上海地表热环境演变趋势城乡分异及其对城市更新的响应

快速而广泛的城市化过程对城市热环境产生了深刻影响，全面了解城市化进程如何影响城市热环境演变及其趋势差异对于城市生态安全、环境质量及居民健康等具有重要意义。本研究基于MODIS Aqua卫星2002—2020年夏季逐日白天地表温度产品，结合遥感植被指数和不透水面覆盖信息，使用归一化地表温度和热岛比例系数作为地表热环境衡量指标，利用M-K趋势检验和解释度分析，探究上海市城市化进程中夏季地表热环境演变趋势的城乡差异及其对城市空间更新的响应。结果表明：2002—2020年，上海市地表温度线性增长率为0.09℃·a^-1,热岛比例系数呈先上升(2002—2010年)后下降(2010—2020年)的变化趋势。上海市夏季平均地表温度总体呈现中心城区>新城区>农郊区的特征。2002—2020年，1.6%的区域表现出显著降温趋势，其中54.0%分布在中心城区；39.5%的区域表现为显著增温趋势，其中77.6%分布在新城区。上海高度城市化的中心城区出现集中的显著降温区域，而在其他区域尤其是新城区表现为显著增温趋势。上海从城市扩张向城市空间更新的转变是中心城区出现集中显著降温...     

兰州中心城区用地扩展及其热岛响应的遥感分析

以兰州中心城区为研究区,以1978、1993、2001和2010年的Landsat MSS/TM/ETM+影像为数据源,采用NDBI-SAVI指数相结合的方法,提取建设用地信息,利用热红外波段的单窗算法反演城市地表温度.结合城市热岛比例指数和地表温度分级,定量研究城镇用地扩张对城市热环境的影响.结果表明:兰州中心城区建设用地在1978-2010年的30余年间面积由87.47 km2增加到172.61 km2,增幅近l倍.城市扩展与热岛扩展趋势具有空间一致性,在城市扩张的同时,城区地表温度逐渐上升,城市热岛面积不断扩大.     

上海城市热岛效应形成机制及空间格局

城市热岛效应的产生及演变与城市地表覆被变化、人类社会经济活动密切相关,是城市生态环境状况的综合概括与体现,目前对城市热岛形成、演变的驱动机制、热岛效应与地表覆被变化的定量关系研究大多还是从对某些影响因子的测定入手,缺乏对区域热环境系统全面、综合的评价与分析.近年来,在城市化过程中,人类社会、经济活动的加剧使城市地表热力景观呈现出高度的空间异质性,在利用Landsat 7 ETM+热波段数据反演上海地区地表温度的基础上,应用地统计学方法揭示了不同尺度下上海城市地表温度场空间变异特征及其不同的驱动因子.进而,采用决策树方法构造城市热环境系统的分类和预测模型,建立中心城区地表温度场空间分布及其驱动因素之间的定量关系,挖掘上海城市热岛效应的形成机制,揭示出多种影响因素综合作用下中心城区热环境空间格局差异.研究结果表明,城市热环境形成的驱动因子在空间上呈现出明显的分异性特征,各种影响因素在空间上不同的组合方式将决定城市热岛效应的时空演变趋势.运用决策树方法可以有效地确定在城市内部不同区域影响热环境形成的主导因素,揭示城市热岛形成与演变的成因机制及其空间差异,并可以进一步用来预测分析未来城市地表温度场动态变化的空间分布格局.     

