基于WRF模式评估土地利用/覆被变化的气候和水文效应

目前针对土地利用/覆被变化(LUCC)导致产汇流等水文过程(直接水文效应)变化的研究较多,而对于LUCC导致区域气候变化引起的径流变化(间接水文效应)研究却鲜有报道。采用天气预报模式(Weather Research and Forecasting Model,WRF模式)和弹性系数等方法研究了沂河流域1990—2010年LUCC产生的间接水文效应。结果表明:WRF模式对研究区气温具有较好的模拟能力,模拟值与实测值的相关系数较高(0.86—0.97,P0.001);虽然模式对降水的模拟精度低于气温,但模拟值与实测值之间的相关系数(0.41—0.91)均达到了P0.05显著性水平。近20年来,研究区LUCC主要是从旱地向建设用地(747.3km~2)和裸地(132.4km~2)转化的过程。LUCC引起2013年1月和10月气温增加了0.2℃,导致7月气温减小了0.2℃,而4月气温基本稳定。LUCC对1月、4月和10月降水变化的影响很弱,而对7月降水变化影响较大,表现在使其减少了23.7mm。弹性分析表明,1960—2013年,流域年均降水和气温变化1%,将引起年径流量分别变化2.4%和1.8%。1990—2010年,LUCC引起2013年沂河流域降水和气温变化使得径流量分别改变了18.4%和1.7%。     

我国三大城市群地区城市和农业用地地表热环境效应对比研究

以大中小城市协同发展为特征的城市群已成为我国城市化发展的主要形式，城市化和农业作为城市群地区最主要的土地利用活动，其气候效应是国际研究的热点。然而过去研究多关注大城市的热岛效应，对更为普遍的农业活动以及中小城市城市化的气候效应认识十分薄弱。基于MODIS地表温度数据，以自然林地为参照，提出了一种可逐像元估算土地利用地表热环境效应的新方法，进而对比分析了我国三大城市群地区（京津冀、长三角和珠三角）城市和农业用地地表热环境效应及其驱动因子差异。结果表明各城市群白天城市热岛效应明显，地级以上城市年平均热岛强度达3.2℃以上，但最强热岛均未发生在核心城市。夜晚热岛效应明显减弱，京津冀和长三角部分城市甚至出现冷岛效应。农业用地在白天亦表现出明显的增温效应，特别是在京津冀地区，而在夜晚除珠三角城市群外，降温效应明显，京津冀和长三角地区平均降温2.3℃和0.7℃。虽然城市用地平均增温强度大于农业用地，但农业用地因面积优势对区域温度变化起控制作用。白天城市和农业用地整体导致各城市群温度明显增加，京津冀增温最高（4.0℃），夜晚二者导致长三角和京津冀地区平均温度降低。研究还发现各城市群城市和农业用地地表热环境效应时空异质性极大，主要受植被、地表反照率、气候背景和人口密度控制。本文对制定缓解气候变化的土地利用策略具有重要的指导意义。     

北京城市扩展对热岛效应的影响

以北京市为例,基于多期土地利用变化(LUCC)数据集,城市和郊区气象观测数据及一期Landsat TM影像,对北京市的城市扩展与地表温度和近地表气温的对应关系及变化过程作了分析。利用混合像元分解技术实现北京市区下垫面的分类,并联立"单窗算法"反演的地表温度数据进行分析,在北京市范围内利用多期LUCC和气象站点观测数据,对北京城市扩展对气候的影响进行时间和空间上的综合评价。结果表明:北京市地表温度的高低主要与不透水层的比例有关,不透水层对地表增温的作用要大于植被层的降温作用;从时间上看,初步证实了城市热岛强度前期随着城市扩展而增加,但在一定条件下,其强度随城市扩展并非一味升高,反而会出现一定程度上的稳定甚至降低现象。     

