植被和地表反照率变化的影响,郊区降温率明显大于城区,致使城郊温差增大,热岛效应加强.      

卫星遥感成都平原城市热岛效应的动态特征

使用不同季节的12次NOAA/AVHRR数据,将热岛强度△Tm进行平均,全年成都市和中小城市△Tm的平均值分别为5.75和3.35℃;夏季的平均值最大,分别为7.50℃和4.84℃;春、秋季次之;冬季最小,分别为3.33和1.62℃。白天和夜间△Tm的平均值比较,成都市分别为7.39和3.46℃,白天是夜间的2.14倍;中小城市分别为4.44和1.83℃,白天是夜间的2.43倍。     

中国84个主要城市大气热岛效应的时空变化特征及影响因子

日益加剧的城市化致使我国城市热岛效应日趋严重,进而严重影响区域环境和人类健康.目前有关我国城市热岛效应的研究多基于卫星遥感获取的辐射温度,有关大气热岛效应时空变化格局的认识相对薄弱.本文选取84个代表性城市,基于1960~2017年逐日气温观测数据,分析了我国大气城市热岛的地理分布特征及其昼夜、年内和年际变化趋势.结果表明,所有城市平均热岛强度为（0.9±1.1）℃,不同地区热岛强度差异明显,北部地区明显高于南部地区,华北地区最大,年均强度达（1.4±1.4）℃;不同时间和季节热岛强度差异大,尤其东北和西北地区,整体表现为夜晚[（1.2±1.1）℃]明显高于白天[（0.5±1.2）℃],白天夏季高于冬季,夜晚冬季高于夏季;从年际变化来看,大部分城市年平均热岛强度呈明显增加态势,平均增长速率达到0.040℃·（10 a）^-1,但在2009年后出现明显减弱趋势;通过分析热岛强度与局地气候和不透水面的关系,结果发现大气热岛强度空间分布受气候背景和气象站点位置影响较大,而长期变化受不透水面比例影响较大.本研究将深化对我国大气热岛效应变化规律的认识,为制定缓解高温热浪的城市土地利用策略提供参考.     

模拟降水量减少对大豆-冬小麦轮作农田土壤呼吸的影响

为研究降水量减少对旱作农田土壤呼吸的影响,设置大豆-冬小麦轮作田间试验.采用随机区组试验,在田间设置对照（CK）、降水量减少20%（P20%）、降水量减少40%（P40%）处理,观测了3个处理土壤呼吸、土壤温度、土壤湿度的季节动态变化,并观测土壤CO₂产生速率、硝化速率、反硝化速率、收获时的作物生物量.结果表明,在大豆生长季,CK、P20%、P40%这3个处理的季节平均土壤呼吸速率分别为（4.91±0.67）、（4.19±0.39）、（4.35±0.32）μmol·（m²·s）^-1,处理间差异未达到显著水平（P>0.05）;在冬小麦生长季,这3个处理的季节平均土壤呼吸速率分别为（2.39±0.17）、（2.03±0.02）、（1.94±0.05）μmol·（m²·s）^-1,表现为CK > P20% > P40%,处理间差异达到显著水平（P>0.05）.降水量减少降低了土壤CO₂产生速率,但对土壤硝化速率和反硝化速率的影响不明显.降水量减少对大豆根、茎叶、籽粒生物量无显著（P>0.05）影响,但显著（P<0.05）降低了冬小麦的根、茎叶、籽粒生物量.土壤温度是影响土壤呼吸季节变异的主要因素,两者间呈指数回归关系,不同处理间的温度敏感系数（Q₁₀）无显著（P>0.05）差异.     

