基于多源卫星资料的京津唐城市群热环境研究

基于FY-3A/B、MODIS/Aqua、NOAA18/AVHRR等多源卫星资料,利用地表热岛强度、热岛比例指数开展了京津唐城市群热岛时空变化分析研究,并结合Landsat-TM卫星资料提取的地表参数、气候背景参数和社会经济参数等开展了地表热场的成因分析研究。研究结果表明:地表热岛强度指标能有效反映京津唐城市群热岛的时空变化,热岛强度的大小与高温强弱没有直接关系,而且地表热岛强度只有在夜晚才与气温观测具有一致性,即冬季最强,夏季最弱;而在白天则呈相反规律。热岛比例指数估算显示2012年京津唐城市群热岛强度排名前3的分布是天津市辖区(0.86)、北京市辖区(0.85)和朝阳区(0.74),唐山市辖区也达到了0.50。热场成因分析表明不透水盖度是城市热岛差异的最重要下垫面因子,遥感陆表温度较现有气象观测更能显示城市热岛的空间分布,城市热岛强弱与国民生产总值、人口数、用水量和用电量都有比较明显的线性正相关关系(线性回归模型决定系数R2分别为0.513 1、0.485 3、0.483 6和0.306),而与人为热有明显的对数正相关关系(模型决定系数R2为0.672 3)。不透水盖度、人均用水量和年平均气温构成了城市热环境差异的主要影响因子(模型决定系数R2为0.80),反映了城市下垫面参数、社会经济活动和气候背景因素对城市热岛空间差异的共同影响。     

天津城市热岛及其对污染物扩散影响的数值模拟

城市热岛直接影响城市风场结构和污染物扩散路径,以能量平衡模式得到的地面温度作为下边界条件、中尺度气象模式MM5作初始场和侧边界条件,建立了天津市500 m的细网格城市边界层模式并用其研究天津市秋季热岛及其对污染物扩散的影响.结果表明,模式可以较好地模拟城市热岛现象,地面温度日变化规律及近地层的温度廓线与实际观测值较一致,能够反映夜间出现的逆温.模式成功地再现了城市温度场和流场的三维结构,结果表明17:00时热岛强度在地面最强,到300m存在个别的弱热岛中心,500m高度城郊不存在温度差异;地面高温中心有一个弱的辐合中心,直接影响污染物在城区的扩散,模拟的污染物浓度在地面较低,150～300 m高度最大.该研究结果可为了解天津地区局地气候的形成、污染物的扩散及城市规划提供参考和帮助.     

北京城市热岛的定量监测及规划模拟研究

为定量地评估北京城市热岛现状并预测未来北京城市热岛发展趋势,分别采用气温资料、遥感资料和城市规划资料进行了研究分析。对北京20个气象台站按照台站距离城市中心的距离划分为远郊、近郊和城市三类,分别计算三种类型站点经过海拔订正后的年平均气温,利用1971-2012年城市站和远郊站的年平均气温差值估算北京气温热岛的时间变化;利用1987-2012年的NOAA/AVHRR和Landsat-TM两种不同分辨率的卫星资料,采用定量化的指标--地表热岛强度和热岛比例指数分别估算了不同时期北京地区和城六区热岛强度和范围,并对北京平原地区的城市热岛状况进行了评估;利用2020年的北京城市规划土地利用资料,结合2008年的城市热岛现状监测结果对2020年的北京热岛状况进行了模拟分析。研究结果表明,北京城市的气温热岛与遥感监测地表热岛在时间变化趋势上具有一致性,不同分辨率卫星资料监测地表热岛在时空分布上也具有一致性。其中1971-2012年,以年平均气温计算的北京城市热岛强度增温率为0.33℃·（10 a）-1,近5年（2008-2012）平均热岛为1.12℃。遥感监测结果显示1987-2001年北京地区的热岛持续增强,2001年之后由于北京申奥的成功进行了大面积的旧城改造和绿化,使得城市热岛强度和范围在2004年和2008年有所降低,2008年之后城市热岛继续向东、南和北方向扩展,并出现了中心城区热岛与通州、顺义、大兴、昌平热岛连成片的趋势,到2012年城六区热岛面积百分比已从1990年的31%增加到77%。由热岛比例指数确定的北京各区县热岛强度排名前三分别是城区、海淀和丰台,延庆县最低。对2020年城市规划图热岛模拟结果显示北京热岛已由“摊大饼”演变为“中心＋周边分散”模式,中心城区热岛强度和范围明显减弱,周边广大远郊区将出现分散?     