城市地表热环境研究进展

近50年来,以中国为代表的发展中国家快速城市化过程所引起的生态环境问题直接导致了城市地表热环境的剧烈变化。当前,采用定量化的研究方法开展城市地表热环境研究已成为国内外城市生态环境与气候领域的研究热点之一。因此,厘清城市地表热环境的研究进展对于今后更好地开展城市空间热环境定量评价研究以及进一步促进城市可持续发展具有重要的现实意义。在对城市空间热环境和城市热岛等相关概念、主要研究方法和数据获取方式进行简要叙述的基础上,着重从城市地表热环境的时空特征及其变化、驱动力和驱动机制、城市地表辐射与能量平衡、城市地表热岛与城市大气热岛的关系及其演变规律、城市绿地和水体对城市热岛效应的缓解、城市地表热岛的尺度转换等6个主要方面对当前国内外已开展的城市地表热环境研究进行了归纳总结,并就当前研究过程中存在的问题以及未来的研究重点进行了探讨,以期为今后更好地开展城市地表热环境定量化研究提供参考。     

基于分形网络演化算法和混合光谱分解的兰州市中心城区热岛的时空格局

利用1993年、2001年和2011年的Landsat TM/ETM+热红外遥感影像反演兰州市中心城区地表真实温度,采用面向对象的分形网络演化算法对地温图进行分割,获取热场基元,通过G*指数的空间聚集分析提取热岛范围,在景观级别上选取景观指数,从数量、形状和结构3个方面表征城市热岛空间格局变化,借助混合像元分解技术提取不透水面和植被盖度,探讨城市不透水面和绿地格局与城市热岛的相关性.结果表明:近20年来,兰州中心城区热岛效应大大增强,热岛比例指数提高了1.4倍,城市扩展和热岛增强具有时空一致性;热岛景观斑块数量和密度增加,形状指数和分离度增大,景观趋于破碎化,空间连接性降低;热岛景观等级以低温度等级斑块类型向高温度等级斑块类型转换为主;地表温度与植被盖度呈较显著线性负相关,与不透水面比例呈显著对数正相关.     

典型河谷型城市春季温湿场特征及其生态环境效应

快速的城市化对城市气候要素产生了重要的影响,城市温度场、湿度场的分布格局和结构特征强烈的影响着城市生态系统的物流、能流,产生了一系列生态环境效应.应用城市气候流动观测、定点观测、GIS空间分析和遥感反演等方法,模拟分析了典型河谷型城市——兰州市的春季温湿场特征和演变规律,结果表明:一日中14:30和20:30温度场的分布格局较为类似,高值区主要位于火车站、第二热电厂、五里铺十字、盘旋路围成的高惯高耗区域;8:30温度场的热中心位于西关十字至胜利宾馆开发程度较高的商贸区附近;一日中8:30和20:30的湿度场分布格局较为相似,湿度场强度较大的区域主要位于城区北部的徐家山森林公园、雁滩村、高滩村等开发程度较弱的绿地区和低惯低耗区,高湿度区分布与高植被覆盖率区域基本一致.利用景观生态学理论,热场空间分布结合NDVI分布,进行了热力景观空间格局分析和热力景观类型的划分,城区不同热力景观格局的形成与能耗、人口、建筑、下垫面类型之间存在显著的因果关系,NDVI＞0.5的区域对应湿度场强度高值区、热场强度低值区.利用城、郊气象站观测数据,分析了近50年城区热岛效应和干岛效应强度的变化规律,近50年城区热岛强度和干岛强度呈现逐渐增强的趋势,热岛强度的线性趋势达到0.31℃/10a,干岛强度的线性趋势达到-2.1％/10a,20世纪70年代之后急剧增强.城市热岛强度和干岛强度作为人类活动对城市生态系统影响的一种量度,与各时段城市化发展水平、城市建设规模、城市下垫面性质的改变等因素是密切联系的.     

珠江三角洲城市群热环境空间格局动态

以广州为中心的珠江三角洲城市群发展十分迅速，区域内热岛强度与规模日益加剧，受研究方法和技术的限制，热岛空间格局及其动态研究不深入。因此，研究城市特别是城市群热环境空间格局的日变化特征具有重要的现实意义和理论意义。采用遥感反演和中尺度模式MM5模拟的结果研究城市热力景观及其日变化规律，其中MM5模拟采用四重嵌套网格，最高分辨率为1km，遥感数据采用ETM＋的热红外波段。结果表明该区域热岛具有多中心的特征，两种方法得到的热岛空间分布特征一致，其精度均较高，但遥感反演结果更为细致。两者的空间格局与自相关性较接近，数值模拟结果的空间自相关程度呈近似余弦曲线变化；热力景观格局指数白天波动明显、夜间波动较小，且斑块数和景观形状指数白天大于夜晚，并在5：00出现小波峰；景观水平上的景观指数11：00～14：00出现最大值，夜间较小，其中景观分离度和面积一周长分维数在5：00出现小波峰，21：00出现拐点；下垫面性质、地表热量交换、局地环流等对热力景观格局影响较大。以数值模拟为基础，借助3S技术能较好研究城市热力景观空间格局的日变化特征。     