基于CALIOP探测的京津冀地区气溶胶垂直分布特征

利用2011—2015年星载激光雷达(CALIOP)探测资料分析京津冀地区气溶胶消光系数(AEC)的垂直分布,AEC表征了气溶胶的浓度水平。结果表明:AEC的垂直分布季节变化显著,2 km以下尤为明显;整层气溶胶光学厚度(AOD)在夏季(0.7)高于其他季节,湿度对AEC产生较大的影响;而500 m以下低层的AEC体现的特征与之相反,冬季最大(0.65 km~(-1)),春夏季较小(0.25 km~(-1))。夏秋季低层AEC存在较大昼夜差异,夜间最大为0.65 km~(-1),是白天的2.5倍,低层较大的相对湿度昼夜变化成为消光系数巨大差异的主因。南北向贯穿京津冀地区垂直剖面上AEC的分布显示,在夏季夜间,气溶胶浓度水平在南部地区的低层较高,而在其他季节并没有体现出明显的南北差异。     

2001-2010年青海湖流域植被覆盖时空变化特征

基于2001—2010年MODIS-EVI时间序列数据反演了青海湖流域植被覆盖的空间格局和变化规律,并结合气象观测数据,在年际、月际等不同时间尺度上分析了植被变化及其对气候变化的响应以及驱动机制。结果表明:(1)2001—2010年青海湖流域总体植被变化趋于变好,EVI值10年共增长10.38%,其中春季和夏季植被增长率最大,10年增长率分别达到15.2%和18.63%;(2)植被对气候因子的响应具有明显的空间异质性。流域内植被覆盖增加的区域占全流域面积的70.68%,其中显著增加的区域占8.2%,主要分布在布哈河中游以及青海湖北部草场地区,植被覆盖下降的区域占总面积的29.32%,主要分布在西北高海拔地区以及青海湖湖滨沙地;(3)植被变化对气候因子的响应具有复杂性,在不同时间尺度上EVI和气候因子相关性不同。在年际尺度上,EVI和气温的相关系数是0.29,和降水无明显相关性;但比较10年中的生长季,即植被生长5—9月的EVI和气温、降水相关性为0.33和0.27,这里降水相关性显著增高,总体上说,气温是年际植被变化的主导因素。在月际尺度上,EVI和气温、降水强烈相关,相关系数分别为0.76、0.86(P0.01)。青海湖地区地处高海拔地区,且雨热同季,某种程度上揭示了高原植被的生长策略和对气候的响应机制。     

新疆自然植被对非对称性昼夜增温的时滞响应

为探究新疆地区植被活动与昼夜增温之间的复杂关系,本文利用2000~2015年归一化植被指数（NDVI）及气象数据,定量研究了新疆北疆、南疆及伊犁地区生长季日间最高气温（T_max）、夜间最低气温（T_min）变化趋势及植被对非对称性累积昼夜增温的时滞响应,通过二阶偏相关分析了T_max、T_min对新疆地区植被的影响.结果表明：北疆、南疆及伊犁地区昼夜增温均呈非对称性,昼夜增温空间异质性显著,北疆地区T_min增温速率为T_max增温速率的1.67倍,南疆地区T_min增温速率为T_max增温速率的1.59倍,伊犁地区T_min增温速率为T_max增温速率的2.67倍,伊犁地区昼夜温差缩小趋势显著.植被对非对称性昼夜累积增温时滞性呈现明显的空间差异,T_max、T_min对新疆地区植被平均滞后时间为（0.97±0.93）个月和（0.91±0.95）个月.南疆、北疆及伊犁地区针叶林、阔叶林及草甸草原植被受日间增温的影响,荒漠草原、典型草原受夜间增温影响显著,夜间增温影响范围更广.     

Diurnal variation of nitrated polycyclic aromatic hydrocarbons in PM10 at a roadside site in Xiamen, China

Intensive daytime and nighttime sampling was carried out from 23 Oct to 31 Dec 2008 to investigate the occurrence of nitrated polycyclic aromatic hydrocarbons (NPAHs) in PM₁₀ at a roadside site in Xiamen, China. At the same time, six PM₁₀ samples were collected from a nearby roadway tunnel for comparison. Six NPAHs, namely 9-nitroanthracene, 2-and 3-nitrofluoranthene, 1-nitropyrene, 7-nitrobenz[a]anthracene, and 6-nitrobenzo[a]pyrene, were identified and quantified using GC/MS in negative ion chemical ionization mode. The average total concentration of six NPAHs (∑NPAHs) in the cold season (26 Nov-31 Dec) was 2.3 (daytime) and 9.9 (nighttime) times higher than those in the warm season. Significant statistical difference (p < 0.01, 2-tailed) of ∑NPAHs between daytime and nighttime was found during both the warm and cold seasons. NPAHs were significantly positively correlated with their parent PAHs and nitrogen dioxide but negatively correlated with ambient temperature. The ratio of 2 + 3-nitrofluoranthene to 1-nitropyrene exhibited a similar diurnal pattern as ∑NPAHs and was generally greater than 5, indicating the importance of secondary atmospheric formation. The diurnal variations of NPAHs were all influenced by the diurnal variations of PAHs, nitrogen dioxide, sunlight, and temperature. The daily inhalable exposure to the six NPAHs in the tunnel was much higher than the roadside values in the warm season but only slightly higher than those in the cold season.     

