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在采用各向异性湍流动能闭合方案和3阶Runge Kutta时间积分方案的大涡模式中,引入由森林冠层粗糙元造成的动量拖曳项、热量输入项和TKE耗散项,以模拟森林冠层和森林边界层的气象场. 通过中性和不稳定层结条件下不同叶面积指数算例的模拟分析及与已有观测结果的比较表明,本文所建大涡模式对森林冠层和森林边界层有较好的模拟效果. 进一步研究表明：不稳定层结条件下较稠密的森林冠层中特有的Kinking & Pairing湍涡结构与森林边界层中湍流的大涡运动相互作用,形成了森林冠层附近的温度斜坡型结构. 相似文献
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为了研究城市化进程对城市边界层结构的影响，通过高分辨率的卫星遥感资料获得土地利用类型,以及地表反照率、植被指数等地表参数，以南京为例，运用数值模拟手段进行了研究，结果显示这是一种可行的手段.数值模拟结果表明，随着城市的发展，城市反照率减小、植被减少、地表湿度减小，蒸发耗热减少，感热通量增加140 W/m2，城市波恩比增加.地表和大气之间热量交换加强，湍流热量通量增大了一倍，湍流交换发展加剧，14：00混合层高度抬高了500 m.地表湍流水汽通量和空气中水汽含量都减小，这也使更多的热量用于加热地表和大气，使地温、气温的日变化幅度增加. 相似文献
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本文利用高分辨率中尺度WRF模式,通过改变边界层参数化方案进行多组试验,评估该模式对美国北部森林地区边界层结构的模拟能力,同时比较了五种不同边界层参数化方案模拟得出的边界层热力和动力结构.结果表明：除个别方案外,配合不同边界层方案的WRF模式都能成功模拟出白天对流边界层强湍流混合特征和夜间稳定边界层内强逆温、逆湿和低空急流等热力和动力结构.非局地YSU、ACM2方案在白天表现出强的湍流混合和卷夹,相比于局地MYJ、UW方案,模拟的对流边界层温度更高、湿度更低、混合层高度更高、感热通量更大,更接近实际观测,这表明在不稳定层结下考虑非局地大涡输送更为合理,但局地方案在风速和风向的预报上存在一定优势.TEMF方案得到的白天局地湍流混合强度为所有方案中最弱,混合层难以发展,无法体现对流边界层内气象要素垂直分布均匀的特点.对于夜间稳定边界层的模拟,不同参数化方案之间的差异较小,但是YSU方案在一定程度上高估了机械湍流,导致局地湍流混合偏强,从而影响了其对稳定边界层的模拟能力. 相似文献
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森林冠层上下湍流谱结构和耗散率 总被引：3，自引：1，他引：2
利用新型三维超声风速 /温度仪 ,根据在长白山原始森林冠层上下两个高度上测量的湍流资料 ,采用涡动相关法计算和分析了森林冠层上下湍流谱的结构、局地各向同性和耗散率 .结果表明 ,在惯性副区 ,归一化湍流谱遵从 - 23的指数规律 ;在森林冠层上 ,尽管谱的形状与均匀表面的一致 ,但是 ,大气湍流是非各向同性的 ;而在森林冠层内则是近似各向同性的 ;森林冠层上下湍流能量和热量耗散率比典型草原和牧场的结果大 ,揭示了森林粗糙表面在湍流输送过程中的动力扰动和对大涡的破碎作用 相似文献
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2002年7月黑河流域上游降水以及产、汇流过程的模拟 总被引：2，自引：0，他引：2
运用包含土壤、植被陆面过程OSULSM的中尺度大气模式MM5, 将分布式水文模式DHSVM中汇流方案与其耦合, 成功地模拟了2002年7月黑河流域上游的洪水事件, 用数值方法再现了洪水的流动过程. 结果显示: 洪峰到达流经各点的时间不同, 遇到分岔路时, 水流按照地形坡降大小不同, 自动按比例分流, 较大部分从地势坡度大的方向流向低处, 也会有较少部分向坡度较小的方向流去. 坡面汇流方案的加入, 使得大气模式中实现了地表水的再分配. 相似文献
