影响当地的温度和能量在中国西北干旱区绿洲城市扩张

文摘

SURFEX 7.3地表模型用于研究气候的影响城市扩张位于中国西北干旱地区绿洲的表面和2 m城市热岛热岛强度和可用的能量比( )。我们进行了一个真正的区域发展场景和三个假设场景模拟1978年,1993年,2004年和2014年,分别。结果表明,2 m热岛总是显示积极的双峰在一整天,而地表热岛仅显示一个积极的单一峰值数小时白天在四季四年。此外,2 m热岛强度在晚上比白天,表明热岛强度贡献更多的“陷阱”效应”从城市复杂几何表面或人为热量和热岛根据地表温度不能全面反映热岛。oasis-urban发展导致了当地的气候变暖并增加 ,并与原始未开发环境,当地气候的研究区域1978年和1993年处于相对平衡状态的“热效应”城市区域和绿洲的“冷却效应”,但从绿洲将成为弱after1993抵消效应。

1。介绍

研究当地的气候变化引起的城市扩张已经受到了越来越多的兴趣是因为它是密切相关的生活质量对人类在过去的几年中1- - - - - -6]。但研究对城市扩张的气候效应oasis-desert系统是相对罕见的干旱地区(7,8]。中国西北有一个特殊的盆山地貌、城市在这个地区通常是转换从周围的绿洲面积,而绿洲通常从一个困难在沙漠周围的回收。城市和绿洲发展本地区都极大地限制了当地水土资源在盆地9,10),因为主要的水资源是有限的积雪和冰川的融化和降水在高大的山脉和沙漠背景也使绿洲和城市争夺有限的肥沃的土壤冲积扇出的山11]。城市扩张等绿洲将不可避免地增加不稳定的绿洲和综合生态系统12,13]。基于我们之前的研究,wet-cold岛的绿洲发挥作用与周围的沙漠和绿洲和沙漠之间推动当地的大气环流,它扮演着一个重要的角色在维持绿洲的存在(14,15]。然而,我们不知道是否该城市扩张会影响绿洲的wet-cold岛效应和当地气候如何?因此,探索该地区气候城市扩张的影响将为区域可持续发展提供有益的信息(16]。

不透水面积的扩张(ISA)是一个代表城市发展(17),城市热岛(热岛)已经被认为是最明显的特性,导致从ISA扩张18]。然而,我们发现,理解为热岛和ISA的关系随着以前的研究是不完整的,单方面的和有争议的。例如,一些研究人员认为市中心有时比农村环境、冷却器等夏天早上(19]。其他人认为,城市中心总是比农村地区在全年暖和20.]。除了不同的城市规模和城市几何描述(21这些有争议的结论),一个可能的重要的原因是不同的热岛的定义。我们都知道,热岛被定义为城市和农村地区之间的温差。但是一些研究人员计算热岛使用空气温度城市和农村之间的区别(2,19,22- - - - - -24),而其他计算热岛从地表温度(LST)城市和农村之间的区别(1,20.,25]。

因此,在本文中,我们比较了两种不同的热岛强度小时规模的增加是在一个典型的中等规模oasis-urban富康(FK)队在天山北坡。垂直温差地表及其在城市中心和可用的能量比率也进一步理解热岛的机理研究。

2。方法

2.1。研究区域

研究区域的特殊性主要是这样的城市面积扩大人工绿洲(9,10),而这些绿洲的形成依赖于高盆山系统的地貌特征。有限的水资源从融化的积雪和冰川和山脉的降水维持绿洲和城市生存在这盆山系统。水资源稀缺对人类的生计和生态系统,和城市发展肯定会增加区域可持续发展的不稳定性。

