面向气候韧性社区建设的北京东四社区暴雨内涝灾害风险研究

利用气候数据和社会经济数据,分析了北京市东四社区降水特征,评估了社区尺度的暴雨内涝灾害风险。研究表明,20世纪80年代以来,东四社区年降水量、极端日降水量、连续5日最大降水量和大雨日数均呈增加趋势,进一步分析暴雨内涝灾害风险空间分布情况,高风险区主要集中在东四社区西北区域,包括东四北大街沿线,东四九条、八条和七条的西段、月牙胡同的部分区域。研究方法和结果可为社区层面的气候韧性城市适应目标、具体规划建设的提出和实施提供参考。

1961—2017年华北地区降水气候特征分析

基于华北地区1961—2017年的均一化降水数据,从降水量、降水强度、降水日数和降水量贡献率等方面揭示了华北地区降水的气候特征。结果表明:1961—2017年华北地区年降水量以3.2 mm/10a的速率减少,其主要原因是夏季降水的减少。空间上,降水量大值区的降水趋势变化呈减少特征;降水强度呈增大趋势,降水的时间分布更加集中;小雨、暴雨和大暴雨及以上量级降水日数和贡献率呈减小趋势,而中雨和大雨则有所增加;分析各等级降水对华北地区空间分布的贡献率,小雨事件对华北地区西部降水的贡献最主要,大雨、暴雨和大暴雨对华北东南部地区降水量的贡献最为主要,这进一步解释了小雨、暴雨和大暴雨及以上量级降水量的减少造成了华北地区西部和东南部地区降水总量的下降。华北地区降水气候特征研究可为区域气候变化以及暴雨、干旱等灾害应对提供科学支撑。

北京雾和霾临界气象条件的气候变化特征

近年来北京市频繁遭受雾和霾天气的影响,表现为天数增多、持续时间增长的特点,这一变化越来越受到专家学者的重视。气象条件是雾和霾污染形成的客观因素。利用北京市观象台多年雾和霾天气(2013-2015年)和气象要素(1961-2015年)观测资料,从气候变化角度出发,研究雾和霾临界气象条件的气候变化特征。研究结果表明:对雾和霾的形成有促进作用的临界气象条件是日平均风速≤1.9 m/s,日相对湿度≥76%,偏南方向的风向;对雾和霾的形成有抑制作用的临界气象条件是日平均风速≥2.6 m/s,日相对湿度≤69%,日降水量≥0.5mm。1961-2015年北京市观象台低风速日数呈增加趋势,且多为西南方向,高风速日数呈减小趋势,污染物清除能力下降,对污染物的累积起关键性作用;相对湿度较高的日数呈减小趋势,相对湿度较低的日数呈增加趋势;日降水量较大的日数呈下降趋势。三种气象条件中相对湿度条件随年代的变化有利于雾和霾的消散,而风速风向和降水量条件随年代的变化不利于雾和霾的扩散和沉降。但有研究表明,在雾和霾污染的形成消散过程中,风速条件起决定性作用,故北京地区较低风速日数的增加是导致大气污染的重要原因。此外,不利的风向条件加重了北京地区污染物的积累聚集。

东北三省玉米主要农业气象灾害综合危险性评估

东北三省是中国玉米主产区之一,也是"东北玉米带"的重要组成部分。气候变化背景下东北三省农业气象灾害的高发、频发已经严重地威胁到该地区玉米的生产安全,迫切需要弄清玉米主要农业气象灾害的综合危险性,为玉米防灾、减灾措施的制定提供依据。基于1981—2010年东北三省气象数据,结合最大熵模型对东北三省玉米主要农业气象灾害(低温、干旱和洪涝)综合危险性进行了评估。结果表明,低温冷害对玉米主要农业气象灾害综合危险性的贡献率随时间成减少趋势,旱灾对玉米主要农业气象灾害综合危险性的贡献率则随时间成增加趋势,洪涝灾害对玉米主要农业气象灾害综合危险性的贡献率随时间呈先减小后增加趋势。1981—2010年各农业气象灾害对玉米主要农业气象灾害综合危险性的平均贡献表现为低温冷害>干旱>洪涝。东北三省玉米主要农业气象灾害危险性由北向南成减小趋势,其高值区主要位于东北三省的东北部大兴安岭地区。黑龙江省的低温冷害和洪涝灾害危险性较大,而吉林和辽宁省沿海地区气候条件较好,玉米生产受农业气象灾害影响较小。1981—2010年东北三省玉米3种主要农业气象灾害综合危险性高值区随时间变化成减小趋势,低值区随时间变化成增加趋势。同时,基于最大熵模型构建了东北三省玉米3种主要农业气象灾害综合危险性评估模型,其ROC(Receiver operating characteristic curve)下的面积达0.823,表明该模型可以很好地模拟东北三省灾害综合危险性分布。

