The surface energy balance in Mexico City

Results of a field observation programme to investigate the surface energy balance of Mexico City, D.F., are presented. Direct measurements of net all-wave radiation and the turbulent sensible heat flux were conducted from a 28 m tower located about 4 km from the city centre. Heat storage in the urban fabric was parameterized and the turbulent latent heat flux was found by the residual in the energy balance equation. Most of the data were gathered in the dry season from February to the end of March 1985. The results from this tropical highland city resemble those from temperate cities in respect of the magnitude of the Bowen ratio and the diurnal trend in the amount of the net radiation partitioned into turbulent sensible heat. On the other hand, the role of heat storage is much larger than in the temperate case so that the partitioning of the sensible heat between turbulent and conductive transfer seems to be more nearly equal. Nevertheless evaporation appears to be an important term in both the surface water and energy balances. The nature of the energy balance may help explain some of the previously observed features of the heat island and humidity regimes of Mexico City.     

Simulation of the energy budget of an urban canyon—II. Comparison of model results with measurements

A simple numerical model that attempts to simulate the energy budget of an urban canyon is assessed by comparing its predictions against measurements made at an urban field site. A street is chosen that satisfieds many of the model's requirements and a measurement scheme is devised to measure variables which are also simulated. The model is run using input information collected from the field and the data produced are compared with the measured data. The results indicate that the model is capable of simulating many of the climate attributes (such as surface temperatures and net radiation at the canyon top) accurately, but does not simulate the dominant mechanism of sensible heat exchange between the canyon and its environment. Nevertheless, the model predicts a small and largely invariant exchange, similar to that measured. The results of the field study, when compared with other published work, indicates that as street canyons become narrower they become increasingly isolated in terms of heat exchange from the overlying atmosphere. The results of the computer runs appear to follow this pattern.     

基于多源遥感信息的人为热排放量空间化——以浙江省为例

基于自上而下能源清单法,主要考虑工业、交通、建筑和人体新陈代谢这4个热源对人为热的贡献,估算了2010年浙江省68个县市的人为热排放总量.使用DMSP/OLS遥感夜间灯光数据以及阈值法提取出人为热排放的主要区域,并有效减少夜灯像元溢出效应的影响.利用夜间灯光数据和增强型植被指数(EVI)构建人居指数,基于各市县人为热排放总量与其行政区范围内人居指数累计值之间很强的相关关系建立人为热排放量空间化模型,获得了250m分辨率下浙江省2010年城市人为热通量的空间分布.结果显示浙江省各县市的平均人为热排放通量为5.5W/m²,城市高值区一般介于10~40W/m².栅格化的人为热数据可以为城市气候环境的数值模拟研究提供基础数据支持.     

三江平原沼泽湿地垦殖对蒸散量的影响

三江平原沼泽湿地大面积垦殖已对区域生态环境产生了明显影响.2005～2007年每年5～10月利用涡度相关系统对三江平原典型沼泽湿地、水稻和大豆田进行了观测,目的是阐明沼泽湿地垦殖为农田对地表水分蒸散的影响.结果表明,沼泽湿地垦殖前后潜热通量日变化均表现为单峰变化特征,但其最大值当湿地垦殖为水稻田后增加了14%～130%,当垦殖为大豆地后在2006年增加了3%～77%,而在2005年和2007年发生干旱时降低了25%～40%.植被叶面积指数差异是造成不同系统潜热通量日变化差异的主要原因.沼泽湿地垦殖为农田没有改变潜热通量的季节变化趋势,但是当垦殖为水稻田后潜热通量明显增加,5～10月水稻田日平均潜热通量较沼泽湿地增加了38%～53%,这主要是由于净辐射和叶面积指数增加所致.相比之下沼泽湿地垦殖为大豆地后潜热通量的变化与降水密切相关,土壤水分亏缺时降水量是控制大豆地水分蒸散的主要因子,这导致干旱的2005年和2007年大豆地日平均潜热通量较沼泽湿地减小了11%～17%,而在降水充沛的2006年大豆地蒸散量较沼泽湿地蒸散量增加了22%.生长季(6～9月)内水稻田总蒸散量较沼泽湿地增加了24%～51%,大豆地总蒸散量在2005年和2007年较沼泽湿地减少了19%～23%,而在2006年增加了19%.总之,三江平原沼泽湿地开垦种植水稻或大豆蒸散量发生明显变化.稻田潜热通量高于湿地;大豆田潜热通量在降水充沛的年份高于湿地,但在干旱年份则低于湿地.这与净辐射、叶面积指数和降水量等蒸散量主控因子的改变密切相关.     

