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城市下垫粗糙特性面时空演变规律遥感监测及其对风场的影响

李志坤  
【摘要】:城镇是人类对气候变化影响最深刻、最集中的区域。随着城镇化的快速发展,出现了气候变暖、气象灾害频发、生态失衡、空气污染等一系列气象灾害和生态环境问题。综合利用多种遥感数据可以监测快速城镇化过程中下垫面演变的时空特征及其对气候环境要素的影响,因此,本文综合利用夜晚灯光数据、散射计数据和合成孔径雷达数据,以两个尺度对城市下垫面在水平和垂直两个方向上的扩展程度进行监测;并结合气象站点数据与WRF气象预报模型分析城市下垫面扩张与风场变化间的关系,进而明确城镇化对区域气候环境变迁的影响及其空间分异规律。本文研究对于城市科学发展与规划、大气环境质量改善,减缓城市气象灾害等具有重要意义。本文主要在以下三个方面进行研究:(1)利用QuikSCAT散射计数据与OLS/DMSP夜晚灯光数据提取了中国2000-2009年10年间的城市下垫面范围及后向散射系数,分析了城市下垫面的变化,讨论了不同区域的城市扩张特点,并进行了系统的比较。总体来说,2000-2009年我国城市扩张范围显著,城市面积增加了约5倍。然而,城市扩张在不同的区域表现出显著的差异,东部地区扩张范围较大,中部次之,西部扩张范围最小,扩张面积与区域的经济水平呈现较强的正相关关系;此外不同城市群的扩张模式也极为不同,主要表现在水平(城市下垫面面积)和垂直(建筑物高度)两个方面的差异。(2)由于灯光溢出效应,夜晚灯光数据提取城市下垫面存在提取范围过大,提取结果不准确的问题。而基于ALOS PALSAR提取城市下垫面存在虚警范围的现象。因此本文利用ALOS PALSAR数据与夜晚灯光数据相结合,提出了一种综合利用多源遥感数据提取城市下垫面的方法,有效的去除了SAR数据在建成区提取中存在虚警范围的问题,并用这一方法对京津冀地区的城市下垫面的范围及其变化进行了详细的分析。并结合同时期气象站点数据讨论了城市下垫面扩张对风场的影响。结果表明建成区面积与高度的增加改变了建成区下垫面粗糙度,对风速的拖拽效应不能忽视。对于北京区域而言,城市扩展造成的下垫面变化对于西北风的阻挡效应尤其显著。(3)为了验证城镇化过程造成风速减小这一现象,文章引入WRF气象预报模式。针对WRF模型设计了两组对比实验,从模型的角度分析验证了下垫面变化对于风场的具体影响。试验控制下垫面类型作为输入变量,通过比较两组实验结果可以发现:以遥感数据作为辅助信息获取真实的地表覆盖信息作为WRF下垫面的更新输入有助于提高模型对气象要素的模拟精度;风场对于下垫面类型变化敏感,城市下垫面的扩张区域的风速有明显的减小。


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