1961—2013年东北三省玉米低温冷害强度的时空分布特征

基于东北三省1961—2013年气象数据、《北方春玉米冷害评估技术规范(QX/T167—2012)行业标准》,结合具有生物学意义的热量指数,给出了东北三省低温冷害强度分级,利用经验正交函数(EOF)分解法和旋转经验正交函数(REOF)分解法分析了东北三省玉米低温冷害强度时空分布特征。结果表明:东北三省玉米低温冷害强度具有明显的空间分布特点,可分为全区一致型、南北反相位分布型以及东西反相位分布型。东北三省玉米低温冷害强度的时间变化具有较好的一致性,1961—2013年东北三省低温冷害的发生强度呈波动减小趋势。低温冷害强度区域差异显著,按照低温冷害强度强弱可分为黑龙江-吉林北部区(Ⅰ区)、吉林南部-辽宁北部区(Ⅲ区)和辽宁南部区(Ⅱ区)。研究结果可为东北三省低温冷害风险区划和采取有效的减灾避灾措施提供依据。

1961—2013年东北三省玉米低温冷害频率的时空动态研究

基于东北三省1961—2013年气象数据,结合具有生物学意义的热量指数,利用SPSS聚类分析方法给出了东北三省低温冷害分类标准,并对低温冷害频率时空特征和年代际空间变化规律进行了分析。研究指出:东北三省玉米(轻、中、重度)低温冷害发生范围随时间呈减小—增大—减小变化趋势,1999年后东北三省出现低温冷害的范围显著减小,变化幅度均为中度>重度>轻度低温冷害。近10 a东北三省的轻度低温冷害仍时有发生,而中度和重度低温冷害发生较少。东北三省低温冷害频率呈由北向南呈减小趋势,轻、中、重度低温冷害频率高值区分别位于营口、哈尔滨和大兴安岭地区。各年代的重度低温冷害发生范围变化不大,中度与轻度低温冷害发生范围变化较大。研究结果可为东北三省低温冷害风险评估提供依据。

不同玉米低温冷害指标在梅河口地区的比较分析

基于1992—2010年梅河口站玉米长期观测资料对目前常用的5类玉米低温冷害指标方法(生长季温度距平指标、生长季积温指标、作物生育期距平指标、热量指数指标和玉米低温冷害综合指标)的准确性评估表明,考虑不同发育期差异的低温冷害综合指标方法的准确率达67%,其他指标方法的准确性都偏低。究其原因在于这些指标的建立都来自于特定的地域与时段,没有从过程与机制出发,限制了在其他地区与时段应用的准确性。因此,为提高玉米低温冷害预报的准确性,需要加强玉米低温冷害过程的机制及其模拟研究。

适用于海绵城市规划建设的北京城市副中心降水特征研究

利用气象观测站降水数据,分析了北京城市副中心所在区域日降水的时空变化特征,编制了适用于副中心的短历时暴雨强度公式,最后计算了海绵城市建设的控制目标指标——年径流总量控制率。结果表明:研究区降水量年际变化较大,降水量最多与最少年差值可达684.0 mm,年内降水量分布不均,汛期6—9月降水量(415.3 mm)占全年总降水量的75%。汛期降水量、强度和频次的日变化均为单峰位相,降水量和降水强度位相分布特征一致,主峰值出现在22时,主谷值出现在12时,降水频次主峰值出现在04时,主谷值出现在14时。降水量和强度的多年变化趋势在大部分时刻是一致的,均在凌晨和下午时间段呈增加和变强的特点,在上午、中午和夜间有减少和减弱的特点。空间分布上,北京市副中心北部地区降水量峰值大都出现在夜间,南部地区降水量峰值大都出现在清晨。对比新编暴雨强度公式和现行公式结果,当重现期越大时,新编公式对应的降水强度就越大。新编公式更加适应未来极端降水频发背景下的海绵城市设计和建设,海绵城市建设控制指标——年径流总量控制率为80%和85%时,对应的设计降水量为27.6 mm和33.9 mm。

1961—2017年华北地区高温日数及高温热浪时空变化特征

利用华北地区85个气象站1961—2017年逐日最高气温资料,统计分析了华北地区高温日数及高温热浪(频次、持续时间、强度)的时空变化特征。结果表明:①华北地区年高温日数整体呈增加趋势,自20世纪90年代中期之后年均高温日数明显增多;高温多出现在华北地区的南部和西部,华北地区大部分站点的高温日数呈增加趋势。②就气候平均态而言,高温初日有略提前趋势,高温终日则明显推迟;空间上,绝大多数台站的高温终日呈推迟的趋势,其中京津冀中北部地区尤为明显。③累计高温热浪次数、轻度和中度热浪次数均整体增加,并在1990年左右明显由少变多,重度热浪次数增加趋势更为显著;1987年之后,平均每次高温热浪事件的高温有效积温明显增加,表明高温热浪的平均强度增大。④不同等级高温热浪总频次的空间分布特征相近,高频次区域均集中在内蒙古西部、山西西南部和河北南部;热浪累计频次的变化趋势在内蒙和山西以增多为主,在京津冀地区以减少为主。除山西南部和河北南部的个别站点以外,绝大多数站点的热浪平均持续天数和平均高温有效积温的变化呈增多增强趋势。总体来看,华北大部分区域自20世纪90年代以来,高温日数及热浪事件明显增强,同时存在明显的空间差异,研究结果将有助于进一步认识华北高温的区域性特征。