不同气候带退耕还林对区域气温的影响差异分析

退耕还林改变陆表覆盖状况,导致碳收支和地表能量平衡变化,从而影响区域气温。论文通过定量估算耕地转为林地导致生态系统吸收大气CO₂和地表能量平衡的变化,分析21世纪初10 a中国不同气候区开展退耕还林对区域气候调节的影响差异。结果表明：1）仅考虑碳调节,各气候区退耕还林皆表现为241.6~470.2 Mg CO₂-eq hm^-2的碳蓄积过程,具有2.2~16.5 Mg CO₂-eq hm^-2的碳汇作用即致冷效应,特别是亚热带湿润区。2）仅考虑地表能量平衡,中温带干旱与半干旱区退耕还林引起的净辐射增加程度大于潜热通量的增加程度,因此地表对大气供热表现为增温效应;而亚热带湿润区退耕还林引起净辐射减少及潜热通量增加,青藏高原、中温带湿润区净辐射增加程度小于潜热通量的增加程度,因此地表对大气供热皆表现为致冷效应。3）同时考虑碳调节和地表能量收支,中国亚热带湿润区退耕还林的致冷效应是仅考虑碳调节致冷效应的1.25~1.45倍,而中温带干旱区退耕还林的致冷效应则为仅考虑碳调节效应的近一半。     

Remote sensing of the urban heat island and its changes in Xiamen City of SE China

World-wide urbanization has significantly modified the landscape, which has important climatic implications across all scales due to the simultaneous removal of natural land cover and introduction of urban materials. This resulted in a phenomenon known as an urban heat island(UHI). A study on the UHI in Xiamen of China was carried out using remote sensing technology. Satellite thermal infrared images were used to determine surface radiant temperatures. Thermal remote sensing data were obtained from band 6 of two Landsat TM/ETM^ images of 1989 and 2000 to observe the UHI changes over l l-year period. The thermal infrared bands were processed through several image enhancement technologies. This generated two 3-dimension-perspective images of Xiamen‘s urban heat island in 1989 and 2000, respectively, and revealed heat characteristics and spatial distribution features of the UHI. To find out the change of the UHI between 1989 and 2000, the two thermal images were first normalized and scaled to seven grades to reduce seasonal difference and then overlaid to produce a difference image by subtracting corresponding pixels. The difference image showed an evident development of the urban heat island in the 11 years. This change was due largely to the urban expansion with a consequent alteration in the ratio of sensible heat flux to latent heat flux. To quantitatively compare UHI, an index called Urban-Heat-Island Ratio Index(URI) was created. It can reveal the intensity of the UHI within the urban area. The calculation of the index was based on the ratio of UHI area to urban area. The greater the index, the more intense the UHI was. The calculation of the index for the Xiamen City indicated that the ratio of UHI area to urban area in 2000 was less than that in 1989. High temperatures in several areas in 1989 were reduced or just disappeared, such as those in old downtown area and Gulangyu lsland. For the potential mitigation of the UHI in Xiamen, a long-term heat island reduction strategy of planting shade trees and using light-colored, highly reflective roof and paving materials should be included in the plans of the city planers, environmental managers and other decision-makers to improve the overall urban environment in the future.     

北京城市地区CO2通量特征

城市CO₂排放是全球大气CO₂的重要来源. 为探讨不同气象背景条件、土地利用方式和覆盖类型以及能源消耗方式对城市CO₂排放的影响,利用北京325m气象塔(39°58′N、116°22′E)上140m高涡动相关仪监测的湍流数据,对2009年6月26日—2011年12月31日气象塔周边区域共919d CO₂通量的时间变化及方向分布特征进行了研究,并计算了CO₂的年排放量. 结果表明:CO₂通量受交通因素影响明显,各季节CO₂通量日间早、晚峰值出现时间与车流量高峰时间一致,该特征在冬季表现尤为突出. 冬季取暖会显著增加CO₂排放量;受供暖排放和植物休眠的影响,冬季CO₂通量全天均高于其他季节,日均值为30.1μmol/(m2·s),显著高于春、夏、秋三季的15.2、17.9和15.8μmol/(m2·s) (t-test,P<0.001). CO₂通量在不同方向的分布特征表明,其值与源区内人工建筑面积所占比例成正比;而在植被覆盖比例较高的方位,其CO₂通量相应较小. 气象塔周边区域CO₂年均排放量达到30.0kg/(m2·a),但仍小于伦敦的35.5kg/(m2·a).      

