1981—2020年北京城市热岛效应时空特征及其影响因素分析

在气候变暖和快速城市化背景下,北京一直面临着城市热岛效应带来的环境问题。基于北京市1981—2020年逐日气温观测资料,采用线性回归、克里金插值和相关性分析等方法,研究了北京市城郊气温变化趋势以及北京市城市热岛强度(Urban Heat Island, UHI)的时空变化特征,并评估了气象因素、人口密度和土地利用/覆盖类型对城市热岛效应的影响。结果表明:近40 a来北京市城郊区的平均气温均呈上升的变化趋势,且城区气温增幅大于郊区,表明北京市UHI上升趋势显著。就季节而言,北京市冬季UHI最强(1.22℃),秋季次之,春、夏最弱,其中秋季UHI增幅最大。同时,北京市城市热岛效应范围也在逐渐扩大,其中城六区为高值区,热岛区由西北向东南方向延伸至城市副中心通州区,朝阳区和通州区增温趋势明显。2000年以来,北京市冬季UHI出现了显著的增加趋势,高值区UHI增加至1.6℃。此外,主成分分析表明人口、建设用地和气压对城市热岛效应的形成起促进作用,而风速和耕地是缓解城市热岛效应的重要影响因素。

武汉市建设用地开发强度与热岛强度特征研究

随着城市化进程的加快,越来越多的人口从农村进入城市,城市的气候和环境问题日益凸显。城市化过程导致城市下垫面改变,自然土体被不透水的钢筋混凝土覆盖,城市热岛问题突出。文章通过研究武汉市各类建设用地的开发强度特征,包括容积率、建筑密度和建筑平均高度,计算武汉市地表温度和热岛强度,分析和总结武汉市各类建设用地开发强度和热岛效应特征,从空间形态出发提出规划改善策略,为城市规划和建设提供指导依据。

2022年8月四川盆地持续性极端高温特征及不同模式预报误差分析

本文基于2022年8月四川盆地104站逐时温度、降水数据和1971—2021年历史同期数据,及EC、CMA-GFS、CMA-MESO模式的2 m气温预报等数据,运用统计学相关方法分析了此次极端高温过程的特征及预报误差。结果表明:①2022年8月四川盆地极端高温过程范围大、强度强、持续时间长,有87.5%站最高气温超过该站历史同期极值,且高温最强盛时段较历史同期明显推后。②2022年8月最高气温分布为东高西低,最高气温与历史同期极值差分布则相反,其中最高气温随站点海拔增大而减小,而极值差则随站点海拔先增大再减小。另外,受热岛效应影响,极值差大值站点主要集中在龙泉山脉附近。③高温期间,最高、最低气温平均值高、距平大,且累计降水量和雨日数也明显低于历史同期。④相较而言,EC模式的预报优势主要在盆地低海拔地区。而CMA-MESO模式在盆地周边陡峭地形区域的平均绝对误差则更小。另外,EC模式预报的最高气温峰值出现时间更接近于实况,而CMA-MESO模式预报高温持续日数更接近实况。

2022年四川省复杂地形下持续性极端高温特征与模式误差分析

2022年8月四川省持续性极端高温天气过程范围广、强度大且持续时间长,全省有74.8%的站点打破近70年历史同期极值。本文选取四川地区2022年8月逐时2 m气温实况站点和历史同期数据,结合EC、CMA-GFS及CMA-MESO模式的2 m气温预报数据,分析了此次极端高温天气特征及预报误差。结果表明:(1)受地形影响,最高气温极值呈东高西低的分布特征;(2)受热岛效应影响,最高气温超历史极值较多的站点主要集中在盆地西部龙泉山脉附近;(3)3个代表站的最高气温平均值高、距平大、高温持续时间长,该时段的累计降水量明显低于历史同期平均值且降水日数显著偏少;(4)3个模式对于最低气温的预报准确率明显高于最高气温,而最优模式的高温预报准确率仅39.1%;(5)EC模式的预报优势主要在盆地低海拔站点,CMA-MESO模式在陡峭地形区域的预报效果要优于EC模式;(6)对于最高气温出现日期预报,EC模式在盆地和攀西地区效果更佳,CMA-GFS和CMA-MESO模式在川西高原效果更优。