我们新疆三工河流域苔藓植物的种类选择颗(SGRB)在天山北坡为研究区域,面积304公里²。颗与中央44°09年的纬度和经度和87°58 。SGRB有缓坡从东南到西北的平均海拔575米,和著名的Gurbantonggut沙漠位于北部地区。在1958年之前,颗只是一个小村庄,和占主导地位的植物物种SGRB沙漠灌木,草原,盐(26]。颗的面积和人口大幅度增加约60.87公里²和220000(绿洲人口密度达到71人/公里²)在过去的60年。占主导地位的植物物种成为作物如小麦、棉花、沙漠和周围稀疏的灌木。SGRB属于大陆性干旱和半干旱气候平均蒸散的2292毫米,平均降水量145毫米。年平均气温为6.7°C,有历史的极端最高气温41.5°C和最低温度-37°C。

2.2。模型

使用外部化表面计划SURFEX 7.3。SURFEX实际上包括各个模块来描述水的交流,动力,和能源在四普遍表面积的题目:海洋,湖泊,植被,镇(27]。在本文中,我们使用能量平衡(TEB)镇(28)计划参数化当地规模能源和水城市表面和大气之间的交流,同时再加上土壤之间的交互,生物圈和大气(国际海底管理局)方案29日,30.)来模拟土壤和植被的能源和水的预算。TEB模拟城市能源和水交换三通用的和全面的表面(道路、屋顶、墙)。尽管TEB单层树冠模块与简化假设树冠形状和方向,它足以准确地描述表面能的变化趋势,峡谷空气温度和表面温度。国际海底管理局的耦合和TEB在离线模式下运行。

2.3。输入数据

2.3.1。不透水面积估计

在这项研究中,两个航空照片和卫星图像被用来访问不透水面积的比例(ISA):扫描航空照片在1958年和1978年,陆地卫星5号拍摄1993年TM(30米),点4(10米),2004年和2014年地球资源观测卫星8(15米)。所有的卫星图像获得从7月到9月。由于植被蓬勃发展在这一时期,很容易区分不同土地覆盖类型的基础上明显的光谱差异。图片在1993年,2004年和2014年首次radiometrically和气压上纠正使用环境/ FLAASH模块,和几何纠正也执行。所有图片上的投影是投影使用统一横轴墨卡托和wgs - 84坐标系。提取的主要方法是引用的研究(17,31日- - - - - -33]。首先,水是蒙面根据归一化差异指数。三丰富的光谱信息提取乐队噪音最低分数,是用来选择的四个完全不同的和古典endmembers(植被、低反照率、高反射率组成、和土壤成分)。最后,使用决策树分类ISA分数了。的照片在1958年和1978年,ISA被草图城市边界提取数字和计算灰度差异的ISA航空照片和引用颗年鉴。ISA扩展图中可以看到1。

2.3.2。强迫和观测数据

再分析一回顾性分析研究与应用(一)被选为迫使数据。本产品是生产每隔一小时,完整的空间分辨率是1/2度(纬度)×2/3度(经度),下载的戈达德地球科学数据和信息服务中心(一)。一项目生成的版本5.2.0戈达德地球观测系统(GEOS)大气模型和数据同化系统(DAS)。一使用合奏同化方法(34),高品质(35]。迫使变量由每小时直接向下短波辐射,向下长波辐射,降雨率、10 m空气温度,向东向北风能和风力10米位移高度、表面压力,含湿量在10米以上位移高度为1978年和1993年,但是在2004年和2014年的50米,和等效密度的有限公司₂在模拟(350 ppm)。原位观察从气象台颗用于验证模拟每小时温度(图2)。的原始基础表面颗站是灌溉作物,但有颗的扩张,观察是城市地区的影响更大。

2.4。模拟的场景

因为有较小的ISA(图1)和缺乏迫使1958年数据,我们进行了一个真正的控制场景和三个假设场景模拟只有1978年,1993年,2004年和2014年,分别。表1显示了土地利用变化在不同的场景中,并解释了不同场景的细节。CDISA场景代表了真正的进化历史土地覆盖的四年。疾控中心场景假定ISA在真实的场景中被转换从周围的绿洲和沙漠仍在与CDISA相同的场景。因此,CDISA和疾控中心的区别可以解释ISA的贡献在当地气候城市发达的绿洲。CDD提到的ISA CDISA从沙漠,转换和CDISA和CDD的区别可以解释ISA效应当从周围的沙漠城市发达。我们也认为没有城市和绿洲扩张在过去(D场景)和D的气候情景假定气候环境未开发的状态。因此,疾病预防控制中心和D之间的差异会给气候影响绿洲只有发达时,CDISA和D之间的差异给真正发展的气候效应。因为相同的强迫使用数据和参数在不同仿真场景中,我们可以推断出当地气候区别不同的场景在同年因地区发展。

