城市不同下垫面小气候特征对比与研究.pdfVIP

城市不同下垫面小气候特征对比研究 贺晓冬 南京信息工程大学应用气象学院，南京 210044 摘要 基于watchdog 小型气象站和非接触红外测温仪的观测数据，通过对气象要素的相关性、差异性和时滞互相关分析以及热环境 时空变化特征分析，研究了柏油路面、草地、水体、建筑物遮阴路面、梧桐树遮阴路面五种城市典型下垫面小气候特征。同时结 合鱼眼图像的数字摄影测量和计算机图形处理算法，并仿造生态水文学中对林分郁闭度的定义及测量，分别提取不同下垫面鱼眼 图像中的建筑物遮蔽度、梧桐树郁闭度和天空透光度，初步探索相同地区气候、相同路况下，建筑物、梧桐树遮阴柏油路面与无 遮阴柏油路面的日间小气候特征影响因子。研究结果表明：(1) 地表温度与气温呈正相关关系，日变化趋势基本一致，相对湿度 分别与地表温度和气温呈负相关关系，日变化趋势相反。不同下垫面地表温度差异显著，气温和相对湿度差异较小；(2) 地表温 度与气温出现正、负两种互影响特征，表明气象要素之间的协同—反向作用机制。地表温度对气温的影响先于气温对其地表温度 的影响，气温变化相对于地表温度有0.5 h左右的滞后；(3) 不同下垫面对近地表空气温、湿度影响存在差异，梧桐树遮阴路面 与水体在日间有明显的降温增湿效应，可有效改善局地小气候环境；(4) 不同下垫面小气候气象要素的时间序列、空间序列及数 据正规化后的时空序列三种标准差，揭示了城市不同下垫面空气温、湿度的时空变化与成因机理。柏油路面是本次观测区的代表 下垫面，即最能代表观测区空气温、湿度的时空日变化特征；(5) 建筑物和梧桐树的遮蔽均能有效降低地表温度和气温，建筑物 遮蔽度和梧桐树郁闭度越大，天空透光度越小，对空气的降温增湿效果越显著，进而调节小气候，改善人类居住环境，增加人体 舒适度。本文为开展具有针对性和精细化的城市气象预报服务提供基础数据，为进一步认识人类活动对城市气候的改变提供科学 依据，为城市生态建设提供理论参考。 关键词：城市下垫面；小气候特征；时滞互相关；热环境时空变化；鱼眼图像 在全球变暖和城市化的双重背景影响下，中国城市化处于加速发展阶段，人类活动改变了原来的地表特征， 进而改变了不同下垫面的小气候特征[1]，引起不同下垫面地表辐射平衡和能量交换过程，这影响着城市气候， 同时也在一定程度上作用于全球气候和大气环流的变化过程，因此，研究城市不同下垫面小气候变化特征对全 球气候变化的研究和气候数值模拟具有积极的理论和现实意义[2‐3] 。小气候的概念首先由德国气候学家盖格尔(R. Geiger)提出并奠定了其学科基础[4]，较系统的研究随后在各国普遍展开。B. Offerle. I[5]等对城市内街道之间的地 表温度和气温、湍流的关系研究发现气温和地表温度的差异取决于下垫面的组成和位置；Christelle Vancutsem[6] 等通过MODIS地表温度数据估算不同生态系统的气温，在此基础上进行对比分析发现气温与地温的差异随着季 节、生态系统、太阳辐射和云层覆盖的变化而变化；王健、何清[7]等对塔里木沙漠公路塔中段两侧不同下垫面 进行了小气候分析，通过比较其差异得出自然沙面、草方格、低矮林带、沙石路面等下垫面各异的防沙特性； 近年来随着科学的发展和技术成熟，很多学者使用遥感影像反演下垫面地表温度[8]、分析不同下垫面温度的空 间差异[9－10]和其对周围环境的热效应[11]等，并开展更深入的应用研究。在局地尺度上，对农田、地形、城市绿 地和温室等单一下垫面的小气候效应研究较多[12－14]，部分学者虽然对不同下垫面的小气候特征和气象要素进行 了对比研究[15－16]，但人类活动对城市不同下垫面改变的研究并没有得到相应程度的关注，即在精细化方面如柏 油路面、草地、水体等城市典型下垫面小气候特征研究较少。  本文通过对柏油路面、草地、水体、建筑物遮阴路面、梧桐树遮阴路面五种典型城市下垫面同步进行气象 观测，采用数理统计方法，对气象要素进行相关性和差异性分析，讨论局地不同下垫面对气象要素及区域气候 的影响；同时作为局地尺度下垫面气候影响的具体案例，可为不同尺度气候变化的交互影响及其累积效应和全 球气候变化的研究提供借鉴；此外，本文将基于鱼眼观测的数字摄影测量和计算机图像学应用于气象学研究， 并仿造生态水文学中对林分郁闭度的定义及测量，分别提取不同下垫面鱼眼图像中的建筑物遮蔽度、梧桐树郁 闭度和