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《中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)》 2018年
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城市空间结构对城市热环境时空异质性分布影响研究

杨朝斌  
【摘要】:城市热岛效应,即城区温度高于周边农村的现象,对社会、经济、环境和人类健康等产生诸多负面影响,而城市空间结构是影响城市热环境的重要因素。因此全面理解城市空间结构对城市热环境时空异质性分布的影响机制,加强人工调控技术以缓解城市热岛效应,对促进城市可持续发展有着重要意义。本研究以温带城市长春市为研究对象,以Landsat为主要遥感数据源获取长春市1984~2014年来五期土地利用数据,以国产高分一号和高分二号影像为高分辨率数据源,通过使用“面向对象”的思想人机交互解译建成区精细化土地利用数据,利用阴影测高法反演城市建筑高度,构建城市三维结构数据库;以Landsat TM6和TIR为主要热红外遥感数据源,使用经典的单窗算法反演地表温度表征地表热环境,结合气象站点实测气温数据,构建城市年、季、月和小时的“红色空间”平面温度场动态数据库,以无人机悬挂温度传感器的方式开展室外垂直梯度多点温度测量工作,构建城市三维热环境并进行时空异质性分布特征分析;使用定性与定量结合的方法,通过GIS空间分析、三维模拟、景观格局分析、时间序列分析、经典统计分析等手段探讨了城市空间三维结构对于城市热环境时空异质性分布的影响;综合选用景观组成和景观配置两类指数表征城市“绿色空间”等关键要素的生物物理以及地理几何特性,从空间配置协调角度出发,探究在城市可持续发展过程中具有最佳降温效果的绿地空间的组成和分布,提出基于减轻城市热岛效应的城市冠层结构优化模式,最终实现城市绿色健康可持续的发展目标。本研究主要结论如下:(1)过去三十年,长春市土地利用/覆被格局发生显著变化。建成区面积从1984年143.15km2扩展到2014年的577.45 km2,年均扩张14.46km2;耕地由1130.12km2减少到737.69 km2,减少34.72%,是城市化进程侵占的主要土地类型。利用多端元优化方法获取长春市过去三十年的不透水地表信息,结果表明整个研究区的不透水面地表比例呈现持续增长趋势,而建成区内部则呈现出先增长后减小的趋势。2015年长春建成区精细化土地利用数据表明,住宅用地和城市绿地是主要的地物类型,两者面积之和占建成区总面积的46.98%左右。(2)利用阴影测高法能有效获取城市建筑物高度的三维信息。长春四环交通环线内建筑物共计34714座,其中以高度小于16.8m的中低层建筑为主,占比约为69.85%,高度超过100m摩天大楼数量相对较少,不同高度建筑物在城市各交通环线内都有广泛分布。城市三维结构特征指数表明,长春市建筑覆盖率以小于0.35的低覆盖度为主,覆盖率大于0.55的面积较小;建筑容积率主要以低级别为主,大部分地区数值小于2.0,城市中心和西南部建筑容积率要明显高于其它地区。(3)过去三十年,长春市热环境空间格局发生剧烈变化。从年代变化看,城市热岛区域面积占比从1984年的15.27%提升到2014年的29.62%,面积增长速率在2007年以后明显加快;传统城市热岛强度呈现先变强后减弱的趋势,1984,1992,2000,2007和2014年的归一化地表温度表征的热岛效应强度分别为0.225,0.249,0.252,0.243和0.239;而内部城市热岛效应呈现出持续增强的趋势。从年内变化看,地表温度结果表明,在4~10月份以及12月份共8个月的研究时间内,除去4月和10月外,城市区域地表温度要明显高于农村区域,且7和8月份极高温度等级所占面积最大;从统计特征看,地表城市热岛强度的季节性差异为:夏季(4.98℃)秋季(1.76℃)春季(1.71℃)冬季(1.30℃);从气象站点获取的气温数据看,冬夏两季气温日内变化趋势相似;从气温数值特征看,在局地尺度上,夏季城市热岛强度(0.75℃)小于冬季(0.95℃),夏季白昼强度(0.44℃)小于冬季(0.66℃),但夏季夜晚强度(1.72℃)大于冬季(1.50℃)。从日内变化看,气温逐小时变化规律与城市热岛强度逐小时变化规律差异明显,气温呈现出“先下降-后上升-再下降”的趋势,而城市热岛效应呈现出“缓慢下降-快速下降-相对稳定-快速上升-缓慢上升”五个阶段;在区域尺度上,长春市夏季城市热岛效应的日平均值,白昼平均值,夜晚平均值,小时最大值,小时最小值分别为0.92℃,0.49℃,1.51℃,1.64℃和0.03℃;城市热岛白昼强度要明显小于夜晚强度。(4)城市空间结构对热环境时空异质性分布影响显著。从年代变化看,长春市土地利用空间格局变化与热环境格局变化具有良好的一致性;当自然表面转变为人造表面,归一化地表温度可增高0.21。从年内变化看,不同土地利用类型间温度差异明显,其中8月份的温差指数最大,为3.55℃,12月份最小仅为0.89℃。从日内变化看,长春市夏季城市区域气温小时平均值最高,取值为22.66℃,林地气温最低,仅为21.77℃;不同土地利用类型升温与降温速率的差异是驱动城市热岛效应逐小时变化的重要因素;夜晚温差指数为0.88℃,远大于白昼的0.45℃。从城市三维空间结构的影响看,与城市建筑容积率相比,城市建筑覆盖率对热环境的影响更为强烈,且夏季的增温强度要明显高于其它季节;建筑覆盖率每提升10%,春夏秋冬四季地表温度分别提高0.30℃,1.70℃,0.46℃和0.12℃。不同土地利用类型垂直方向热环境分布差异明显,工矿用地1.5~100m气温差异为2.20℃,远高于绿地的1.51℃。(5)除去冬季外,城市绿地在其余各个季节都有明显的降温作用,但降温效果在不同季节和不同绿地子类型中差别明显。公园绿地的地表温度在各城市绿地子类型中最低,7月份与建成区温差可达4.24℃。夏季在0.5×0.5km的空间分析尺度上,绿地面积每增加10%,地表温度降低0.34℃。城市绿地的组分构成和空间配置对于地表温度都有明显的影响作用;在本研究中,在1×1km的空间尺度上,当绿地的面积比例在20%~40%之间时,最初阶段,随着绿地斑块(NP)的增加,地表温度数值增大,但当NP大于40时,地表温度开始下降。(6)城市公园能够形成明显的冷岛效应,且降温作用在不同月份之间差异明显。在6~8月之间,城市公园冷岛效应的平均强度大约为4.0℃,而5,9和10月的平均值为2.71℃,1.93℃和1.10℃;其降温强度与公园面积、公园周长以及水体面积所占比例有显著的正相关关系,而与斑块密度、不透水面地表面积比例呈现负相关关系;值得注意的是,本研究表明类似于人造地表,公园草地具有一定的增温效应;对于面积超过30ha的公园来说,在6~8月份,其降温范围大约为480m,在其它气温较低的月份,公园冷岛效应的影响范围明显减小。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TU984.113;X16

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