随着城市规模快速扩张，城市建成区面积的增长伴随着建筑高度的不断提升，同时大量如体育场等大型建筑群也相继建成。目前关于城市建筑群扩张、地表覆盖类型变化对原有区域近地面的热状况空间分布特征影响的研究主要集中在城市的土地利用、绿地覆盖率等对城市热岛效应的影响，董良鹏等（2014）研究发现城市群发展进一步增大了强热岛区的范围；赵梓萌和孟翔晨（2024）利用1992—2020年Landsat 地表温度数据计算的城市热岛比指数和中国年度土地覆盖数据，分析了天津市中心城区和环城4区的城市热岛和土地利用/覆被时空变化特征，指出随着城市化进程的加快导致城市热岛效应不断变化。然而对局地具有显著三维空间形态的高大建筑区气温变化特征关注较少，尤其是大型公共建筑内部的热环境特征及其对外部热环境的可能影响。城市的大型体育场馆区通常由混凝土、钢结构的高大三维建筑物和大面积沥青、水泥路面构成，与自然环境（如水面、植被、树林和自然土壤）相比，这些材料具有较低的反照率、较高的热容性和较低的蒸发和蒸腾能力，从而形成了特殊的小范围气候环境。

城市的三维结构和形态（如建筑规模、街区高宽比）是影响城市微气象的重要因素（WMO，2008）。建筑的布局、几何形状和材料是局部热点形成的重要影响因子（Allegrini and Carmeliet，2018）。杨雅君等（2017）基于热红外成像技术，分析了沥青路面、水泥路面、荷兰砖地面、草地、嵌草砖地面和大理石地面的地表温度时空变化特征及其热环境效应，发现沥青下垫面对热环境的影响较大，而嵌草砖和大理石地表对热环境具有较好的缓解作用，草地在夏季降温效果明显，但其温度日变化在不同季节波动较大。这些研究为本文分析大面积沥青及混凝土下垫面对场区气温分布的影响提供了参考。

随着城市精细化气象服务需求的不断提升，国内学者对大型体育场馆区气温变化特征进行了广泛研究。魏琳沅和孙然好（2021）通过模拟北京市典型景观的风速场与温度场，结合实际气象参数分析了城市风热环境与风速、风向、地表温度、天空开阔度以及绿地和建筑格局配置等因子之间的相互作用，指出绿地和城市建筑格局对城市热环境具有明显影响，为本文分析自然绿地和密集大型体育场馆探测环境对场区气温分布的影响提供了参考。李林等（2019）利用北京市观象台国家级地面气象观测站和区域自动气象站的逐时地面气象要素数据，分析了站点探测环境差异对气温、风速和降水的影响，发现站点间太阳辐射吸收的差异明显影响了气温变化，而降水影响相对较小，为分析大型体育场馆建筑结构对太阳辐射的影响及其对场区气温分布的作用提供了参考。李芳红等（2022）利用农田自动小气候观测站数据分析了贺兰山东麓葡萄园下垫面砾石含量、降水量、150 cm高度的空气相对湿度和光合有效辐射对园区气温变化的影响，也为探讨不同下垫面环境、降雨量及太阳高度角对体育场馆气温分布的影响提供了重要参考。

国家体育场（简称“鸟巢”）是一座半封闭冠顶式超大型体育场馆，其长轴为332.3 m、短轴为296.4 m、最高点68.5 m、最低点42.8 m，最多可容纳10万观众，是2008年夏季奥运会、2022年冬奥会、建党100周年庆典及首都未来重大活动的主会场。如此规模巨大、结构特殊的场馆在场内形成了独特的小气候，其气象环境特征对比赛和大型活动可能产生重要影响，是气象工作者关注的重点。李津等（2008）对比分析了2008年北京奥运会期间鸟巢内部、奥体中心和奥林匹克公园3个自动气象站的观测数据，简要分析了鸟巢内外的风向、风速、气温和相对湿度的差异特征。潘留杰等（2023）基于国家气象信息中心的三源融合降水分析产品和欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料，研究了第十四届全国运动会关键场馆的气象要素特征，但缺乏场馆群气象站的实际观测统计分析。

