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中部纬度城市气候层气温差异

E. Erella *和T. Williamsonb

摘要：

在阿德莱德市中心的两个城市街道峡谷和郊区两个参考地点以及城市中部附近的暴露部位进行了近一年的详细气象测量。气象记录显示，城市街道峡谷的空气温度与两个参考地点之间存在显著差异。 在阿德莱德街峡谷也注意到大多数城市观测到的夜间城市热岛现象。然而，在夏季，日间酷岛的频繁发生，虽然远远低于夜间现象，但与预计相比较多。这两种现象至少部分归因于与典型的农村地区相比，参与与城市街道峡谷的气氛的能量交换的表面积的增加，因此有效热质量增加。额外热质量的存在不仅表现在城市昼夜温度范围的衰减，在日间酷岛最大强度的显著时滞中也有所表现。测量结果还显示了南北街峡谷与相邻的东西走向街道之间的空气温度每日升高的可观察差异。版权2006 皇家气象学会

关键词 热量 夜间热岛 日间酷岛 实地考察

介绍

从设计的角度来看，建筑物的一个功能是为居民创造有利的室内环境条件，有利于或至少可接受地修改其附近的微气候条件。以另一种方式看，“建筑物在景观上的安置引起了周围环境的辐射、热、气和空气动力学改变”（Oke，1987）。如城市一样，将大量建筑物置于近处的环境效应不仅归功于个别建筑物的影响总和，而且还与它们之间复杂的相互作用有关。

近年来，城市热岛（UHI）已经根据不同气候各种规模的城市及其周边的车站网络的气象数据的详细研究情况进行了详细的记录。—伦敦（Chandler，1965）;温哥华（Runnalls and Oke，1998,2000）;特拉维夫（Saaroni et al。，2000）;墨尔本（Morris and Simmonds，2001）;首尔（Kim and Baik，2002）;雅典（Livada et al。，2002）;和纽约市（Gedzelman等，2003）等等。新加坡也有记录了一个UHI（Goh和Chang，1999; Chow and Roth，2006），其中高空气湿度和频繁出现低温暖的云层导致不利于与其他气候中的热岛相关的快速夜间降温的情况。在新的城市建立在一个新的城市，即以前没有建筑物存在的情况下，UHI的开发由Landsberg和Maisel（1972）监测，他们报告说，在3年的时间里，高达4.5的热岛Ccedil;C出现在新成立的哥伦比亚特区，马里兰州人口达到10 000人。对多个地区的长期气温记录进行分析 - 土耳其（Tayanc和Toros，1997）;阿拉斯加（Magee et al。，1999）;雅典（Philandras et al。，1999）;韩国（Choi等，2003）;和北美（Engelhart和Douglas，2003） - 显示出增加的城市化进程中UHI效应的增加。

多年来，为形成UHI提出了各种解释。然而，现在人们普遍认为，城市化通常导致表面能量平衡的所有元素的修改- 净辐射交换（Q *），地下储存（6QS）和由于存在水分导致可用热量转化为显热（QH）和潜热（QE） 与人为热（QF）释放。这些因素的相对贡献因地点而异，但在许多城市观测到的UHI幅度与城市核心的密度相关，通常表示为街道峡谷的高度与其宽度之比（H / W）或天空视角因素（Ws）（Oke，1981）。城市几何对顶层空气温度的影响通常被解释为辐射交换的修改：降低的天空视角因素限制了长时间的波浪损失，而建筑物和街道的多次反射导致在城市街道峡谷有更高的总体太阳辐射吸收量。

UHI的大部分现场研究已经进行了相当短的时间，采用移动通道或固定站。长时间维持一个完整的仪表化站网络以及破坏事件等费用，通常限制了城市气候实验的持续时间。因此，许多最近的论文引用了过去进行的一些有据可查的研究的测量数据，例如Nunez和Oke（1976）的里程碑式实验。然而，很明显，从长期的详细研究中可以看出很多。 近年来，已经进行了几次这样的实验，例如雅典城市气候实验（Santamouris，1998; Livada等，2002），Gotoborg（Eliasson，1996a）的热岛测量和温哥华 Runnalls和Oke，2000）和新加坡（Chow and Roth，2006）。

本文介绍了在澳大利亚阿德莱德市进行的一项监测研究的结果，其主要目标是在各种天气条件下，对城市道路峡谷中的空气温度进行长时间的预测，气象时间序列记录在暴露于相同中尺度条件的露天场地（Erell和Williamson，2006）。在城市密集的两个城市街道峡谷和一个开放的参考地点，在近一年的时间内不断记录了各种气象参数。 澳大利亚气象局（BoM）气象站在肯特镇附近的同一时期也获得了数据。 本文重点分析了现场空气温差的分析，并在UHI建立的概念模型的背景下进行了讨论。 基于在典型的密集城市位置增加活性热质量表面积的作用，提出了补充解释。

