北京地区不同城市热岛指标和城市效应研究方法的对比分析.pdf
《北京地区不同城市热岛指标和城市效应研究方法的对比分析.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《北京地区不同城市热岛指标和城市效应研究方法的对比分析.pdf(12页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、DOI:023.02.001(NATURASCIENCE)Mar.,20232023年3 月JOURNALOFNANJINGUNIVERSITYVol.59,No.2第59 卷第2 期南京大学学报(自然科学)北京地区不同城市热岛指标和城市效应研究方法的对比分析张昊,张宁1.2*,潘志华3(1.南京大学大气科学学院,南京,2 1 0 0 2 3;2.中国气象局城市气象重点开放实验室,北京,1 0 0 0 8 9;3.中国农业大学资源与环境学院,北京,1 0 0 1 9 3)摘要:城市热岛效应是城市气候的突出现象之一,由于观测手段差异和数据代表性的不同,对城市热岛存在多种定义,其中冠层城市热岛和地
2、表城市热岛的应用最广泛,但是目前两者之间的比较工作开展相对较少。“城市效应”是指由于城市的出现对一个地区气候的影响,城市热岛本质上属于城市效应的表征之一,分离“城市效应”常用的方法有“城乡差异”和“城市化前后对比”两种,二者分别从观测资料的空间和时间差异着手计算,目前对两种方法结论的一致性分析尤为欠缺.以北京地区为研究对象,利用地面气象站和卫星遥感观测数据,对比分析了该地区气温和地表温度、冠层热岛和地表热岛的数值与变化情况,并进一步分析了分离“城市增温效应”两种方法的可比性,结果表明:(1)2 0 0 9 一2 0 1 7 年北京地区五种热岛指标均值比较为:由卫星遥感反演得到的日间地表热岛最大
3、,其次为地面观测得到的最低气温冠层热岛和卫星遥感反演得到的夜间地表热岛,二者数值相近,地面观测得到的平均气温冠层热岛再次,而地面观测得到的最高气温冠层热岛远小于其他四类;(2)以通州站为例,1 9 8 0 一2 0 1 7 年用以分离“城市增温效应”的城市化前后差异和城乡对比两种方法的结果分别为0.6 5/(1 0 a)和0.6 1/(1 0 a),结论基本一致,虽然由于乡村站平均气温受到城市化影响,城乡对比法存在低估现象,但误差在可接受范围内,两种方法仍具有相互替代性,关键词:城市热岛效应,冠层城市热岛,地表城市热岛,城市效应中图分类号:P49文献标志码:AComparative analy
4、sis of different urban heat island indicators andurban effects research methods in BeijingZhang Hao,Zhang Ningl.*,Pan Zhihua(1.School of Atmospheric Sciences,Nanjing University,Nanjing,210023,China;2.Key Laboratory of Urban Meteorology,China Meteorological Administration,Beijing,100089,China;3.Colle
5、ge of Resources and Environmental Sciences,China Agricultural University,Beijing,100193,China)Abstract:Urban heat island effect is one of the prominent phenomena of urban climate.Due to the difference in observationmethods and data representativeness,there are many definitions of urban heat island,a
6、mong them,the canopy layer urban heatisland and the surface urban heat island are the most widely used.However,the comparison between the two is relatively rareat present.The urban effects refer to the impact of the emergence of cities on the climate of a region.Urban heat island isessentially one o
7、f the characteristics of urban effects.There are two commonly used research methods for separating theurban effects:urban-rural difference and comparison before and after urbanization,which are calculated from the spatialand temporal differences of observed data respectively.At present,the consisten
8、cy analysis of the two methods conclusions is基金项目:国家自然科学基金(4 1 9 7 50 0 6,4 2 0 7 51 8 2),中国气象局城市气象创新团队(CMA2022ZD09)收稿日期:2 0 2 2-0 9-2 2*通讯联系人,E-mail:190第59 卷南京大学学报(自然科学)particularly lacking.Taking Beijing area as the research object,this paper compares and analyzes the values and changes of airtemp