随着鸟巢体育场馆区各类重大活动对气象服务需求的不断增加，北京市气象局在鸟巢冠顶层及场馆内部东、西看台区域布设了多个气象站点，开展气象要素精细化观测，为鸟巢区域气象条件特征的精细化研究提供了有力支撑。本文利用邻近的北京奥林匹克公园（简称“奥森”）和国家奥林匹克体育中心（简称“奥体”）气象站的气温、风向风速及降雨量观测数据，结合不同下垫面探测环境、大型体育场馆的特殊建筑结构及太阳高度角分布特征，精细化研究鸟巢大型体育场馆集群的气温变化特征，旨在为类似大型场馆集群的精细化气象服务决策提供科学依据。

奥森站、鸟巢站和奥体站的布局基本呈北至南向分布。奥森站位于鸟巢站正北，直线距离约3 km，奥体站位于鸟巢站南偏东方向，直线距离约1 km（图1）。鸟巢内的6个气象站分别布设在体育场顶部内圈的正北、正东、正南、正西4个方位，以及东、西两侧的二层看台。其下垫面及周边探测环境为半密闭的大型体育场钢结构，可较好地代表大型体育场馆区内的气温探测环境。奥森站位于北京奥林匹克森林公园内，气象站下垫面及周边均为自然土壤和低矮植被，可较好地代表无干扰源的自然下垫面探测环境。奥体站位于国家奥林匹克体育中心园区内，周边为沥青混凝土地面，距离奥体体育场馆东侧约160 m，可较好地代表临近大型体育场馆外侧的气温探测环境。

使用奥森站、鸟巢站和奥体站2020年3月1日00：00（北京时，下同）至2021年2月28日23：00逐时观测数据，包括气温、风向、风速和降雨量。在观测试验开始前，各测站的观测设备均参照《地面气象观测规范》（全国气象仪器与观测方法标准化技术委员会，2017）的要求，完成了规范的计量检定和严格的性能测试。对各观测站的数据进行质量控制，包括界限值检查、空间一致性检查、内部一致性检查和时间一致性检查，筛选出符合要求的数据序列用于分析。最终，匹配得到8 443组观测数据。其中，界限值检查是检查观测值是否在设备测量的允许范围内；空间一致性检查是基于Madsen-Allerupt方法（Eischeid et al.，1995；Rissanen et al.，2000；Vejen et al.，2002），假设某一空间范围内的观测要素具有均一性，对观测值进行一致性验证；内部一致性检查是基于气象要素之间变化规律的内在一致性，检测异常数据；时间一致性检查是基于观测要素与时间的显著相关性，通过比较前后时间的数据判断是否发生异常。基于北京国家基本气象站自动日照系统记录的日照数据，筛选鸟巢站2020年6月4—6日日出至日落期间均出现日照时数时间内的气温数据，分析鸟巢站东、西看台气温受太阳光照的影响。

由于鸟巢的半封闭式冠顶结构，其底部东、西看台区域在太阳高度角不同时会因阴影遮蔽导致日照情况存在差异。太阳高度角的计算参考以往研究（李玉海，1977；钱允祺，1978；王国安等，2007；刘伟峰等，2012；栗琳等，2013；王慧和崔连延，2015；张行清等，2020）方法。对于地球上某一位置在某一时刻的太阳高度角，通过以下公式近似计算：

式中：H为太阳高度角，φ为当地地理纬度，δ为当日太阳赤纬，θ为太阳时角。

太阳赤纬是地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角，计算公式为：

式中：N为积日，即该日期在一年中的序号（如，1月1日为积日1，平年12月31日为365），Y为某日所在年的总日数（平年为365 d，闰年为366 d）。

太阳时角是日面中心的时角，表示太阳光照射到地面的某点与地心的连线与当地正午时地心到太阳的连线之间在地球赤道平面上的投影夹角，即从观测点的天球子午圈沿天赤道量到太阳所在时圈的角距离，可表示为：

