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.     

城市热岛缓解措施定量比较研究

城市热岛是城市气象及全球变化研究热点。本文对城市热岛形成机理进行了分析,并且在此基础上提出了缓解城市热岛的三种措施,即:减少人为热排放、增加反照率和城市绿化。本文采用城市陆面模式(Integrated urban land surface model,简称IUM)对不同措施下城市地表温度进行模拟。敏感性分析表明,三种措施都能够不同程度的缓解城市热岛尤其是白天城市热岛。     

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.      

中国31个主要城市热岛与大气污染间关系研究

在快速城镇化进程下城市热岛效应与大气污染问题尤为突出,两者间相互作用。该研究利用MODIS地表温度数据,地面空气质量观测以及社会经济统计数据等,调查了中国2018年31个主要城市的地表城市热岛强度与大气污染物浓度的时空分布特征、相关关系及其与城市化指标之间的关系。研究结果表明：(1)空间上白天城市热岛强度东南地区高,夜间北部高。CO、PM和SO₂北高南低,O₃、NO₂浓度中、东部高于西、南部,时间变化趋势O₃浓度与温度最相似。(2)白天城市热岛与大气污染物(除O₃外)多呈负相关关系,而夜间相关性较低。(3)城市面积、人口、人均GDP、机动车辆与NO₂和O₃浓度之间呈正相关关系,植被覆盖与白天城市热岛强度呈正相关关系,夜间相反,与大气污染物呈负相关关系。     

京津冀城市扩张对植被和地表城市热岛的影响

基于MODIS-LST、EVI以及土地利用/覆盖数据,分析了2000~2015年京津冀13个城市生长季及不同季节城市扩张对植被（ΔEVI）和地表城市热岛影响的时间变化趋势以及二者之间的关系,结果表明,京津冀13个城市主城区生长季及不同季节的城市扩张对植被均存在消极影响（ΔEVI<0）,对夏季植被的影响最大（ΔEVI=-0.131）;白天和夜间的地表城市热岛强度（SUHII）最大值均出现在夏季,分别为2.594℃和1.859℃;不同季节的ΔEVI均值呈现显著下降趋势,其速率分别为-0.0038,-0.0033,-0.0045和-0.0018/a（P<0.01）;生长季、春季和夏季白天SUHII均呈显著增加趋势,速率分别为0.076,0.093和0.106℃/a（P<0.01）,不同季节夜间SUHII均呈显著增加的趋势,其增加速率分别为0.05,0.055,0.049,0.054和0.046℃/a;京津冀13个城市主城区的ΔEVI均值和SUHII均值呈显著负相关（P<0.01）,其相关系数介于-0.959~-0.592之间;白天SUHII与ΔEVI的相关性最高为生长季（r=-0.959）,夜间SUHII与ΔEVI的相关性最高为春季（r=-0.936）.     

北京地区冬夏季持续性雾-霾发生的环境气象条件对比分析

在北京地区,除冬季供暖期外盛夏也是雾-霾天气的高发季节,与我国南方不同.使用微波辐射仪、风廓线和常规气象探测资料、NCEP再分析资料以及大气成分观测结果,通过对比分析揭示了冬、夏季持续6 d的2个雾-霾过程形成和维持机制的异同.冬季雾-霾过程出现在高空西北气流、低层多短波活动的背景下,其形成和维持的主要机制是边界层内始终有逆温层、地面弱风场、底层湿度逐渐增大.逆温层昼高夜低、湿度昼小夜大是影响PM2.5质量浓度和能见度日变化的重要环境因子.在雾-霾天气持续期间地面弱风场能够维持主要源于冷空气势力弱、常不能影响到地面.此外,入夜后地面迅速辐射降温、边界层上层有暖平流以及空气过山后下沉增温在逆温层的形成中起了关键作用.然而,对于夏季持续性雾-霾天气,气溶胶区域输送、环境大气保持对流性稳定、空气的高饱和度是其发生的重要条件.在副热带高压长时间控制下对流层低层盛行偏南风,北京的PM2.5质量浓度随着偏南风风速增大升高.对流层底层系统性偏南风与北京附近的山谷风共同构成了从北京以南气溶胶累积地向北输送的机制.夏季雾-霾过程低层没有逆温,但是北京上空一直维持超过200 J·kG-1的对流抑制能量,它同样限制了污染物的垂直扩散.夏季自由对流高度也存在昼夜变化,其对PM2.5浓度和能见度的作用与逆温层高度升降相同.因此,冬、夏个例分别代表了2种不同类型的持续性雾-霾过程,导致差异的根本原因在于大气环流型.     