监测实验

详细的微气象数据在澳大利亚阿德莱德市的若干地点长达近一年的时间组合，位置相当紧密，受到均匀的中尺度环境条件的影响，但也受到明显的影响 不同的微观因素。

研究区域：阿德莱德

阿德莱德市（纬度：34.9 S，经度：138.6 E）位于距离海湾街东岸中心14公里的Mount Lofty山脉（典型海拔400-550米）的基地。文森特，在澳大利亚大陆的南海岸。 它包括东西方约20公里，北至南约25公里的大都市区的核心，总人口近百万居民（图1）。阿德莱德属于地中海气候，温暖的夏天（二月平均气温23℃），温和的冬季（七月平均12℃），年平均降雨约550毫米。 市中心海拔约为海拔50米。

沿海平原的地形普遍平坦，偶尔有山丘。然而，尽管阿德莱德大都市地区人口密度大部分地形比较简单，但Schwerdtfeger（1972）指出，气象特征存在一定程度的各向异性：5℃以上的温差和主要风参数 海拔高度相似的各郊区之间的变化并不罕见，主要是在大都会区北部和南部之间。 因此，在建成区外的农村参考点的选择是不现实的，因为没有办法量化不是本研究对象的城乡差异的结果。

阿德莱德大都市区的中心遍布各地，公园地带几米，宽阔。 该地区不是原始的，但其中大部分类似于该市成立之前该地区的自然环境。 虽然公园又被四面八方的郊区所包围，但是在这一带上的参考站就可以非常接近该地区普遍存在的条件，而不是为了建设这个城市。 由于它非常接近城市中心，所以这样一个站也暴露在同样的中尺度条件下，避免了Schwerdtfeger（1972）所指出的变化。

UHI，6Tu-r的典型定义是基于两个站点之间的温度差异 - 一个代表“城市”状态，另一个是“农村”。 Oke（1998）强调了选择适当的城乡对的困难，特别强调农村土壤水分。 然而，如杜威（1960）在关于不同定居类型的社会学特征的研究中指出的，城乡二分法描述了实际上连续统一的极端情况。 在气候学的背景下，这个问题也有一个更广泛的性质：城市或农村的地理位置太粗糙，不能准确地描述在许多大都市地区周围发现的土地利用类型的

图1.阿德莱德大都会区的空中照片，从北看。 阿德莱德中心的研究区域（见图2）用虚线标出。 右上角的海岸线是圣文森特湾东海岸。 这个数字可以通过www.interscience.wiley.com/ijoc在线获取

复杂性（Stewart和Oke，2006）。 很少有城市可以在城市核心附近找到不平坦的景观。通常，城市周边地区专门用于农业，或过去一直如此。 因此，真正的农村车站往往距离市中心很远。 这造成中尺度气候影响可能发挥作用的风险，至少在孤立发作期间（Run-nalls和Oke，2000）。6Tu-r的另一个定义可能是基于在相关城市地点实际测量的温度差异以及在该地区未发生城市发展的假设事件中同一地点记录的温度。 然而，虽然这个定义在概念上是健全的，但是在选择适合的城乡车站站点45日方面没有任何价值。

为了避免关于城市街道峡谷和其他两个地点之间的温差是否符合普遍接受的定义（即6Tu-r）的真实UHI的争论，本文将使用“城市内热岛”（IUHI） ）来描述不同地点之间的温度差异。另外，按照Eliasson（1996a）的规定，它会明确地提到有关地点的特征：城市峡谷（c），肯特镇郊区（s）和开放式参考（o）。

监测点

在这项分析中使用的气象记录是在两个相邻的城市街道峡谷进行的测量的基础上进行的，在距离阿德莱德中部周围公园区东北方向约1.6公里的开放场所以及澳大利亚博美气象站 距离东部约1.7公里的肯特镇郊区（Erell和Williamson，2006）。 它们的位置如图2所示。

城市峡谷位于中央商业区的两个相邻的小巷：Chesser St.，大约南北（北纬4.6度），法国St，与它直角定向， 西（分别为左图和中间）。 它们之间的交叉点北西偏北约30米。两条小巷宽约6米，铺满沥青。 相邻的建筑物有不同的高度，包括两个约50米高的办公楼。然而，街道峡谷主要由较低的建筑物组成，或者是一栋两层的讲台，办公楼的建筑面积约八米，或二层三层的低层建筑物。 （办公楼可能会影响到峡谷的气流，但对现场数据的分析

图2.阿德莱德中心的航空照片，显示监测点的位置。 这个数字可以通过www.interscience.wiley.com/ijoc在线获取

图3.监测点，显示传感器位置：南北峡谷（左）; 东西峡谷（中心）; 并在城市苗圃开放（右）。 这个数字可以通过www.interscience.wiley.com/ijoc在线获取

