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论文标题：A Method for Selecting the Typical Days with Full Urban Heat Island Development in Hot and Humid Area, Case Study in Guangzhou, China（广东工业大学研究团队“湿热地区利于城市热岛强度发展的典型日识别方法 (以广州为例)）

期刊：Sustainability

作者：Guang Chen ,Minjie He ,Nan Li ,Hao He ,Yunnan Cai and Senlin Zheng

发表时间：31 December 2020

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原文作者简介

陈光 博士

广东工业大学

陈光，博士，广东工业大学硕士生导师。主要致力于城市物理环境、绿色建筑与建筑节能以及风景园林小气候的研究。现主持有国家自然明升体育app基金、亚热带建筑明升体育app国家重点实验室开放课题各一项，参与国家级及省部级课题十余项。曾获国家公派留学奖学金赴日本学习两年，作为骨干成员参加国家科技支撑计划项目等国内外重点研究课题。在国内外核心期刊累计发表学术论文多篇；获广东省优秀城市规划设计奖三等奖一项。

城市热岛对城市生态系统、人类健康和城市能源消耗影响巨大。学界将影响城市热岛的形成和发展的诸多因素大致分为两类：城市特征[1]及气象条件[2,3]。对城市热岛的可靠评估在很大程度上取决于城市热岛发展强度较高的典型气象日的选择[4]，选择城市热岛强度发展较高的典型日对城市热岛的现场测量至关重要。现有研究中，已有利于筛选城市热岛发展的典型日的方法[5,6]，但由于涉及多个参数且部分参数不易获得，往往很难简单快捷的筛选城市热岛强度发展较高的典型气象日。

图片来源：Pixabay

研究者已经开始探索使用郊区的日最高气温与最低气温差 (Daily Temperature Range，DTR) 作为气象条件的指标来衡量日最大热岛强度 (UHIImax) 的发展水平[7]。尽管该方法已经在某些城市与地区得到检验，可有效地用于确定利用城市热岛强度发展的典型气象日[8-10]，由于城市地理位置和气候的不同，需要在其他城市进行评估。近期，来自广东工业大学的研究团队通过调查广州DTR与日UHIImax之间的相关性，确定了广州地区基于DTR识别利于城市热岛强度发展典型气象日的阈值。该方法可以用于筛选城市热岛观测和模拟的典型气象日，也可以实现基于天气预报的强城市热岛事件预警。

研究方法及过程

本研究需要使用郊区和城市的逐时气温数据来探究DTR和UHII之间的关系。作者基于局地气候分区框架搭建12个局地气候分区的城市热气候观测平台，获取城市区域的逐时空气温度。作者选取了两个局地气候区站点 (THB,TFX) 的实验数据作为城市空气温度开展研究。以国家气象站 (NMS) 59287的数据作为标准郊区气象站数据计算DTR。考虑到一个完整的升温和降温过程，作者将凌晨08:00至次日凌晨07:00定义为一天，并使用了2019年8月1日至2020年7月31日 (排除了26天缺失数据共337天) 的逐时数据。为了分析不同的气象条件对广州UHI的影响，作者必须检查降雨对UHI的影响，并根据气象站的降水数据将气象条件分为三类：降雨 (PD≥0.1mm) 114天，降雨日后一日 (FPD) 29天，非降雨日 (NPD) 194天。

研究结果

1.城市热岛的时间分布特征

广州地区的城市热岛呈季节性分布，春夏季的平均热岛强度低于秋冬季 (图1)。由于研究样本数量少和分析年限短等因素限制，广州的城市热岛强度特征呈季节性分布的特征，仍需进一步研究。

图1. 广州日UHIImax的月分布图 (a) THB; (b) TFX.

城市热岛倾向于在夜间发展，并且强度在夜间达到最大值。图2中两个城市区域的日最大热岛强度值通常在夜间20:00至2:00发生。

图2. 337天日UHIImax的发生时刻的频率 (a) THB; (b) TFX.

2. 降雨对城市热岛强度发展的影响

降水不利于UHI和DTR的发展，降水与热岛强度和DTR呈负相关关系。秋冬季的降水量少于春夏季，故秋冬季的热岛强度发展和DTR发展要好于春夏季 (图3,4)。排除降水的负面影响，选择非降雨日分析DTR和热岛强度之间的关系。

图3. 降雨日和非降雨日的日UHIImax的分布关系图 (a) THB; (b) TFX.

