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城市化和城市热岛效应对每日气温变化的影响

关键字：城市化 城市热岛 每天气温变化 乡村地区人口

摘要：每天天气温度变化的最低与最高温度的检测

在美国北部城乡地区的五个气候站检测了每天温度变化的最高与最低值，每天温度变化测定的平均绝对值，在一天和前一天为一个给定的时间（列如一个月），对于乡村的站点，每天的温度变化通常比最高温度Tmax更大。相反被发现的城市位置，具有统计学显示着的位置信号较大的城市。这正好表明了这些措施（每天的Tmax变异少于日常Tmin变异）可以用来区分农村和城市站和作为衡量城镇化水平的提高之间的关系，而且，它是建议在每天的总气温变化幅度（△dtd）可以用来确定一个合适的城市/农村对任何城市化影响研究。

1 绪论：

城市热岛是人类活动产生的现象，是人类居住的一个独特的表面特征，当城市热岛效应发生在城市中心比其周边地区高。这种效果可能高达10℃，但由于不同地区环境和大气条件有相当大的变化。

在确定城市化对温度的影响的程度上，为城市建设环境、人口规模和密度、人为活动和社会经济方面发挥了重要作用(Chen et al., 2006; Oke, 1978)。城市热岛效应是最容易在夜间和冬季检测。然而，城市热岛效应的大小不同，从城市到城市由于不同地方的自然地理特征、气候特点。城市热岛效应越来越明显，区域/本地风强弱或不存在的，而城市热岛效应可能通过减轻影响的土地/湖遮蔽微风。城市热岛效应的影响因素包括（但不限于）减少蒸发蒸散量，由于路面和植被的减少！较低的反照率（反射率）由于内置环镜减除的白天取暖的城市表面；产生的热量，本地基础设施（列如：工业商业、住宅建筑、交通运输工具系统，）城市污染特别多足气溶胶的热量被困(Oke, 1978)。

这些因素的结合，改变了传入和传出的太阳辐射，影响交换的辐射平衡；影响局部温度升高。这个平衡开始于输入太阳能辐射能，在表面被划分为加热表面和地下或水分蒸发。加热表面，增加地表温度；而蒸发水分实现分区的能量转化为潜热不直接加热表面。在典型的城市环境下，更多的能量进入地表加热不到蒸发，从而增加了热储存和地表温度，此外，高层建筑创作了一个复杂的几何形状，陷阱能量和改变气流，增加可用热量的城市表面，热在农村地区，另一方面，在农村地区的储存机表面加热通过冷却效果来减轻绿地的面积覆盖率更大，水表面覆盖率更大。

绿地面积蒙古包的覆盖面和水面通常更丰富，有各种方法检测热岛常用的方法包括采用气候数据，卫星图像或数学建模，比较气候变量或指标在两个地点之间(Gough and Rosanov, 2001; Huang et al., 2008; Mohsin and Gough, 2010;
Oke, 1978; Weng, 2003; Yague and Zurita, 1991)。这种分析往往是复杂的，有时可能需要复杂的分析和随时可用的数据。在这项工作中，我们提出了一个替代一种创新的方法，在检测的幅度的城市足迹，在对比度，明确向前用途。

2 方法

2.1 原理

在这项工作中，每天的温度是比较城市和农村使用的一种新的度量。需要每日最低气温气候之间Tmin和最高温度Tmax数据。每天的气温变化被采用作为气候措施。以评估在城市和农村的气候变化的基础上，在城市和农村的设置温带气候的位置的概念理解的基础上的差异。

为了提供一个简短的框架，随后的分析，我们简要地考察预期城市化对日变化的影响。如已建立的城市地区往往要比周围环境更温暖。这是由于在表面环境中的差异。例如城市和农村地区之间建立与自然的关系，这导致了整体的反照率的差异和反射率的局部区域(Jin et al , 2005)。城市地区的反照率和反射率往往是5%和3%分别低于周边区域(Jin et al., 2005)。一个较低的反照率和不同的COM组合（沥青和树林）更大的内部结果在城市环境中的是热储存；因此，辐射分区之间的不同城乡地区最大温度场发生在一天中的下午。在城市中，太阳辐射主要分为显热、地下热。较小程度上显热（地下水蒸发）。这可能导致大量给定的辐射输入温度增加。同一辐射输入的农村环境分区成潜加热（假设在气候温和时一般更大的可用性表面水）。因此所有其他因素是相同的，农村的温度不会由于不太多的能量可用于显热加热。如果第二天的特点是具有太阳辐射相同的变化的两个位置，同样的辐射变化表现为更大的温度变化的城市区从而导致一般到更大为每天的变化为日最高的城市的遗址。另一方面最低温度通常发生在夜间。晚上直接辐射热损失可以减轻由潜热较大增益。从表面上的惯性释放热量。前者很可能是一个更暖和的温度损失在农村网站。后者拥有更大的热量储存，在城市环境中可能是城市的网站更缓和的温度损失，在这方面，在城市地区更大的污染物浓度增加长波辐射返回。