9、erature and surface temperature,canopy layer heat island and surface heat island in this area by using the groundmeteorological station and satellite remote sensing observation data,and further analyzes the comparability of the twomethods to separate urban warming effect.The results show that:(1)The
10、 mean values of the five UHI(Urban Heat Island)indicators in Beijing from 2009 to 2017 were as follows:the daytime surface heat island obtained by satellite remote sensinginversion was the largest,followed by the minimum air temperature canopy layer heat island obtained from groundobservation and th
11、e nighttime surface heat island obtained by satellite remote sensing inversion.The two values were similar.The average temperature canopy layer heat island obtained from ground observation was lower than the former,and themaximum temperature canopy layer heat island obtained from ground observation
12、was much smaller than the other four types.(2)Taking TongZhou station as an example,the results of the two methods of separating urban warming effect from 1980 to2017 were 0.65 C/(10a)and 0.61 C/(10a),which were basically consistent.Although there was an underestimationphenomenon in the urban-rural
13、comparison method due to the impact of urbanization on the average temperature of ruralstations,the error was within an acceptable range,and the two methods were still mutually substitutable.Key words:urban heat island effect,canopy layer urban heat island,surface urban heat island,urban effects城市的快
14、速发展和城市化进程的不断推进对城市气候有着重要影响.随着城市建设和人类活动不断改变土地覆盖类型及其影响支配的城市气候环境,城市气候逐渐得到了国内外学者的广泛关注 1-2 。其中,城市热岛效应作为城市气候的突出特征之一,鉴于其特有的城乡温度差异特征和对其他气候现象以及城市居民健康的影响,逐渐成为领域的研究热点:对于城市热岛效应的研究已逐渐从单纯的热岛强度、热岛范围计算分析、热岛成因探究延展到了城市热岛与城市空间形态、土地覆盖类型、城市人口、经济发展等的关系研究,更广泛地关注到了热岛对居民健康的影响、热岛与气候的相互影响、热岛的治理以及城市规划与城市生态等方面,在数据来源平台、研究手段、研究的时间
15、和空间尺度等方面也有了进步 3-9 城市热岛效应的形成归于城市的发展改变了区域的能量平衡,根据高度、尺度、能量平衡过程、测量方式等差异,城市热岛效应可分为地下城市热岛、地表城市热岛、冠层城市热岛、边界层城市热岛1 0-1 .目前研究最广泛的是地表城市热岛和冠层城市热岛:从两类热岛的数据来源看,冠层城市热岛通常基于气象站定点观测或移动式温度观测车得到的气温数据进行计算,地表城市热岛则通过遥感数据反演得到的地表温度开展研究.在两类温度数据的相关性方面,除比较研究外,研究人员也提出了多种利用卫星遥感数据估算气温的方法 1 2-1 5,目前国内外关于冠层热岛和地表热岛的单独研究已经大规模开展,然而对两
16、者的比较相对缺乏.其中北京市作为我国首都,也是国内城市化水平最高的城市之一,针对北京地区冠层热岛和地表热岛的单独研究也已经经历了较长时期的发展,在两类热岛的比较这一领域同样存在空白 1 6-2 1 。已有的研究表明:空气温度和地表温度具有较大相关性,地表温度的日较差大于气温:目前热岛强度的表征指标和计算方法较为多样,其数值大小取决于所选指标,较为普适的结论是城市冠层热岛和地表热岛在夜间的相关性较强 2 2-2 9 .基于两者之间形成机理、在强度特征方面的相关关系、差异比较等研究仍然较为缺乏。在两类热岛的形成方面,地表温度对百叶箱高度的空气温度有重要影响,空气温度和地表温度的根本不同在于一一地表
17、温度是地表与大气,即固-气界面处的温度,而空气温度则是单纯的气相温度.热岛强度的计算通常是由温度取差得到,地表温度和空气温度的差异导致了地表热岛和冠层热岛的差异,城市效应是指由于城市的出现对一个地区气候的影响,城市热岛效应从本质上来看是城市效应的指标之一,用以表征城市化改变局地热环境191张第2 期昊等:北京地区不同城市热岛指标和城市效应研究方法的对比分析的能力目前对城市效应的分离基于劳里框架,多使用城乡对比的方法进行 3 0 .此方法以“城市-乡村的差”,即单个或多个“典型”城市与乡村站点观测值的差异表示城市效应.由于其数据获取难度相对较低,计算方法简单,得到了较为广泛的应用.本研究中使用的
