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.     

The influence of urban spatial pattern on land surface temperature for different functional zones

Landscape and Ecological Engineering - Urban functional zone (UFZ) comprises the basic unit of urban planning, with various production activities. Understanding the landscape heterogeneity in UFZs...     

粒度变化对城市热岛空间格局分析的影响

尺度是景观格局和生态过程研究中的关键问题。综合目前城市热岛效应研究来看,景观格局指数的引入极大推进了热岛格局的定量研究,然而其尺度效应仍未得到重视。由于热岛空间格局与形成过程的复杂性和人类认识的局限性,对其尺度问题有待深入讨论。基于Landsat TM影像反演地表温度,采用均值-标准差分类方法划分热力等级,对珠三角城市热岛格局特征的粒度效应进行了研究。结果显示:随粒度增加,弱势热力斑块类型下降,向相邻斑块转移;景观指数在类型水平和景观水平均受空间粒度影响明显,"临界粒度"现象明显;总体而言,粒度150 m是城市热岛格局特征的临界粒度,对热岛格局进行景观指数计算的适宜粒度范围为30—150 m;不同景观指数粒度效应曲线有所差异,其中斑块密度和平均分维数在两个水平指数上都有较强的规律性;根据各景观指数变化特征,研究区尺度域主要在(30 m,150 m),表明在该尺度范围内构建的热岛效应预测模型可经简单推绎后使用。分析热岛格局随空间粒度变化特征对了解热岛格局的形成机制及进行尺度推绎具有重要意义。     

城市化进程中城市热岛景观格局演变的时空特征——以厦门市为例

热岛效应作为城市化过程中产生的特有环境问题,对其形成和演变规律的研究有助于人们提出有效的应对措施。以厦门市为研究对象,利用1987—2007年等时间间隔、同时相的5景Landsat TM/ETM+遥感影像数据进行地表温度反演,在此基础上使用景观格局指数分析厦门城市热岛景观格局随城市化进程演变的趋势。结果表明:随着厦门城市化进程加深,整个热岛景观在逐渐变得更加破碎化,高等级热岛景观斑块个数、类型面积和个体面积都增大;新的高等级热岛景观斑块都出现在原有高等级斑块附近,致使高等级类型的邻近度增加而各类型之间相互接触的程度也增加;景观总体的聚合度逐渐下降,而高等级热岛景观类型的聚合度则呈上升趋势;景观水平的蔓延度总体呈下降趋势,优势度高的低等级热岛景观所占的比重下降,优势度逐渐降低;多样性指数、均匀度指数总体呈上升趋势,各热岛景观面积在各类型间的分配逐渐趋于均匀;热岛景观斑块的转化方面,在20 a间低等级斑块类型(1、2、3级)向高等级斑块类型(4、5、6级)转化的面积总体上呈增加趋势,而高等级斑块类型向低等级斑块类型转化的面积总体上呈减小趋势,且等级升高的面积明显大于同期等级降低的面积;就高等级热岛景观斑块而言,他们与3级热岛景观斑块间的相互转化最容易发生,远比高等级斑块内部各类型之间的相互转化来得容易,尤其6类和5类的转化是最为困难的热岛景观变化之一;从空间上看,各高等级热岛景观斑块都经历了数量增加、面积扩大、等级升高三个方面的变化,形成了海沧、新阳、杏林、厦门岛西北港口区和机场5个高温组团。利用景观指数分析城市热环境,可探明热岛景观随城市化演变的趋势,并为有效的热岛效应减缓措施提供直接的理论依据。     

传统景观格局指数在城市热岛效应评价中的适用性

以北京部分城区为研究对象,以QuickBird影像制作景观类型图,基于同年4个季节的Landsat ETM+数据反演地表温度;将120 m×120 m作为固定窗口,计算其中的景观格局指数,探寻传统景观格局指数解释地表温度的适用性.结果表明：在景观水平计算的24个景观格局指数中,只有景观组成百分比(PLAND)、斑块密度（PD）、最大斑块指数(LPI)、欧氏距离变异系数（ENN_CV）和分离度(DIVISION)与3月、5月、11月的地表温度具有稳定的显著相关.在类型水平计算的24个景观格局指数中,PLAND、LPI、DIVISION、相似邻接百分比、分散与并列指数与4个时相(3月、5月、7月和12月)的温度显著相关,且与7月温度的相关性最强;斑块密度、边界密度、聚簇度、凝聚度、有效MESH大小、分裂度、聚合度、归一化景观形状指数依据不同景观类型而与地表温度呈现相关性.传统景观格局指数可能并不适合评估河流对地表温度的影响.一些景观格局指数可以用来表征城市地表温度,辅助分析城市地表热岛效应,但需要对其进行筛选和甄别.     