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一次冷锋过境过程的中尺度通量观测 总被引：6，自引：0，他引：6
根据Taylor假定 ,通过对铁塔定点观测冷锋过境湍流资料的谱分析 ,分离出其中尺度过程 ,从而计算出其中尺度通量 .计算结果的分析表明 ,在强背景风场条件下 ,湍流动量输送占据绝对优势 ;当背景风较弱时 ,中尺度动量通量不能被忽视 ,它甚至强于湍流动量通量 .而中尺度感热通量的强弱受多种因素的制约 .总的说来 ,冷锋后的中尺度感热通量大大强于湍流感热通量 .对于湍流通量参数化计算的理论分析表明 ,在较长的时间尺度进行湍流通量参数化时 ,有必要考虑因中尺度扰动而产生的修正 .合理的通量计算参数化方案需要全面包含湍流通量、中尺度通量以及中尺度过程对湍流通量的修正 相似文献
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本文采用RAMS（Regional Atmospheric Modeling System）模式模拟研究了没有背景风的情况下,土壤湿度非均匀分布的长度尺度分别为40km逐渐减小到2km时,地表通量的分布和大气边界层的响应.运用二维傅里叶变换,分析了地表通量、中尺度脉动量和中尺度通量的二维幅度谱分布,初步探讨大尺度模式中非均匀地表条件下的边界层参数化问题.分析结果显示各试验的地表水、热通量和中尺度脉动量的幅度谱的极大值都出现在与各自非均匀尺度相对应的波数处,当有不同尺度的非均匀斑块共存时,最大的非均匀尺度占主导.但是中尺度水、热通量的结果有所不同,除了在与各自非均匀尺度相对应的波数处有峰值之外,在其他波数还有多个峰值.这些结果表明地表水、热通量的空间分布尺度与非均匀尺度之间存在较好的对应关系,而中尺度水、热通量与非均匀尺度的关系并不明显,说明地表水、热通量的网格平均值的代表性较好,但是不能反映次网格脉动的影响,而中尺度通量的网格平均值的代表性较差. 相似文献
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中尺度涡在大洋环流中有着重要的作用. 为检验高度计资料同化应用于中尺度涡模拟的效果, 提高环流模式对中尺度涡模拟的精度, 使用三维变分的OVALS同化系统结合POM模式进行了中尺度涡同化模拟实验. 该系统将卫星高度计资料同化反演成为温盐伪观测数据, 然后再次进行常规温盐同化, 得到温盐分析场. 根据中尺度涡现象的物理特性, 经过对比检验, 对系统中的同化参数作了合理设置. 使用T/P和ERS1/2的10 a卫星高度计的海表高度异常资料, 分别用同化与非同化两种方案对西北太平洋的中尺度涡进行对比模拟实验. 将实验结果与观测数据的比较表明, 加入高度计资料同化的模拟结果远远好于未使用同化的模拟结果. 说明高度计反演温盐场的同化方法用于对于模拟中尺度涡现象是非常有效的. 相似文献
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利用中尺度气象数值模式（Weather Research and Forecasting Model,WRF）模拟风场,结合兰州大学半干旱气候与环境观测站（Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University,SACOL）湍流观测资料,分析了黄土高原复杂地形上稳定边界层低空急流对近地层湍流活动的影响.黄土高原复杂地形上稳定边界层低空急流的形成与地形作用引发的局地环流有关.低空急流对近地层湍流活动有强烈影响,剪切作用使小尺度湍涡活动加剧,湍动能增大,同时非平稳运动被压制.低空急流发生时,观测数据有87.3%是弱稳定情形（梯度理查森数小于0.25）;而无低空急流时,对应时段的观测表明65.4%属于强稳定层结（梯度理查森数大于0.3）,非平稳运动造成湍流功率谱在低频端迅速增大.与无低空急流和弱低空急流情形相比,强低空急流发生时,近地层湍动能增大1倍,湍动能在垂直方向上的传递增大1个量级,且方向向下,约为-3 × 10-3 m3·s-3,湍流在上层产生并向下传递. 相似文献
