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.     

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。     

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。     

气溶胶光学厚度和不透水地表覆盖度对城市热岛强度的影响——以关中地区为例

城市热岛效应（UHI）是人们最为关注的城市生态环境热点问题之一,城市热岛及其影响因子的研究对生态城市建设具有重要意义。利用城市热岛足迹（UHI FP）、局部G^*指数、Pearson相关系数以及气溶胶定量归因分析法研究了气溶胶光学厚度（AOD）和不透水地表覆盖度（ISP）对城市热岛的影响。研究结果表明：在2000-2018年间,关中地区西安及咸阳（西咸）城区的白天/夜晚城市热岛足迹均有显著增加,城市热岛效应逐年增强。西咸白天/夜晚城市热岛足迹范围比宝鸡市大,城市热岛现象更为明显。西咸城区夜晚热岛足迹范围内被地表温度（LST）高值所占据,夜晚城市热岛效应比白天更明显。宝鸡市虽然热岛足迹范围增减幅度不大,但足迹内白天/夜晚LST次热区面积逐渐增大,城市热岛效应日趋增强。西咸、宝鸡市城区的夜晚城市热岛强度（ΔT）与不透水地表覆盖度呈显著正相关关系,与城乡气溶胶光学厚度之差（ΔAOD）呈明显负相关性。西咸城乡ΔAOD为负,对城市热岛强度的平均贡献度为（0.41±0.14）℃;宝鸡市城乡ΔAOD为正,其平均贡献度为（-0.26±0.25）℃。综上所述,城市不透水地表面积的扩张会使城市热岛效应进一步加剧,西咸与宝鸡市城区气溶胶浓度的增加会抑制城市热岛的形成,但综合其他因子的影响作用,西咸与宝鸡市城市热岛强度仍在逐年增加。     

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。     

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.     

基于多源遥感数据的城市热环境响应与归因分析——以深圳市为例

城市热环境是城市局部气候与环境的综合表现,它与土地利用格局密切相关,但是相应的机制研究还不充分。以深圳市为例,首先基于2018年LANDSAT 8遥感影像,采用支持向量机方法和线性光谱混合模型提取土地利用与覆盖度信息,分析了城市土地覆盖对地表温度以及热量收支状况的影响。基于2003-2018的MODIS地表温度数据,进一步研究了深圳市城市热岛现象的时空变化,从地表能量的角度分析城市热岛变化背后的形成机制。结果表明,深圳市地表温度从西北到东南逐渐降低,城市不透水面温度显著高于植被覆盖区域,城市热岛效应明显。不透水面和城市植被共同影响深圳市的地表温度与热量收支状况,不透水地表与感热具有较好的相关性,城市植被与潜热具有较好的相关性。长时间序列分析表明深圳的城市热岛现象在夏季较高而冬季较低,月均热岛强度为2.14℃;对于年际变化,深圳在2003-2018表现出显著的下降趋势。归因分析显示感热通量的影响在深圳起主导作用,这一模式在全年和季节上都较为明显。结果表明深圳市经过高速扩张阶段,目前发展方向是提高建成区的利用效率,该现象强调了热传输在加强城市热岛效应过程中对近地面湍流的干扰作用。本研究可以为缓解热岛效应与景观格局优化研究提供借鉴。     

城市热岛“源-汇”景观识别及降温效率

快速城市化背景下,不同景观降温效率的差异是深入理解景观格局对城市热岛效应影响机理的基础。现有城市热岛研究多以土地利用或土地覆被替代热岛效应的源与汇,往往忽略景观的热特征与相邻景观的热关系,造成信息偏差。需要从景观热特征的视角,探讨面向城市热岛效应的景观分类方法,并分析不同特征景观的降温效率差异。基于"源-汇"景观理论,以深圳市西部为研究区,构建面向城市热岛的景观分类方法,通过2010年TM遥感影像提取NDVI、NDMI及ISA等地表特征及地表温度特性,叠加划分16类城市景观,分析不同地表特征的景观等距离梯度下的温度变化关系,识别城市热岛的"源-汇"景观。在此基础上,分析"源-汇"景观的结构特征,构建以面积和温度为影响因素的景观降温效率指数,结合景观格局指数,分析不同面积与形状的"汇"景观降温效率。结果表明,在16类景观中,5类景观被识别为城市热岛汇景观,面积约533 km~2,占研究区总面积的45.5%。降温效率结果表明,"汇"景观的降温效率为1.54,其中绿色空间及阴影景观的降温效率贡献率较高。通过面积与形状的景观格局分析发现,降温效果随两个指数的增加,均呈先升后降的趋势。研究结果为城市规划与城市绿色基础设施建设决策中降温景观的形状和面积设定提供依据,增加景观水平的缓解热岛效应的效率。     