沈阳地区霾与雾的观测研究

利用2009年6月1日-2010年5月31日沈阳大气成分站能见度和大气细粒子的小时观测数据,结合沈阳自动气象站相对湿度的小时观测数据以及天气现象资料,根据<霾的观测和预报等级>和雾的定义,从沈阳1年的资料中判识出霾与雾的出现时次,对沈阳霾与雾的时间变化特征进行初步探讨.结果表明:沈阳全年霾和雾的出现时次分别占总观测时次...     

基于多源资料天津一次雾-霾过程的边界层特征

为探究雾-霾过程的边界层特征,选取天津市2019年12月7~10日一次严重的雾-霾典型过程,采用常规自动气象站资料、环境小时浓度资料、以及微波辐射计、风廓线雷达、气溶胶激光雷达等多种观测资料及WRF-Chem源追踪方法对此次污染过程进行综合分析. 结果表明,此次雾-霾过程可明显分为雾生成、雾与霾交替、霾、霾消散等4个阶段;雾-霾天气与大气温度层结密切相关,伴随着逆温生成,相对湿度和液态水含量最大增长速率分别达13.44%/h和0.013g/(m³·h),呈爆发性增长,相对湿度快速增至92%,微波辐射资料可较好预报雾的生成;雾与霾交替出现阶段雾天气改变了边界层结构,雾层内大气呈中性状态,相对有利于污染物在雾区内扩散,PM_2.5高浓度主要出现在边界层400m以下,雾顶持续逆温抑制了污染物向上层大气扩散,造成雾区内污染物浓度加重,地面PM_2.5质量浓度为135~223μg/m³,维持中度-重度污染;雾-霾天气与垂直风场有较好的对应关系,雾与霾交替出现阶段存在低风速和较大风速(西南风带来充沛水汽)两种有利于雾维持的情况,雾顶逆温层以上风速为6~12m/s,雾层内为1~2m/s,雾的存在不利于近地面空气质量的改善;此次雾-霾过程天津本地源排放贡献为36.1%,区域输送贡献为63.9%,整个过程表现出明显的区域输送特征.     

中国地表城市热岛驱动因素及其空间异质性

基于MODIS卫星遥感数据,计算了中国284个地级市2018年的年平均地表城市热岛强度,分析了中国地表城市热岛的空间分布规律和空间集聚模式.结合多元遥感数据、气象数据和社会经济统计数据,利用地理加权回归模型分析了日间和夜间地表城市热岛强度主要驱动因素的空间异质性结果表明,中国地表城市热岛强度的空间分布存在明显的空间自相...     

徐州冬季雾-霾天颗粒物粒径及气溶胶光学特性变化特征

为研究徐州冬季雾-霾天气形成过程中颗粒物粒径及气溶胶光学特性的变化特征,分析了2014年12月1日～2015年2月28日徐州大气颗粒物质量浓度（PM₁₀、PM_2.5、PM₁）、数浓度（0～1μm、1～2.5μm、2.5～10μm）和气溶胶光学特性等数据.结果表明：0～1μm粒径范围细颗粒物的大量增多是引发徐州冬季雾-霾天气的主要因素,徐州冬季地面风速小（静风或轻风天气）,较高的大气相对湿度对雾-霾的形成和维持起着重要影响作用.持续时间较长的雾霾天气,因颗粒物吸湿增长和水汽附着,1～10μm粒径范围大气颗粒物在雾霾时段易发生沉降而减少,后随相对湿度降低雾霾转为短时间的霾天气,1～10μm颗粒物数浓度大幅上升.徐州冬季500nm波段AOD_total和AOD_{fine mode}具有相同的变化趋势,雾-霾日AOD_total和AOD_{fine mode}显著高于非霾日.AOD_{fine mode}与AOD_{coarse mode}的比值雾-霾日亦明显高于非霾日,而且在雾-霾日Angstrom波长指数主要集中在1～1.6,表明徐州冬季雾-霾时段大气中细颗粒物为主控粒子.     