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西北地区地处欧亚大陆腹地,生态系统对于气候变化和人为影响十分敏感,同时该区也是湿润的东亚季风区与干燥的中亚干旱区的过渡区域,陆气相互作用比较强烈.本文对西北地区植被变化对当地的陆气耦合强度及其与之相关的地表水文过程的影响进行了分析研究,并且找出适于增加植被以缓解西北地区荒漠化趋势的最具成效的地区.本文利用美国国家大气科学研究中心(NCAR,National Center for Atmospheric Research)研制的通用大气模式CAM3(Community Atmosphere Model Version 3)对西北地区植被变化的影响进了数值模拟.本文共设计了三个试验,使用正常地表植被覆盖的参考试验,地表下垫面变为裸土的去植被试验和植被增加的生态环境好转试验.首先,本文对西北地区植被变化对于当地降水量、地表水分盈余量、径流量、地表土壤含水量等地表水文变量的影响进行了分析研究.然后对西北地区植被变化对当地的陆气耦合强度的影响进了分析研究,陆气耦合强度是衡量局地陆气相互作用强弱程度的一个新标准,基于计算年降水量与蒸散量的协方差与降水量方差之比而得到.它利用观测数据或模式输出数据,计算起来简便容易,物理意义明确清晰,陆气相互作用越强烈的地区,其陆气耦合强度也越高.最后,本文计算了一个蒸散-水汽通量散度指数来衡量植被变化对局地蒸散与大气水汽通量散度的影响,其在一定程度上反应了植被变化对局地陆气相互作用和大尺度大气环流输送作用的影响,也可以视为一个评估人为生态环境工程效果的指标.西北地区陆气耦合强度由东南向西北递增.去植被之后,西北地区降水与蒸发普遍减少,其中在东南部区域,地表径流增加约10~40mm,渗流量与地表土壤含水量分别减少约40~80mm和5~20mm3·mm-3,陆气耦合强度上升,这有可能导致水土流失,不利于当地植被的恢复.生态环境好转之后,内陆地区降水与蒸发明显增加,但地表盈余水分有所减少,主要原因是蒸散量相较于降水量增加的更多.其中在沙漠戈壁区边缘的新疆南部与内蒙西部,渗流量与地表土壤含水量分别上升约5~20mm和5~20mm3·mm-3,陆气耦合强度降低,蒸散-水汽通量散度指数较高,这可能主要是由于植被变化对局地陆气相互作用的改变而造成的.植被对于西北地区地表水文过程有着明显的影响,植被的存在能加速西北地区地表水文循环过程,减小陆面蒸散的变化,降低陆气耦合强度.在有限的人力与财力条件下,集中力量在在沙漠戈壁区边缘的新疆南部与内蒙西部适当种植灌木与青草并防止过度放牧,能有效降低当地陆气耦合强度,缓解西北地区荒漠化加剧的趋势.本文下一步还需考虑如模式地表植被数据与真实情况的差异性,海洋因素变化对于植被变化的反馈,以及进行集合实验来增加研究结果的可靠性. 相似文献
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植被恢复对黄土高原局地降水的反馈效应研究 总被引：2，自引：0，他引：2
《中国科学:地球科学》2021,(7)