基于空间统计特征的城市热环境时空演化

利用遥感反演和GIS空间分析等工具,提出了一种基于空间统计特征的城市热岛范围界定方法,并应用该方法分析了1984-2010年杭州市城市热环境的时空演化规律.结果表明:1984-2010年间,杭州市的城市热岛面积增加了8.66倍;杭州城市热岛的空间形态日趋复杂,空间分布由单中心的聚集状态逐渐向多中心的扩散状态发展;杭州城市热环境呈现出由区域低温均衡向区域高温均衡发展的态势.城市热岛的动态变化检测表明,城市扩张是杭州城市热岛发育的主要原因.本文所提方法考虑了城市地表温度的空间相关关系,反映了城市地表温度的全局统计特征,提供的信息更多,也更为客观和准确.通过该方法的推广,有助于解决当前城市热岛研究中研究样本之间缺乏通用性和可比性的问题.     

快速城市化区域城市热岛及其环境效应研究

以广州为中心的珠江三角洲区域城市化十分迅速,城市热岛对城市生态环境影响极大。城市热岛及其环境效应的研究有利于城市合理规划和可持续发展。利用中尺度模式MM5模拟广州地区的城市热岛效应,模式采用四重嵌套网格,最高水平分辨率为1km。研究通过数值模拟结果与自动气象站观测的气温和ETM+热红外波段反演的地温的对比,表明该方案能准确模拟地表的温度状况和城市热岛的环境效应。研究还表明城市干岛与热岛相伴而生,02时和11时广州热岛强度较小,相对湿度较高,20时热岛强度达到最大,城区相对湿度则最低;因城市热岛的存在,改变了原盛行风向,减弱了风速,且湿地、绿地、河流廊道等景观分割了城市热岛和干岛,增加了其破碎度,调节了城市气候。     

Effect of urban function and landscape structure on the urban heat island phenomenon in Beijing,China

Rapid urbanization has aggravated the urban thermal risk and highlighted the urban heat island (UHI) effect. To improve understanding on the effect of urbanization on the UHI effect, it is essential to determine the relationship between the UHI effect and the complexities of urban function and landscape structure. For this purpose, 5116 urban function zones (UFZs), representing the basic function units of urban planning, were identified in Beijing. Land cover and land surface temperature (LST) values were extracted based on remote sensing data. UFZ, land cover, and LST were used to represent the urban function, landscape, and UHI characteristics, respectively. Then, the effects of urban function and landscape structure on the UHI effect were examined. The results indicated that the urban thermal environment exhibited obvious spatiotemporal heterogeneity due to the variation of urban function and landscape complexity: (1) UFZs showed significantly different LST characteristics for different functions and seasons, and the mean LST gap among different types of UFZ can reach 1.72–3.85 °C. (2) During warm seasons, the UHI region is mainly composed of residential, industrial, and commercial zones, while recreational zones contribute as an important UHI source region during cold seasons. (3) Urban developed land and forest are the most important landscape factors contributing to the UFZ effect in the urban thermal environment. These findings have useful implications for urban landscape zoning to mitigate the UHI effect.

     

基于城市控制性详细规划的热岛效应评价

随着城市规划法律地位的提升,控制性详细规划在指导土地出让、规范城市建设空间结构方面发挥着越来越重要的作用.在控规单元尺度上理解各项控制指标的热岛效应,在控规地块尺度上进一步揭示控制指标组合的“热环境绩效”,对于定量评价控规的热环境效应、提出缓减热岛的控制措施具有重要意义.本文利用遥感Landsat8 TIRS热红外遥感数据反演的地表温度来表征热岛效应,结合统计分析与GIS空间分析技术,定量评价城市控制性详细规划主要技术经济指标及其配置结构的热岛效应.结果表明: 绿地率、地块面积、建筑密度、建筑高度在控规单元尺度上对地表温度具有显著影响.通过构建三维模型发现,控规地块对热环境影响最小的组合为绿地率30%,容积率2.5～3.5.研究结果为城市控制性详细规划的优化提供了新的视角.     