图4. DTR月均分布特征图 (a) 337天; (b) 降雨日和非降雨日.

3. DTR与UHII的相关关系及识别阈值

DTR可以用作识别利于广州热岛强度发展典型日的指标。DTR与日最大热岛强度存在显著相关性，相关系数均超过0.7 (图5)。

图5. DTR和日UHIImax的线性关系图 (a) THB; (b) TFX.

用“样本量＞30%和识别率大于70%”的标准识别194天的研究样本，即气象日的样本量大于总样本数的30%，且日UHIImax＞的平均值的天数比例超过70%时对应的DTR的值定义为识别阈值。统计表明DTR为10℃可以被认为是识别利于广州城市热岛发展的阈值 (图6)。

图6. DTR阈值识别图 (a) THB; (b) TFX.

结论

从不同的气象条件中识别利于城市热岛发展的典型日对于了解和评估城市热岛至关重要。本研究得出以下结论：城市热岛的季节特征和日分布特征的差异较为明显，秋冬季好于春夏季，且倾向于在夜间发展，与以前的研究结果一致；降水会对城市热岛和DTR的发展产生负面影响；在非降雨日，日最大热岛强度与DTR之间显著相关，DTR为10℃可用作识别有利于广州城市热岛发展的气象条件的阈值。

在城市热岛研究中选择利于城市热岛发展的典型日非常重要。我们预计，这项研究的发现不仅对广州，对其他城市的城市热岛研究都将是非常有帮助的。我们建议在其他不同气候条件和特性的城市中，更加关注这种方法的评估和确定DTR阈值的研究价值。

参考文献：

1. Stewart, I.D.; Oke, T.R. Local climate zones for urban temperature studies. Bull. Am. Meteorol. Soc. 2012, 93, 1879–1900.

2. Rajagopalan, P.; Lim, K.C.; Jamei, E. Urban heat island and wind flow characteristics of a tropical city. Sol. Energy 2014, 107,159–170.

3. Yang, X.; Yao, L.; Jin, T.; Peng, L.L.H.; Jiang, Z.; Hu, Z.; Ye, Y. Assessing the thermal behavior of different local climate zones in the Nanjing metropolis, China. Build. Environ. 2018, 137, 171–184.

4. He, B. Potentials of meteorological characteristics and synoptic conditions to mitigate urban heat island effects. Urban Clim. 2018, 24, 26–33.

5. Yang, X.; Chen, Y.; Peng, L.L.H.; Wang, Q. Quantitative methods for identifying meteorological conditions conducive to the development of urban heat islands. Build. Environ. 2020, 178, 106953.

6. Yang, X.S.; Yao, L.Y.; Peng, L.L.H.; Jiang, Z.D.; Jin, T.; Zhao, L.H. Evaluation of a diagnostic equation for the daily maximum urban heat island intensity and its application to building energy simulations. Energy Build. 2019, 193, 160–173.

7. Holmer, B.; Thorsson, S.; Lindén, J. Evening evapotranspirative cooling in relation to vegetation and urban geometry in the city of Ouagadougou, Burkina Faso. Int. J. Climatol. 2013, 8, 3089–3105.

8. Theeuwes, N.E.; Steeneveld, G.J.; Ronda, R.J.; Holtslag, A.A.M. A diagnostic equation for the daily maximum urban heat island effect for cities in northwestern Europe. Int. J. Climatol. 2017, 9, 443–454.

9. Yao, L.; Yang, X.; Zhu, C.; Jin, T.; Peng, L.; Ye, Y. Evaluation of a Diagnostic equation for the daily maximum urban heat island effect. Procedia Eng. 2017, 205, 2863–2870.

10. Zhang, X.; Steeneveld, G.J.; Zhou, D.; Duan, C.; Holtslag, A.A.M. A diagnostic equation for the maximum urban heat island effect of a typical Chinese city: A case study for Xi’an. Build. Environ. 2019, 158, 39–50.

期刊简介

(ISSN 2071-1050, IF 2.576) 是一个国际型开放获取期刊。期刊主题涵盖环境、能源、交通、经济等。目前期刊已被SCIE、SSCI等数据库收录。采取单盲同行评审，一审周期约为14.5天，文章从接收到发表仅需2.9天。