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。     

基于遥感影像的城市土地利用生态环境效应研究——以城市热环境和植被指数为例

城市化过程中,农村的土壤、水面以及植被等土地覆被类型逐渐减少,取而代之的是由沥青、水泥以及金属等组成的不透水表面,这个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,其中最明显的两个特征就是土地覆被的植被减少、城市热岛的出现.而城市土地利用类型及其空间结构的生态环境效应同时又是城市生态学中的关键问题,其研究对优化城市功能分区和城市规划管理以及城市可持续发展等都具有重要意义.以上海市为例,采用Landsat7的ETM＋为基本数据源,首先定量反演了每个像元内的陆地表面温度（LST）和植被指数（NDVI）,然后利用GIS中的空间分析功能,将由于城市土地覆被所形成的生态环境效应综合到土地利用的图斑中来,按照这个思路对城市土地利用的生态环境效应进行研究.分析LST、NDVI在不同土地利用类型之间的差异以及二者之间的定量关系,并引入多样性指数（SHDI）,讨论了不同土地利用的空间组合下,LST和NDVI的空间差异及相互关系.研究结果显示：LST和NDVI具有明显的相关性,LST大的区域对应NDVI一般都较小,反之亦然;中心城市LST表现出热岛效应,而NDVI则为低谷效应.通过Tamhance T2 post-hoc多重比较发现,LST以及NDVI在两两土地利用类型之间的差异不同.从土地利用斑块和类型两种尺度水平上建立了LST和NDVI的定量关系,二者具有明显负相关的线性关系,但在不同土地利用类型上二者关系并不同.其中工业仓储、交通用地与公园绿地、农业用地差异最为显著.它们和SHDI之间的关系揭示,LST与土地利用多样性具有正相关关系,而NDVI则与SHDI呈负相关关系,SHDI越大的地区,LST越大,而NDVI越小.由此,可以将LST、NDVI和SHDI作为三个基本指标,来定量评价城市土地利用类型、结构对生态环境的影响,以此作为城市功能分区中生态环境影响评价的参考.也为高性价比的中等分辨率遥感数据与GIS空间分析方法结合在城市规划中的应用提供了一种新的思路.     

Comparison of the urban heat island intensity quantified by using air temperature and Landsat land surface temperature in Hangzhou,China

This study compared different measures of urban heat island (UHI) intensity, which were calculated using both air temperature (T_air) at a height of 1.5 m and Landsat land surface temperature (LST) in Hangzhou, China. Two UHI-driven indicators (range and magnitude) and two land-cover-driven indicators (urban-rural and urban-agriculture) were calculated to quantify the UHI intensity based on hourly T_air from five stations and fifteen Landsat 5 LST images. Pearson correlation testing and a moving average times series of the previous 30 days were used to investigate the relationship between UHI intensities calculated by different indicators and data. The results indicate that the land-cover-driven indicators explain UHI better than the UHI-driven indicators, while the calculated values of UHI intensity using Landsat LST and hourly T_air are not comparable. We also investigated the influence of weather conditions on UHI intensity. Generally, Landsat-LST-based UHI performs best on hot sunny days, while T_air-based UHI has a better chance during the nighttime following a dry sunny day. This study suggests that the value of UHI intensity can be influenced by the selected indicators, the data used, the acquisition time and the weather conditions. Thus, these factors should be considered when comparing UHI intensity between different cities or quantifying their influences (e.g., population size, land use and land cover change) on UHI intensity.     

基于源汇指数的沈阳热岛效应

基于2001和2010年Landsat 遥感影像,利用GIS技术识别沈阳城市热岛源区和汇区,利用地表温度(LST)、源区和汇区面积比率指数（CI）和热岛强度指数（LI）,评价分析了沈阳土地利用发展布局模式对热岛效应的影响.结果表明: 2001-2010年,沈阳三环内土地利用类型变化较大,导致热岛源、汇区面积变化明显,且主要发生在二环和三环.2001年,一环内热岛源、汇区面积比例分别为94.3%和5.7%,三环内分别为64.0%和36.0%;2010年,其比例在一环内分别为93.4%和6.6%,三环内分别为70.2%和29.8%,说明10年来“摊饼式”土地利用布局决定了沈阳热岛效应的“摊饼式”布局.研究期间,沈阳地表温度从一环至三环均呈递减趋势,热岛效应强度在2001年以单一中心为主,至2010年发展为多中心态势,热岛效应强度等级有所降低.从一环至三环,CI绝对值均呈增加趋势,LI值均小于1,说明期间研究区土地利用布局变化对改善区域热岛效应没有明显作用.     

城市热岛效应与景观格局的关联:从城市规模、景观组分到空间构型

景观格局的改变被视为城市热岛形成的直接原因,但景观格局指标与热岛效应的关联机理仍未厘清。城市规模、景观组分、空间构型作为景观格局的重要表征指标,对热岛效应的影响体现了从整体到局部、从数量到空间的递进关系。其中,城市规模与热岛效应的关联存在地带性规律;景观组分与热岛效应的相关性受昼夜、季节控制;显著驱动热岛效应的关键空间构型指标仍有待遴选。景观格局与热岛效应的非线性关联可能存在拐点,拐点前后对应不一致的因子驱动强度。科学界定城市规模、景观组分、空间构型等景观格局要素显著影响热岛效应的阈值区间,有助于明晰缓解城市热岛效应的关键景观生态途径。