土地利用类型变化对城市热岛效应的影响分析

首先基于北京市2013—2020年Landsat-8卫星遥感影像,使用TIRS10_SC算法反演北京市地表温度;其次,对温度反演结果进行归一化处理,进行热岛等级划分,并计算热岛强度指数;最后,结合土地利用类型数据,分析土地利用类型覆盖面积变化对城市热岛强度的影响。结果表明:1)2013—2020年北京市的城市热岛效应呈现出先上升后下降的趋势,2015年城市热岛效应现象最明显;2)2013—2020年裸土地变化程度最大,其中有40.060%的裸土转变为植被,24.988%的裸土转变为建设用地;3)出现次热岛和强热岛现象的区域地表覆盖类型主要是建设用地和裸土,出现绿岛和冷岛的区域地表覆盖类型主要是植被和水体,并且在相同面积占比情况下,水体缓解热岛效应的效果更加明显。

通惠河(通州段)河道生态治理探析

通惠河(通州段)现状河段在排水、水资源生态利用、周边环境协调、水韵文化传承与发扬等诸多方面存在着不同程度的问题,亟须疏浚与治理。为加快实施该河段的治理,提升其作为通州新城城市内河的核心作用,针对问题成因进行分析,提出河道疏浚治理对策和水生态环境提升建议,探讨治理的生态技术和工程措施,为该段河道治理提供参考。

哈尔滨城市森林景观季节变化对地表温度影响的定量研究

城市森林是平衡城市环境温度的自然解决方案,对降低城市热岛负面影响和发挥生态效益具有重要意义。文章利用地理信息技术提取春季、夏季和秋季城市森林景观和LST空间信息,探究不同季节城市森林景观指标对LST变化的最佳解释模型。结果表明,不同季节城市森林景观组成指标与LST的相关性最为显著,但不同类型的林地景观与LST的相关关系和程度均存在差异。因此,丰富森林景观内部植被种类的多样性,增加城市森林斑块形状的复杂性,并联通单独的城森林景观斑块形成森林生态廊道,是最大限度发挥哈尔滨市城市森林景观调节LST效益的方法。

基于新型探测资料对西安一次弱降水预报失误的原因分析

利用微波辐射计、激光测风雷达、多普勒雷达、相控阵雷达等新型探测资料、地面加密观测资料、ERA5再分析及多模式数值预报结果对2022年4月24日西安城区一次弱降水预报出现明显失误的原因进行分析,结果表明:①全球数值预报模式和中尺度数值预报模式对本次过程西安城区均报有明显降水,主要原因为模式对低层相对湿度预报明显偏大;②多种新型探测数据分析认为近地层湿度条件较差及中层的绝对水汽含量低,中层的干暖空气不利于成云致雨,垂直上升运动不强,且由于低层非常干燥,使水滴在下沉过程中蒸发,从而无法形成雨滴下落,这些原因共同造成西安城区无降水,低层相对湿度预报偏大是造成这次西安城区降水预报失误的主要原因之一;③造成西安城区近地层湿度条件差的原因是城市干热岛效应和低层干暖平流输送,且降水云团翻越秦岭后其湿空气绝热下沉至城区后出现增温降湿,使得城区形成较为深厚的干层,即使有雨滴在下落过程中也会造成更强的蒸发,这也是城区没有降水的重要原因之一;④预报员主观预报订正出现空报主要是源于对边界层水汽、抬升条件等关键降水要素缺乏订正能力,且对大城市的干热岛效应和秦岭山区地形影响研究不足。

弱天气背景下天津三次局地突发暴雨中尺度特征及触发机制

利用ERA5再分析(0.25°×0.25°)、加密自动气象站、多普勒天气雷达和变分多普勒天气雷达分析系统等高时空分辨率资料,对比分析了2018年7月22日、2019年7月18日、2021年8月23日天津中心城区三次局地突发性暴雨过程的中尺度特征及其触发机制。结果表明:三次局地突发性强降雨均无明显天气尺度系统主导,但环境大气具备较高的对流不稳定能量和较小的对流抑制能量,抬升凝结高度仅0.2~0.4 km,且低层均存在一定的湿层。局地突发性暴雨的发生与城市热岛及海陆下垫面特征差异造成的中小尺度系统有关,暴雨发生前天津中心城区与沿海地区之间的温差和气压差增大,中心城区附近温压场具有明显的非均匀分布特性,中尺度暖低压及其东侧的高温度梯度为局地对流发生提供了有利的中尺度环境条件。此外,暴雨发生前沿海地区均出现了明显的海风加强,城市热岛暖低压辐合与海风风速辐合共同作用使得中尺度辐合强度明显加强,是局地突发性暴雨发生的主要原因,初生的γ中尺度对流单体均位于地面强辐合中心边缘上空。