福州主城区绿色空间演化的热环境效应差异

以福州主城区为研究对象,从时间和空间尺度两方面,基于Landsat遥感数据提取了土地利用类型,并在此基础上反演了地表温度,分析了城市化进程中城市绿色空间演化所引起的地表热环境效应特征。结果表明:1993—2013年,福州市的土地利用/覆盖发生显著变化,城市绿色空间(林/草地、水体和湿地)面积减少,建设用地面积大幅度增加;不同土地利用类型的地表温度具有显著差异,建设用地和裸地对研究区的地表增温有正贡献,绿色空间表现为负贡献;不同绿色空间类型的降温差异明显,表现为水体湿地林/草地;不同绿色空间的演化过程产生了多样化的温度效应格局,绿色空间损失区引起的温差最为显著,交换区和扩张区引起的温差略高于不变区域;通过温度植被指数的模型构建,定量评估了不同绿色空间类型的演化方向与演化效应的关系。研究结果可加深对不同绿色空间类型对城市热岛效应缓解作用的认识,为河流沿岸城市不同的绿色空间保育提供有益借鉴。     

农田灌溉对印度区域气候的影响模拟

为满足人类对粮食的需求,全球灌溉农田面积迅速扩张,农田灌溉对区域气候的影响引起广泛地关注。利用区域环境系统集成模式(RIEMS2.0)和最新的土地利用变化资料,选取农田灌溉面积最大的印度区域作为研究区域,进行雨养农田和灌溉农田的对比试验,探讨农田灌溉对区域气候的影响。结果表明:(1)农田灌溉使得印度区域年平均气温降低1.4℃,年平均降水率增加0.35mm/d。农田灌溉对印度区域气候的影响存在明显的季节波动,季风前期及6月份该区域气候对下垫面变化的响应最为敏感;7-9月各气候要素变化较小。(2) 农田灌溉使得印度区域地表净辐射增加,且地表净辐射在潜热通量和感热通量之间的分配发生了较大的改变,潜热通量增加,感热通量减少;对地表起冷却作用;同时由于土壤湿度增加,蒸散作用增强,大气中水汽含量增加,潜热不稳定能量增加,导致对流性降水增加。     

环胶州湾湿地规划对局地气象环境影响的个例分析

基于青岛市2008年发布的城市总体规划(2006～2020),利用城市尺度边界层大气数值模式模拟不同湿地类型和不同湿地面积建设方案下,青岛环胶州湾地区大气温度、风速的变化特征,并对环胶州湾湿地变化潜在的风险进行了分析.数值分析表明,城市水体湿地的设置有利于城市气温的减小,缓解城市热岛效应和提高地面风速;湿地面积减小,会造成局部地区气温升高,风速下降.影响气温、风速变化的区域主要集中在湿地面积增加和减少区域附近.与水体湿地比较,沼泽湿地对城市气象环境的调节作用较弱.这些认识对环胶州湾地区城市规划应重点考虑的因素给予了技术支撑.     

基于涡度相关技术的城市碳通量研究进展

城市化所带来的土地利用变化和化石燃料燃烧对全球碳循环和气候变化产生了深远影响.准确认识城市系统碳收支状况及其变化特征,是开展城市碳循环过程及其影响机制研究的前提.本文从涡度相关技术理论基础及城市大气边界层与碳循环特征出发,系统总结了利用涡度相关技术开展城市地表-大气间碳通量监测所面临的问题、后期数据处理和评价的主要方法,以及目前涡度相关技术在城市碳通量监测中的应用现状及主要研究进展.现有研究成果表明,城市系统总体表现为碳源,受城市交通流量、生活供暖及植被生长的影响,城市地表-大气间CO₂交换存在明显的日、周及季节变化特征.然而,由于城市下垫面的高度异质性及复杂碳源汇分布,涡度相关技术获取的城市碳通量特征及其解释还存在较大的不确定性.今后需加强复杂城市环境下涡度相关通量观测技术与评价方法研究,从系统整体性出发构建城市系统碳循环模拟模型,结合空间化技术手段,深入开展城市区域尺度碳循环影响机制及其变异特征的客观评价.     