热岛效应季节动态随城市化进程演变的遥感监测

作为城市特有的一种环境问题,热岛效应动态发展变化的规律是城市热岛研究的基础工作.遥感技术在城市热岛动态变化监测方面的有用性已经得到了证实.然而当前城市热岛遥感研究基本都取少数几景进行对比分析,这使得遥感在城市热岛时空动态监测方面不能充分发挥作用.采用50景长时间序列Landsat TM和ETM+SLC-on/off影像,采取定性和定量分析相结合的方法,使用热岛强度、热岛范围等指标和热岛显著区的概念对厦门市1987-2008年20年间热岛季节动态随城市化进程演变的趋势进行分析,结果表明:厦门城市热岛在2003、2004年之后已由春夏秋扩展到冬季,且冬季热岛的高等级斑块在数量、个体面积和总面积上均有明显增长趋势.引起这种变化的原因还需要进一步研究和分析.     

城市扩展与热岛空间分布变化关系研究——以上海为例

随着城市建设区域和格局的迅速改变,城市热岛分布也发生了巨大变化.为了了解城市热岛分布与城市建设的关系,为城市建设同时缓解改善热岛效应奠定基础,文章采用遥感动态监测和GIS多要素空间分析技术,对上海城市90年代以来的城市扩展以及热岛分布变化状况和演变规律进行监测分析,得出城市建设区域的扩大将会导致城市热岛范围和面积的增大,城市扩展与热岛扩展趋势具有空间一致性.同时,通过对上海城市不同温度情况下地面不同介质的比例、面积进行因子权重分析,得出温度越高,其建筑、交通、工业区的比例越大;反之温度越低,农田、耕地等介质的比例越高;表明不同地物对温度分布、强度的影响明显.研究还表明:城市扩展虽会导致热岛范围加大,但如注重环境和绿化建设,则在一定程度上可缓解热岛效应和缩小热岛范围.     

城市化对北京夏季极端高温影响的数值研究

利用一个耦合了城市冠层模式（UCM）的区域数值模拟系统（WRF／NCAR）,引入由LandsatTM提取的京津冀区域30m分辨率下垫面GIS数据集代替美国USGS地表分类数据,对2009年6月24—25日出现在北京地区的一次超过40℃极端高温天气过程进行了高分辨率数值模拟,用以考察WRF／UCM系统对北京“城市热岛”及城市高温天气的模拟效果,并分析了城市化对北京地区城市高温和地表能量平衡的影响及其日变化特征。结果表明：采用精细化下垫面分类数据集后能更好地模拟出主要高温区的分布特征,并能较好再现夜间的“城市热岛”效应。城市化发展对近地层气温的影响主要表现在会促使城区及其下风向近郊区气温的升高,增幅可达0．5～2℃,这与城市热岛及其下游效应有关。城市下垫面的高粗糙度对近地层风速表现出明显的阻挡效应,表现在模拟的10m风场减弱明显。考虑了城市下垫面属性的敏感性试验更好地再现了城区温度的日变化,其模拟的日间最高温度与实际观测值更为接近,也较好地模拟出了城区具有较高最低温度的特征。通过城区与郊区能量平衡过程差异的分析表明,城市化可以显著改变能量平衡中各项所占的比重。地表对近地层大气热量输送过程的变化表明随着城市下垫面的日愈扩大,会显著增强白天地表对大气的向上感热输送,增大城区日间出现高温的可能。夜间,模式反映出地表能量收入来自土壤热通量的向上输送,同样由于城区的潜热通量小,收入的能量仍主要以感热形式加热大气,夜间城区具有较高的最低温度并表现出较强的热岛特征,主要与夜间感热加热的持续相关。     