北京市城市化进程中热环境响应

城市热岛效应是快速城市化过程带来最明显的生态环境问题之一,理清其形成和演变规律对城市规划、人居环境改善等具有重要意义。利用1991—2011年间8期夏季(6—8月)Landsat-5 TM遥感影像反演的地表温度空间场作为基础数据,通过定义热岛强度与热岛容量指数,并利用重心模型与Moran's I全局自相关等空间分析方法,对受城市化影响的典型区域——北京六环区域内热岛效应的时空动态变化特征及演变规律进行分析。结果表明:20年间六环内热岛强度总体上呈现增长趋势,其平均值在5.73—9.27℃之间,统计意义上,北京市六环内热岛强度的增长速率为1.35℃/10 a;空间格局上,南北维度的变化较东西维度明显,但总体上呈现破碎化态势,全局Moran's I指数从1991年的0.63下降到2011年的0.16;空间重心模型显示研究区内热环境变化的圈层特征明显,受功能疏解等因素的影响,城市中心二环区域的热环境呈现一定程度的好转。     

深圳城市扩展模式的时空演变格局及驱动力分析

城市扩展是城市化过程最显著的特征之一, 研究不同城市扩展模式的景观格局演变规律对理解城市化过程, 揭示城市格局演变规律和形态发展特征具有重要意义。以快速城市化典型地区--深圳市为研究区域, 通过对1980-2010年6期Landsat遥感影像进行解译, 将城市扩展模式识别与景观格局指数分析方法相结合, 对城市景观格局进行分析, 对比不同区域不同扩展模式的城市扩展格局, 并探究城市增长的社会经济驱动因素。结果表明: 过去30年间城市用地类型转变为深圳景观主导类型, 其空间格局破碎化程度增加, 2005年后斑块破碎化程度下降; 两种城市增长模式中, 边缘扩展是城市增长的主要方式; 深圳城市扩展格局动态是以国家政策为导向的经济发展、人类活动和城市规划等多重因素共同驱动作用的结果。     

城市三维景观格局特征与社会环境因子的交互影响：基于增强回归树

城市的垂向扩展加深了城市构成与格局的复杂性,传统的二维景观格局研究较难完整体现当前城市景观的生态结构与功能特性。本研究以上海市中心城区为研究区域,选取三维景观格局指数量化研究区域三维景观格局,并运用增强回归树机器学习算法综合分析社会、环境因子与城市景观格局的交互影响。结果表明:高建筑率、平均建筑高度和建筑高度标准偏差在上海市内环周边区域的数值较高,建筑数量、景观形状指数在外环周边的数值较高,建筑覆盖率、容积率和Shannon多样性指数在城市中心的数值较高,且浦西总体高于浦东。人口密度和归一化植被指数(NDVI)对三维景观格局的交互影响最显著,生产总值的影响程度最低。三维景观格局指数在一定范围内随社会因子中的人口密度增大而增大,随环境因子中的NDVI和水面率增大而减小。增强回归树可作为量化景观格局与社会环境因子之间交互影响关系的有效工具。研究结果有利于加深对上海市中心城区生态环境与人类福祉之间关系的理解,同时可为城市三维扩展规划提供科学依据。     