贵州省地表温度的遥感反演评价及时空分异规律

地表温度(LST)是全球变化研究中的关键参数,对生态系统和生物地球化学等具有重要研究意义。然而,目前针对复杂地形区域的地表温度的研究仍非常欠缺,贵州省是典型的西南喀斯特高原地区,地形复杂,生态系统脆弱。本研究以贵州省为研究区,基于多年MODIS遥感数据,结合地面观测气象数据,使用相关分析、趋势分析、R/S分析和地理探测器等方法,进行地表温度的时空演变规律研究。结果表明:(1)MODIS LST与实测气温具有良好的线性相关性;(2)地表温度在空间上呈南高北低的空间分布格局;(3)在时间上,地表温度的年际波动较大,最大差值为2.06℃·a~(-1),年内主要呈现单峰型分布;(4)海拔800 m以上区域,地表温度随海拔升高而降低;海拔800 m以下区域,地表温度与海拔呈非线性关系;(5)不同土地利用类型的地表温度之间存在显著差异,且最大差值为1.3℃。综上所述,研究区地表温度空间分布与纬度分布相对一致,受到海拔和纬度双重控制,且与土地利用类型有关。     

基于热红外影像数据的典型居住区常见地表类型热特征分析

城市热岛伴随城市建设产生,并随城市扩展而增强,已成为影响城市居民生活质量的重要因素。估算城市表面显热释放量对城市热环境研究具有现实意义。选取北京市典型居住小区,通过热红外成像仪记录了6种常见下垫面夏季一天中温度变化情况,并反演其显热释放量。结果显示白天人工地表表面温度显著高于气温,人造草坪、沥青和混凝土路面与气温最大温差分别为18、15、11℃。自然地表由于蒸散发作用,其表面温度与气温接近,仅草地与气温温差稍大,最大温差为4℃。不同地表类型表面温度在夜间均低于气温,只有沥青路面全天高于气温。高表面温度形成强烈的显热释放,人造草坪和沥青路面一天内显热释放量最高,达2256 W/m~2和1913 W/m~2。太阳辐射是人工地表迅速升温的主要原因,限制人工地表受太阳直射时间将对于降低显热排放及提高热舒适程度将具有显著效果。乔木和水体显热通量最低,只有16 W/m~2和7 W/m~2,增加乔木和水体面积对于缓解热岛强度具有很大优势。     

基于增强回归树与区域增温敏感性指数的城市升温效应空间分异

热岛效应已成为城市化进程中备受关注的城市生态环境问题。有关城市热岛效应的研究对区域在地表升温过程中的空间分异关注尚不足。通过设计区域增温敏感性指数,借助增强回归树（boosted regression tree,BRT）机器学习算法,量化城市不同区域在地表升温过程中的敏感性差异。结果表明：（1）上海市各辖区增温敏感性从高至低依次是：黄浦区、杨浦区、虹口区、静安区、普陀区、徐汇区、长宁区、宝山区、闵行区、浦东新区、嘉定区、奉贤区、松江区、青浦区、金山区、崇明区;（2）区域增温敏感性在不同的温度梯度下具有明显差异,在高温梯度下区域间指数值的差异最大;（3）地表覆被的增温敏感性存在明显的区域分异特性;（4）基于BRT的增温敏感性指数具有较好的指示意义和较高的灵敏度。在城市热环境持续恶化背景下,探讨城市异质空间中地表温度变化的敏感性可为城市热环境调控提供科学依据。     

大连市城市生态系统发展趋势研究

在对大连市城市生态系统进行系统分析的基础上,用系统动力学和灰色系统等方法探讨了大连市城市生态系统在3种不同策略下的发展趋势,为大连市城市规划和发展提供了科学依据和对策.     

城市生态系统适宜度的时空对比分析

本文将生态位适宜度理论引入城市生态系统的研究,在前人研究的基础上改进了城市生态位适宜度的数学模型,考虑了权重的影响。选取GDP增长率、人均住房使用面积、每平方千米SO₂排放量、每万人拥有医生数、每万人拥有高等学校在校学生数等21项经济、社会、环境、生态、健康、教育因子构建城市生态适宜度的指标体系,并以我国35个省级和副省级城市为例,计算出各个从1996年到2000年5种生态位适宜度值,分析探讨其时空变化规律,得出以下结论;(1)城市生态位适宜度既有空间差异、时间差异,又有因侧重的生态因子不同而导致的差异。(2)在五种生态位适宜度中,32个城市的基础设施生态位最低,27个城市的环境生态位最高。经济和收入、生态环境、基础设施、健康和教育、平均生态位最高的城市均是深圳,环境生态位最低的是石家庄,基础设施生态位最低的是银川,经济和收入生态位、健康和教育生态位、平均生态位最低的都是贵阳。     

