基于光纤测温技术的城市地表温度精细化分析

城市景观空间构型与热岛效应关联性较强,研究高时空分辨率的城市不同下垫面地表温度变化,可以更加精细地掌握城市热环境的时空特征。光纤温度传感系统具有实时在线、测温精度高和不受电磁干扰等优点,具备实时、在线、连续开展城市地表温度在线监测的能力。在北京市通州某园区内,选择有太阳辐射的4个时段,对多种类型下垫面的地表温度进行了时间间隔为1 min、空间间隔为1 m的连续4 h、总长度为100 m的实时在线监测。通过对监测时间段内不同类型下垫面地表温度的变化分析,发现这种分布式光纤测温系统能够有效辨识小尺度下地表温度的时间变化性和空间变化性,能有效区分透水和不透水地面,并监测和评估沥青马路地表温度的升温速率以及遮荫效果对地表温度的降温作用。同时,这种监测模式获取的数据能够对地表温度空间序列开展自相关分析,进一步验证了地表温度空间序列在较小尺度上仍然具有自相关性,且距离越近,相关性越大。研究同时表明,光纤测温技术能直接地获取城市热环境的现场真实数据,可以有效应用于小尺度城市热环境的观测与研究。     

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...     

基于遥感信息的常州市热岛效应

以常州市区为研究区域,运用“单窗算法”对TM卫星第6波段进行解译,得到卫星过境时常州市区的地表温度(LST)分布图。结果表明：2006年9月18日卫星过境时常州市城区地表平均温度的热岛强度为3.81 K;常州热岛效应的空间分布特征为“一个片区结合多个组团”,与城市的发展格局基本一致,表明城市化引起的土地利用/土地覆盖变化是形成热岛效应的主要原因;城市工业用地的地表平均温度极显著高于城区,表明工业生产消耗大量能源而产生的人为热对常州市热岛效应的形成以及热岛强度的增强具有显著影响。     

建成区扩张下的西安市热环境空间分异性

深入研究建成区扩张下的城市热环境的空间分异性,对于更好地认识城市热岛效应,改善城市生态环境具有重大意义。以西安市建成区为例,基于2005、2010及2016年3期Landsat遥感影像,采用线性光谱混合分析法提取建成区范围,利用热红外遥感影像反演地表温度来研究城市热环境的时空演变;在此基础上,基于城市热岛足迹与多维直方图的信息容量分析方法探究建成区扩张下城市热岛效应的影响范围变化及其空间分异性特征。结果表明:2005—2016年西安市建成区扩张强度剧烈,不透水性表面显著增加;城市建设加剧了西安市城市热岛强度和级别,致使高温区域增多并向外蔓延,逐渐呈现片状分布格局;西安市城市热岛足迹的空间分异性显著,从2005年至2016年城市热岛效应的影响足迹范围逐渐变小;信息容量能够反映城市扩张对城市热环境空间分异性的影响,研究期间西安市建成区内城市热岛空间分异性随着热岛强度增加变得更加复杂。     

20世纪90年代上海市热环境变化及其社会经济驱动力

城市化过程导致地表水分蒸腾减少、径流加速、显热的存储和传输增加以及水质降低等一系列生态环境效应,其中最典型的特征就是城市热岛的出现。城市热环境动态主要驱动力可以概括为两大方面:地表覆被的变化与人类社会经济活动。论文采用Landsat的TM/ETM+为基本数据源,先定量反演了每个像元内的陆地表面温度,以此探讨了20世纪90年代上海市主城区热环境的动态演化和社会经济驱动力。研究结果揭示,20世纪90年代上海市主城区热岛范围显著扩大,但中心城区的热岛强度在下降,空间格局也趋于复杂;通过分析,城市热环境空间格局动态演变是不同尺度上、相互嵌套、相互影响的多种驱动力的综合作用结果。其中,城市建成区的快速扩展是热岛范围不断扩展的最显性驱动力;中心城区人口密度显著下降是热岛中心强度降低的一个综合性驱动因子,而以重化工业为代表的能耗布局改变则是中心城区热岛强度降低的一个主要驱动力;通过增加绿化面积布局等人为措施改变热辐射和存储模式,对缓解城市热环境来说是最有意义的因素。由于多种驱动力相互嵌套、交互作用,因此建立城市热环境演变驱动机制的定量模型还十分困难,但是研究结果对于制定城市热环境改善政策和编制合理的城市规划等都具有一定的借鉴意义。     