2.5。模型参数

的主要作物类型根据田野调查([SGRB是棉花和小麦36])。叶面积指数(LAI)值在12个月内被设置为0,0,0.5,1.06,2.38,3.4,4.2,4.3,3,1.33,0,基于一赖的平均数据和0(一)、主要作物物候学(37- - - - - -39),和田野调查。在绿洲城市道路一般可分为表层,基础层,缓冲。根据调查显示,表层的厚度大约是3 - 15厘米,规模的层是由沥青和混凝土层的结合。基础层的厚度50厘米,方法和层主要由混凝土道路的稳定性。垫层是基本层和土壤之间也主要由混凝土。墙在绿洲城市两边可以由石膏和层和内部绝缘和隔热层(200 - 300厘米)的空心砖,加气混凝土,或苯板。屋顶在绿洲城市可分为表面防水层、绝缘和隔热层,钢筋混凝土层(40,41]。在这项研究中,参数的屋顶,墙,道路被设置为三层从田野调查和论文引用(3,23,40- - - - - -43]。细节表中可以看到2。

3所示。结果

3.1。模拟评价

我们使用皮尔逊相关系数( ),协议(指数 ),意味着偏见(偏见),均方根误差(RMSE),标准偏差(SDT)和系统性和非系统性误差的比例(S / U)全面评估仿真结果。这些措施描述错误的方向偏差和平均误差大小。表3显示SURFEX性能模拟2 m每日平均温度从真正的颗站(CDISA)模拟。获得一个强大的线性关系在所有季节的三年从模拟系数测定( )大于0.74 ( )和皮尔森相关系数( )大于0.66 ( )(表3)。模拟在温暖的季节(夏季和秋季)比在寒冷的季节(春季和冬季)。系统性和非系统性错误的比例远低于30%;这意味着物理过程模型通常模拟相对较好(44]。2米的温度模拟在三年内使用SURFEX与观测相一致。考虑到热岛强度不同的城市中心和农村之间,模拟错误是中和在某种程度上,和可接受的偏差和平均绝对误差得到除了在1993年和2004年春季和冬季。

3.2。2米和表面热岛和能源分区在真实的场景中

每年每小时和热岛强度在1978年,1993年、2004年和2014年计算的高度2米(简称T2MD)和地表(TSD)。T2MD指的是2 m空气温差城市中心和农村地区,和TSD意味着平均温度的差异三个城市表面(道路、屋顶、墙)和农村表面温度。与此同时,我们还计算垂直温差在2 m从城市表面(立筋)和从农村到其(TVD)在这四年中进一步了解原因的目的和热岛的物理过程。