不同算法下超大城市中心城区夏季冠层热岛强度的时空分异特征

为准确评估高度复杂的超大型城市冠层热岛强度分异特征,以武汉市为例,提出一种考虑城市不同片区空间差异性的冠层城市热岛强度(canopyurbanheatislandintensity,CUHII)计算方法,并结合基于“城-郊”二分法的传统算法探讨不同算法下冠层城市热岛特征。结果显示:传统算法下各片区始终表现出城市热岛现象,且CUHII日变化曲线高度一致;与之相反,片区算法中各片区的CUHII日变化差异显著,具有多个大型生态空间的武昌片区在昼间出现了持续的冷岛现象。同时,除晴朗天气外,高温和降水天气会进一步加剧片区算法中城市片区间CUHII差异。此外,传统算法识别的冷、热岛中心范围较小并分布于中心城区外围,而片区算法识别的热岛中心呈带状覆盖城区中部高密集开发区,冷岛中心则邻近武昌片区内大型自然湖泊。结果表明,提出的算法弱化了城市区域发展不均对冠层热岛评估带来的干扰,有利于深入挖掘热岛特征并更加准确地识别城市热环境需要优先干预的区域。

多维协同的城市蓝绿空间降温效应情景模拟——以上海市中心城为例

高温热浪叠加热岛效应导致城市夏季温度日益升高,布局蓝绿空间是有效应对途径。蓝绿空间降温效应受多重因素影响,认知不同建筑环境中其面积、配置、构形维度如何协同降温,是提升降温能力的关键。在厘清上述影响因素的基础上,基于情景模拟统筹分析多维度指标对蓝绿空间降温效应的影响,并采用广义相加模型其的交互作用。以上海市中心城为例开展实践,结果显示,单一维度提升情境中,面积提升带来的降温幅度最大,其次为配置优化,但小斑块优化配置、构形效果不佳。协同多维度更能提升蓝绿空间降温效应,尤其在建设强度低的社区。

多维城市形态对热环境的影响归因及MAUP效应

城市热环境影响因素研究受到可塑性面积单元问题(MAUP)效应的显著影响,导致建模结果出现不确定性。该文以武汉市主城区为例,在考虑指标的可操作性基础上构建多维城市形态指标体系,探讨地理探测器对MAUP效应的响应特征,并解析热环境空间分异的驱动力以及因子交互作用机制,提出缓解城市热岛效应的优化调控策略。结果表明:(1)热环境因子探测结果对MAUP效应具有强敏感性,研究单元和分区方法的选择均会对指标重要性与显著性产生影响,且不同指标对尺度效应与分区效应的响应规律存在差异。(2)因子探测分析表明,三维指标对城市热岛效应的解释力大于二维指标,建筑密度是城市热环境空间分异的主导驱动因子。(3)交互探测分析表明,热环境空间分异是不同影响因子之间的协同作用过程,二维指标之间、二维与三维指标的交互作用均显著大于单因子作用。研究结果可以为缓解城市热岛效应的多维城市形态优化提供决策支持。

2000—2018年长株潭城市群城市扩张及其热岛响应

城市热岛效应同城市居民福祉息息相关,特别是近20 a我国的中西部城市在快速城市化的背景下,城市扩张进程进一步加快,城市热岛效应的影响也随之不断增加。为探究城市及城市群扩张与城市热岛效应变化的关系,以长株潭城市群为研究区域,利用Boyce-Clark形状指数分析城市扩张进程及空间形态变化。首先,利用基于Google Earth Engine(GEE)平台的实用单通道算法进行温度反演;然后,使用均值-标准差法划分温度等级区并定义和提取城市热岛范围;最后,提取城市重心和热岛重心,采用重心迁移方法分析城市扩张与热岛效应之间的变化趋势。结果表明城市热岛变化与城市群城市扩张趋势一致,研究结论如下:①2015年后长株潭城市群进入高速发展关键时期;②城市扩张是热岛面积增加的主要原因;③城市热岛重心与城市重心迁移趋势基本一致,城市热岛范围增加的方向也同城市扩张方向基本一致。