霾与城市化发展的关系

利用遥感夜间灯光数据,结合地面观测资料,以浙江省为例,研究了城市发展与气候条件、大气污染物质量浓度及霾天气之间的关系. 结果表明:当前粗放型城市发展引起的干岛、热岛、低湿、低能见度等气候效应,使1980—2010年杭州年均气温的线性增长率达到0.70 ℃/10 a、风速下降率为0.11 m/(s·10 a)、能见度下降率为1.40 km/10 a,分别高于临安的0.41 ℃/10 a、0.06 m/(s·10 a)、0.92 km/10 a. 城市发展改变大气污染物组成,对于城市化水平较高的杭州,大气中ρ(PM_2.5)/ρ(PM₁₀)的月均值介于0.52~0.69之间,明显高于临安的0.45~0.59,NO₂、SO₂等二次气溶胶前体物的质量浓度也明显高于临安. 浙江省大气中ρ(NO₂)较ρ(SO₂)高,其中临安大气中ρ(NO₂)年均值较ρ(SO₂)高出5.8 μg/m3,杭州的则高出21.0 μg/m3,同时杭州大气中ρ(NO₂)与ρ(SO₂)年均值的比值(1.70)也高于临安(1.57). 城市发展引起的气候效应及大气污染物组成变化可以解释浙江省霾日数与夜间灯光在空间分布和年代际长期变化趋势上的高度一致性. 在空间上,城市发展快、夜间灯光密集的浙北、浙江沿海、金衢盆地也是霾天气高发地区,而1960—2010年年霾日数出现的2个大跃变与改革开放及2000年后城市快速发展阶段相吻合,年霾日数与夜间灯光总灰度值之间的相关系数达到0.99. 研究显示,粗放型城市化发展是当前浙江省霾污染加剧的根本原因.      

气候变化对我国干旱区分布及其范围的潜在影响

为确定气候变化对土地荒漠化影响,以干燥度指数及A1,A2,B1和B2气候变化情景分析了气候变化对我国干旱区分布范围的影响. 模拟结果表明:气候变化将导致我国极端干旱区和湿润区分布范围缩小,干旱区、半干旱区和半湿润区分布范围扩大. 极端干旱区分布范围缩小并被干旱区所代替,半干旱区向半湿润区东、南部方向扩展,湿润区东北部和西部被半干旱和半湿润区所代替. 极端干旱区和湿润区分布范围变化与全国年均气温增量呈负相关性,干旱区、半干旱区和半湿润区分布范围变化与全国年均气温增量呈正相关性. 多元回归分析表明,干旱区和极端干旱区分布范围随全国年降水量增加而减少;半湿润区和湿润区分布范围随全国年降水量增加而增加;除A1情景外,其他气候情景下半干旱区分布范围均随全国年降水量增加而减少;湿润区分布范围随全国年均气温增加而减少,其他气候区范围随全国年均气温升高而增加. 随着气候变化,我国荒漠化范围将增加,干旱胁迫总体上减弱.      