从图3显然,下面的规则可以获得。(1)T2MD总是显示积极的双峰在一整天在四季四年,和双峰值在冬天变得弱于其他三个季节(图3实线),而TSD中显示一个峰值和城市表面的温度高于农村表面几个小时白天在四季四年,但是在深夜(图显示一个冷却器表面3虚线)。这意味着2 m城市环境空气温度比农村环境确实是温暖一整天,但表面温度的城市并不总是比农村的暖和。定义的热岛空气温差与热岛不同的规则计算地表温度的差异。一些研究人员认为遥感热岛通常更强,表现出最大的热岛的空间变异性45]。然而,为什么2 m热岛和表面热岛有不同的昼夜变化模式而不是数量差异在这项研究?主要原因是热岛的不仅是不同表面平均比热容的城市和农村地区的表面,从而导致更大的区别就是表面及其在空气的立筋范围大于TVD(图4),但也是密切相关的复杂和异构的三维结构,这使得它难以分散的能源。人为热是一个主要贡献者热岛的形成。来源包括汽车燃烧过程产生的热量,热量由工业过程,通过建立热传导墙由空调系统或直接排放到大气中,和人类产生的代谢热46]。因此,地表热岛只能反映责任的地表能量,而2 m热岛反映land-atmosphere交互状态包括大气污染对长波短波辐射的吸收和散射,人为加热、“陷阱效应”从城市复杂的几何形状,和能量之间的相互作用表面和空气。这进一步表明热岛的主要原因是由于城市复杂的几何或人为的“陷阱”效应”也意味着热表面热岛根据遥感数据反演的温度不能全面反映热岛。(2)T2MD夜间高于白天,这表明2 m热岛强度在夜间比白天更强。原因可能是2 m两城市环境和农村环境空气温度增加,增加率这两个环境之间的差异是相对较少的白天。虽然2 m两城市环境和农村环境空气温度降低日落之后,降低利率的2 m在农村环境空气温度比在快速城市环境(缓慢释放由于“陷阱效应”从城市复杂几何),使城市和农村之间的温差环境继续增加。这些表明2 m热岛强度白天主要是由于不同的能量吸收率的城市和农村地区,而热岛强度在晚上将由这两个环境的能量释放率决定。这进一步证实了上述结论,热岛强度更取决于“陷阱效应”从城市复杂的几何或人为城市扩张后热。(3)T2MD和TSD太阳上升的时候都是最低的一天,这说明在太阳上升时热岛是最弱的。(4)2 m热岛强度在整个年显示类似的双峰值的趋势。 The strongest period of 2 m UHI is April, September, and October in this region and relatively weaker during July, when it is the warmest period in the study area. The reason is that the evapotranspiration difference between the rural area and the urban area in July significantly decreased, thereby the temperature difference between them also decreased. The range of hourly and yearly averaged surface UHI is from -4°C to 7°C and from -3°C to 3°C, respectively, which were greater than that of 2 m UHI, with the range from 0°C to 3.5°C and 0°C to 2°C, respectively.

3.3。对当地气候的影响导致增加的ISA

2 m温差的真实场景和三个假设场景可以定量地揭示了区域土地利用变化对当地气候的贡献。红色和绿色虚线图5代表2 m温度的变化导致的扩张是在四年的作物和沙漠,分别。和黑色实线和深绿色虚线图5代表2 m温度的变化导致从真正的区域发展和城市发展,分别。无论如果ISA从沙漠绿洲或转换,这种转换将增加当地的温度在这个区域(红色和绿色虚线图5),每年级温度增加,导致作物ISA转换从1978年到2014年是0.02°C, 0.16°C, 0.23°C,和0.31°C,这是超过desert-ISA直接转换。这证实了城市发展在过去60年导致当地温度的增加。根据真正的区域发展,此外,城市和城市扩张在过去的60年,但“冷却效应”造成的扩大绿洲研究地区的当地气候(深绿色虚线),抵消了从城市扩张效应。

波文比( )了解当地的气候变化的区别是重要的土地利用变化可用能量的观点。如果大于1,表面更大比例的可用的能量传递给空气显热比潜热,反之亦然(47]。图6显示在真实的场景和真正的和三个假设场景之间的差异在1978年,1993年,2004年和2014年。无论如果ISA转化作物或土地覆盖的沙漠,毫无疑问,城市发展导致的增加一年(红色和绿色虚线)。原因可能是上升的双重效应的显热,潜热下降。显热通量的增加是由于更多的热量存储由于“陷阱效应”导致了市区,从粗糙的三维形状的相对较小的反射率和热容,潜热通量下降是由于罕见的植物。因此,增加的是一个与ISA的增加正相关,这意味着什么也可以是城市化的一个指标。绿洲发展会导致下降一年除了生长旺季,从不同的对比,可以看出疾病预防控制中心和D场景(深绿色的点线在图6)。与原始未开发的环境相比,局部热环境处于相对平衡状态基于等效增加合理的热量和减少潜热在1978年和1993年由于城市和绿洲的扩张,但当地气候变得温暖由于主导1993年之后增加的显热。