2003—2011年夏季北京城市热景观变化特征

自北京城市总体规划(2004—2020年)以来,城市化快速发展,强烈的人类活动改变了城市的热环境。基于2003年、2007年和2011年夏季同时期的TM遥感卫星影像,采用遥感反演地温的方法,运用RS、GIS以及景观分析工具,对北京城市六环内的热场和热岛变化特征进行了分析。分析结果表明,2003—2011年北京城市六环内的热场分布特征发生了很大变化,2003年城市各环线内的植被覆盖度最低,但是夏季城市的地表辐射亮温分布差异相对较小,热岛特征也并不十分明显,随着城市建设规模扩大和用能的增加,到2011年,尽管城市植被覆盖度提高很快,但城市和城郊的温差达到最大,城市热岛在不断增强,热场向城市中心集聚趋势明显。通过城市热岛等级类型的景观指数分析表明,2011年的高等级的热岛斑块分布范围和强度都明显提高,而且城市五环内高等级的热岛范围基本连成一片。由于城市人类活动的加剧各热岛等级斑块的形状更加复杂。在景观水平上的分析显示,2007年的热景观斑块类型多,在六环内的分布均匀,破碎化程度高,至2011年,景观斑块的蔓延度逐渐下降,低等级的热岛斑块优势度逐渐降低。研究结论可以为城市管理决策部门制定有效的热岛效应缓解措施提供理论依据。     

曼谷城市扩张生态环境效应

利用1990、2000、2010和2015年4期Landsat数据和2000—2015年的MODIS NDVI数据,开展了泰国曼谷地区近25年来城市扩张分析,包括城市建设用地扩张时空变化和扩张模式分析、扩张的生态环境效应分析以及扩张驱动力分析。结果表明:(1)自1990年以来,曼谷城市建设用地面积持续增长,经历了先快后慢再快的增长过程。城市扩张主要沿东北方向,且在距离城市中心14—20km的范围内扩张最为明显,扩张模式以边缘式和填充式为主。(2)在城市化进程中,植被和热岛对城市扩张分别有不同的响应。植被绿度整体呈下降趋势,下降明显的地区位于距城市中心10—20km的范围内,即城市建设用地明显扩张的区域。热岛分布与城市建成区分布具有空间一致性,自1990s以来,热岛效应整体增强,但局部变异越来越不明显。(3)曼谷城市扩张受到自然地理条件、社会经济、城市布局等多重因素的影响。     

京沪穗三地近十年夜间热力景观格局演变对比研究

城市热环境是城市生态环境的重要方面,它与城市气候、城市生态、城市灾害有着重要的联系.以北京、上海、广州三地为研究区,选取近10年MODIS的夜晚地表温度(LST)产品MOD11A2,分别采用质心迁移、景观格局指数、空间自相关方法研究京沪穗三地近10年的不同等级热力景观质心迁移演变、格局变迁和空间集聚特征.主要结论为:三地热力景观随郊区向市中心趋近,体现了由低温区、次中温区向中温区、次高温区、高温区过渡的趋势;三地的中温区所占比例最大,城市热力景观破碎度三地中上海市最高,5种热力景观比较,次中温区和高温区的破碎度最高;城市热力景观离散度三地中北京市最高,低温区和高温区的离散度较高.热环境空间自相关分析表明三地均以高温-高温区,低温-低温区集聚为主,北京、广州高温-高温区分布于南部,且集中成片分布,而上海市高温-高温区分布比较离散,相对较为复杂.从分布面积来说,10a中北京、上海表现为先减少后增加,而广州则持续减少.总体而言北京热环境恶化,而广州、上海热环境有所好转.     