18、“城市化影响”这一指标就是对该方法的应用,由城市站与乡村站气温均值的差来分离得到由城市化引起的单站气温变化趋势 3 1-3 2 。但此方法存在缺陷,以上计算的理论基础为所选城乡站点都处于同样的气候背景下,同时乡村站点均在城市的影响范围之外,而实际的实践操作过程中,这些假设可以近似但很难严格满足.尤其是在城市化背景下,部分乡村站逐渐被纳入城市发展规划的范围内,增温显著,原本的乡村属性减弱,因此以城乡差异来表征城市效应可能会存在低估的问题 3 2 .此外,对于城市效应的分离还有城市化前后对比这一方法,即“城市-城市化前的差:在同一站点,其环境由于城市化的影响从自然条件变为城市所导致的差异,这一方法
19、基于同一地点不同时段的温度差异来表征城市效应.而单站的温度变化由两部分引起,首先是气候背景的变化,其次是自身发展变化,在这里尤指城市化的影响.因此在实际计算过程中,需要在差值计算的基础上去除气候背景的变化,最终得到城市化影响下单站的增温速率。但此方法的实际应用中较为困难,城市化前的观测数据实际获取难度极高,即使存在也无法完全排除人类活动的影响.两种方法各有优劣,机制上存在时空差异,在之前的研究中,二者的比较鲜少得到关注。本文以北京地区为例,利用气象和遥感观测数据,对冠层城市热岛和地表城市热岛进行对比分析.同时选定特征站点,对“城市效应”的两种分离方法进行计算和比较研究。1材料与方法1.1研究区
20、域和数据本文选择北京地区作为研究对象,北京市位于东经1 1 5.7 1 1 7.4,北纬39.44 1.6,地形西北高,东南低,平原和山地的海拔高度差异较大.北京地区属于暖温带季风气候,夏季高温多雨,冬季寒冷干燥.如表1 所示,本文选取北京地区2 0 个国家级气象站点1 9 8 0 一2017年的最高温度、最低温度、平均温度数据,用于研究北京地区的气温和冠层热岛强度变化特征,2 0 个站点均匀分布在北京地区的城区和乡村,海拔高度不等,空间分布相对均匀,气温数据资料具有较好的代表性.本研究也基于MODIS遥感数据反演得到的北京地区2 0 0 9 一2 0 1 7 年逐月的日间、夜间地表温度,卫星
21、过境时间为每日1时和1 3 时,数据精度为0.0 50.0 5,进行北京地区地表温度和地表热岛强度的时空变化特征分析,研究区域共计7 0 0 余个格点,数据量较大且无缺省值,满足分析要求。表1 北京地区2 0 个国家级气象站经纬度、海拔高度Table 1 Longitude,latitude and altitude of 20 nationalweather stations in Beijing站号站名经度(E)纬度(N)海拔(m)54398顺义116.6240.1328.654399海淀116.2839.9845.854406延庆115.9740.45487.954410佛爷顶116.1
22、340.601224.754412汤河口116.6340.73331.654416密云116.8740.3871.854419怀柔116.6340.3775.754421密云上甸子117.1240.65293.354424平谷117.1240.1732.154431通州116.6339.9243.354433朝阳116.5039.9535.354499昌平116.2240.2276.254501斋堂115.6839.97440.354505门头沟116.1039.9392.754511观象台116.4739.8031.154513石景山116.2039.9565.654514丰台116.253
23、9.8755.254594大兴116.3539.7237.654596房山116.2039.7739.254597霞云岭115.7339.73407.71.2数据处理与研究方法根据北京地区2 0 个国家站分别的年均温与其增长率,选取年均温最高的站点作为城区代表站,并取年均温最低且气候倾向率始终较低的站点作为乡村代表站.由于本文两个主要研究内容对应不同研究时段,192第59 卷南京大学学报(自然科学)1980一2 0 1 7 年与2 0 0 9 一2 0 1 7 年,考虑到该地区的快速城市化进程,针对不同内容选择的城乡代表站点有所差异,1.2.1冠层城市热岛强度和地表城市热岛强度的计算章针对2
24、0 0 9 一2 0 1 7 年北京地区城市冠层热岛与地表热岛的比较研究,本文从气温和地表温度的比较人手,进而深人探究两类热岛特征的不同.为保证温度和热岛强度比较中的空间一致性,基于北京地区空气温度为2 0 个站点温度均值,以2 0 个气象站所在格点的地表温度均值代表北京地区的地表温度:此外,在冠层热岛的计算方面选取城乡代表站,以多个城乡代表站温度求平均后取差得到冠层热岛强度.在地表热岛强度的求算方面,为了与冠层热岛保持时空上的一致性,基于城乡代表站的经纬度进行选点,对其城乡代表站格点地温取平均后作差得到地表热岛强度,如式(1)中,Tu为城市站温度,TR为乡村站温度,T为城乡代表站温度差,即城
25、乡差表征的热岛强度.TH=Tu-TR(1)根据2 0 0 9 一2 0 1 7 年2 0 个站点的气温变化特征重新进行城乡代表站的选择:城市代表站为通州站、朝阳站、观象台站、丰台站、石景山站,乡村代表站为延庆站、佛爷顶站、汤河口站、密云上甸子站、斋堂站、霞云岭站.由于北京地区地形西北高、东南低的特点,所选城市代表站的海拔高度均在7 0 m以下,除佛爷顶站海拔最高为1 2 2 4.7 m外,四个乡村代表站海拔高度均在2 9 0 4 9 0 m.虽然从海拔高度上看,佛爷顶站与其他站点差异较大,但由于佛爷顶站属于高山远郊站,地理位置及海拔高度决定了其是北京地区诸多站点中受到人类活动影响最少的站点之一
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 北京地区 不同 城市 热岛 指标 效应 研究 方法 对比 分析
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。