自开展大规模植被恢复以来,黄土高原大量坡耕地被转化为草地和林地,其植被覆盖状况得到了显著改善.然而,大规模植被恢复通过改变下垫面性质导致大气与地表间的能量和水分循环过程发生变化,进而对区域气候和局地降水产生反馈.如何定量评估该反馈效应是水文气象学领域亟需解决的重要科学问题.本研究通过构建考虑植被动态变化的陆气双向耦合模式,分析黄土高原不同土地利用类型和地表参数的时空变化趋势,在考虑植被恢复对流域水热循环和陆气交互作用影响的基础上,定量评估植被建设对黄土高原局地降水的反馈效应,并阐明其作用机理.通过设立考虑植被恢复的真实情景和不考虑植被恢复的假设情景两组模拟试验,对比分析植被建设对局地降水过程的净影响.结果表明,植被恢复对黄土高原局地降水量的增加具有积极效应.观测数据显示,2000～2015年黄土高原降水量以7.84mm a~(-2)的速率显著增加,模拟结果显示大规模植被恢复对研究区降水量增加速率的贡献约为37.4%,而外部水汽环流变化对研究区降水量增加速率的贡献约占62.6%.考虑植被恢复情景比不考虑植被恢复情景下的黄土高原年均降水量高12.4%.上述研究结果对黄土高原生态保护和高质量发展,以及植被建设的可持续性管理具有重要的理论与现实意义. 相似文献
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冠层尺度的生态系统光合-蒸腾耦合模型研究 总被引：1，自引：2，他引：1
对叶片尺度上的气孔导度-光合-蒸腾耦合模型(SMPT-SB)在冠层尺度上进行了扩展,探讨了模型的参数化方法,建立了冠层尺度上的生态系统光合-蒸腾耦合模型.并用中国通量观测网络(ChinaFLUX)长白山站的涡度相关观测数据对模型进行了验证.结果表明,冠层气孔内部导度gic可以通过单叶气孔内部导度与光合有效辐射的关系,通过模拟冠层内的光分布再对冠层进行积分实现由单叶向冠层的尺度转换.在无水分胁迫情况下,该模型在冠层尺度上对光合速率具有很高的模拟能力,模拟值与观测值的直线回归方程斜率为0.7977,R2=0.8892(n=752),平均绝对误差为3.78μmolCO2·m?2·s?1;蒸腾速率的模拟值和观测值直线回归方程的斜率为0.7314,R2=0.4355(n=752),平均绝对误差为1.60mmolH2O·m?2·s?1.同时分析结果表明,降水过程是影响蒸腾速率模拟效果的最直接原因.本模型将冠层作为一个整体,而忽略了冠层内部复杂的反馈机制,探讨了整个冠层光合和蒸腾与外部环境条件之间的关系,与传统的基于植物生理生态学过程模型,相比本模型简单且易于求解,便于应用.可以将其作为构建土壤-植被-大气连续体水碳耦合模型的基础模型. 相似文献
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《中国科学:地球科学》2017,(7)
城市土地利用/覆盖变化及其生态环境效应是当前城镇化研究的热点问题,但是由于城市内部空间结构异质性刻画不足,以及与城市地表热环境之间定量关系认识不足,严重制约其在城市生态规划管理方面的应用能力.本研究耦合城市地理学"空间结构理论"和城市气候学"地表能量平衡原理",提出了城市地表结构与热环境调控新的理念,揭示了城市空间结构与地表热环境之间的互馈机制;并自主研发了地表覆盖结构组分与热环境调控模型(EcoCity),确定了城市地表热环境生态调控阈值.基于实验观测、遥感反演和气象资料等数据,揭示了城市内部生活空间、生产空间、服务空间和生态空间分布格局以及相应的城市不透水地表、绿地和水域等地表覆盖组分布局模式对城市热岛形成的地表辐射与热通量影响程度.结论表明,不同城市功能区之间热环境的差异与其地表覆盖组分关系密切,商业、住宅等高密度城市不透水地表区,会显著增加显热通量起到升温作用,而绿地、水域等生态功能区会显著增加潜热通量起到降温作用.我们也发现,不同功能区由于其绿地组分比例差异导致植被热耗散作用不同,而且存在一定的生态阈值,对于商业、交通道路和住宅等高密度城市不透水地表功能区,其城市绿化工程对于提升植被潜热耗散效率更加有效,导致单位植被盖度的降温效果更为显著.同时也表明,EcoCity模型为城市地表结构特征和地表热通量之间耦合作用机制的理解和时空特征分析提供了有效的支撑,而且对于特定规模城市热岛缓减以及不同功能区绿化控制指标和阈值的界定,提供了普适性通用的计算模型系统,从而科学有效的服务于城市生态规划与管理. 相似文献