未能证明街道风向与风温之间的相关性。）测量点附近的平均峡谷纵横比约为1.35。 包括峡谷壁的表面是粘土砖或砖单板; 釉面开孔占总表面积的比例相对较小。法国圣保罗博物馆完全没有植被，而一个稀疏的落叶藤覆盖了监测点北部Chesser St.的一个10米段。 两条街道的车辆交通量非常低：每个街道的车次总数估计在办公时间内每小时不超过20-30，晚上和周末的数量可以忽略不计。行人人数很少， 对可能的局部热源进行了调查，例如空调系统（中央系统的窗口单元或压缩机），没有发现。因此，人为热通量被认为是相当低的，几乎完全是通过建筑信封的传导。来自周边地区的人为热的净平流被认为是可以忽略的。

图4.郊区 - 肯特镇的澳大利亚气象局。 这个数字可以通过www.interscience.wiley.com/ijoc在线获取

开放式场地位于阿德莱德市托儿所，位于阿德莱德市中心商业区周围绿地带，距离托伦斯河以北约100米，距离市中心东北约2.1公里。该仪器安装在保护区内的公开场地，在被破碎的沥青砾石覆盖的区域和一些数百米远的排列的盆栽植物（图3右）。一个密集的树篱约3米高，围绕着整个复合体，在干燥的夏季，草原被灌溉。 随着实验的进行，更多的盆栽植物靠近车站，整个地区经常洒水灌溉。

肯特镇博马站位于亚得里亚市中心维多利亚广场以东约2.2公里处的亚区，距离切斯特圣保罗和法国圣保罗博物馆约一百七十公里，也是约200公里 在阿德莱德中部周围的公园地带以东。相邻的建筑物大多是一层住宅，街道对面的正面之间的总距离近15米，纵横比约为0.2（图4）。 车站本身的天空观测系数为0.93（El Nahas，1996）。

仪表

在每个城市地点，空气温度以5分钟为间隔测量5点：街道两侧两个，距建筑物墙50厘米，街道2.5米和5米;街道中间有一个传感器，置于高于路面5米处。 NTC热敏电阻（MEA型号6507，标称精度为0.2C）放置在特别用于实验的辐射屏蔽中（Erell和Williamson，2006）。这种类型的临时仪器屏蔽在非常明亮的阳光和低风的条件下对机械抽吸的标准进行比较测试，证实它优于传统的史蒂文森屏幕（Erell等人，2005），已经显示产生一些 这种情况的错误（世界气象组织，1971年;Sparks，1972年; Andersson和Mathisson，1992; van der Meulen，1998）。 然而，如果使用相对较大的传感器，例如在本实验中使用的热敏电阻，并且从“真实的”空气温度偏离高达1°C时，辐射负载的误差就不能完全排除。 在城市地点进行的其他测量包括相对湿度（RH）（一台Rotronics温湿度计）和指示风速和方向在两条街道交叉点以上6米高度（VDO Instruments型号6504-FS 风速计/风向标;精度plusmn;2％，阈值0.8m s-1）。

在开放站采取15分钟内部测量，阀门包括空气温度（DBT）和RH，使用组合的温度和湿度传感器（UNIDATA 650型-E型，MEA标称精度plusmn;5％）在地面以上1.8米的标准辐射屏幕中; 风速和地面以上6米的方向（UNIDATA 6504-F型风速计，启动阈值为0.8 m s-1，精度plusmn;2％，磁耦合风向标1％矢量精度）; 和土壤温度 - 使用不锈钢NTC热敏电阻（如上）深度25厘米。 为了考虑使用不同传感器测量空气温度的系统误差的可能性，在这个地点安装了一个额外的NTC热敏电阻，这个位置是在城市地区所用类型的临时辐射屏蔽中安装的。

澳大利亚BoM Kent镇场地的小时天气记录包括空气干燥球温度和RH（均在屏幕高度）; 风速和方向在标准10米高处; 露点温度; 气压; 和降雨量。 每3小时报告一次云层的视觉观察。

在阿德莱德大学建筑大楼屋顶的15分钟间隔记录了假设代表实验中所有场所的一般辐射数据，并将全球太阳辐射放在水平面上（米德尔顿 EP07太阳辐射计，校准精度为plusmn;3％）; 漫射辐射（Middleton EP07日光仪与手动调节阴影带）; 和净辐射（Middleton CN1净紫外辐射计）。

质量控制和数据整理

所有来源的天气数据都被读入电子表格文件，每个文件代表一个连续的一个月的时间。然后对数据进行筛选以获得完整性和错误的读数。 当缺少数据的短序列（最多2小时）时，通过现有数据的线性插值产生合成值。以短时间间隔记录的数据以小时平均数的形式进行汇总。在肯特镇气象台以3小时的

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