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多源遥感数据支持的中等城市热环境研究

李海峰  
【摘要】:城市化是区域气候和生态环境发生改变的根源和背景,它导致了诸如大气污染、生态失衡、城市热环境异常等一系列环境与生态问题。其中以城市热环境问题尤为突出,它将成为今后城市可持续发展和人居环境质量改善的严重阻碍。针对上述问题,本文以西部中等城市—四川省绵阳市为典型案例,在GIS技术的支持下,以多源遥感影像为主要数据源,揭示绵阳年际、季节和昼夜不同时间尺度上城市热环境的时空演变规律,定量分析不同城市景观的热环境效应。论文的主要研究内容和取得的主要研究成果如下: (1)完成地表温度反演模型的评述与选择,为热环境的分析奠定数据基础。 地表温度是表征城市热环境状况的有效指标,其反演精度的好坏将直接决定后续分析成果的可靠性。对比分析AVHRR和TM/ETM+遥感数据地表温度反演的主流模型,分别选择劈窗算法和基于影像的算法完成AVHRR和TM/ETM+数据的地表温度反演工作。 (2)联合Landsat TM/ETM+与NOAA/AVHRR遥感数据,揭示绵阳城市热环境年际、季节及昼夜演化特征。 ①以TM/ETM+遥感影像为数据源,借鉴景观生态学理论,运用均值标准差法将热力景观划分为5类。然后选择景观格局指数对各景观斑块的年际变化(1988~2011年)和季节变化进行统计分析。景观破碎度等4个指数均反映出在1988~2001年间,热力景观破坏程度最大,在2001~2011年间热力景观破坏程度有所缓和;另外,春、秋和冬三个季节中热力景观破坏程度由大到小的顺序依次为秋季、冬季和春季。 ②运用重心理论构建重心转移距离和转移角度模型,研究城市重心及热力重心的演变特征。结果表明:在年际变化中二者表现出极强的相关性,23年间城市重心的转移方向依次为:北偏西方向→南偏西方向→南偏东方向;高温斑块重心的转移方向依次为:北偏西方向→正西方向→南偏东方向,次高温斑块重心的转移方向依次为:北偏西方向→南偏西方向→南偏西方向。由此说明,城市扩展是城市热环境空间变化的主要驱动力。热力重心在春、秋、冬三个季节演变规律如下:高温斑块为北偏东方向→南偏东方向,次高温斑块为正西方向→南偏西方向。 ③运用城乡平均温度对比法和热岛面积指数法计算出四个年度(1988年、2001年、2007年和2011年)5月份城市热岛强度值分别为3.65℃、1.77℃、1.07℃和0.55℃,表明23年间绵阳市5月份热岛效应呈现减弱的趋势;计算春、秋、冬三个季节热岛强度值分别为1.77℃、0.78℃和0.94℃,表明在所选时段内绵阳市春季热岛效应最强,冬季次之,秋季最弱。 ④沿W-E方向和N-S方向做剖面分析发现,地表温度与城市下垫面性质、人口密度和城市功能分区密切相关。水体和绿地均对应相对较低的温度值。 ⑤以AVHRR影像为数据源,借鉴景观生态学理论,运用密度分割法将绵阳热力景观划分为8类。分析城市热场和热岛强度的昼夜演变特征,结果表明:上午、正午和下午均存在多个强热中心,分别位于永兴镇、高新区、涪城老区或经济技术开发区;傍晚、夜间和凌晨仅有的一个强热中心出现在涪城老区,强热中心面积大小不一。由于水体的热惯量较大,白天涪江和安昌河升温较慢,对强热中心起分割作用;晚上两条河流降温较慢,促使热中心连接成为一个整体。热岛强度方面:夜间的热岛强度大于白天,并且一天内热岛强度值变化从大到小的顺序依次是凌晨、夜间、傍晚、下午和上午。 (3)河流廊道、城市绿地和城市公园三种典型城市景观的热环境效应研究。 分析了河流廊道景观、城市绿地景观和城市公园景观的热环境效应。总体而言,三者均存在明显的降温作用,但降温效果差异较大。其中河流对周围环境降温效果最明显。对地温和NDVI做剖面分析发现,除水体外二者呈显著负相关关系。对各景观类型斑块的平均温度统计结果为:林地的温度最低,道路的温度最高;城市绿地的降温效果与绿地斑块的面积、周长、形状指数成正比。通过对斑块面积和平均温差回归分析发现,绿地斑块面积为2hm2左右时降温效果最佳。在面积不变的前提下,形状越复杂降温效果越明显;城市公园景观的降温效果不但与公园斑块的面积有关,与公园景观类型组成亦存在较大相关性,乔木、灌木和人工草坪等级配合理的城市公园景观降温效果好。 (4)城市热环境演变的驱动机制与对策探讨。 将城市热环境演变的成因归结于下垫面性质改变、人为热能的排放和大气污染三个方面。因此,改善城市热环境提高居民生活质量,必须控制城市化速度,保护自然植被,倡导低碳生活,减少人为热能和有污染的气体的排放量。


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