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《陕西师范大学》 2011年
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城市热岛效应演变与成因遥感研究

冯晓刚  
【摘要】:持续快速的城市化对城市局地气候、生态环境和生态安全产生了持久而深远的影响,随着地表覆被类型的急剧变化、地表物化性质的改变使得地表与大气间的水分与能量物质交换过程发生变化,进而影响到城市“热”环境系统。并由城市“热”引发的一系列环境、生态安全等问题已经成为制约城市可持续发展的瓶颈。为此,2005年国务院发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》中明确要求,为提升城市功能与空间节约利用,要把城市“热岛”效应的形成机制与入工调控技术作为重点研究内容。其强调了城市热环境研究对构建新型现代化都市的重要性,并将此作为构建城市可持续发展的必经之路。 本文以西安都市圈为例,以1988~2009年21年间的陆地卫星(Landsat) TM/ETM+数据为主要信息源,以气象站点资料和土地利用图件为辅助,以遥感定量反演和GIS空间分析为技术支撑,对不同年份的西安都市圈地表温度和不同时相的西安市地表温度状况进行分析与评价;并引入景观生态学理论,利用景观格局指数对西安都市圈典型城镇(西安市、咸阳市和兴平市)热环境格局动态变化进行分析与评价;同时,采用分形理论,探讨了西安市地表温度的时空分形特征与尺度效应特征;基于研究区下垫面类型的变化与地表温度间的定量关系,以西安市主要公园为例探讨了公园下垫面类型对周边地区温度的定量影响,在此基础上,运用元胞自动机理论和马尔可夫模型,构建了可用于城市热环境模拟的UHI-CA-Markov模拟与预测模型;在定性分析城市热岛效应影响因素的基础上,基于多元目标的主成分分析的方法,定量探讨了各影响因子对城市热岛效应的贡献率大小,并从调整城市规划思路、控制工业热源、调控民用热源等三个方面构建了应对西安都市圈典型城镇热岛效应的调控体系和措施。 研究过程中,主要得出以下重要结论: (1)西安都市圈典型城镇均存在不同程度的热岛效应 ①基于等距的热岛类型划分体系适用于大中城镇构建热环境指标与评价体系;而基于中误差的划分体系更适合于构建市、县、镇、乡四级热环境指标及评价体系;②西安市、咸阳市和兴平市热环境结构中常温区均占主导地位。西安市和咸阳市不同热岛类型面积大小依次为:常温区绿岛区热岛区强热岛区强绿岛区;而兴平市不同热岛类型面积大小依次为:常温区热岛区绿岛区强热岛区强绿岛区;③西安市不同年份不同时间城郊地表温度差异较大。 (2)西安都市圈典型城镇热景观格局时空差异较大 ①类型景观水平指数显示,1988~2006年18年间常温区始终是西安市、咸阳市和兴平市域内的优势斑块;②蔓延度指数表明:西安市、咸阳市和兴平市整个景观要素先趋于密集化,破碎度增加,呈现无序化趋势;之后,破碎度降低,斑块分布趋于稳定;③多样性指数和均匀度指数的变化趋势表明:西安市、咸阳市和兴平市土地利用方式随着时间推移均趋于稳定,破碎度降低,热景观格局亦趋于稳定;④不同粒度下,地表温度剖面线表现为相似的结构特征,但当尺度达到150m的时候,会发生跳跃现象。 (3)西安市地表温度与下垫面覆盖(利用)类型的定量关系表达 ①夏季西安市不同地表覆盖(利用)类型中,其平均地表温度由高到低的次序为:裸露地建设用地耕地草地林地水体;冬季西安市不同地表覆盖(利用)类型的平均地表温度由高到低依次为:林地耕地裸露地建设用地草地水体;②夏季西安市地表温度(LST)与归一化植被指数(NDVI)呈现显著的负相关关系;LST与归一化裸露指数(NDBI)呈现正相关关系;LST与水体指数(NDWI)呈现典型的负相关关系,表明夏季水体具有很好的降温作用;③不同形态参数(面积、长宽比、形状指数等)的公园对其周边区域的热环境影响不同。公园面积是其平均温度高低的决定性因素;公园平均降温范围与公园长宽比和形状指数呈现较强的正相关关系,降温幅度与水域面积、长宽比和形状指数呈较低程度的正相关;水体面积比例较高(≥30%)的兴庆公园、大唐鞭蓉园,其平均降温影响范围Lmax以及△Tmax整体略高于其它公园。因此,城市公园建设中建议水体面积占公园面积30%以上为佳。 (4)西安市热环境模拟结果显示未来城市热趋于好转 ①基于UHI-CA-Markov模型的空间模拟结果显示,预计到2012年西安市热环境相比2006年表现为:强热岛区和热岛区均呈现小幅减少的趋势,常温区、绿岛区呈现略微增加的趋势,强绿岛区呈现稳定的趋势;②到2018年,西安市热环境类型与2012年相比,预计强热岛区呈现小幅增加的趋势,热岛区呈现持平的趋势,常温区出现较大幅度的增加,绿岛区和强绿岛区均呈现不同程度的减少;③2006~2018年12年间模拟结果表明:未来西安市热环境状况整体趋于良好,常温区占绝对优势,但局部地区热环境有进一步恶化的趋势。因此,建议城市规划建设中居民热环境规划作为一项重要内容予以考虑。 (5)西安都市圈热岛成因与对策分析 ①从有利于增加城市热岛(Urban Heat Island, UHI)的因素被加强、有利于缓解UHI的因素被减弱、临时性和持久性影响因素共4个方面构建了“热岛”影响因素体系,并将4个方面内容进一步细分为11个一级类型,20个二级类型;②PCA分析结果表明:主成分1集中反映了城市发展水平及规模对城市热环境的影响;主成分2集中反映了气象因素对城市热环境的影响;主成分3集中反映了天气状况对城市热环境的影响;主成分4集中反映了城市人口及人口密度对城市热环境的贡献;③构建了应对西安都市圈城镇热岛效应的宏观调控体系,体系由3个一级指标和15个二级指标构成;④针对城市规划提出了城市热环境调控的总体规划,包括城市规模规划、人口和人口密度规划、城市绿化和水域的总体规划;针对工业热源提出了控制高热企的比例、有效降低企业能耗和控制三废排放的绝对量;针对民用热源提出了倡导低碳生活理念和营造低碳生态环保氛围的对策和建议。 本文在以下几个方面有所创新: ①将景观生态学理论引入城市热环境研究中,利用景观格局、过程机制探讨城市热环境演变,结果表明这种方法能够很好的阐释城市热环境时空格局动态演变特征;②定量剖析了不同遥感指数(NDVI、NDBI和NDWI)与城市地表温度间的定量关系。并引入分形理论,能够较好的闸释LST与不同土地利用类型间的相关系;③将元胞自动机理论与马尔可夫模型相结合,提出了用于城市热环境模拟与预测的UHI-CA-Markov模型,并取得了较好的模拟与预测结果;④针对城市热环境,在定性分析影响因素的基础上,应用基于多元目标分析的PCA方法,计算了不同影响因子对城市热环境的贡献率大小,并提出了城市热岛效应的评价指标和应对与缓解城市热岛效应的宏观调控建议。
【学位授予单位】:陕西师范大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:X16

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