广州市城市热岛时间变化特征及与大气总悬浮颗粒物关系的研究(英文)

文章研究了1985-2005年期间广州市城市热岛强度时间变化及与大气总悬浮颗粒物浓度的关系.结果表明.由于经济的快速增长和城市化进程不断加快,广州市城市热岛效应十分明显,年平均热岛强度在0.20～2.10℃之间波动.受季风等大范围气候背景及降雨的影响,月平均热岛强度具有明显的季节变化特征,总体上呈"U"字形变化,其中7月份热岛强度最低,11月份最高.不同时次(02:00,08:00,14:00和20:00)的热岛强度以08:00时最高,而以14:00最低.最低温度下的热岛强度呈现出稳定增长的趋势(平均值为1.09℃),显示出广州近地面平均气温上升以最低温度最为明显.自1994年之后广州市大气总悬浮颗粒物水平呈现出明显的下降趋势,然而1982年到1998年期间仍然超过了国家大气质量二级标准所规定的浓度限值0.200 mg/m3.研究还表明,广州城市年平均热岛强度与年平均大气总悬浮颗粒物浓度之间存在显著的负相关,负相关系数为-0.676.尽管市区大气总悬浮颗粒物可以反射太阳辐射,降低日照时间,最终产生致冷效应,但是广州城市热岛效应是全球气候变暖下的大气增温和悬浮颗粒物降温之间平衡作用的结果.     

广州市热岛效应与城市露水相互关系研究

关于城市热岛效应的研究较多,而关于城市露水的研究较少,尤其是城市热岛作用下的城市露水研究则更少。探清城市露水与城市热岛的关系对增进城市露水凝结,改善城市水分平衡具有重要意义。为研究两者的相互关系,采用布片法(Cloth-plate Method)分别在广州的露水高发季节(8—11月,含秋季代表月份10月)和其他几个代表季节的1月(冬季)、4月(春季)、7月(夏季)进行了露水收集;采用常用的城郊平均温差表示热岛的统计方法对热岛进行统计分析;露水收集和热岛监测的4个点位分别选在广州的工业区、商业区、居住区、森林公园,为了比较分析也增设了郊区对照点位。结果显示,无论白天、夜间还是日平均热岛频率,其与城市露水均不存在显著的相关关系,即使城市地区存在高频率的热岛效应,也难以完全阻碍露水事件发生,无露水发生的天气其热岛频率比有露水发生时高10%左右。不论是白天、夜间还是日平均热岛强度,它们都与城市夜间露水量呈极显著负相关,城市各功能区露水量差异与该功能区内热岛强弱不无关系。城市热岛与城市露水的相互关系受多种因素的影响,热岛可能通过影响相对湿度、蒸发量来影响露水形成。结果表明,无热岛效应可能更有利于露水发生,热岛强度变化将直接影响露水凝结量的大小。     

天津城市热岛效应演变特征研究

城市热岛效应对城市生态环境影响极大,城市热岛及其环境效应的研究有利于城市合理规划和可持续发展。本文利用天津市1964—2003年城郊气温,1993年6月15日和2001年5月12日不同时间陆地卫星遥感资料分析了天津市热岛演变特征,结果显示天津城市发展对热岛效应影响明显,随年代以0.11℃/10a速率加强;2002年最强为1.2℃,是60年代末的2倍。7月份的热岛强度增强趋势明显;用平均气温分析热岛强度变化趋势表明:热岛强度在秋季最强春季最小,分别为0.16℃/10a和0.06℃/10a。平均最高气温差在四季中均有微弱上升趋势,平均为0.06℃/10a;平均最低气温差在秋季和冬季上升幅度最大,分别为0.16℃/10a和0.12℃/10a。不同年代遥感亮温场也表明天津城市化对热岛空间分布的影响。热岛分布基本与建成区一致,热岛中还包括许多大小不同、形状各异、强度有别的小热岛群;而且随着城市的发展,热场范围呈扩大趋势。最后对热岛变化规律的成因进行了初步分析。     