Karl et al (1995)引入了一天作为一套短时间的尺度气候变化措施。Gough（2008）在从多伦多，安大略省，加拿大卡尔加里，加拿大的气候数据进行比较中，详细阐述了日常的温度变化的概念。这项研究发现当天的气温变化（从一天到下一个温度的变化）提供了更精确的测量热变化所经历的比标准偏差温度数据的随机性这一概念。 Tam and Gough（2012）考察了一天，在多伦多，桑德贝和穆索尼，加拿大安大略省的日气温变化——每位代表之一的安大略生态区（即北方mixedwood平原、北方盾和哈德森一个位置平原），并发现随着纬度增加温度变化。

2.2 方程式

本研究并入白天由卡尔等人介绍了日变化的量度。 （1995年），

并进一步由高夫（2008）开发的。在本研究中，每天的温度变化是

基于两个相邻的天之间的绝对差（公式（1））。

DTD=sum;|T_i-T_i-1|/(n-1)

在这里,sum;代表所有数据元素的总和我在一个月里行军的计数器，i是绝对值，T是每天温度。我们在这项工作中引入一个更微妙的手段来识别基于一个城市的足迹。每天的温度变化（方程（２））

△DTD=DTDt_max-DTDt_min

这是每天之间最高温度（DTDtmax）的日变化和日常波动区别每天T_MIN（DTDtmin）。正值表示更大的日间每天的温度变化和负值表示更大的夜间时间每天的温度变化。

2.3 北美城乡对比和温度数据

对位于美国北部五个城区和农村之间进行了检查每天的温度变化：布法罗和艾尔玛，纽约，美国;芝加哥和惠顿，伊利诺伊州，美国;奥沙华和Janetville，安大略省，加拿大;蒙特利尔和冈，加拿大魁北克省;和埃德蒙顿和Calmar，加拿大阿尔伯塔（图1）。在表1中提供的地理信息，包括在研究领域的总人口。

图1.城市地图研究区

表1.城乡对比地理信息

从Earthinfo获得了为美国城乡对温度数据（2005年）; 和
来自加拿大环境部的获得了加拿大城乡对温度数据
国家气候数据和信息存档（加拿大环境部，2009年）。对于时间周期
被选为各站对最大限度地利用现有数据的巧合：Buffalo and Elma（1949-1959）; Chicago and Wheaton（1959年至2000年）;Oshawa and Janetville（1983-2000）;Montrealand Oka （1953年至1987年）;和埃德蒙顿和Calmar（1961年至2007年）。该气象站的说明在在表2中提供的研究领域。

2,4 数据分析假设

每月和每年的DDTD耐温变性使用每个城乡对进行比较温度数据。为Tmin和Tmax每月DTD耐温变性用公式计算（1）和每月DDTD温度的变化，用公式计算（2）。平均每天ldtd然后计算农村和城市的位置之间的量者差异进行了平价的平段检验。 0.05或更低概率（P）的价值被认为有统计学显著。所有的统计

分析使用SAS进行（9版，SAS软件研究所）和Excel文件(Microsoft Office 2007)。

根据在第2节中讨论的理论考虑，我们推测，正或负每年DDTD将在市区站得到体现，并否定或不太积极每年DDTD将在站乡被发现。因此，可以预期，布法罗，芝加哥，奥沙，蒙特利尔和埃德蒙顿将有每年DDTD更高的价值;和艾尔玛，惠顿，Janetville，奥卡和Calmar将有每年DDTD较低的相对值。

作为一个说明，但本研究主要集中在城乡站温带气候（图1），

UHs也被记录在其它类型的气候（例如，极性，热带，干旱）（Hinkel et al.,

2003; Wong and Yu, 2005; Imhoff et al., 2010）。虽然有UHIs的根本区别

在不同的气候条件下，由于各种因素（例如，在太阳辐射，夜间降温，极端气候，土壤类型变化（例如，永久冻土层的存在），人口和密度），前提的确定UHI保持相同，其中，一个热岛通常通过的气候特性的城市和附近乡村站点之间的比较进行检测。因此，即使本研究在温带气候集中站，因此预计此理论也将适用于其他UHIs气候，这里DDTDs将在城市中心更积极的和不太积极的的乡下地方。

3分析讨论

每月和每年的布法罗和艾尔玛（1949-1959）和芝加哥惠顿，美国（1959至2000年）的DDTD结果示于图2。每月和每年的关于结果奥沙瓦和Janetville