基于城市大数据的热场格局形成机制及主导因素的多尺度研究

城市景观的组成与结构及人类活动强度是城市热场格局形成的重要影响因素,但不同要素在城市热场形成机制中的相对重要性尚不清楚.本研究以江苏省宜兴市为例,综合运用遥感解译、外业测绘和编程技术获取城市地表温度、生态基础设施(植被、水体盖度)、建筑容积和百度用户兴趣点(POI)数据,运用Pearson相关分析、回归分析和相对权重分析的方法定量研究了500、1000和2000 m尺度上生态基础设施、建筑容积和POI密度与地表温度的关联关系及相对重要性.结果表明: 生态基础设施具有显著的降温效应,建筑容积和POI密度与地表温度呈显著正相关关系.在城市热场的影响因子中,生态基础设施的相对权重在各尺度均最高(24.3%～43.8%),其次为建筑容积(20.7%～22.6%)和POI密度(13.7%～21.7%).本研究有助于定量理解城市热场形成的多种驱动因子的相对贡献,并可为制定缓解热岛效应的措施提供重要参考.     

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.     

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。     

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.     

基于用户兴趣点数据与Landsat遥感影像的城市热场空间格局研究

地图用户兴趣点(POI)数据能够反映微观尺度上城市系统中的人类活动。利用2015年夏季Landsat 8遥感影像提取了南京市地表温度和主要土地覆盖类型,利用空间与非空间多元回归模型在2、5、10 km 3个尺度上研究了地表温度与同期POI密度及植被和水体盖度的相关性,并利用方差分解技术定量区分人类活动因子(POI密度)及生态基础设施(植被和水体盖度)对城市热场的相对重要性。结果表明,在3个观测尺度上,POI密度与地表温度均存在极显著的正相关(P0.001),且相关性随观测尺度的增大而升高。植被和水体均具有显著的降温效应,水体盖度与地表温度的相关性仅在2 km尺度上显著,在5 km和10km尺度上其降温效应不再显著。方差分解结果表明,人类活动因子和生态基础设施对地表温度的独立解释率为1.6%—15%,而二者共同解释率达到了40%—70%。研究表明POI作为城市功能节点可以综合反映城市中人类活动的热源强度,在城市热场空间格局研究中是一种可与遥感数据互补的有用数据源。     

植被覆盖度和归一化湿度指数对热力景观格局的影响——以广州为例

利用LANDSAT-5 TM影像提取地表温度、植被覆盖度和归一化湿度指数(NDMI)等信息,结合景观生态学方法探讨广州市不同区域城市植被和NDMI对地表温度的调节作用.结果表明:植被覆盖度、NDMI和地表温度两两之间有较强的线性相关性,但不同区域植被覆盖度、NDMI与地表温度的相关程度存在明显差异;提高相同植被覆盖度时,中心城区的降温效果最好,其次是处于中心城区北缘的近郊区;不同区域森林公园对周围热环境的影响程度不同,960～1080 m缓冲区内平均温度与公园内部平均温度之差分别为4.69℃(白云山)、1.27℃(马仔山)和0.41℃(流溪河);高植被覆盖度可增加热力景观多样性和不同景观之间的结合度,促进低温斑块内部与其他斑块如高温斑块间的能量交换,起到控制热岛效应的效果;增加环境湿度与提高植被覆盖度对热力景观格局所形成的作用相当.     

植被覆盖度和归一化湿度指数对热力景观格局的影响——以广州为例

利用LANDSAT-5 TM影像提取地表温度、植被覆盖度和归一化湿度指数（NDMI）等信息,结合景观生态学方法探讨广州市不同区域城市植被和NDMI对地表温度的调节作用.结果表明： 植被覆盖度、NDMI和地表温度两两之间有较强的线性相关性,但不同区域植被覆盖度、NDMI与地表温度的相关程度存在明显差异;提高相同植被覆盖度时,中心城区的降温效果最好,其次是处于中心城区北缘的近郊区;不同区域森林公园对周围热环境的影响程度不同,960~1080 m缓冲区内平均温度与公园内部平均温度之差分别为4.69 ℃（白云山）、1.27 ℃（马仔山）和0.41 ℃（流溪河）;高植被覆盖度可增加热力景观多样性和不同景观之间的结合度,促进低温斑块内部与其他斑块如高温斑块间的能量交换,起到控制热岛效应的效果;增加环境湿度与提高植被覆盖度对热力景观格局所形成的作用相当.