城市用地擴展的熱島效應遙感定量估算及其氣候特征研究.pdf

1、目前，世界上約54％的人口居住在城市地區(qū)，預計到2050年城市化率將增加到66％。城市化最直接的表現(xiàn)是土地利用/覆被的變化，下墊面的變化改變了城市地表接收的太陽福射量和熱量交換效率，導致城市與郊區(qū)氣溫差增加，從而形成城市熱島效應。上海作為中國的經(jīng)濟中心，改革開放以來，城市擴展速度加快，人口密度升高，研究上海市城市擴展對熱島效應的影響，揭示城市熱島效應時空格局演變規(guī)律，對改善城市生態(tài)環(huán)境和推動城市可持續(xù)發(fā)展有重要的理論意義和實用價值。

2、r>　　本文以上海市為研究區(qū)，采用1974-2015年Landsat、SPOT-5、HJ-lB CCD和2000-2013年MODIS等遙感數(shù)據(jù)以及11個國家級地面氣象觀測站和120個區(qū)域自動氣象站數(shù)據(jù)，運用衛(wèi)星遙感技術、地理信息技術、統(tǒng)計回歸模型方法和氣候?qū)W分析方法，以建設用地空間信息提取，分析城市建設用地時空格局演變，城市擴展對城市熱島效應的影響和城市熱島效應氣候?qū)W分析為主軸線，開展上海市城市建設用地擴展的熱島效應定量遙感估算及其氣

3、候特征研究。主要研究結果如下:
　　(1)利用2005年Landsat ETM+衛(wèi)星數(shù)據(jù)，利用線性光譜混合分解得到高反照率、低反照率、植被和藍色屋頂四個端元的豐度圖;在此基礎上，利用迭代自組織數(shù)據(jù)分析方法提取高反照率豐度圖中的高亮土壤及低反照率豐度圖中的陰影和水體，最終獲得不透水面豐度圖。以2005年高空間分辨率的Google Earth、SPOT5影像和2003年土地利用現(xiàn)狀圖對2005年不透水面豐度圖進行精度驗證，RMSE值為

4、0.121，隨后結合閾值的設定提取2005年建設用地;根據(jù)以上的方法利用173景1974-2015年Landsat MSS/TM/ETM+/OLI和HJ-lB CCD等衛(wèi)星數(shù)據(jù)，獲取1974-2015年歷年上海市建設用地空間分布圖。通過采用圈層同心圓緩沖分析法和扇形分區(qū)法結合城市擴展強度指標分析上海市建設用地時空格局變化特征，發(fā)現(xiàn)區(qū)域建設用地擴展強度受距離市中心的距離影響，不同時期、不同方向建設用地擴展強度存在顯著差異。1978-201

5、5年上海市城市建設用地面積呈現(xiàn)逐漸上升趨勢，特別是2000年城市化進程加速增長。
　　(2)利用上海市徐家匯等11個氣象站點的1961-2013年逐月平均氣溫、最低氣溫和最高氣溫數(shù)據(jù)，以徐家匯站為城市站點，其他站點為郊區(qū)站點計算1961-2013年上海城市熱島強度。結果表明:1961-2013年基于不同郊區(qū)站的上海市城市熱島強度總體上呈先增加后減少趨勢。1961-1990年基于徐家匯與周邊站點的年平均氣溫、最低氣溫和最高氣溫熱島強

6、度分別增加了0.34、0.48和0.25℃。1991-2003年基于不同郊區(qū)站的年平均氣溫、最低氣溫和最高氣溫熱島強度分別增加了0.41、0.78和0.34℃。在2004年左右基于大部分郊區(qū)站的年平均氣溫、最低氣溫和最高氣溫熱島強度達到最大值，而后熱島強度開始下降。結合遙感影像提取的城市建設用地空間分布圖，發(fā)現(xiàn)這是由于作為參考站的郊區(qū)站點受到城市化的影響，建設用地比例增加，導致這些站點的氣溫上升，進而使得徐家匯站點與郊區(qū)氣象站點的溫差下

7、降。
　　(3)上海中心城區(qū)氣象站徐家匯與郊區(qū)氣象站之間的城市熱島強度在2004年前后的轉(zhuǎn)折是什么原因引起的？值得進一步探討。因此，本研究選取受城市化影響比較小的海島氣象站嵊泗站作為參照站，以便客觀反映城市化過程城市熱島強度變化。上海市11個氣象站點與嵊泗氣象站的年平均氣溫、最低氣溫和最高氣溫熱島強度總體上呈上升趨勢，其中最低氣溫熱島強度的增加速率顯著大于平均氣溫和最高氣溫熱島強度增加速率，也就是說上海市各個氣象站的城市熱島強度還

8、處于上升過程中。
　　(4)為了分析城市熱島強度與城市建設用地的定量關系，以城市熱島強度為因變量，徐家匯站不同半徑緩沖區(qū)內(nèi)城市建設用地比例為自變量，建立城市用地擴展的熱島效應遙感估算模型。基于不同參考站的最低、最高氣溫和平均氣溫熱島效應的線性回歸模型決定系數(shù)范圍分別為0.31-0.86、0.39-0.81和0.50-0.87,均通過0.05顯著檢驗。為量化郊區(qū)城市化對熱島強度的影響，以參考站閔行為例，利用熱島強度拐點之后的數(shù)據(jù)，建

9、立城市熱島強度與閔行站5km半徑緩沖區(qū)內(nèi)建設用地比例的定量模型，發(fā)現(xiàn)兩者呈現(xiàn)負相關關系，即城市熱島強度隨閔行為中心的緩沖區(qū)內(nèi)建設用地比例增加而降低。這“逆變化過程”并非是徐家匯為中心的建設用地增加導致的，而是隨著郊區(qū)城市化的推進，郊區(qū)氣象站點周圍建設用地增加而溫度上升，增溫效果超過徐家匯站引起。這意味著在城市化對氣溫的影響研究和城市熱島效應研究時，合理選取“參考站”或郊區(qū)站點的，才能精確地估算城市用地擴展對熱島強度的影響。
　　(

10、5)針對目前利用遙感數(shù)據(jù)進行城市熱島強度分析主要集中在短時間尺度研究問題，本文從氣候?qū)W視角，利用2000-2013年Terra/Aqua-MODIS數(shù)據(jù)，揭示上海市城市熱島強度的氣候?qū)W特征。首先以MODIS反演的陸地表面溫度(LST)、增強型植被指數(shù)(EVI)、歸一化差異水體指數(shù)(NDWI)、太陽天頂角(SZA)、距海岸距離(DTC)為自變量，采用逐步多元線性回歸方法，建立研究區(qū)氣溫遙感估算模型，模型驗證精度在2.6°以內(nèi);在此基礎上，

11、利用估算模型，構建長時間系列、覆蓋研究區(qū)的1km分辨率的氣溫數(shù)據(jù)集;以氣候?qū)W的角度從不同的時間尺度來分析2000-2013年上海市城市熱島時空特征及其演變規(guī)律，結果表明2000-2013年Terra和Aqua星過境時間的白天城市熱島強度分別為1.0和2.2℃，晚上不同衛(wèi)星過境時間的熱島強度為1.0℃。上海城市熱島效應的晝夜、季節(jié)特征差異較為明顯，白天城市熱島效應大于夜間城市熱島效應。白天城市熱島效應夏季最強，冬季最弱，相反晚上城市熱島效