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本文尝试用一个完全耦合的大气-海洋-植被模式(Atmosphere-Ocean-Vegetation General Circulation Model, AOVGCM)模拟全新世初期的地球气候.模拟结果表明，耦合模式成功地再现了全新世初期复杂气候条件下的基本特征，为研究这一时期的气候状况提供了重要的模型支持.就全球平均而言，11ka BP冬季地表气温比现代约低1.6 K,夏季比现代低约0.3 K；大气温度从低层到高层有不同的表现，高层反映了太阳辐射的重要作用，而低层气候对下垫面（如冰川、植被和海洋等）的影响比较敏感.从区域分布来看，11 ka BP冬季大部地区比现在偏干，但热带太平洋和南半球少部地区降水偏多；夏季大部地区比现在偏湿，亚洲和非洲季风偏强，主要的季风区降水偏多. 相似文献
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首次用验证时间序列中是否存在动力非平稳性的一种简单图示方法——space time index法来分析大气边界层湍流的动力平稳性特征.本文以取自淮河流域和威斯康星森林下垫面条件下的三维高精度风速和温度、湿度湍流脉动资料对大气边界层湍流的平稳性特征进行了分析.结果表明space time index方法能有效地检验大气边界层湍流信号中是否存在动力平稳性.另外,均匀下垫面条件（水稻田）及复杂下垫面条件（森林）下的大气边界层湍流信号中几乎都存在动力非平稳性,大气湍流动力学非平稳性可能是边界层湍流信号相当普遍具有的一种特性.大气边界层湍流中的间歇性和相干结构使得其非平稳性图形的特征不同于一般时间序列非平稳性图形的“V”型特征;森林下垫面条件下的湍流信号比相对均匀下垫面（水稻田）下的湍流信号更有组织性,相干结构更强. 相似文献
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运用SAR图像和TM热红外图像定量反演地表空气动力学粗糙度的二维分布 总被引：2，自引：1，他引：2
在分析“陆地表面与大气相互作用”研究领域对地表空气动力学粗糙度二维分布的科学需求后, 确定以SAR (Synthetic Aperture Radar)图像的后向散射系数与地表的几何特征参数、介电常数等参数具有定量关系的SPM(Small Perturbation Model)模型为基础, 提出了运用TM热红外图像和地面同步观测的微气象数据相结合的热惯量-土壤湿度反演模型, 获取了试验区内土壤表层的湿度信息, 通过与介电常数的链结, 从SAR图像的后向散射的复合信息中解析出像元尺度的非体散射地表的几何特征信息; 经过形态因子的转换, 在SAR图像和TM图像空间尺度转换的基础上得出非植被区的等效几何粗糙度信息. 再应用作物高度的光谱模型, 计算出试验区的作物高度后, 转换为等效几何粗糙度. 采用分层镶嵌等图像处理方法, 生成了试验区像元尺度的地表等效几何粗糙度的二维分布图. 根据大气湍流理论和大气稳定度订正方法, 对测量的大气温度剖面数据和风速剖面数据进行迭代运算, 获取了试验区内裸土及小麦植被等类型地表风浪区的空气动力学粗糙度实测值. 在分析风浪区等效几何粗糙度、动力因子、热力因子对空气动力学粗糙度的共同作用后, 建立了由地表等效几何粗糙度向空气动力学粗糙度转换的尺度转换模型. 运用实测值验证了这一系列模型最终反演结果, 表明整个研究思路是可行的, 并可望应用于与空气动力学粗糙度有关的地-气相互作用的区域化研究领域. 相似文献
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城市地表潜热通量数值模拟方法研究 总被引：2，自引：0，他引：2