利用廊道网络构建城市绿地生态系统——以东营市西城区为例

阐述了城市绿色廊道系统在城市绿地系统中的应用及生态价值,并在分析东营市西城区绿地系统现状的基础上,提出了建设西城区绿地廊道系统的方法,以加强城市孤立绿地斑块之间以及城市绿地与城郊外围自然环境的联系,优化城市绿地系统的结构,提高城市生态系统的稳定性.通过合理构建绿色廊道网络系统,西城区将新增绿地面积1400hm²,人均绿地面积将达到66m²,城市与郊区的绿地生态系统将贯通为一体,绿地生态系统的服务范围将扩展到整个城区,为提高西城区居民的生活质量,增强西城区生态敏感区的生态稳定性提供有力支持.     

大连市城市生态系统发展趋势研究

在对大连市城市生态系统进行系统分析的基础上,用系统动力学和灰色系统等方法探讨了大连市城市生态系统在３种不同策略下的发展趋势,为大连市城市规划和发展提供了科学依据和对策．     

Evaluating wetlands within an urban context

Coastal regions are among the most rapidly urbanizing places on earth. The numerous effects of urbanization on hydrology, geomorphology, and ecology make wetlands in urban regions function differently from wetlands in non-urban lands. Furthermore, wetlands in urban regions may take on human-related values that they lack in non-urban areas, as they provide some contact with nature, and some opportunities for recreations that are otherwise rare in the urban landscape. Evaluations of the success of restorations in urban regions require criteria first to determine the kinds, and intensities of urban influence on the site, and secondly to assess functional performance. The development of success criteria, at both the levels of assessment, depends on the proper definition of a reference domain (the set of wetlands to which success criteria will apply), and the documentation of a set of reference sites within the domain; both must be based within the urban context appropriate for the region of interest. An example is presented from a study of urban wetlands in New Jersey of a procedure for establishing the reference domain, the reference set of wetlands, and criteria for the assessment of urban influence.     

夏季南京市中心-郊区-城市森林梯度上的近地层大气特征

运用定点观测法和车载传感器的流动观测法,研究了夏季沿南京市市中心-郊区-城市森林梯度的近地层大气温度(T_(N-S))、CO_2浓度(p_(N-S)(CO_2))、湿度和污染气体浓度的变化规律.结果表明,沿市中心-郊区-城市森林梯度,T_(N-S)、p_(N-S)(CO_2)、相对湿度(RH_(N-S))和污染物浓度(p_(N-S)(SO_2)和p_(N-S)(NO_2))均表现为规律性的变化,与观测点距市中心的距离间的关系可用logistic方程进行较好的拟合(R~2在0.71～0.90之间).与城市森林(S9)相比,市中心(S1)的T_(N-S)和p_(N-S)(CO_2)在一天中的任何时段均有不同程度的升高,其中,T_(N-S)升高幅度在5:00～6:00时段最小,而在17:00～18:00时段最大,分别为1.3℃和4.7℃,白天和夜间平均分别升高了3.7℃和2.1℃;而p_(N-S)(CO_2)升高幅度在1:00～2:00时段最小,在13:00～14:00时段最大,分别为7.0μmol/mol和66μmol/mol,白天和夜间平均分别升高了55μmol/mol和20μmol/mol.S1和S9点间,绝对湿度(AH_(N-S))的全天平均值无显著差异;而RH_(N-S)除了5:00～6:00时段两点均接近饱和外,一天中S9点均高于S1点,两点最大差值出现在13:00～14:00时段,S1和S9分别为37.4%和52.9%,全天平均升高了7.0%.与S9点相比,S1点的p_(N-S)(SO_2)和p_(N-S)(NO_2)在上午10:00～11:40间分别升高了0.88倍和2.1倍.表明,当前城市的一些环境因子如T_(N-S)和p_(N-S)(CO_2)相当于全球数十年或更久以后的水平.     