西安冬春季PM10中碳气溶胶的昼夜变化特征

为探讨西安市大气碳气溶胶的季节变化和昼夜变化特征及来源,于2006-12-19~2007-01-21(冬季)和2007-04-01~2007-04-30(春季)连续采集了大气可吸入颗粒物(PM10)样品,并采用IMPROVE热光分析法分析了其中有机碳(OC)和元素碳(EC)的昼夜浓度.结果显示,冬季白天PM10及其中OC和EC的平均浓度分别为455.0、62.4和7.5μg/m3,夜晚的平均浓度分别为448.7、66.1和6.9μg/m3,对应春季白天的平均浓度分别为397.9、26.7和6.9μg/m3,夜晚分别为362.1、31.9和8.6μg/m3.冬季白天OC与EC的相关系数为0.44,较之春季0.81要差,主要与冬季采暖期燃料的多样性有关.碳气溶胶组分中,冬季白天和晚上二次有机碳气溶胶(SOC)的平均浓度为8.9和10.2μg/m3,远高于春季(2.8和3.4μg/m3),说明冬季较高的OC排放及较低的大气扩散能力利于碳气溶胶中SOC的生成.对碳气溶胶8种组分的因子分析结果表明,冬季燃煤排放及郊区的生物质排放对碳气溶胶有重要的贡献,而春季机动车的贡献明显增加.     

北京地区近35年大气污染扩散条件变化

本文使用NCEP(National Center for Environmental Prediction)再分析月平均数据(2.5°×2.5°)、1980~2015年北京地区(54511站点)的探空数据及温、压、湿、风、降水数据,分析了近35年来北京地区大气污染扩散条件的变化.主要结论有:1980~2015年,大气不断增温,1990年以后逆温明显,大气较为稳定,冷空气到达北京上空后对下层的影响减弱,3级以上偏北风频率减少,近地层辐合.同时,2000年以后中高层下沉运动位置不断下压,低层上升运动加强,低层上升运动被限制在边界层以内,这样会导致垂直扩散条件转差.1980~1989年大气容量指数较为稳定,1990~1999年大气容量指数出现波动,而2000~2015年大气容量指数呈现明显减小的趋势.总体来看,近35年大气自身的容纳能力呈现一个平缓的下降趋势.1980~1989年春季和冬季大气容量指数较大,1990~1999年春季和夏季大气容量指数较大,但是2000年以后,无论哪个季节,大气自身的容纳能力都是在减弱的,季节性差异变小.边界层高度在这30多年来都是春季和夏季较高,秋季和冬季明显降低.     

京津冀城市群土地利用变化对热环境的影响研究

基于2000和2015年两期土地利用数据,运用WRF模式（Weather Research and Forecasting Model）模拟与数理统计方法,设计4组城市气温对比方案,定量模拟京津冀城市群土地利用时空格局变化对区域热环境的影响。结果表明： 1）2000—2015年城市群建设用地增加2 840 km²,94.37%由耕地转换而来; 2）北京土地利用变化对廊坊、天津和唐山气温变化的影响最为明显,天津的土地利用变化对廊坊气温变化的影响最为明显; 3）分季节来看,北京与天津的土地利用变化对城市群季均气温的影响排序为：秋季>夏季和春季>冬季; 4）其他地区土地利用变化使北京市年均气温增加0.07 ℃,且夏季降温作用明显,而该变化对天津市年均气温作用不明显,但秋季与冬季的增温区域形成了京津唐热环境连片发展的空间分布格局; 5）城市群土地利用变化对热环境影响表现出明显的“遥响应”特性,因而有必要从大尺度、泛区域的角度认识城市扩展对热环境的影响。     

