2024年1月，我校大气物理学院2020级大气探测专业本科生张龙瑞以第一作者身份在地球物理学领域国际知名期刊Geophysical Research Letters（《地球物理研究通讯》）上，发表了题为“Elucidating the multi-timescale variability of a canopy urban heat island by using the short-time Fourier transform”（基于短时傅里叶变换阐明城市冠层热岛的多尺度时间变率特征）的研究论文，通讯作者为其导师杨元建教授。
城市化改变了城市地区的地表能量平衡和水文收支平衡，如对入射太阳辐射吸收的增加和蒸发量的减少，加之人类活动的人为热排放，从而导致城市地区温度高于周边郊区，这一现象被称为城市热岛效应，城市热岛效应给人类健康和生态环境带来诸多影响，因此城市热岛时空变化及其成因受到广泛关注。
当前对于城市热岛形成的原因研究大部分集中于对人为因素的影响分析，然而，背景气候场波动带来的天气形势的变化亦可直接作用于城市热岛，因此城市热岛呈现出不同时间尺度波动变化的特征。城市热岛现象在不同季节、月份和天气形势下的强度特征表现各异。同时，极端天气形势会导致极端强热岛的发生，这种极端事件的发生会对城市居民生命安全造成严重威胁。但目前对城市热岛多时间尺度波动的研究仍相对匮乏，天气形势对城市热岛的多时间尺度效应仍不明确。目前，关于热岛强度演变原因的研究考虑背景气象场的变化较少，且通常采用年或者月尺度的平均温度场作为研究对象，对天气形势在其他时间尺度的变化无法涉及。因此，目前急需要一种有效的方法来提取并分析城市热岛强度各时间尺度波动的演变规律，特别是与背景大气活动关系最密切的天气尺度热岛强度波动。
传统傅立叶变换方法是一种研究周期波动的有效方法，其可以在频域上展开而得到任意频率的谱强度特征。城市热岛强度具有年际/日际波动或因人为活动产生的周际波动等，其都可以在傅里叶图谱上显示出来。经典傅里叶变换只能在频域上展开，仅能给出波动在所选取总时间段内的平均强度，无法揭示热岛变化波动随时间的演变规律。短时傅里叶变换方法是对传统傅立叶变换的一种改进，使其可以在时域上展开以得到给定谱强度随时间的变化特征。因此，短时傅立叶变换可以揭示城市热岛的年际，日际波动随时间的变化。本研究以特大城市北京为例，使用短时傅里叶谱方法，分析了北京城市热岛强度的不同时间尺度的波动变化规律及成因。研究发现，北京市冠层热岛强度（CUHII）的演变与年内、天气和日内变化尺度的背景气象强迫之间存在着密切的关系。 CUHII的年尺度谱强度呈现增加趋势，且CUHII季节变化差异明显。 CUHII日尺度频谱呈现增加趋势，夜间CUHII发展较快。西太平洋副热带高压强度的增强会增强CUHII的季节和日夜波动。进一步分析了城市热岛强度的天气尺度频率(2-14天)的变化，发现该频率与背景大气环流具有密切的关系： CUHII的天气尺度谱受天气系统演化控制，北京地区冷热浪发生频率与CUHII的天气尺度谱强度呈显着负相关，寒潮和热浪会长时间增加 CUHII。