Two-dimensional numerical simulation of thermal structure of urban polluted atmosphere (effects of aerosol characteristics)

A two-dimensional numerical simulation is carried out on the unsteady heat transfer in the urban polluted boundary layer containing aerosols. The effects of aerosols upon the thermal structure over the region including an urban area are studied in full consideration of radiative heat transfer. The results indicate the strong interaction among the distributions of air temperature, wind velocity and aerosol concentration in connection with the scattering and absorbing characteristics of aerosols. When the scattering of solar radiation by aerosols is predominant, the air temperature in urban area drops greatly, and the convergent flow to the urban area becomes weak, causing the aerosol concentration in urban areas to become high. When the absorption of solar radiation is predominant, the convergent flow to the urban area is not weakened. Air temperature drops near the Earth's surface, but the change in the upper air temperature is small.     

基于生态网络效用的昭通市“三生空间”碳代谢分析

解析“三生空间”碳代谢有助于实现区域“三生空间”要素整合和结构优化,是寻求城市绿色低碳发展的有效途径之一。以昭通市为例,通过计算垂直方向上碳通量,构建水平方向的碳流模型,系统分析了2010—2018年“三生空间”碳代谢的时空分布,利用生态网络分析方法评价了“三生空间”演化对城市碳代谢的综合影响。结果显示:（1）2010—2018年间昭通市垂直方向上净碳通量和水平方向上净碳流均为负值,“三生空间”演化对昭通市碳代谢平衡产生了消极作用,造成碳排放量的增加。（2）“三生空间”用地在碳代谢系统中的生态关系以限制掠夺关系为主,生态空间被生活空间和生产空间挤占,影响了昭通市的碳代谢平衡。（3）整体生态效用函数J的值为0.85,小于1,说明“三生空间”演化对区域整体碳代谢平衡的综合作用是消极的,这与净碳流显示的结果相同。研究结果可为昭通市国土空间利用优化与低碳发展提供理论依据,这种研究方法可为国土空间优化与“三生空间”优化提供前期支持。     

建筑施工扬尘排放因子定量模型研究及应用

选择天津某建筑施工工地,现场采集大气中PM10、气象、路面积尘及机动车数等数据,并确定施工扬尘排放的主要影响因素.利用FDM模型,计算施工扬尘排放因子,将计算得到的扬尘排放因子和各影响因素进行非线性拟合,建立施工扬尘PM10排放因子定量模型,并结合ISC3模型,模拟计算2003年11~12月间,天津市建筑施工过程中的PM10排放浓度.结果表明,施工产生的PM10平均浓度为20.3μg/m3,占大气PM10浓度的13.3%.     

上海下垫面温度与城市热岛——气象卫星在城市气候研究中的应用之一

应用美国Tiros-N卫星资料对上海地区下垫面温度分析的结果表明,在晴天城市下垫面温度均高于郊区。城市内部下垫面温度差异则与人口密度,建筑物密度、工厂密集区以及黄浦江、苏州河水域温度特征有关。 通过对接近同步的卫星下垫面温度资料与实测气温资料的对比分析,发现白天城市下垫面增温速率比郊区快,而气温的增温率相差不大。因此白天当下垫面温度热岛十分显著时,气温热岛并不一定显著,甚至完全不存在。但与此同时,白天城市下垫面的增温引起的能量下传和储存却为夜间城市热岛的形成奠定了能量基础。这部分能量在日落以后,以长波辐射湍流热交换等形式提供给城市大气,部分地补偿了由于大气长波辐射而损失的能量,使城市气温下降缓慢,相对于降温较快的郊区来说,便形成了城市热岛。     

A two-dimensional mesoscale numerical model of an urban mixed layer—I. Model formulation,surface energy budget,and mixed layer dynamics

A two-dimensional, numerical urban mixed layer model, which takes into account differences between the urban and the rural surfaces, as well as roughness and topographical variations over the model domain, is developed. The various land use types over the metropolitan area are specified by different proportions of concrete and grassy soil surfaces. Thermal characteristics of the vegetated soil surface are parameterized in terms of the surface soil moisture content. Distinct differences in the diurnal patterns of urban and rural surface energy budgets, which are found in some observational studies, are also obtained in some of our model case studies. Dynamics of the dome-shaped urban mixed layer is studied for the case of the stationary balanced wind. The balanced wind flow simulation can explain some of the important flow perturbations due to the urban heat island and increased roughness of the urban area.     