为了探索绿洲和城市扩张的定量影响当地气候,平均温度和2米区别真实场景(CDISA)和未开发环境(D)在1978年相比,1993年、2004年和2014年(数字7(一)和7 (b))。差异几乎是大于零的四年(图7(一));这两个和当地的温度从1978增加到2014(数字7(一)和7 (b))。两年度之间的关系温度和延长ISA是正相关(见图7 (c)),结论:区域土地开发研究领域,尤其是ISA的增长,导致增加和当地的温度。

4所示。讨论

在这项研究中,oasis-urban的影响(地区)发展对当地气候的观点在中国西北干旱区地表和2 m热岛强度和变化的可用能源分区,使用SURFEX地表模型,进行了讨论。

我们的研究也造成一定的新发现。表面之间的差异和2 m热岛显示不同的昼夜变化模式,而不仅仅是数量的差异。这个结论不同于论文(1,20.,25];他们表明,表面和2 m热岛有类似的昼夜变化和不同大小。此外,与原始未开发的环境相比,局部热环境处于相对平衡状态在1978年和1993年由于城市和绿洲的扩张,但当地气候变得温暖由于主导1993年之后增加的显热。这个结果与之前的调查报告的结果是一致的(48),作者认为,大多数在中国西北部城市的城市化导致了相当大的负面温室效应在1978年之前,但今年在明显积极作用。

然而,该报告只是部分补充在干旱地区城市发展的影响;仍有许多方面需要学习或研究的深度,如模型的不确定性。虽然我们认为它是可行的使用一个网格迫使数据在平原地区,我们计划进一步研究关注不同的不确定性迫使数据的敏感性分析和模型参数和较大的ISA,探索oasis-urban热岛的反应这些参数。众所周知,穷人选择参数值的性能下降会导致大量模型(49];如果更好的观察FK城市队的信息,如年度空气污染,平均建筑高度,建筑材料,和大城市在这项研究中,可以提高该模型的模拟精度和本研究的结论更有说服力。此外,本文模拟单向,双向,这将带来一些不可预测的不确定性。

5。结论

SURFEX 7.3是用来模拟oasis-urban发展对当地气候的影响在中国西北干旱区的观点表面和2 m热岛强度和可用能源分区。我们进行了真实的场景和四个假设场景模拟1978年每年,1993年、2004年和2014年,获得以下结论。(1)2 m热岛总是显示积极的双峰在一整天,而地表热岛显示积极的单峰值白天在四季四年,显示一个冷却器表面在深夜。地表热岛只能反映责任的地表能量,而2 m热岛反映了全面和立体land-atmosphere交互后城市发展。热岛更取决于“陷阱效应”从城市复杂的几何或人为城市扩张后,热表面热岛根据遥感数据反演的温度不能真正反映热岛和全面。(2)城市发展当地温度和可用的能量比例增加( )无论ISA被沙漠绿洲或转换。与原始未开发的环境相比,当地气候处于相对平衡状态在1978年和1993年因“热效应”城市和绿洲的冷却效果,但从绿洲抵消效应将变得较弱的ISA的增加。我们希望这份报告不仅有益于当地规划者可以有助于区域气候研究人员。

数据可用性

数据包括验证数据,迫使地表模型、数据处理代码输出从地表模型,等人用来支持这项研究的结果已经存入“GitHub库(https://github.com/mmzpb/Urban-in-arid-area)。

附加分

突出了。2 m城市热岛强度(热岛)夜间高于白天。热岛强度贡献更多的“陷阱”效应”从城市复杂的几何或人为热量。地表温度显示地表热岛遥感数据不能反映真正热岛和全面。当地气候的研究区域1978年和1993年处于相对平衡状态,由于“热效应”城市和“冷却效应”的绿洲。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金资助(批准号41801095和41801095)和中央大学的基础研究基金(批准号GK201903117)。

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