干旱区城市热岛效应定量研究

【摘要】： 城市热岛是城市人类活动对气温影响的突出表征,它对全球变暖的贡献已经引起广泛关注,对城市热岛效应的研究也已成为当今气候、生态、环境问题研究中的新热点。世界上大中城市都不同程度的存在热岛现象,干旱区也不例外。加速的城市化进程在推动干旱区社会经济发展的同时,伴随而来的城市热岛现象已逐渐显露。当前,热岛、干岛、混浊岛的“三岛”现象已严重制约着新疆首府乌鲁木齐的城市发展,影响城市居民的身心健康。选择位于干旱区腹地的大城市——乌鲁木齐,作为典型案例开展干旱区城市热岛效应的研究,对缓解热岛效应,合理规划管理绿洲城市,维持和促进绿洲稳定高效可持续发展具有重要的现实意义,同时也对进一步理解我国西部干旱区的区域热量分布差异、地表-大气系统相互作用及其能量交换状况有着重要的科学意义。 本研究以城市地理学、城市生态学、城市环境学、城市气候学的理论和方法为指导,借助于现代3S技术和数学方法,进行了干旱区城市热岛效应的系统、定量研究。结合研究区MODIS、TM/ETM+多源遥感影像和气象数据,分别以目前精度较高的分裂窗和单窗算法开展地表温度反演模型的研究,获得地表温度空间数据集,以此为主要数据源,从宏观和微观不同空间尺度分析了研究区典型城市温场的空间格局特征,比较城市热岛效应在昼夜、季节、年等不同时间尺度上的分布特征,并基于景观的温场分区进行了研究区热岛效应多年变化研究,系统揭示以乌鲁木齐为代表的干旱区城市热岛效应时空分布与变化特征;在此基础上,从气候背景、城市下垫面、人为热等方面探究了城市热岛效应与其影响因子的互动关系,最后尝试利用数学模型对未来5年城市热岛效应发展趋势开展模拟和预测,并结合研究结论与城市特点提出缓解城市热岛效应的建议和思考。 研究表明,乌鲁木齐存在着显著的城市热岛效应。其空间分布特征表明,热岛效应的分布与其下垫面地表类型和功能密切相关,高温区在空间上的分布与城市建筑、交通运输干道等基本一致,而水面、城市绿地与农田等对应的温度较低,根据对不同方向温度剖面线的分维数计算,乌鲁木齐温场在不同方向上复杂程度的顺序为南北西东;其时间分布特征显示,城市热岛效应在日间并不明显,相反有时会出现“城市冷岛”的现象;乌鲁木齐城市热岛现象仅在夏季的白天和其他4季的夜晚较为明显,热岛强度最大值出现在夏季夜晚,市区与近郊区的温度差异在4-6℃,与远郊区的差异在8-10℃;从20世纪80年代至今,研究区的热岛效应表征更为显著。 在回归树景观分类的基础上,基于城市的景观变化对乌鲁木齐城市热岛效应1987-1999-2005年变化进行了研究。将景观分类与温场空间分布叠加,初步划分较高温城乡建设用地、高温城乡建设用地、特高温城乡建设用地、高温裸地、低温绿地和低温水体共6类温度景观类型。通过构建温度景观转移矩阵、图谱以及温度景观评价体系,发现随着城市化进程的发展,城市内高温建设用地面积最大且增加面积较多,由1987年的92.81km2、1999年的106.73km2增加到2005年的136.42km2;特高温建设用地出现在高温区中间,成为了城市热岛的中心,较高温建设用地多接近城市绿地附近,二者也有一定增幅。城市内部的各类温度景观持续增加,主要以周围的高温裸地为主要扩展源,城市热岛效应的范围有不断扩大的趋势。温度景观多样性指数由1.0395持续增加至1.2834,破碎度指数由0.1092先增至0.1834,后减到0.1616,聚集度指数也由58.9862持续降至48.9043,反映了温度景观的异质性和破碎化程度在增加,斑块呈现密集格局。在城区内部,各类城乡建设用地温度景观在1987年至1999年呈现高度破碎,到2005年部分碎片聚合,特高温建设用地在此过程中变化尤为显著,热中心由热碎片形成了热团块,趋于稳定趋势。 在时空分布、变化研究的基础上,从城市的气候背景、城市下垫面特征、人为热等角度探究热岛效应与其影响因素的互动关系表明,一方面市区热岛效应的存在影响着气象要素变化,使得乌鲁木齐站的气象因子变化特征有别或显著于其他站点,例如年平均气温变化倾向率为乌鲁木齐地区气象站之最,达到0.537℃/10a、相对湿度变化倾向率与地区增湿大背景趋势相反,为-0.158%/10a,降水量也有较大增幅,变化倾向率达到27.916mm/10a;另一方面,气象要素例如地面风场的时空分布特征的迥异也对城市热岛的形成有着促进或阻碍作用。在城市热温场和下垫面类型的关系研究中,城市热温场与植被覆盖度呈较强或中等程度的负相关关系,与建筑密度呈中等程度的正相关关系。此外,人为热对热岛效应也具有重要的影响。通过主成分分析,提取累计贡献率达到89.364%的前2个主成分,研究区特高温城乡建设用地即强热岛区域面积变化的驱动因素可以归纳为人为热、以工业为主的经济发展因素和城市绿化因素。 最后,提出了基于神经网络的CA模型来简化模拟和预测复杂的城市热岛空间变化过程。预测2010年温度景观分布的结果显示:2010年各类城乡建设用地温度景观具有一定增幅,并向周围高温裸地有微小的扩展趋势,特高温建设用地局部聚合,热中心面积继续扩大,由2005年占总面积比例的4.62%增加到了5.66%。 基于以上研究和分析,遵循城市生态学的相关原理,结合乌鲁木齐城市的具体特点,提出从调整绿地结构、改善城市布局、减少人为热的排放量等方面着手,逐步改变地表热辐射、热传导和热存储的模式,旨在从根本上缓解城市生态环境问题,使城市向健康、高效、持续的方向发展。