（1983-2000），蒙特利尔和奥卡（1953年至1987年）和埃德蒙顿和Calmar，加拿大（2061至07年）的DDTD如图3所示。 图2和图3城市遗址比明显高于每年它们各自的农村现场对比的DDTD值。 这些结果是一致的能量平衡的城市建筑环境的直接影响（Oke, 1978）。因为建城环境通常具有更少水分，可能更大的地下储热能力，更传入的太阳辐射，并随着后以分理的勒令储存在内置的环境， 这热源降低夜间温度变化（即T_MIN)减轻夜间辐射热损失，对于邻近的农村的地区，在自然环境下有一个建筑环境和大面积的自然环境就更少了，这个自然环境（例植被和草原）有一个较低的能力，以保持地下热量和一个更大的可用性防水分（更多的能量储有为潜热通过蒸发）因此有一个更大的损失即将发生的能量发生在晚上，这导致在T_MIN更大的可变性。

在城市和农村的站点ddtd之间差异明显，显然，埃特蒙顿和卡尔玛对，有DDTD每年从上世纪60年代略有重叠，这可能是一个迹象表明，城市才有发展后增加，兰纳斯和烟（2006）比较埃特蒙顿国际机场温度数据气象站，和城市机场气象站（即埃特蒙顿市机场）（位于西北三公里），发现这两个位置的冷却制度是相当相似的年代后，在埃及的温度趋势表现出对城市热岛相对论。

应该指出的是，加拿大的城乡对比：奥沙瓦和-不像其他城乡对比。因为这两个站点有负面每月和每年的DDTD结果（图3）。选择的五个城镇的面积，相比其他城市中心，奥沙瓦可具有较小的城市足迹，是最小的城市。奥沙瓦相比其他城市遗址，布法罗，芝加哥，蒙特利尔和埃德蒙顿 - 所有这些都相当大的群体 - 奥沙瓦可以在一定意义上被广泛地少考虑城市。较低的人口规模加上可能的人口密度并在奥沙瓦出现较弱的热岛效应降低了城市基础设施建设的结果。尽管如此，统计分析显示，每月和每年的DDTD之间的所有差异显著城乡对比（P lt;0.0001）。这表明，对所有城乡，对比城市规模，城市站点，他们的城乡对比统计雪更高。

表2 城乡研究区域的气象观测站的说明

图2.每月DDTD结果布法罗和艾尔玛，美国（1949-1959）（上左）和芝加哥和惠顿，美国（1959年至2000年）（左下），和每年DDTD结果布法罗和艾尔玛，美国（右上）和芝加哥惠顿，美国（右下）。 所有DDTD结果显著差异为美国城乡对比（P lt;0.0001）。

还应当指出的是城市和农村对之间DDTD结果在很大程度上是同步的，这表明这两个区域的地方的气候类似于和数据中的变化是指示主导季节性和地区性影响。考虑了所有的东西，这些结果与此工作，在那里被放大的温度响应于给定的主要假设是太阳辐射的变化。

本研究提供了一个有形的但简单的气候基础，以确定城市效果（式（2））。几项研究侧重于城市地区的表征强调需要的各种措施，如冠层模型，城市区域属性，包括建筑环境，localor区域比例尺地图，和微观地方级的表面暴露于量化城市化的影响（斯图尔特，2010; Stewart和奥凯，2009）。虽然我们承认这样的价值和重要性措施，不是每个位置和每个研究者将可使用的工具和数据，以执行这样的分析。因此，使用容易获得的表面温度数据的与应用DTD的量度可以是在表征和检查的UHI的另一种方法。接着就，随即所述，在DTD的计量限制是它仅考虑到在温度考虑变异性;其他方面，如沉淀，可能有助于理解一个热岛相关。的另一个限制本研究中，在一般情况下，是注重在温带气候站;这将是感兴趣的探索DTD措施，与其他类型的气候条件下（例如，极性，干旱，热带）的。计划未来研究包括DTD指数对变量进行进一步的测试，将影响测量的热岛，以及使用短期气候数据DTD指标的适用性。

图3.每月DDTD结果奥沙瓦和Janetville，加拿大（1983-2000）（左上），蒙特利尔和冈，加拿大（1953年至1987年）（中左）和埃德蒙顿和Calmar，加拿大（1961年至2007年）（左下）;和每年DDTD结果奥沙瓦和Janetville，加拿大（右上），蒙特利尔和冈，加拿大（中右）和埃德蒙顿和Calmar，加拿大（右下）。所有DDTD结果显著差异城乡对比（P lt;0.0001）。

4 结论

这项研究说明了使用了措施的一天

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