城市地表热力景观格局时空演变——以长春市为例

城市热环境问题是城市气候和区域气候研究中的热点,其对城市空气质量和公共健康等有着深远影响,严重威胁城市的可持续发展。以长春市为例,基于3期Landsat ETM+影像数据(2006、2010和2014),应用覃志豪单窗算法和线性光谱混合模型获取长春市区夏季地表温度、长春市不透水面盖度和植被覆盖率,构建热力景观动态度指数,分析了2006—2014年长春市热力景观格局的时空变化特征,并探讨地表温度与不透水面盖度和植被覆盖率的关系。结果表明:研究区城市热环境整体呈恶化趋势,地表平均温度年均增长0.15℃;热力景观整体变化更为剧烈,2006—2010年热力景观综合动态度为45.39%,2010—2014年热力景观综合动态度为52.64%;城市地表高温等级热力斑块面积和数量都增大,并向郊区扩张,热力景观整体呈现破碎化;低温等级为长春市变化最为剧烈的地表温度等级,城市地表热力性质复杂化。此外,统计分析表明:长春市的不透水面每增加1%,地表温度上升0.06—0.07℃;植被覆盖率每增加1%,地表温度下降0.07—0.08℃,植被对地表温度的影响力大于不透水面。

塔克拉玛干沙漠地表热力异常与南疆夏季降水的关系

利用塔里木盆地25个常规气象站1979—2003年夏季(6—8月)逐月降水资料和NCEP/DOE新再分析月平均地表热通量资料,采用SVD诊断方法分析了塔克拉玛干沙漠春、夏季地表热力异常与南疆夏季降水之间的关系。结果表明:地表热力场与降水场的第一模态代表了两场间的主要耦合特征,具有较好的时空相关;沙漠中部偏西偏北区域(38°～40°N、78°～83°E)与南疆西部、西北部地区为SVD耦合相关的显著区域;南疆夏季降水与沙漠春、夏季地表感热呈负相关关系,与地表潜热呈正相关关系;前期春季塔克拉玛干沙漠地表感热、潜热异常变化可作为夏季南疆降水异常具有指示意义的一个信号。

春季西亚地表热力异常与初夏东北冷涡活动年代际变化的联系

基于1979~2015年中国月平均站点温度资料,计算了初夏东北冷涡指数,分析了初夏东北冷涡活动的年代际变化特征。在此基础上,进一步探讨了东北初夏冷涡活动与春季西亚地表热力异常之间的可能联系,并初步讨论了前期西亚地表热力异常影响东北初夏冷涡活动的可能过程。结果表明:(1)1979~2015年间,初夏东北冷涡强度表现出明显的年代际变化特征,2000年前,冷涡活动总体偏强,之后总体减弱。(2)春季西亚地表热力状况在2000年前后也发生了明显的年代际转变:2000年前总体偏冷,之后明显偏暖。(3)春季西亚地区的地表热力异常与东北冷涡活动的在年代际尺度上联系密切。西亚地表异常偏冷,东北冷涡活动偏强;而西亚地表异常偏暖对应了偏弱的冷涡活动。初步分析发现,西亚地表热力因子可能通过影响大气环流分布并通过遥相关型影响我国初夏东北地区冷涡,当然相关的机理还有待深入分析。

欧亚大陆夏季地表热力异常与同期中国东部夏季降水的可能联系

利用ERA-40再分析资料、CRU TS3.0数据集以及中国站点观测数据,分析了欧亚大陆夏季地表热力异常的变化特征,在此基础上探讨了我国东部夏季降水与同期欧亚大陆地表热力异常之间的可能联系。研究发现,欧亚大陆地表气温与浅层土壤温度的大尺度变化特征基本一致:经验正交函数分解第一模态空间型表现为大陆西南部分区域与欧亚大陆其他区域反相变化,对应的时间系数均在20世纪80年代末出现转折。当夏季欧亚中纬度印度以北地区和我国中东部地区地表气温偏高时,东亚夏季风的强度偏强,西太平洋副热带高压位置偏东,我国东部偏南风偏强,江淮流域水汽偏少,且气流上升运动偏弱,降水偏少;华南和北方地区水汽偏多,且气流上升运动偏强,降水偏多;反之亦然。当欧亚大陆中高纬贝加尔湖以东及以西地区夏季地表气温偏高,而我国东北部地区夏季地表气温偏低时,东亚夏季风的强度偏强,西太平洋副热带高压位置偏西,我国东南部地区偏南风异常偏强,有利于水汽向江淮流域输送,东南沿海及内蒙古中部水汽偏少,且气流上升运动偏弱,降水偏少;而东部其余地区水汽偏多,且气流上升运动偏强,降水偏多;反之亦然。

长沙市地表热力景观时空分异特征分析

以长沙市为研究区域,基于2005~2019年MODIS地表温度产品数据,选取景观指数分析了不同季相和昼夜间地表热力景观格局时空分异特征,并进一步探究了不同等级热力景观下不同土地利用类型景观格局特征规律与地表温度的影响关系。结果表明:①不同季节与昼夜间地表热力景观空间分布差异较大,夏季高温区最为集中;②中温区在长沙市地表热力景观中面积占比最大,地表热力景观聚集度指数差异显著,高温区聚集度指数整体上较高;③建设用地景观斑块聚集程度越高、面积占比越大,地表温度就越高;林地、草地和水体聚集程度越高、面积占比越大,可有效降低地表温度。研究结果可为管理决策部门改善城市热环境提供决策支持。