南京市四种下垫面气温日变化规律及城市热岛效应

为了监测城市热岛特征、热场空间分布及综合评价城市环境质量,探讨消减城市热岛效应对策,2005年7—9月期间,通过对南京市的中心城区夫子庙、城市湖泊玄武湖、城市森林紫金山、城市郊区浦口四个观测点选取水泥地、草地、林地和水体四种下垫面进行温度、湿度、风速等气象因子的24 h同步观测,结果表明,(1)四个观测点的四种下垫面白天气温呈林地<水体<草地<水泥地的变化趋势,夜晚则是相反,但草地的温度最低;与水泥地比较,其他3种下垫面白昼期有明显的降温效应,均幅度为0.2~2.9℃,而夜晚林地与水体有轻微的保暖效应,晴好无风天气时这种效应更明显。(2)南京市的热岛强度平均为0.5~3.5℃,凌晨3:00左右热岛强度较大且平稳,当日出后热岛强度减小,但在中午12:00左右有一个明显回升,然后下降,至傍晚18:00~21:00,热岛强度有个强烈提升的高峰。(3)利用各观测点温度的时间标准差、空间标准差及时空数据正规化的标准差定量与定性的揭示了城市景观与城市下垫面对城市热岛效应变化的影响机理。(4)不同观测点舒适度指数表明观测期间人们对温度、湿度和风速日变化的综合生理感觉是暑热到较舒适间的变化过程,紫金山和浦口有时给人舒适的感觉。基于实验观测数据,对南京市不同下垫面的温度日变化规律、热岛强度特征、舒适度指数以及相关成因机理进行了全面分析与探讨,为城市生态建设、城市规则、城市环境治理及城市绿化建设提供重要的理论参考。     

基于LandsatTM影像的武汉市热岛效应研究

采用定量遥感与GIS相结合的方法,利用武汉市2006年TM遥感影像,定量分析武汉市植被指数和热岛效应的关系和空间分布。在空间剖面上,研究了植被指数（NDVI）与地表辐射温度的关系并对植被指数（NDVI）与地表辐射温度进行了回归拟合。在此基础上,研究了武汉市热岛空间分布,解释了武汉市热岛等级空间分布的特点。研究结果表明：植被指数（NDVll与地表辐射温度存在着明显的负相关性;随着植被覆盖的变化,城市建设用地的地表辐射温度明显比其他土地类型敏感;城市中工业区和人口活动密集的商业区热岛强度高;水体和绿地对于分割城市热岛和缓解热岛效应有显著作用。该研究可为城市生态规划、用地合理布局等提供参考。     

天津城市化对市区气候环境的影响

利用天津市区和郊区两个气象站近50年的地面温度、辐射、日照、风速、相对湿度和降水量资料,系统地分析了天津城市化进程对城市气候的影响,结果表明影响是显著的。受城市化的影响,天津市区地面温度远高于郊区,城市热岛效应明显,市区增温率达0．42℃·（10a）^-1,50年增温幅度达2．5℃,其地面总辐射、直接辐射和日照时数逐年减少的特征也进一步证明了城市化对大气的增温效应;市区近地层风速、相对湿度明显小于郊区,其中,平均风速以0．35m·s^-1·（10a）^-1的速率减小,相对湿度以1．11％·（10a）^-1的速率减小。近50年来天津市区的降水量和降水日数均呈现明显的减少趋势,降水量的倾向率为5．91mm·（10a）^-1,降水13数的倾向率为3．2d·（10a）^-1。     