未来气候变暖对北运河通州段自净过程的影响

为了定量研究未来气候变化中气温的变化对城市河流自净能力的影响,以北运河通州段为例,利用CMIP5的RCP4.5与RCP8.5两种气候变化情景结果,结合WASP模型对水体中溶解氧、CBOD、硝态氮、氨氮4项指标进行了预测.结合模型各子模块的响应情况,分析了各项指标的内部迁移转化过程.结果表明:1.2011~2050年的时段里,随着时间变化,气候变化会使北运河通州段内大部分河段全年度的硝态氮以及4~12月份的氨氮浓度逐渐升高,而1~3月份的氨氮浓度逐渐降低;2.气候变化对水质的影响是各环节综合作用的结果.在河流水质变化表现不明显的情形下,其形成机理也可能发生显著变化;3北运河通州段在2011~2050年的期间里,水体自净过程中受到气候变暖影响的主要环节为浮游植物的生长、反硝化过程和氨氮的矿化作用.

城市近地面高分辨率快速风场模型构建与应用

介绍了城市近地面高分辨率快速风场模型的构建,以中尺度模式结果作为背景驱动场,5m分辨率建筑物资料作为模型数据输入,通过区块处理、分区函数插值和质量守恒约束,实现了在较短时间(2~3 h)内获得可覆盖城市尺度的高分辨率(10 m左右)的近地面风场。基于该模型对北京四环内主城区(20 km×19 km)在8个典型时刻的10 m分辨率风场进行了模拟和检验,结果如下:(1)在风速方面,模拟值与观测值相比往往会偏大些,夏季4个时刻模拟的准确率在90%以上,冬季4个时刻模拟的准确率在60%以上;在风向方面,8个时刻的准确率均在40%以上。(2)基于该风场模型模拟得到的高分辨率风场能够反映出北京主城区风的山谷风日变化特征;明显的风速大值区往往对应着粗糙度较小的下垫面,而一些密集高层建筑区域始终是流场凌乱的风速小值区。(3)以东二环某一区块为例,该高分辨率风场模型还可对重点街区的精细化风场特征进行展示,可以清晰地反映出流场因建筑物分布产生的分流、汇合、局部环流,以及尾流。综上所述,该城市风场模型为实现短时间内获得覆盖城市尺度的高分辨率近地面风场提供了有效途径。掌握城市尺度的精细化风环境特征,有助于识别亟需改善或限制开发的关键区域,辅助城市通风廊道的合理构建和实施,从而达到优化城市内部通风性能、缓解城市热岛、增加风环境舒适度的最终目标。

FLEXPART模式模拟褐飞虱回迁的适用性

褐飞虱是威胁我国水稻生产安全的主要害虫之一,已经严重地威胁到我国南方地区水稻的安全生产。褐飞虱作为一种风媒迁飞性昆虫,与大气气溶胶粒子的运动相似。采用褐飞虱迁飞相关参数,利用WRF-FLEXPART模式模拟分析两次褐飞虱秋季回迁过程。通过模拟2013年9月20—24日褐飞虱迁入兴安县的迁飞过程,发现褐飞虱虫量的模拟结果与实验观测到的褐飞虱高空灯诱数据相近、变化趋势一致,相关性达到0.49(P<0.01)。褐飞虱迁飞峰的模拟值平均早于观测值1.5h,这可能与褐飞虱起飞迁飞的主动性及其生理特性等有关。模拟2008年10月5—7日一次冷锋无降水天气过程中的褐飞虱迁飞过程,发现此次冷锋南下和降温过程对褐飞虱的回迁影响显著,主要表现在:(1)在迁飞轨迹上,受热带气旋影响,广西、贵州、湖南和广东西部地区以东北风为主,有利于褐飞虱向西南方向的迁飞;(2)在虫量密度分布上,广东中部地区同时具备了较好的动力和温湿条件,促使大量褐飞虱向着该地区(较温暖)迁入,而湖北地区虽以西北—东北风为主,但地面气温较低(低于广东地区),不利于褐飞虱的大量迁入。综上所述,WRF-FLEXPART模式适用于褐飞虱的迁飞模拟且有较好的模拟能力,该研究对我国褐飞虱灾变的准确预警、病虫测报水平的提高具有重要的参考价值。