上海地区高温过程中局地气候区尺度城市热岛特征分析

本文以超大城市上海为研究对象,选取2017年7月为夏季代表月,利用自动气象站网观测得到的逐小时气温和风速数据,基于局地气候分区方法分析了上海市各局地气候区(Local Climate Zone,LCZ)在不同天气条件下的气温和城市热岛强度(Urban Heat Island Intensity,UHII)时空特征及其成因。结果表明:由于城市几何形态、建筑材料、表面不透水面占比以及人类活动的不同,上海市夏季典型月各LCZ的气温和UHII表现出明显差异,在高温日,UHII日变化曲线可以分为"W"型、浅"U"型、"V"型、日间型和平稳型这五类。城市建筑形态对城市风、热环境具有较为复杂的影响,UHII与天空可视因子(Sky View Factor,SVF)的相关系数在00时(北京时,下同)为负,而在12、16时为正,这是由于建筑物对城市冠层内的辐射传输的影响和建筑物的热量储存导致的;城乡风速之比与SVF在00、12和16时都为正相关,说明了高大密集的建筑物对风速有衰减作用,同时风速通过影响大气的平流输送进一步影响UHII。

城市热屿的时空变化特征及其与绿地的相关性研究——以南京主城区为例

在全球气候变化的背景下,热岛效应成为城市面临的重要挑战之一,但针对热岛自身组成和分布的时空异质性研究还比较少。以南京主城区2017和2022年的热环境为例,将热岛细分为多个独立的热屿(heatislets),识别出不同的时空变化类型,并探索城市绿地与热屿变化的相关性。结果表明,破碎与融合是热屿时空变化的主要类型,其中破碎之后热屿的热岛强度会明显降低,而融合类型则正好相反。破碎或融合前后热屿的变化与其中绿地的变化有极显著的相关性。假设其他因素一致的情况下,绿地面积每增加1.00hm^(2),热屿面积会平均减少14.25hm^(2),热屿破碎后的数量会平均增加1.86个;绿地面积每减少1.00hm^(2),就有平均1.51个热屿融合在一起,热屿的面积也会平均增加3.89hm^(2)。根据不同热屿的特征进行针对性的绿地规划布局,能更加有效地降低热岛强度。研究结果有望为缓解城市热岛效应提供新的研究和实践思路。

天津市热环境时空演变及影响因素分析

随着城市化进程加快,城市热环境发生显著变化,对人类活动造成很大影响。为探究天津市城市热环境时空变化及其影响因素,基于2005—2020年四期Landsat遥感数据,利用辐射传输方程法反演地表温度,计算城市热岛比例指数,用标准差椭圆法分析城市热环境发展和布局,利用地表温度并结合土地利用分类研究城市地物覆盖类型与地表温度的响应关系,并采用地理探测器探究高程、绿地、建筑用地和水体对地表温度变化的影响差异。结果表明:天津市热岛足迹沿主干道由市内六区向环城四区发展,天津城市热环境呈现先增高后降低的趋势;由标准差椭圆分析可知,城市热岛呈现发展主轴维持在东北—东南方向,整体空间格局呈现放射状分布;天津市中心城区建筑用地面积占比逐年增加,水体面积占比逐年降低,各类型地物平均温度排序为:建筑用地>绿地>水体;地理探测器分析表明:NDBI和NDVI是影响地表温度变化的主要因子,NDVI和MNDWI对LST交互作用最强,是城市热环境驱动作用最强的因子组合。

城区与郊区NO_(2)-O_(3)作用的多重分形差异分析

为定量揭示城区和郊区O_(3)前体物对O_(3)生成的差异化影响,文章基于多重分形去趋势互相关分析法和K均值聚类算法,对2016-2022年四川省15个重点城市城区和郊区不同站点NO_(2)-O_(3)互相关性的多尺度特征进行对比分析。结果表明,城区和郊区大气NO_(2)-O_(3)互相关性均具有多重分形性及长期持续性特征,且郊区站点多重分形强度显著高于城区。城区和郊区NO_(2)-O_(3)互相关性多重分形强度差异呈现逐年递增规律,且受季节影响较大,其中夏季城区和郊区差异最大,冬季最小,这些差异主要受O_(3)前体物排放特征和热岛效应的影响。研究结果有助于从新的角度理解城区郊区大气污染差异及形成机理,为城郊O_(3)精细化预测模型的完善提供动力参数。