城市森林生态学的基本理论与研究方法

随着世界经济的发展和城市人口的增加,城市环境问题严重阻碍了城市可持续发展,形成了城市森林生态学这一新学科,森林生态学,景观生态学,园林学和人类生态学4种学科的相关理论相互融合构成了城市森林生态学的理论基础,城市森林生态学的形成使人们从生态系统的角度审视城市的发展,并把生物环境即人类及所有植物和动物的群体视为这个系统的一个要素,引出了“城市森林”的概念,本文较系统地介绍了城市森林生态学的基本概念,主要研究内容。理论基础及基本原理,研究方法及其发展展望。     

Automated GIS-based derivation of urban ecological indicators using hyperspectral remote sensing and height information

Urban ecological indicators allow the objective and quantitative characterisation of ecological conditions in a spatially continuous way by evaluating the influence of urban surface types with respect to ecological functions and ecosystem services. Although the concept had already been developed in the 1980s, the variety of existing indicators had not been widely applied yet in urban planning practice, because of the high manual mapping effort that is required for spatially differentiated urban surface mapping. This paper presents a new automated remote sensing and GIS-based system for the flexible and user-defined derivation of urban ecological indicators. The system is based on automated surface material mapping using airborne hyperspectral image data and height information. Because the material classes obtained from remote sensing analysis differ in part from the surface types needed for the calculation of urban ecological indicators, they have been transformed into so-called linking categories representing the basis for the automated GIS-based derivation of urban ecological indicators. For this purpose, a computer-based system for flexible indicator derivation has been developed, allowing the user-defined integration of indicators based on the variable determination of mapping units, linking categories and respective weighting factors. Based on a comprehensive review of existing ecological indicators, 14 indicators have been selected and implemented in the system. To demonstrate the potential of the new system, a variety of indicators has been derived for two test sites situated in the German cities of Dresden and Potsdam, using city blocks defined by the municipal authorities as spatial mapping units. The initial mapping of surface materials was automatically performed on the basis of airborne hyperspectral image data acquired by the HyMAP system. The results of subsequent GIS-based indicator calculation were validated using results from field-based reference mapping that had been carried out for selected city blocks situated in both cities. An accuracy assessment for these reference city blocks has revealed mean errors of approximately 4%, confirming the suitability of the developed automated GIS-based system for flexible and efficient indicator calculation.     

Vegetation cover change in growing urban agglomerations in Chile

Cities in Latin America expose high rates of urbanization and poorly controlled processes of creation of new urban peripheries. In this study we evaluated the changes in vegetation cover as a proxy of the success of urban planning in the creation or conservation of elements able to provide ecosystem services to citizens and therefore strengthening urban sustainability. Three urban agglomerations in Chile located in different climates were analysed. Four indicators were processed to understand the changes and correlations between vegetation and urban dynamics: normalized difference vegetation index (NDVI), vegetation cover, normalized difference built-up index (NDBI) and built-up area. The indicators were calculated for a period over 20 years covering two parts of the city as an urban development: the urban core and the new peripheries. An overall loss of vegetation was observed in all cities has a consequence of urban expansion despite their geographical location. Moreover, the greatest losses were in new peripheries. Santiago broke this pattern of change. First its urban core showed a small increase in indicators for vegetation cover despite the increase in indicators for urban dynamics. Secondly, despite their peripheries experiencing a decrease in vegetation cover, a more detailed analysis found differences on the northern and eastern peripheries where increases of vegetation cover were observed, and other new peripheries where vegetation loss was massive. Urban planning needs to play a role not only to facilitate the creation of green spaces or other public spaces able to host vegetation, but also to form an urban structure supported by regulations that facilitate the planting and maintenance of vegetation in private spaces.     

Relevance of using a vegetation-based method to conserve urban carabid diversity

Urban habitats harbour considerable biological diversity. Ecologists have developed methods to select which habitats should be conserved. The Ecological value, a method based on vegetation, has been created for the urban habitats of Montreal (Quebec, Canada). The main objective of our study was to determine if this method was relevant to assess carabid diversity of Mount Royal Park. This index is calculated using five criteria: uniqueness, representativeness, degree of succession, richness and rarity of the flora, each of which can influence communities of insects. Ground beetles (Coleoptera: Carabidae) were selected because of their success as biological indicators. Despite sampling difficulties, our results demonstrate clearly that the Ecological value method does not represent the high carabid richness of urban open habitats (tall grasses) and their specialised native carabid species. Within forests we found nonetheless that the ecological value index has a significant positive relationship with native carabid abundance. Moreover, maturity and structure of urban forests were positively correlated with carabid abundance and richness. Some urban vegetation characteristics have been shown to influence entomological diversity, but the relevance of using a global floral index to encompass the carabid community seems limited.