城市三维空间形态的热环境效应研究进展

城市的三维空间形态,通过影响地表能量平衡过程和空气流动,改变城市内部热环境,并可能加剧城市热岛效应。在三维空间上定量解析格局-过程-效应关系对于城市生态安全和可持续发展具有重要意义,可为城市生态规划与景观设计提供重要科学依据。从城市三维形态的热环境效应研究角度,综述了城市三维形态的定量化研究进展;总结了城市三维形态对热环境以及空气流动、太阳辐射等过程的影响;分析了当前城市三维形态的热环境效应研究领域存在的不足。未来的研究应注重建筑与植被三维特征的综合表征,三维形态指标的选择应综合考虑其对设计规划的指导作用,并加强城市三维形态对热环境影响机理及其尺度效应的研究。     

城市地表硬化对植物生理生态的影响研究进展

城市地表硬化是城市发展和扩张的主要表征之一,也是影响城市生态环境及植物生理生态的重要原因。在分析城市地表硬化引起植物生态因子变化的基础上,重点综述了地表硬化对植物气体交换、水分平衡、养分循环等生理生态过程的影响,归纳了不同地表硬化性质、气候季节变化、植物类型以及群落结构等因素对地表硬化景观植物生理生态影响的差异。探讨了目前该领域研究中存在的问题,并提出今后研究建议,以期为优化城市生态用地结构,提高城市植物的生态系统服务,改善城市和人居环境提供一定的科学依据。     

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.     

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。     

城市典型水域景观的热环境效应

城市热岛效应是当前快速城市化进程中最具代表性的生态环境问题之一.热岛效应进一步影响着城市气候变化与城市可持续发展.现存大量研究证明了土地覆被改变导致的热辐射变化及人为热释放共同作用产生了城市热岛.然而,当前对缓解城市热岛效应要素的研究并不多见.以上海市中心城区为例,首先基于SPOT5影像的分类,提取了城市水域景观,再利用Landsat7的ETM+的热红外波段,定量反演了城市地表热环境温度,然后利用GIS的空间分析功能,探讨了城市水域景观对热环境的影响.研究揭示水域景观在城市热环境中表现出明显的低温效应,而面状水域景观的热环境效应要强于线状河流景观.面状水域景观对热环境影响随着与热岛中心距离的增加而明显降低,此外还受到周围土地覆被的影响.线状河流景观的宽度与流经区域共同决定了其对城市热环境的影响能力.因此,在城市规划设计中,从缓解城市热岛效应出发,水域生态功能区的形态与空间设置可作为考虑因素之一.     

城市热环境定量评价技术研究进展及发展趋势

自“城市热岛”概念提出以来,城市热环境定量评价一直是城市气候与环境研究领域的重要内容.随着空间信息技术与计算机模拟技术的不断发展,城市热环境定量评价的技术手段和方法也取得了长足进步.从最初单一利用气象站历史数据对城市宏观尺度热环境进行数理统计分析,逐步发展到综合利用地面气象观测、热红外遥感、数值模式模拟等多种技术对不同尺度热环境进行动态模拟与预测.本文系统回顾了地面气象观测、热红外遥感、数值模式模拟3类城市热环境定量评价技术的发展历程,并总结了各类技术的优缺点、适用性及发展趋势,以期为今后的城市热环境评价与优化研究提供参考.     

基于城市地表参数变化的城市热岛效应分析

以不透水面、植被、水体为代表的地表参数的变化决定了城市的热环境质量.针对福州从一个非"火炉"城市一跃成为中国新三大"火炉"之首,对福州市1976-2006年间的地表参数变化及其对城市热环境的影响进行研究.通过Landsat卫星影像反演了福州市1976、1986、1996、2006年的不透水面、植被、水体、地面温度等主要地表参数,并对其进行空间叠加分析和相关关系的定量分析.研究发现:不透水面对地面温度的影响可接近或超过植被和水体之和,查明了福州城市主要地表参数在这30a里发生的变化及其对城市热环境的影响.总的看来,城市地表不透水面斑块的增加和集聚、植被和水体面积的减少和破碎,以及通风不畅,是造成福州成为"火炉"城市的主要因素.     

城市热岛的生态环境效应

城市热岛效应(Urbanheatislandeffect,简称UHI)是一种由于城市建筑及人类活动导致热量在城区空间范围内聚集的现象,是城市气候最显著的特征之一。热岛引起地表温度的提高,必将强烈地影响着城市生态系统的物流、能流,改变城市生态系统结构和功能,产生一系列生态环境效应,影响着城市气候、城市水文、城市土壤理化性质、城市大气环境、城市生物习性、城市物质循环、城市能量代谢以及城市居民健康等。提高能量利用效率、优化城市格局、建设绿色屋顶、采用高反射率地表材料以及增加城市绿地均可有效地控制城市热岛效应。利用遥感手段和数值模型技术,开展多尺度的城市热岛生态环境效应研究,为改善城市生态环境、实现城市可持续发展提供理论依据。     