藏北高原高寒草甸地表粗糙度对地气通量的影响

利用中国科学院寒区旱区环境与工程研究所那曲高寒气候与环境观测研究站的BJ观测站2012年1 12月大气湍流观测资料及自动气象站观测资料,应用一种独立的确定地表动力学粗糙度Z0m的方法及两种热力学粗糙度Z0h的参数化方案(Z98和Y07),得出了Z0m和Z0h以及附加阻尼kB-1的变化规律。结果表明,Z0m在一定时间尺度(月、季)上存在着波动,Z0h在高原季风前、盛行期、衰退期有不同的日变化和季节变化特征。结合陆面模式CoLM将地表特征参数代入该模式进行数值模拟,初步探讨了地表粗糙度的变化规律及其对地表通量的影响,结果表明,Z0m的动态变化和Z0h参数化方案的改进提高了CoLM模式的模拟性能,模拟的地表通量更接近观测值。

辐射传输模式中地表参数对大气长波辐射的影响

本文利用Ｌｉｏｕ－Ｏｕ一维宽带辐射传输模式，对地表热力参数取值部分作了改进，使用模式大气和青藏高原实测资料对下垫面温度与地表空气温度两者不能合二为一的问题进行了分析，同时还讨论了下垫面温度的日变化对大气长波辐射通量日变化的影响及地表比辐射率的变化对大气长波辐射通量计算结果的修正作用。

热力洼地与沙尘暴的形成

沙尘天气自古以来就有,而且影响范围很广.我国长江以北几乎所有的地区都不同程度遭受沙尘天气的影响.

中国区域地表和大气人为影响敏感区域分布

通过1981-2000年NOAA-AVHRR 8km*8km卫星数据,从季节和年尺度分析了人为活动对地表植被覆盖具有显著影响区域分布。在季节尺度上,人为的多季农业耕作活动,造成部分地区植被覆盖出现季节不连续性,在植被轮作季节地表物理属性和几何特征发生明显变化;在年尺度上,人类活动对区域气候的影响主要体现在造成区域地表和大气热力作用改变,热力作用增强的结果反映在区域内低云覆盖发生变化,低云出现减少趋势。相反在植被覆盖增加或人为绿化区域,地表热力作用下降,低云出现增加。

青藏高原春季土壤湿度异常与我国夏季降水的联系

利用197-2014年GLDAS-CLM(Global Land Data Assimilation System-the Community Land Model)地表参量数据集、中国区域逐日观测资料格点化数据集(CN05.1)和ERA-nterim大气环流再分析数据,研究青藏高原5月(春季)土壤湿度的异常变化特征与6月高原地表热通量的相关关系以及土壤湿度异常与我国夏季(7月)降水的联系和可能机理。结果表明:(1)1979-2014年5月青藏高原0~10 cm区域平均土壤湿度异常偏高年有2000,2001,2004,2005,2006和2013年;异常偏低年有1994,1995,1996,1998和1999年。高原整体土壤湿度2000年前较2000年后干燥。从空间分布来看,藏北高原、三江源地区以及藏南谷地土壤湿度偏高年较偏低年有明显增加,且结果通过了90%的置信度检验。(2)高原5月土壤湿度的异常变化与中国夏季的降水分布存在明显的相关关系,当青藏高原土壤较为湿润(干燥)时,从高纬至低纬地区,相关区呈现"正负正负"("负正负正")带状分布特点。(3)5月高原土壤异常湿润时,6月高原东部感热通量和西部的潜热通量异常增加,其共同作用会加强其大气低层辐合环流和大气高层辐散环流,使整个东亚中高纬地区850 hPa以上受强反气旋环流控制;高原东北部500 hPa及以上为反气旋环流,南部和西部为气旋性环流,环流场配置会使南亚高压加强东移,加强西太平洋副热带高压。(4)7月西太平洋副热带高压北侧黄淮地区伴有垂直上升运动,暖湿气流与东北冷涡西侧南下的干冷气流汇合,高层辐散配合低层辐合有利于黄淮地区降水。西北东部和华北区域由反气旋性环流控制,伴有较强的下沉运动,空气干冷,无充足的水汽输送,不利降水产生。

中国区域陆表热力作用时空分布及异常变化区域的成因

基于互补相关理论,通过20cm蒸发皿气象观测数据分析了中国区域1980～2000年地表热力时空变化和分布.结果显示:四川盆地为中心的长江中上游流域和黑龙江北部地区热力作用显著异常增强;新疆和云南部分区域热力作用显著减少.上述区域内低云覆盖率也同步发生显著的异常变化.通过西太平洋副热带高压波动数据和热带风暴频率资料证实,天气系统是造成地表热力异常分布的主要原因,并合理地解释了中国大部分区域年降水周期性和准周期性波动的成因.同时利用NOAA-AVHRR卫星遥感数据,分析了下垫面性质变化对地表热力异常分布的影响.在地表植被增加区域,地表热力作用下降;在地表植被减少强度最大的城市化周边地区,热力作用显著增强,而更大范围的热力增强却与天气系统引发的低云异常减少有关.