南京北郊大气VOCs体积分数变化特征

利用2011-03-01~2012-02-29南京北郊大气VOCs观测资料,对大气VOCs体积分数的时间序列变化特征、光化学活性差异和来源特征进行了研究.结果表明,VOCs体积分数平均为43.52×10-9,并呈现夏季高,冬季低的季节变化.VOCs体积分数呈现夜间高,白天低的日变化特征.VOCs体积分数夜间呈现夏季>秋季>春季>冬季,白天呈现冬季>夏季>春季>秋季.VOCs日变化幅度秋季最大,冬季最小.烷烃和烯烃日变化幅度最大值出现在秋季,芳香烃和炔烃日变幅最大值出现在春季.采用丙烯等量体积分数方法表示,VOCs物种中烯烃含量最高,芳香烃次之,烷烃最小.T/B、E/B和X/B比值平均值分别是1.23、0.95和0.81,反映出影响观测点的气团呈现一定老化程度.以3-甲基戊烷作为机动车排放典型示踪物,估算得到乙烯、甲苯和间,对-二甲苯分别有85%、71%和82%来自非机动车源.     

中国城市热岛时空特征及其影响因子的分析

全球气候变暖背景下,城市热岛效应会加重城市地区的热胁迫,对人类健康和生存发展提出严峻挑战.近年来我国雾-霾污染情况严重,但雾-霾对城市热岛影响的认识仍较匮乏.本研究基于MODIS遥感卫星地表温度数据,明确了我国2003~2013年白天、夜间以及四季城市热岛的空间变化,并从生物物理学和生物化学角度定量分析其控制机制.结果表明,影响我国白天城市热岛强度的主要因素为人口、农田灌溉和植被活动.纬度、降水量、反照率以及气溶胶浓度是夜间城市热岛强度的主控因子.从对比城乡粗糙度、反照率等生物物理学属性的角度,揭示了乡村背景环境对城市热岛分析的重要影响.结果表明,雾-霾治理可以缓解我国夜间城市热岛现象和热胁迫,有利于缓解区域甚至全球气候变化.     

太湖藻型湖区CH4冒泡通量

冒泡是甲烷排放的主要途径之一,为量化太湖藻型湖区CH₄冒泡通量及其占总通量的比例,本研究采用静态箱-便携式温室气体自动分析仪方法对春、夏季太湖梅梁湾进行了多日连续观测.结果表明,太湖藻型湖区春、夏季CH₄冒泡通量均存在白天高于夜间的日变化特征.春、夏季CH₄冒泡通量分别为1.843、104.497nmol/（m²·s）,占总通量的比例分别为31.2%和68.6%,即冒泡是夏季CH₄排放的主要方式,而春季CH₄排放则以扩散为主.在小时及日尺度上,CH₄冒泡通量与温度（气温、表面水温和底泥温度）和气压显著相关,且随着温度升高、气压降低,CH₄冒泡排放分别呈指数增加和线性增加趋势.本研究可为准确估算太湖流域CH₄总排放量及明确我国湖泊对全球碳循环的贡献提供重要的基础数据.     

华北平原和山区城市PM2.5和O3变化关系比较分析

利用2015~2019年环境监测数据,对比分析华北地区平原城市保定市和山区城市张家口市PM_2.5和O₃变化和相关关系.结果表明：保定市PM_2.5夏低冬高,O₃夏高冬低,日变化为午后单峰型,而张家口市PM_2.5浓度低,日变化幅度较弱,冬季O₃日变化为午后峰值和凌晨5：00左右弱峰值双峰型.张家口市冬季全天及春夏秋季夜间O₃浓度显著高于保定市,甚至夏季出现夜间O₃超标异常,最高浓度达到202μg/m³,反映了平原城市和清洁山区大气物理化学过程变化的影响.PM_2.5和O₃在4~9月为正相关,11~3月为负相关;保定市PM_2.5-O₃相关系数日变化呈单峰型,张家口市为双峰型变化,凌晨和午后各有一峰值,华北地区平原污染区和高山相对清洁区,大气复合污染物PM_2.5和O₃作用关系的日变化及季节特征具有明显差异.