SWAT模型水文过程参数区域差异研究

探讨SWAT模型的敏感参数和参数值的区域差异,有助于减少水文过程模拟的不确定性,提高模型在不同区域的应用水平。论文在收集SWAT模型的国内应用文献基础上,依据干燥指数将流域划分为湿润区、半湿润区、半干旱区和干旱区,主要采用定性分析方法,分析模型的敏感参数和参数值的空间差异及其影响因素。结果表明,SWAT模型的敏感参数和参数值具有一定的区域差异。对于地表水文过程,径流曲线系数(CN2)和土壤可利用水量(SOL_AWC)在各个区域都比较敏感,土壤蒸发补偿系数(ESCO)在湿润区和半湿润区较为敏感;由于均受土壤质地的影响,湿润区CN2 值高于半湿润区,SOL_AWC则正好相反;受气温和植被覆盖的影响,湿润区和干旱区的ESCO取值高于半湿润区和半干旱区。地下水参数在湿润区和干旱区较为敏感。降雪融雪参数仅在干旱区融雪对径流贡献大的流域才比较敏感。由于气候、土壤、植被条件的区域异质性,导致了流域水文过程参数的区域差异。结果还表明,由于水文过程还受到局部气象条件、下垫面等多种因子共同作用,以及模型尚未揭示的其它因子的影响,模型参数在相同区域的不同流域也存在着一定的差异。     

基于Sufer7.0的黄河流域不同旱作类型区土壤水分动态变化的比较

土壤水分是土地持续利用、水资源规划与管理及节水农业技术研究的基础,土壤水分的动态变化已经成为前沿研究领域的热点之一。论文以黄河流域43个国家级农气站点资料为数据基础,以Sufer7.0为技术手段,就不同旱作类型区土壤水分季节和垂直变化动态进行了比较分析。研究结果表明:①由半干旱偏旱区→半干旱区→半湿润偏旱区→半湿润区土壤水分含量的季节变化呈逐渐增加趋势,而且半干旱偏旱区和半干旱区,因大量失墒的时间长、耗水强度大而引起的干旱比半湿润偏旱区和半湿润区更为强烈;②不同旱作类型区土壤水分垂直变化的趋势均表现为上层变化幅度较下层大。且由干旱区→半干旱偏旱区→半干旱区→半湿润偏旱区→半湿润区,表层0～5cm→下层50～100cm的变化幅度逐渐减小。同时,可将土壤含水量从上到下的变化趋势分为增长型、降低型和波动型三种情况;③黄河流域土壤水分活跃变化层大致为0～30cm,缓慢变化层为30～100cm,相对稳定层为>100cm土层。活跃变化层由干旱区向半湿润区依次加厚,从0～5cm到0～30cm。     

城市化影响杭州城市热环境的数值模拟研究

通过对城市区域的气候要素进行精细化数值模拟,可以研究城市化对城市热环境的重要影响.利用WRF/UCM模式,以杭州为例,通过采用不同的下垫面土地利用分类数据,分析量化历史城市化进程对月尺度城市热环境的影响,并进一步设计了敏感性模拟试验,研究杭州地区在理想化条件下城区面积增加约2倍时,城市热环境的变化情况.模拟结果表明,杭州地区在2010~2017年的城市化进程中,城区面积约增加了1倍,导致8月热岛强度等级高于”无”（Ht>0.5℃）的区域扩大了91%,且主城区的2m平均气温增加了0.4℃,但中心城区热岛强度等级没有明显提升.杭州城区面积在2017年基础上约增加2倍时,8月热岛强度等级高于”无”的区域扩大157%,1846.4km²的中心城区热岛强度等级由”弱”或”无”（Ht≤1.5℃）提升为”中等”（1.5相似文献   

2013年1月南京北郊霾天气溶胶的光学特性

2013年1月南京出现了长时间、大范围和高浓度的灰霾. 利用三波长光声黑碳光度计(PASS-3)对南京北郊气溶胶的吸收和散射系数进行实时在线原位观测. 结果表明,霾天气溶胶吸收和散射系数平均值分别为(83.20±35.24) Mm^-1和(670.16±136.44) Mm^-1,分别为清洁天的3.85倍和3.45倍. 吸收和散射系数均呈现早晚高中午低的双峰型日变化特征,单散射反照率和散射埃系数平均值分别为(0.89±0.04)和(1.30±0.27),说明霾天气溶胶主要以细粒子中的散射性物质为主. 降雨对气溶胶有明显的清除作用. 地面风速与气溶胶吸收和散射呈负相关关系,与单散射反照率和埃系数呈正相关; 东南风时气溶胶散射系数最大,西南风时气溶胶吸收系数最大. 3次霾污染事件中,Haze 1主要受来自北部的老化污染气团影响,Haze 2主要受来自西南的生物质燃烧污染气团影响,而Haze 3主要由固定源污染引起.     