城市生态气象监测评估初步研究与实践——以北京为例

气象条件作为影响生态系统最活跃、最直接的驱动因子,影响着生态系统的质量和人类生存的环境,关系着生态保护和建设的成果,而城市生态系统具有与其他系统不一样的气候特征,目前还未形成一套有关城市的生态气象监测评估方法。基于生态气象学理论,分别从城市气候环境、与气候相关的陆表环境、大气环境、人居环境以及城市高影响天气气候事件等5个方面选择不同的要素和指标开展了城市生态气象监测评估初步研究,并以北京为例,利用2018年国家和区域自动气象站资料、大气成分观测资料、2002—2018年MODIS卫星资料、Landsat及环境一号卫星资料,开展了2018年北京城市生态气象监测评估。监测评估显示,(1)2018年北京城市“热岛”和“干岛”气候特征明显,并在北京二环与五环之间存在一个“冂”形风速低值区。(2)2018年北京陆表生态环境、大气环境、人居环境进一步好转:其中植被覆盖度达61.6%,创2002年以来新高,气象条件贡献率达50%,生态涵养区植被生态质量处于正常偏好的面积比例达93.2%;中心城区陆表温度为2011年以来最低值;重要水源地密云水库、官厅水库水体面积均为2000年以来最大值;气溶胶光学厚度、霾日数、大气静稳指数分别较过去4年平均值下降14%、31%和8%,大气扩散条件偏好,对霾日减少贡献率达21%,外地污染传输对PM2.5贡献达到53%;城市生态冷源较2013年明显增加,城市“热岛”得到缓解。(3)历史罕见的夏季高温闷热、冬季阶段低温、极端强降水以及持续无降水等高影响天气气候事件给城市安全运行和生态环境带来不利影响。综合评估表明2018年北京气象条件总体利于陆表生态环境改善,有利的气候条件提高了生态环境的质量,但城市生态质量仍面临着极端天气气候事件、城市热岛、低风速以及外来大气污染输送等风险。     

Comparison of four different methods for reliability evaluation of ecotoxicity data: a case study of non-standard test data used in environmental risk assessments of pharmaceutical substances

Part 2 presents measures at the city scale, which are distinguished into object- and area-related means. The former ones include emission reduction, energy gaining and saving, as well as the climate-improving impact of rooftop and façade greening. Area-related means refer to the reduction of radiation temperature through shading and transpiration as well as impact of urban green areas of different size on the urban climate. Furthermore the opportunities to use subsurface urban heat island as an energy-reservoir for cooling or heating are discussed.     

不同地被类型对城市热环境的影响研究

近些年来我国城市热环境急速恶化,特别是2013年我国南方多地出现突破历史极值的极端高温天气,严重影响了居民正常生活。本研究以深圳为例,运用气象站定点观测方法并首次引入运动样带观测方法对深圳市典型地被类型的气温进行监测、分析,探讨不同地被类型对城市热环境的影响。气象站定点监测实验从2011年6月至今,持续样带监测实验开始于2011年6月结束于2013年7月。本研究详细纪录了深圳市西丽大学城及其周边有典型地被类型的气温、太阳辐射、风向、风速等气象数据。根据不同城市景观分选出5种不同的典型城市地被类型：城市景观水、城中村、商业区、城市绿地、郊区。利用观测获得的具有高空间分辨度和高时间分辨度的实验数据对5种不同的地被类型进行分析比较,结果表明：5种不同城市景观的温度差异明显,商业区温度＞城中村温度＞城市景观水区域温度＞城市绿地温度＞郊区温度。城市绿化和景观水对城市热岛有明显的缓解作用,城市景观水可缓解城市热岛强度0.9℃,城市绿地可缓解城市热岛强度1.57℃。城市绿地的降温效果比城市景观水好,比城市温度的缓解效果强0.67℃。人类的周期性活动对区域城市热岛强度有明显的影响。一周时间内,商业区、城中村、城市景观水、城市绿地的城市热岛强度均呈“U”字形。周末四种地被类型的热岛强度比工作日要高,分别高出0.65℃、0.57℃、0.26℃、0.21℃。     

基于Landsat TM的澳门城市热场影响因素分析

利用2004年10月19日Landsat TM数据提取澳门城区城市用地类型信息,反演城市地表温度,在此基础上通过主成分回归方法分析澳门城市热场的影响因素.结果表明,澳门城市热场受到硬化地表指数的影响较大,其次为植被比例.地表温度与硬化地表指数、道路密度呈显著正相关(P＜0.05),与归一化植被指数、植被比例及水体比例呈显著负相关(P＜0.05).     