珠江三角洲近地层CO2通量模拟分析与评估验证

利用能分别代表珠江三角洲草地、城市绿地及地带性森林植被生态系统的番禺站、东莞站和鼎湖山站CO2净通量资料对CT-2010碳源汇反演模式系统进行了验证,并利用该模式初步分析了区域净碳通量的时空分布及不同生态系统的碳汇特征.结果表明: CT-2010模式模拟的珠江三角洲城市绿地、地带性植被、以及草地生态系统碳通量与站点观测结果具有较好的一致性,其拟合相关系数(r)高于0.60(P<0.01),小时、逐日、日变化的残差均值低于2.0μmol/(m2?s);模式一定程度上能反映3种生态系统碳通量的季节分布特征,但各月的模拟值均高于观测值,其中对城市绿地生态系统的模拟最接近,残差年均值为0.964μmol/(m2?s),对草地和地带性森林植被生态系统的模拟效果相当,残差年均值分别为 2.056,2.100μmol/(m2?s);2004~2005年期间珠江三角洲地区近地层净碳通量为3.43μmol/(m2?s),其中冬季最强,为1.4μmol/(m2?s),春季次之,为1.35μmol/(m2?s),秋季和夏季最低,分别为0.51和0.18μmol/(m2?s);在冬、春两季,珠江三角洲区域为强的碳源区,而在夏、秋季,粤北和粤东大部分地区为较弱碳汇区;2004~2005年期间珠江三角洲地区陆地生态系统的碳汇为-6.5×10-3PgC,其中农作物,草地/灌木,常绿针叶/阔叶混合林是吸收CO2的主要生态系统,其净通量占陆地生态系统的比率分别为42.01%,31.46%和26.53%.     

中国人为热变化及其对地表能量平衡的影响

利用人口统计、分布数据及能源消费统计资料,对中国1980~2015年人为热通量（Q_a）的时空变化进行了研究,并将其与地表净太阳辐射（R_n）进行了对比分析,以探讨人为热对不同尺度地表能量平衡的影响.结果表明,在研究时段内,全国平均Q_a呈显著升高趋势（0.11W/m²/10a,P<0.001）,从1980年的0.07W/m²上升到2015年的0.45W/m²,已经约相当于全球工业革命以来CO₂排放引起辐射强迫（1.68W/m²）的27%;其中Q_a高值区（≥ 1.00W/m²）已由1990年的点状分布变为2015年的面状分布,占到全国面积的10%;全国平均R_n的趋势率（0.18W/m²/10a）略大于Q_a,但未通过显著性检验（P=0.381）.对于参与计算的31个省会城市,2015年市区Q_a平均值在1~32W/m²之间,平均达17W/m²,相当于R_n平均值（147W/m²）的12%;在栅格尺度上（0.5min×0.5min）,除拉萨外,其余城市的Q_a像元最大值均超过了120W/m²,已经导致局地的热平衡发生了本质变化.研究认为,人为热释放因素不但需要在城市气候模拟研究中给予更多考虑,而且在全球和区域气候模拟与评价中以及制定气候变化应对策略时也有必要给予充分考虑,以促进全面认识并减缓气温升高.     

长江三角洲城市群人为热排放特征研究

基于常规可获取的能源、交通、人口等统计资料,利用“自上而下”的能源清单法,研究了2010年长江三角洲(以下简称“长三角”)城市群地区各类人为热排放量及其时空分布特征.结果表明:该地区人为热排放总量为1.4′1019J/a,其中工业、交通、建筑、新陈代谢分别占75.1%、12.5%、9.9%和2.5%.上海、苏州、无锡、杭州和南京五个城市的人为热排放总量约占研究区域总量的71%.长三角城市群的人为热年平均排放通量为5.3W/m2,大部分地区介于5~30W/m2,城市高值区一般介于20~70W/m2,上海明显高于其他城市.为方便有关环境气候模式的输入,本文提供了人为热排放的网格化空间分布和简单的时间变化廓线.     

贵阳市生活垃圾卫生填埋场汞的地气交换特征初步研究

城市生活垃圾填埋场是日常生活中许多含汞物质的最终归宿地,这些含汞物质有可能通过"再挥发"途径进入大气,从而增加大气的汞负荷。为了研究垃圾填埋场汞的释放强度,2003年11月底我们用配备有自动测汞仪的动力学通量箱法,对贵阳市的一个垃圾卫生填埋场进行了汞通量测定。结果发现无论是半年期的垃圾还是覆土,汞的释放均具有明显的日变化规律,即白昼明显大于夜晚。半年垃圾和覆土的平均汞释放强度分别为502.4和55.2ng(Hg)·m-2·h-1,远高于国内外背景区的通量值,说明垃圾填埋场已成为一个潜在的大气汞人为释放源。基质中汞含量的差异是造成通量差异的主要因素,而采取覆土措施则可大大减少汞向大气的排放。天气晴朗时光照强度与汞的释放关系密切,是促进气态汞形成的主要驱动力;阴雨初期,降雨则在一定程度上增加了汞的排放。     