近年来,中尺度气象模式中城市建筑物影响的数值模拟方法日趋完善,城市地表潜热通量数值模拟方法是目前城市地气耦合研究面临的瓶颈问题之一.采用北京325 m气象塔140 m高度处的能量平衡观测资料,用陆面-单层城市冠层耦合模式进行了一年连续的离线模拟.根据模式对城市下垫面潜热通量模拟的系统性误差较大的特点,基于观测资料研究了城市下垫面潜热通量的数值模拟方法.采用观测分析与城市陆面模式相结合的方法,求出了城市中绿地的绿洲效应系数、城市不透水下垫面水份有效率的时间变化公式以及人为潜热排放的日变化曲线和四季最大值,可直接应用于城市陆面模式,有效提高了模式的整体模拟性能.该方法对其他城市地区有一定的参考意义. 相似文献
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本文基于WRF-ARW(V4.0)中尺度数值模式,选用耦合同一近地层参数化方案(Eta)的五种边界层参数化方案(MYJ、MYNN2、MYNN3、BouLac、UW),对2020年5月1—2日海南岛一次典型山地环流个例进行模拟,对比分析了这五种方案所模拟的山地环流结构和湍流特征的差异,旨在为模式应用于山地环流研究和模式改进提供一定的科学依据.研究结果表明,这五种湍流动能边界层参数化方案均能模拟出山谷风特征,对环流结构和湍流特征的影响表现为谷风时段大于山风时段.对于山地环流水平结构的模拟,因平原风推进距离的不同,五种方案模拟的近地面风速差异可达4 m·s-1以上,其中MYJ方案模拟的谷风最强盛,而MYNN3方案最弱,山区多为静风或小风.对于山地环流垂直结构的模拟,MYNN2、UW方案模拟的谷风环流较强,表现为谷风厚度较厚,推进距离较远,同时由于模拟的谷风环流可越过山顶,从而模拟的高海拔地区上升区的覆盖范围和强度均较大;MYJ、BouLac方案模拟的谷风环流均未能越过山顶,且其中BouLac方案的平原风环流未能与上坡风环流耦合;而MYNN3方案模拟的环流结构最不明显.湍... 相似文献
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《中国科学:地球科学》2016,(9)
人造地表覆盖是刻画人类活动对陆地表层生态系统影响的重要因素,具有高度动态、结构复杂和类型镶嵌等特征.由于当前缺乏有效的洲际尺度人造地表覆盖精细化遥感探测方法和高精度的数据产品,由此影响了城市化对区域气候、生态系统过程和全球环境变化影响评估的可靠性.本研究构建了人造地表覆盖等级层次结构分类系统,发展了基于2010年全球地表覆盖30m分辨率产品(GlobeLand30)的人造地表覆盖二级类型像元组分提取的技术方法,研发了亚洲2010年高精度城市建成区及其内部城市不透水地表和植被覆盖组分比例数据产品.基于多源数据融合和专家知识方法获取的城市建成区及其内部组分分类的总体精度为90.79%;城市内部不透水地表比例组分信息提取平均相对误差为0.87,总体上数据产品具有较高的质量和可靠性.遥感精细化信息提取局部误差与不同气候带城市建筑与植被镶嵌程度密切有关.遥感精细化分类表明,亚洲城市建成区面积181785.96km~2,占亚洲陆表面积的0.59%;城市内部结构组分中,城市不透水地表总面积为116504.72km~2,占亚洲城市建成区面积的64.09%,植被和裸土面积占34.56%.在空间上,城市不透水地表自东向西呈现集聚式、分散式和无显著分布特征三级梯度.中国、印度和日本等国家,城市不透水地表总面积排在前三位,分别占亚洲城市不透水地表面积的32.77%、16.10%和11.93%.研究发现,城市建成区内部不透水地表与植被覆盖组分比例与国家的经济发展程度及区域气候环境密切相关,对于经济较为发达的国家,城市建成区内部镶嵌类型中不透水地表比例相对较低,如韩国、新加坡城市不透水地表比例约为50~60%,公共绿地植被面积比例相对较高,而对于经济发展水平较低的国家,城市建成区内部镶嵌类型中城市不透水地表比例则接近或超过80%.城市建成区内不透水地表、植被组分及空间分布特征集中反映了亚洲地区人口集聚和经济发展水平以及对子流域环境健康状况影响程度. 相似文献