式中：ST为真太阳时，以24 h计。太阳时角从正午12：00为0°开始计，每小时变化15°。

鸟巢看台东西2站之间、冠顶4站之间的逐月平均气温差值均不超过0.2 ℃，表明鸟巢看台东西2站之间、冠顶4站之间月平均气温具有较好的一致性，因此分别用看台东西2站、冠顶4站的月平均气温的算术平均值代表鸟巢站看台、冠顶的月平均气温。从代表临近大型体育场馆外侧的奥体站、代表大型体育场馆区内部的鸟巢站（看台和冠顶）与代表自然环境的奥森站气温差值分布（图2）来看，由于探测环境的明显差异，奥体站、鸟巢站看台和冠顶站的月平均气温均高于奥森站。年平均气温奥体站、鸟巢看台和冠顶站比奥森站分别高1.3、2.1、1.6 ℃；4站气温变化趋势基本一致，奥体站和鸟巢站（看台和冠顶）与奥森站的气温差值也较为稳定。鸟巢站看台的月平均气温较冠顶高0.4~0.7 ℃。鸟巢站看台和冠顶与奥森站的气温差值10月最大，分别为3.0、2.5 ℃；5月最小，分别为1.4、0.7 ℃。此外，冬半年（10月—次年3月）的气温差值明显高于夏半年（4—9月）。相比之下，奥体站与奥森站的温差在各月差异较小，最大差值在12月（1.6 ℃），最小在8月（0.9 ℃）。

图3为非降水时段鸟巢站西看台与东看台逐时月平均气温差。6—9月，两站温差低于其他月份。逐月平均气温最大差值为1.5 ℃，08：00—10：00、14：00—17：00的低太阳高度角时段内温差较大；非日照时段及11：00—13：00较大太阳高度角时段，温差较小，基本在0.3 ℃以内。鸟巢东看台和西看台气象站分别位于半封闭冠顶体育场馆底部东、西看台区域，在一天中的不同太阳高度角条件下，由于冠顶结构产生的阴影遮蔽，两站所受日照强度存在差异，从而导致测站气温在不同时段差异明显。08：00—10：00，西看台处于阳光直射区域，气温明显高于处于阴影区的东看台，这一差异在冬季11月至次年1月较小。14：00—17：00，太阳位置偏西，西看台处于光照阴影区，气温明显低于处于阳光直射区的东看台，夏半年最大温差出现在15：00、16：00，冬半年最大温差时间则提前至14：00—15：00。

选取2020年6月4—6日鸟巢站日出至日落期间均出现日照的气温数据，结合日照数据和太阳高度角计算方法，分析鸟巢东、西看台气温受太阳光照的影响。根据2020年6月4—6日日出和日落时间，计算05：00—19：00鸟巢太阳高度角及其平均值（表略）。结果显示，太阳高度角05：00、19：00均为3.6°，12：00最大，为72.4°，呈以12：00为中心的对称分布。

2020年6月4—6日鸟巢东、西看台逐时平均气温与太阳高度角的变化如图4所示。06：00—16：00，平均气温随太阳高度角的增大呈增加趋势。07：00—12：00，西看台逐渐进入太阳直射区，其平均气温高于处于阴影区的东看台，两者气温最大差值为1.5 ℃（10：00）。12：00—16：00，随着太阳位置偏西，东看台逐渐进入太阳直射区，其平均气温高于逐渐处于阴影区的西看台，且增温速率更快，两者气温最大差值为1.0 ℃（16：00）。

图5为非降水时段鸟巢冠顶4站逐时月平均气温差。鸟巢冠顶4站所处环境相对均匀，气温整体一致性较好，冠顶4站温差小于0.5 ℃的时次占比超过92%。然而，由于冠顶南与冠顶北、冠顶东与冠顶西的水平距离分别约190、130 m，且冠顶西（北）较冠顶东（南）高8（6） m，受高度和相对位置影响（盛裴轩等，2013），4站气温存在一定差异。整体气温较高的6—9月，冠顶4站之间的气温差值较其他月份低。其他月份06：00—16：00，温差更为明显。

图6为非降水时段奥体与奥森逐时月平均气温差、两站逐时月平均气温的相邻时次变温及变温差值分布，可看出两站逐时月平均气温最大差值为3.3 ℃，整体上奥体气温高于奥森。仅在1—2月、10—12月12：00—16：00及3—8月17：00，奥体的逐时月平均值气温低于奥森。奥体与奥森逐时月平均气温具有较为一致的变化特征，两站08：00—17：00明显升温，18：00—23：00明显降温。由于奥体站靠近大型体育场馆区，而奥森站处于相对无干扰的自然环境，两站变温快慢存在差异，前者变温速率更快。