长江三角洲城市群人为热排放特征研究

基于常规可获取的能源、交通、人口等统计资料,利用“自上而下”的能源清单法,研究了2010年长江三角洲(以下简称“长三角”)城市群地区各类人为热排放量及其时空分布特征.结果表明:该地区人为热排放总量为1.4′1019J/a,其中工业、交通、建筑、新陈代谢分别占75.1%、12.5%、9.9%和2.5%.上海、苏州、无锡、杭州和南京五个城市的人为热排放总量约占研究区域总量的71%.长三角城市群的人为热年平均排放通量为5.3W/m2,大部分地区介于5~30W/m2,城市高值区一般介于20~70W/m2,上海明显高于其他城市.为方便有关环境气候模式的输入,本文提供了人为热排放的网格化空间分布和简单的时间变化廓线.     

巴丹吉林沙漠腹地夏季不同天气条件下陆-湖面辐射收支与能量分配特征对比

论文以巴丹吉林沙漠腹地陆面和湖面能量平衡系统的定位观测数据为基础,对比分析了夏季不同天气条件下两种典型下垫面的辐射收支和能量分配之异同,评价了典型晴天的辐射收支与能量分配对季节平均气候态的代表性。结果显示,按“晴天-多云-阴天-降水”的顺序,陆面与湖面的总辐射、反射短波辐射和净辐射之日均值呈逐渐减小趋势,大气逆辐射则逐渐增大。湖面长波辐射亦随这一天气变化顺序逐渐增大,暗示地下水携带的热量和局地平流作用对湖水表面温度皆有影响。非降水天气时,陆面感热通量占净辐射的主要部分。云和降水皆会直接影响陆面的能量分配,感热通量一般随云量的增加而减小,潜热通量则逐渐增大。湖面典型晴天的午后存在逆温现象,然降水天气时,湖面空气温度降低较快,破坏了湖面上空的逆温层,即感热通量皆为正值。湖面的潜热通量主要决定于风速,故其对天气变化响应不明显。在地下水携带的热量和局地平流共同作用下,湖面的感热通量和潜热通量之和大于湖面的净辐射。不同天气下陆面和湖面的波文比差异较大。陆面典型晴天的辐射收支和能量分配与季节平均气候态相差不大,湖面的典型晴天则不具有季节平均气候态的代表性。     

景观格局类型对热岛效应的影响——以福州市中心城区为例

以“火炉”城市之一福州市为例,运用RS与GIS技术、半变异函数分析等方法,以2009年、2018年Landsat TM/OLI系列影像为数据源,从城市尺度分析了景观格局与城市热岛的关系,从景观格局特征尺度分析了景观格局类型对热岛效应的影响.结果表明：从2009年、2018年9个景观格局指数计算结果显示福州市中心城区景观格局破碎化程度增加;2009年与2018年的景观格局特征尺度分别为3600m,2500m,表明后者的景观格局更为丰富;虽然主城区的热岛效应得到了一定缓解,但城市热岛的范围逐渐扩大,八个新城分别成为了新的热岛中心;不同景观格局类型的热岛效应的严重情况依次为：纯人工本底格局 > 人工本底的散布格局 > 人工本底的指状、网络格局 > 自然本底的指状、网络格局 > 自然本底的散布格局 > 纯自然本底格局.研究以期通过细化景观格局研究尺度,为具有热岛降温作用的景观格局提出优化的方向.     

经度、纬度及时差设置对AERMOD预测结果的影响

为了验证经度、纬度和时差参数对AERMOD模式预测结果是否有影响,假设在某气象条件下存在一个点源,利用AERMOD模式计算该点源排放的污染物的浓度分布.保持气象条件和污染源参数不变,仅改变点源所在地的经度、纬度或时差,重新利用AERMOD模式进行了预测,比较预测结果的差异.结果表明,经度、纬度和时差参数对白天时段行星边界层参数的计算值有影响,受影响的参数包括地表热通量、摩擦速度、Monin-Obukhov长度、对流速度尺度、温度尺度和混合高度.经度、纬度和时差的不同取值对AERMOD计算出的污染物小时平均浓度最大值和浓度分布影响明显.根据AERMOD公式的描述和能量变化得出,经度、纬度和时差的改变引起了项目所在地白天太阳高度角的变化,进而改变了地表热通量.地表热通量的改变,造成了行星边界层参数的变化,最终影响了浓度分布的计算值.