河南省北部区域霾污染过程中城市和农村点位PM2.5组分差异

近年来,我国京津冀及其周边地区暴发了多次霾污染过程,受观测仪器等因素的限制,尚未有对河南省北部城市和农村霾污染的对比研究.利用一系列在线高时间分辨率的观测仪器在河南省2个城市点位和3个农村点位对一次区域重污染过程(2018年1月12～25日)进行综合观测.结果表明SO₄^2-、 NO^-₃和NH⁺₄(SNA)是此次区域污染过程中5个点位PM_2.5中占比最高的组分,位于53%～63%之间,以NO^-₃为主24%～32%,其次为SO₄^2-(13%～17%).相较于城市点位,农村点位PM_2.5中有机物的占比更高,尤其是夜间.随着污染的加重,SNA的占比上升,重污染时段可达67%.此外,当区域受南部气团的传输影响时,5个点位PM_2.5中NO^-₃的占比增大;受北和东北部气团的传...     

Aspects of the variation in some characteristics of radiation budget within the urban canopy of Ibadan

Inadvertent modification of climate is at various levels. The aspect of the effect of urbanization on climate is a crucial one. Cognizant of the direct effect of climatic modification on human health, human comfort and energy use, and the dearth of information on climatic parameters in urban areas of the tropical cities, this study was initiated to examine the variation of some aspects of radiation budget in Ibadan.Basic information is given about the state of the urban textural characteristics. The data were collected in two ways, guided by the nature of urban characteristics. Firstly, urban-rural comparison of the characteristics of global radiation, albedo and net radiation was carried out by comparing information from a rural station with those from two urban stations. Secondly, automobile traverse surveys were conducted on different days across the major land uses from suburban locations. Only data on net radiation were collected during the auto-traverses.Results of investigation revealed that global radiation and albedo were less at the urban centres by an average of about 9–15% and 12–20%, respectively, while the net radiation was higher at the urban centres than at the rural station, by about 8–20%.Factors of urbanization like reduction in sky view, atmospheric pollution, change in surface texture, modification of wind characteristics as caused by urban artifacts, amongst others, were postulated as the major causes of the urban-rural difference in radiation budget.     

Evolutionary processes and sources of high-nitrate haze episodes over Beijing, Spring

Rare and consecutive high-nitrate haze pollution episodes were observed in Beijing in spring2012. We present detailed characterization of the sources and evolutionary mechanisms of this haze pollution, and focus on an episode that occurred between 15 and 26 April. Submicron aerosol species were found to be substantially elevated during haze episodes, and nitrates showed the largest increase and occupation(average: 32.2%) in non-refractory submicron particles(NR-PM_1), which did not occur in other seasons as previously reported. The haze episode(HE) was divided into three sub-episodes, HEa, HEb, and HEc. During HEa and HEc, a shallow boundary layer, stagnant meteorological conditions, and high humidity favored the formation of high-nitrate concentrations, which were mainly produced by three different processes —daytime photochemical production, gas-particle partitioning, and nighttime heterogeneous reactions — and the decline in visibility was mainly induced by NR-PM_1.However, unlike HEa and HEc, during HEb, the contribution of high nitrates was partly from the transport of haze from the southeast of Beijing — the transport pathway was observed at ~800–1000 m by aerosol Lidar —and the decline in visibility during HEb was primarily caused by PM_(2.5). Our results provide useful information for air quality improvement strategies in Beijing during Spring.