分析2020年3月1日00：00—2021年2月28日23：00鸟巢东、西看台2 min平均风速发现，东、西看台95.5%以上的2 min风速小于1.6 m·s^-1，最大值为4.2 m·s^-1，出现在2020年4月的东看台。图7为2020年4月鸟巢东、西看台719组2 min平均风速值分布。由于鸟巢东、西看台均位于半密闭体育场馆的内部，风速值及风速差值均较小，本文未进一步分析不同风速对看台区域气温的影响。

鸟巢冠顶4站的风速基本小于7.9 m·s^-1，且97.1%的风速标准差小于1.0 m·s^-1，4站风速具有较好的一致性，故以4站平均风速代表鸟巢站冠顶风速。由图8（a）可知，在2020年3月—2021年2月非降水时段，冠顶4站逐时气温最大差值为0.1~1.0 ℃，其中较大温差多出现在风速小于3.0 m·s^-1时段。随着风速的增加，气温差值呈减小趋势。鸟巢冠顶平均气温和奥森的气温差与风速也呈现类似趋势[图8（b）]。随着风速增加，空气流动性增强，加快了测站区域的热量交换，使测站气温趋于一致，从而导致气温差值呈减小趋势。

基于2020年3月—2021年2月奥体和奥森同时出现降水时的整点降水量，通过距离权重法计算得到鸟巢降水量与奥森降水量的平均作为鸟巢与奥森所在场区的降水量。不同降水量鸟巢冠顶4站气温最大差值在0.3~0.6 ℃小幅波动，其变化趋势与降水量变化无明显相关。鸟巢冠顶平均气温与奥森气温差为-3.7~3.4 ℃，温差随降雨量增加（减小）呈减小（增大）趋势（图9）。2020年11月17—18日一次连续降水过程中（图10），奥森气温为9.1~11.0 ℃，鸟巢、奥森场区平均小时降水量为0.1~2.6 mm。降水期间，鸟巢冠顶气温低于奥森站，气温差值为0.1~0.7 ℃，且连续时次的温差变化与降雨量呈反向趋势，其原因可能是鸟巢钢结构和混凝土的特殊环境与奥森植被、树林和自然土壤构成的自然环境存在明显差异，导致热容性及蒸发、蒸腾能力不同，从而导致气温变化对降水的响应程度有所不同。

本文分析了代表大型密集建筑体育场馆区的鸟巢、临近大型密集建筑群的奥体和无干扰植被下垫面环境的奥森的气温特征，得到以下主要结论。

1）鸟巢站看台和奥森分别具有最高和最低的月平均气温，且鸟巢站看台气温较冠顶偏高0.4~0.7 ℃。受探测环境差异影响，奥体的月平均气温在4月和7月高于鸟巢站冠顶，其余月份反之。

2）鸟巢作为超大型体育场馆，表现出独特的小气候特征。东、西看台区域因半密闭冠顶对光照的遮蔽作用，2站气温差值与太阳高度角的变化呈现一定的对应关系。冠顶测站受位置和高度差异影响，6—9月的气温差值低于其他月份，且后者10：00—15：00温差更大。

3）奥体的逐时月平均气温高于奥森，2站气温变化趋势具有较好的一致性；奥森较奥体气温变化更快。

4）随着风速增大，区域内空气流动性增强，加快了空气的流动及热量交换，使鸟巢冠顶4站之间、及鸟巢与奥森的气温趋于一致，温差减小。

5）有降水时，鸟巢冠顶与奥森气温的变化存在差异，随着降雨量的增大，气温差值呈减小趋势。

本文重点研究了大型体育场馆集群不同探测环境区域的气温变化特征，为进一步提升气象服务提供了重要参考。未来，应进一步开展大型体育场馆区域的精细化气象环境研究，包括构建可探测获取垂直方向上精细化气象要素的观测系统，分析场区的三维气象特征；探讨钢结构和混凝土构成的体育场区与植被、树林和自然土壤构成的自然环境之间热容性、蒸发与蒸腾能力的差异；分析冬季固态或固液混合态降水对气温变化的影响。此外，本文仅针对连续液态降水过程中的气温差值与降水量变化的关系展开研究，固态或混合态降水条件下的气温差值变化特征有待进一步分析。同时，可利用更长时间序列的数据，深入研究不同天气和季节的气温变化特征。