1961—2017年华北地区温度相关高影响天气气候事件变化特征分析

利用华北地区85个气象站1961—2017年地面均一化日值资料,统计分析了华北地区年平均最高(低)气温、极端最低气温、高温热浪以及寒潮、霜冻等高影响天气气候事件的时空分布特征。结果表明:(1)华北地区年平均最低气温升温速率(0.45℃/10 a)高于最高气温升温速率(0.27℃/10 a),气温日较差以0.18℃/10 a的速率减小。最高气温在内蒙古中部及北部部分地区和山西中南部地区的增加趋势相对更大,最低气温在内蒙古大部、山西东北部、河北中部和京津地区的增温更明显。(2)年平均高温热浪日数呈明显增加的趋势(0.44 d/10 a),20世纪90年代之后尤为明显。高温热浪日数的大值区集中在华北南部和西部;除河北南部部分地区趋势值为负外,华北大部分地区高温热浪日数呈增加趋势。(3)平均年极端最低气温呈显著升高趋势(0.53℃/10 a),冷夜天数显著下降(-4.7 d/10 a),暖夜天数显著上升(3.8 d/10 a),冷日天数呈下降趋势(-2.4 d/10 a)。年平均寒潮频次显著减少(-0.5次/10 a),呈“北部多、南部少”的空间分布。平均霜冻日数以3.5 d/10 a的速率减少,20世纪80年代之后尤为明显;除山西西北部和内蒙古东南部个别地区外,华北大部分地区霜冻日数呈减少趋势。(4)不同分区的对比结果显示,天津对气候暖化响应最敏感,其次是内蒙古西部;山西最不敏感(尤其是对低温相关要素指标),其次是河北(尤其是对高温相关要素指标)。研究结果有助于进一步认识华北地区温度相关高影响天气气候事件的区域性特征。

基于生态文明理念的气候适应性城市规划

众所周知,气候条件与城市规划建设一直以来都是相辅相成关系。我国古人筑城建屋时遵从天人合一的自然观,有效融入当地气候因素去营造良好的居住环境;然而现代社会由于科学技术的发展,人们逐渐忽略了城市建设布局和局地气候的关系,城市建设密集铺张、无序无形,引发了很多气候环境问题,例如城市热岛、城市弱风、城市雨岛等。因此,“城市气候评估创新团队”倡导并宣传以气候适应性和生态环境为先导的城市规划理念,旨在提高城市防灾减灾的韧性、主动适应气候变化的能力,打造生态宜居的城市环境。团队针对城市热岛效应、城市通风廊道、暴雨内涝等形成了科学定量的气候效应评估技术体系,有效推动了我国城市规划技术的革新,并在国内众多城市规划中落地应用,为我国城市规划主动适应生态文明建设要求创造了新的切入点,有力保障了城市生态化和可持续发展。

华北地区小时极端降水的非稳态研究

本文以华北五省为研究区,基于1960—2014年小时降水数据建立1、2、3、6、12和24 h极端降水序列,对比分析稳态和非稳态假设下极端降水重现期估计的差异。研究表明:1960―2014年华北不同时间极端降水的变化趋势略有不同,时间越短呈上升趋势的站点越多,1~3 h的极端降水呈上升趋势的站点较多,稳态和非稳态假设下的20~100 a一遇重现期平均差异较大,其中,1 h极端降水的显著上升站点中,二者的平均相对误差达30%~43%;而6~24 h极端降水中,呈下降趋势的站点增多,其中,24 h极端降水显著下降站点中,二者的平均相对误差达-43%~-32%;无显著趋势站点,二者的平均相对误差大部分介于-10%~10%。随着重现期增大,二者差异的不确定性区间增大,不同变化趋势站点表现一致。研究发现,华北地区短历时极端降水强度增加,稳态假设下极端降水的重现期会严重低估。因此,选用非稳态假设估计极端降水的重现期,将降低极端降水的灾害风险。

面向适应的精细化城市通风廊道规划气象评估技术研究及应用

随着城市规模的快速扩张,大量的人工建筑代替了原有的自然下垫面,造成了城市局地气候的显著变化,其中近地层风场的变化是城市化影响局地气候的一个重要方面。建筑物的存在增加了城市下垫面的粗糙度,降低了城市街区内部的空气流通效率,恶化了城市局部地区的通风环境,增强了城市热岛效应.

面向海绵城市建设的城市生态空间与气候承载力研究

近年来,城市内涝问题引起了政府和大众的普遍关注,其不仅仅是单一的排水不畅、地下管网不合理的问题,而是城市在开发的过程中忽视了生态,使其失去了弹性。要解决当前的城市内涝等生态环境问题,必须了解生态系统的复杂性。