基于MSPA模型的新型城市热景观连通性分析

基于土地利用景观格局对城市热岛效应的影响研究较多,但准确识别对城市热岛效应具有重要影响的关键斑块和节点方面的研究亟待开展。以新型中小城市株洲云龙示范区为例,以城市热岛网络构建为切入点,应用形态学空间格局分析(Morphological Spatial Pattern Analysis, MSPA)与景观连通性模型识别城市发展进程中核心热景观斑块和关键节点,并分析其时空演变特征。研究结果表明：(1)2007—2018年云龙示范区热岛斑块趋于集中,热岛面积较研究初期有明显增加,从地表温度空间分布上体现为城区与周边农村的温度对比更加鲜明,表明城市化进程中建设用地呈聚集扩散趋势。(2)研究期间热岛核心区占热景观面积比最大,且比例有明显上升趋势。而边缘、支线、孤岛、桥接、环线以及孔隙形态类型面积占比均呈现出不同程度的下降趋势,表明热岛斑块之间聚集程度不断提高。(3)识别出景观连通度重要性值较高的前20热景观斑块,其中前3斑块的重要性值和面积占比较大,属于极重要与重要两个热岛核心斑块重要性等级,值得重点关注与优化。(4)对重要性值高的热岛核心区域可优先采取降温措施,可以打断节点之间连接减缓整个区域...     

喀斯特山地城市内山体绿地对城市热岛的减温效应——以安顺市西秀区为例

山体绿地是喀斯特山地城市内典型的城市绿地景观类型,其对于改善城市生态环境、提升喀斯特山地城市生态服务功能具有重要作用。以黔中典型喀斯特山地城市安顺市为研究对象,运用2011年和2016年两期热红外遥感影像和城市景观结构空间数据,在反演分析城市热岛效应及其强度时空分布特征的基础上,运用冷热点分析剖析了山体绿地与城市热岛效应冷点分布区的关系,揭示山体绿地对城市热岛的减温效应。结果表明:基于Landsat热红外遥感数据反演地表温度结果显示,2011—2016年,安顺市西秀区平均反演地表温度升高约4℃;主城区一带热岛效应呈现加剧趋势,但总体热岛面积呈下降趋势,绿岛区多分布于水体和山体绿地中,且山体绿地对热岛效应减缓作用逐年增大;热/冷聚集面积呈现上升趋势,约40%~50%的冷聚集区由山体绿地贡献,热聚集区主要由建筑用地和其他用地构成;500 m格网尺度下,山体绿地面积与地表温度呈显著负相关,表现为山体绿地面积占格网比例每增加10%,地表温度将降低0.17~0.27℃。研究结果可为喀斯特山地城市山体绿地管理、城市绿地空间规划和城市热环境缓解提供科学依据。     

长沙市热力景观空间格局演变分析

城市热环境是城市生态环境效应研究的热点之一,其演变规律的研究为缓解城市热岛带来的负效应、促进城市可持续发展提供依据。以2004年和2010年Landsat7 ETM+遥感影像数据和土地利用现状数据为数据源,在地表亮度温度反演的基础上,运用景观指数并结合GIS空间分析技术,采用移动窗口和梯度分析结合的方法,分析2004—2010年长沙市中心城区热环境的空间格局动态变化,通过分区统计法分析了不同热力景观等级下不同城市景观的空间格局变化,从景观尺度上阐明城市景观类型组成和空间格局与地表温度空间分异之间的关系。研究结果表明:2010年热岛区域扩大且更加分散,面积比2004年增加15.01km2,新增区域主要分布在金霞、岳麓和星沙的新兴工业园区;中心城区热力景观格局在景观水平上具有明显的空间分异特征,在从中心位置到偏北、偏东和偏南方向上,热力景观从市区向周边郊区呈现破碎化、多样性递增、形状复杂化,而从中心位置到偏西方向上与之相反;景观类型组成和空间布局对地表热环境产生不同影响,耕地、林地在热力景观内的优势度越大、分布越集中,地表降温效果越显著;反之,建设用地斑块越大、凝聚程度越高、形状越规整,地表温度越高,热岛效应显著。     