基于生态系统服务的城市生态基础设施:现状、问题与展望

城市生态基础设施是城市可持续发展的重要基础,也是建设生态城市的重要保证。生态系统服务是城市生态基础设施建设的核心与关键。在快速城市化的背景下,保障生态基础设施的结构完整性和功能完善性尤为重要。在阐述生态系统服务的基础上,对生态基础设施的概念与类型进行了概述;从城市湿地生态基础设施、绿地生态基础设施以及城市地表硬化的生态工程改造3个方面对城市生态基础设施研究现状进行综述;对生态基础设施结构与功能评估方法进行了总结,对基于生态系统服务的城市生态基础设施研究进行了综合评述,首次提出了城市表面生态学的概念与研究展望,为城市生态系统服务的强化与调控提供了方法论指导。城市生态基础设施与表面生态学的整合研究将对城市水文效应(内涝)、灰霾效应(PM2.5)、热岛效应、水体污染与富营养化等备受关注的重大问题提供新的解决思路与科学方法。     

城市绿地的生态环境效应研究进展

工业化的快速发展和城市化进程的加剧,使得城市生态环境的破坏和污染愈来愈严重,加速了城市的“生态环境危机”.城市绿地能够通过植被的光合作用、吸收作用、隔离阻挡作用、蒸腾以及蒸散作用改善城市的生态环境.目前研究主要集中在降温、增湿、固碳释氧、降噪、抗污染、生物多样性保护等6个方面.关于城区绿地对6种生态环境要素的改善程度、影响范围、机理问题以及不同植被种类生态环境效应的差异情况等,国内外学者都进行了大量详细的研究.基于传统实地观测数据进行城市绿地的生态环境效应研究是目前主要使用的研究方法,部分学者开始使用遥感技术手段研究城区绿地的降温增湿效应.在总结和分析前人研究成果的基础上,从研究内容的不同着手,主要总结并系统评估了目前关于城市绿地6种生态环境效应的研究,为今后相关研究提供参考.     

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。     

城市景观格局演变的生态环境效应研究进展

快速城市化过程剧烈影响着下垫面变化,直接带来了交通拥挤、资源短缺、环境污染、生态恶化等诸多问题,所有这些问题的出现均与景观格局演变密切相关,研究城市景观格局演变及其生态环境效应正在成为全社会关注的热点.系统总结了城市化过程对景观格局演变的影响,分析了城市景观格局演变的热环境效应、水环境效应、生态服务效应,以及城市生态用地与生态安全格局设计等方面的研究进展.指出了目前城市景观演变与生态环境效应研究中存在的问题与不足:(1)现有研究侧重于景观格局演变的量化分析和景观格局指数的计算,较少关注景观格局演变对生态环境及其区域生态安全的影响;(2)城市景观格局演变与热岛效应研究多局限于两者数理统计关系的分析,对于城市热环境形成的机理缺乏深入研究;(3)城市景观格局演变与大气环境效应方面更多研究关注绿地及其空间布局在吸收和降解大气污染物、固体颗粒物方面的作用,对城市景观格局演变的大气环境综合效应以及大气灰霾效应影响机理重视不够;(4)如何通过合理设置生态用地,有效提高城市生态服务功能和保障城市生态安全,目前仍缺乏深入而又系统的研究.下一步的研究中,需要综合多尺度的景观信息来揭示城市景观的演变机理和环境效应,构建基于城市空间扩展和生态服务效应评价的城市生态空间优化决策模型,探讨城市生态空间优化模式与安全格局.     

南京城市街区湿球温度时空变化特征及其影响因子

全球气候变化和局地城市热岛加剧了城市热胁迫问题,但针对城市街区的研究仍不多见。湿球温度指示气温和湿度的综合效应,能更准确地反映人体热舒适度。本研究以南京市江北新区为对象,在不同时段、季节和天空状况下,基于移动观测方法获取气温、相对湿度和地理信息等数据,分析了街区尺度湿球温度的时空分布特征;结合天空状况、地表覆盖和城市形态指标(天穹可见度),探究了城市街区湿球温度的影响机制。结果表明: 1)南京城市街区湿球温度的时空特征与气温较为一致;与水汽压相比,气温对湿球温度的变化起主导作用;该地区湿球温度的极端高值主要是由于气温和水汽压协同增长所致。2)天穹可见度在白天与湿球温度呈显著正相关,夜间为负相关关系。植被覆盖比率的增加能够降低湿球温度,不透水面则呈现相反的作用。阴天条件下,湿球温度明显降低并且空间分布更均匀。3)植被和不透水面对湿球温度的水平尺度效应存在昼夜和季节差异,并且在夜间这一效应对天空状况更敏感;与植被相比,冬季夜间不透水面的影响范围比夏、秋季更大;两者对湿球温度的水平尺度效应与气温一致。研究结果可为改善和优化城市街区热环境、缓解城市热胁迫提供有效的科学支持和理论依据。