道路建设对成都市热岛效应的影响

热岛效应是城市气候最显著的特征之一。土地利用方式及土地覆盖的改变,如城市化和道路建设是导致热岛现象的重要原因之一。然而目前针对道路属性（道路密度及类型）对城市热岛效应的影响研究还较缺乏。本研究运用2012年成都市不同时次（冬夏季）的遥感数据及城市道路交通专题图,运用3S技术探讨道路密度对城市热岛效应的影响以及不同类型道路对城市热岛效应的热贡献。研究表明：（1）成都市热岛效应明显,市区地表平均温度显著高于郊区且热岛强度呈现夏强（3~4℃）冬弱（2.5~3℃）、夜强昼弱的特征。日间城市热岛效应呈现多热中心的分布模式,但冬夏季热岛中心位置不同。夏季日间热中心位于城市的西南部和中东北部,最高可达32.66℃,而冬季日间城市的西南部地表温度较高且热中心主要分布于城市边界地区,地表温度超过16℃。无论冬夏,夜间城市热岛效应均呈现环状分布特征,即从城市边缘到中心,地表温度逐渐升高,夏季城乡地表温差高达4.37℃而冬季达到2.82℃。（2）成都市区道路呈现“圈层型＋辐射型”分布模式,道路密度与道路的分布有关,城市南部及西南部的道路密度高于北部区域。（3）无论冬夏,道路密度与地表温度正相关,但两者相关性呈现昼弱夜强的特征,其中夜间相关系数达到0.5左右。对热效应贡献度指数、热单元权重指数、区域热单元权重指数3个指标的分析都表明无论冬夏、无论昼夜,市区分布面积最广的三级道路对城市热岛效应的热贡献最大,其热效应贡献度指数均在95%以上,其次是二级道路,各项热效应贡献度指数为45%~80%。本研究结果将有助于未来城市建设和道路规划,并为缓解城市热岛效应提供理论支持。     

The role of materials selection in the urban heat island effect in dry mid-latitude climates

This work investigates the role of materials selected for different urban surfaces (e.g. on building walls, roofs and pavements) in the intensity of the urban heat island (UHI) phenomenon. Three archetypal street-canyon geometries are considered, reflecting two-dimensional canyon arrays with frontal packing densities (λ_f) of 0.5, 0.25 and 0.125 under direct solar radiation and ground heating. The impact of radiative heat transfer in the urban environment is examined for each of the different built packing densities. A number of extreme heat scenarios were modelled in order to mimic conditions often found at low- to mid-latitudes dry climates. The investigation involved a suite of different computational fluid dynamics (CFD) simulations using the Reynolds-Averaged Navier–Stokes equations for mass and momentum coupled with the energy equation as well as using the standard k-ε turbulence model. Results indicate that a higher rate of ventilation within the street canyon is observed in areas with sparser built packing density. However, such higher ventilation rates were not necessarily found to be linked with lower temperatures within the canyon; this is because such sparser geometries are associated with higher heat transfer from the wider surfaces of road material under the condition of direct solar radiation and ground heating. Sparser canyon arrays corresponding to wider asphalt street roads in particular, have been found to yield substantially higher air temperatures. Additional simulations indicated that replacing asphalt road surfaces in streets with concrete roads (of different albedo or emissivity characteristics) can lead up to a ~5 °C reduction in the canyon air temperature in dry climates. It is finally concluded that an optimized selection of materials in the urban infrastructure design can lead to a more effective mitigation of the UHI phenomenon than the optimisation of the built packing density.