基于热岛指数的火电厂年度碳排放估算方法

火电厂碳排放是一种重要的人为碳源,准确估算火电厂碳排放量有助于当下开展的火电厂碳减排工作。现有的研究多集中在宏观尺度下的火电厂碳排放估算方面,而缺乏面向特定火电厂的考量。针对特定火电厂碳排放精确估算这一难点和热点问题,提出一种基于热岛指数的火电厂年度碳排放估算方法。该方法基于遥感卫星的地表温度影像数据和已有的火电厂年度碳排放数据,通过计算火电厂的热岛指数来描述火电厂的热特征,然后经过热岛指数序列的年度端点插值和Simpson积分获得火电厂的年度热岛指数,以年度热岛指数为输入,使用决策树模型预测特定电厂的年度碳排放量。实验结果表明,该方法具有良好的预测能力和较高的精度,火电厂年度CO_(2)排放量预测值平均绝对百分比误差小于0.035,最大预测百分比误差小于5%。

绿地空间降温效应综述:景观调控视角

在全球变暖和极端热事件加剧的背景下,绿地空间优化已经成为一种有效调控热环境的基于自然的解决方案,明晰绿地空间的降温过程、效应特征和景观调控作用对区域绿地空间结构和格局优化至关重要。梳理当前景观调控视角下绿地空间降温效应相关的理论、方法与案例,回顾了植被降温过程。植被通过遮荫、蒸散、固碳、湍流等过程直接或间接地实现降温效果,但同时受到了大气和土壤含水量、环境温度、风系统等背景气候的影响。从内部视角(绿地景观变化对本地温度的影响)和外部视角(绿地景观对外部区域温度的影响)总结了降温范围、强度、梯度、效率等特点,分析不同度量指标的空间差异与关键阈值。内部视角厘定降温效应主要模拟区域内土地覆被变化(如造林、植被类型转换等)和植被覆盖度变化的影响;外部视角强调以绿地景观为中心的距离变化及其温度序列关联的特征曲线。进一步归纳了景观视角下绿地空间对温度的调控途径,梳理绿地景观组分(景观的类型、结构和规模特征)和空间配置(景观的空间形态和关系特征)对降温效应的影响差异。已有研究表明,绿地空间的景观组分与温度的关联性结论较为一致,但关键调控阈值在不同气候和发展水平的区域存在差异;规则或复杂绿地景观、集聚或离散绿地景观对区域热环境的影响则并未统一,但空间配置对降温效应的影响通常弱于景观组分。最后,围绕“机理-阈值-优化”提出未来景观调控视角下绿地空间降温效应研究需要关注绿地空间降温的非线性过程、多目标协同的绿地景观调控机制、面向降温效应提升的绿地空间网络等重点方向。

城市热岛强度对不同叶片质地绿化树种叶片水分相关性状的影响

【目的】了解两种不同质地叶片水分相关性状对城市热岛的响应,揭示不同质地叶片对城市热岛的适应方式是否有所区别。【方法】在北京市4个典型热岛强度地块中,以常见纸质叶和革质叶绿化树种为对象,研究与树木水分过程相关的叶脉、气孔性状以及叶表皮厚度的变化。【结果】(1)纸质叶的叶脉密度、气孔密度、气孔长度、最大气孔导度、上表皮厚度在强热岛区相对于强冷岛区表现出增大的趋势,叶脉直径在强热岛区相对于强冷岛区表现出减小的趋势;(2)革质叶的叶脉密度、叶脉直径、气孔长度在强热岛区相对于强冷岛区表现出增大的趋势,气孔密度、最大气孔导度、上表皮厚度在强热岛区相对于强冷岛区表现出减小的趋势;(3)不同质地叶片表现出了不同的水分相关性状相关性,但两者均表现出气孔密度与最大气孔导度呈正相关(p<0.05),两种质地叶片通过调整水分相关性状之间不同的关系来适应城市热岛的胁迫。【结论】城市热岛会显著影响树木叶片的水分相关性状,不同质地的叶片应对城市热岛环境所采取的适应策略有所区别。纸质叶采取了加大水分供应,提高蒸腾作用,帮助植物体降温的策略;革质叶采取了提高水分的运输,减小蒸腾水分耗散的策略。两种叶片质地树种的叶脉与气孔均存在协同进化的现象。对于处于较高热岛强度的城市公园,应参考水分相关性状等指标选择耐高温树种,并且在高温季节采取加大灌溉量和人工降温等措施。