城市水体对热岛的缓冲性能沿河岸距离的变化规律

城市水体包括城区内的自然水体和人工水体两大类。作为城市生态系统的重要组成部分,水体在缓解城市热岛效应(Urban Heat Island, UHI)上具有重要作用。研究城市热岛效应的现状,探讨水体对城市热岛的缓冲效应,为改善城市热岛效应和生态环境,并对城市进行合理的改造和规划提供理论依据。以长沙市中心城区为研究区域,以南北向贯穿长沙市的湘江河道作为主要研究对象,基于长沙市2016年7月Landsat 8 TIRS遥感影像采用大气校正法反演地表温度(Land Surface Temperature, LST),利用监督分类法获取其同步的城市化进程和土地利用类型,分析市区内地表温度及热岛效应的空间分布特征。同时,通过在湘江两侧建立多个尺度的缓冲区,并将其与地表温度分布及土地利用类型叠置,分析湘江为主的水体对长沙市热环境及各缓冲区的缓冲效应,结果表明:(1)长沙市城市建设格局与热岛效应空间分布基本相似,建筑用地热岛效应更高,极端地表温度达到53.8℃;水体、绿地和裸地的热岛效应相对较低,最低地表温度为16.0℃;(2)湘江对长沙市热岛效应具有缓冲作用,对长沙市热岛效应的平均缓冲距离为400 m;(3)湘江对热岛效应的缓冲能力与水体周边土地利用类型有关,对河东区的缓冲作用小于河西区,对沿江休闲区的缓冲效应大于沿江住宅区。综上所述,长沙市热岛效应强度与用地类型相关,建筑用地热岛效应严重;水体对热岛的缓冲效应显著,但不同缓冲区内缓冲距离存在差异,因此对城市生态格局进行小规模改造可增强水体缓冲作用,缓解城市热岛效应。     

北京平原造林后景观格局与热场环境的耦合分析

在人类积极的土地利用调控下(植树造林),研究景观格局变化对城乡热场环境的影响,可为今后的城市造林工程建设与优化提供参考,并为未来景观格局与热场环境的相关研究提供新视角.本研究以北京平原区百万亩造林项目为背景,运用遥感技术和地理信息系统,利用矩阵转移及耦合分析,评估平原造林对城市热场环境的实际作用,探究因城市造林工程引起的景观格局变化与城市地表温度变化的相关关系.结果表明: 北京平原造林工程后,森林和公园的面积比例分别增加了7.6%和0.5%;平原区有19.2%区域热场强度降低,其中,城郊有23.3%区域的热场强度减弱,但仍有23.5%的城市区域存在热场增强的情况;在城乡尺度上,森林和公园面积比例、森林和湿地的平均斑块面积(MPS)与地表亮温(LST)变化呈显著负相关;在城市市区,森林的面积加权平均形状指数(AWMSI)与LST变化呈显著正相关;在城郊区域,森林的MPS和AWMST与LST变化均呈显著负相关,而公园则相反.北京实施平原造林工程后,增加的城市森林和公园对城市热场的缓解有一定作用,但范围有限,主要集中在城郊区的造林点周围,且森林与湿地越集中,越有利于热场的缓解;受研究粒度、时相、地形、人类活动等因素影响,土地利用结构调控引起的景观格局变化与地表温度变化之间存在非线性相关.     

The urban heat island and its impact on heat waves and human health in Shanghai

With global warming forecast to continue into the foreseeable future, heat waves are very likely to increase in both frequency and intensity. In urban regions, these future heat waves will be exacerbated by the urban heat island effect, and will have the potential to negatively influence the health and welfare of urban residents. In order to investigate the health effects of the urban heat island (UHI) in Shanghai, China, 30 years of meteorological records (1975–2004) were examined for 11 first- and second-order weather stations in and around Shanghai. Additionally, automatic weather observation data recorded in recent years as well as daily all-cause summer mortality counts in 11 urban, suburban, and exurban regions (1998–2004) in Shanghai have been used. The results show that different sites (city center or surroundings) have experienced different degrees of warming as a result of increasing urbanization. In turn, this has resulted in a more extensive urban heat island effect, causing additional hot days and heat waves in urban regions compared to rural locales. An examination of summer mortality rates in and around Shanghai yields heightened heat-related mortality in urban regions, and we conclude that the UHI is directly responsible, acting to worsen the adverse health effects from exposure to extreme thermal conditions.