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2025-11-04
炎炎夏日，穿梭于城市中心与远郊之间的市民，常能切身感受两地间明显的温差，这便是人们熟知的热岛效应。然而，城市对气候的影响远不止于此，它还会形成干岛、雨岛、浑浊岛、湿岛复杂的“五岛”效应，深刻影响着人居环境与公共安全。如何精准、立体地监测这些现象，曾是气象业务中的一大挑战。
近日，由北京市气候中心栾庆祖研究员团队完成的《多维多尺度城市气候卫星遥感综合监测评估技术》成功入选中国气象局优秀科技成果。这项技术如同为城市气候监测装上了“多维CT”，实现从平面到立体、从单一到综合的跨越，为解码城市气候提供全新支撑。
突破瓶颈——耦合机器学习和物理过程的双引擎架构
“以往，受限于卫星数据的时空分辨率和关键变量产品的不足，我们对城市气候效应的监测大多停留在二维层面，特别是在城市干岛、浑浊岛、雨岛等方面的监测方法和业务应用几乎是空白。”栾庆祖点明研究初衷。他解释，这种监测的“不均衡”，源于城市气候机理的复杂性、卫星反演技术的局限性以及基础数据产品的欠缺。
项目团队聚焦于此，以我国风云系列极轨和静止气象卫星数据为核心，融合多种遥感数据源，展开卫星遥感算法攻关。“我们突破了多源时空融合降尺度、长时间序列数据重建等关键技术，耦合机器学习和机理模型，构建了10套全天候、多尺度的城市气候参数卫星遥感反演算法，研制了4套城市气候参数基础产品。”栾庆祖介绍，“比如，我们研发的近地表气温估算算法，精度比国际同类产品提高了0.5—1K（开尔文）；研发的近地表湿度估算算法，填补了卫星遥感领域的产品空白；针对大气细颗粒物浓度反演，首次融合国产再分析资料，有效解决了光学卫星受云遮挡导致数据不连续的难题。”这些算法上的进步，为构建精细化模型奠定了坚实基础。
核心创新——三维立体刻画“五岛”效应
技术的生命力在于创新应用。该成果最显著的特点，是构建了一套系统化的监测评估模型。
“我们发展了耦合热岛强度影响高度的三维热岛模型，能更准确地定量刻画边界层热岛的垂直结构，深化对热岛效应发生发展机制的科学认识。”栾庆祖说，“监测不再仅限于地表温度差异，还能揭示热空气团的立体形态和强度变化。”
更值得一提的是，该成果首次建立了基于卫星遥感的城市干岛、浑浊岛业务化评估模型，实现了城市公里尺度的雨岛强度监测。“这几种模型的开发与应用，在国内具有开创性。”栾庆祖介绍，“它们填补了监测方法与应用实践的空白，极大地拓展了风云气象卫星的应用场景。”例如，针对城市干岛、湿岛监测评估，团队首次构建了基于遥感大气湿度廓线的三维监测评估模型，在监测近地面城市干岛的同时，可有效识别高层大气的城市湿岛效应，增强了对城市干岛、湿岛的探测能力。
服务民生——填补业务空白，成果落地生“金”
科研的价值在于应用。目前，所有算法和模型均已集成到业务化平台中，实现了相关产品的自动化生产。
“业务人员基于该系统高效完成了生态气象年报、城市热岛效应监测等业务产品制作，极大提高了效率和质量，制作的遥感应用年报连续多年获评优秀。”栾庆祖介绍。该平台已在北京市气象局业务化运行，相关产品在夏季高温专题会商中发挥了关键作用。团队应用具备多因子综合评估能力的城市浑浊岛效应监测评估模型，发现随着北京地区空气质量的改善，城市浑浊岛所表征的城乡大气环境治理不均衡性愈发凸显，这对于我国精准制定空气污染防治政策具有重要指导意义。
技术的效益正辐射到更广阔的领域。栾庆祖介绍，“目前，城市干岛、雨岛和浑浊岛模型已实现市场科技成果转化。”相关产品已应用于极端高温监测、城市规划、人居环境评估、气候变化研究及公众气象科普服务。“在城市总体规划和能源规划中，我们的技术具有广阔应用前景，对建设低碳宜居城市具有实践指导意义。”
展望未来，栾庆祖表示，团队将继续优化模型算法，提升监测的精度和时效性，并推动技术成果在更多城市落地应用，为我国应对气候变化、构建韧性城市提供持续有力的科技支撑。
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