亚洲人造地表覆盖遥感精细化分类与分布特征分析

人造地表覆盖是刻画人类活动对陆地表层生态系统影响的重要因素,具有高度动态、结构复杂和类型镶嵌等特征.由于当前缺乏有效的洲际尺度人造地表覆盖精细化遥感探测方法和高精度的数据产品,由此影响了城市化对区域气候、生态系统过程和全球环境变化影响评估的可靠性.本研究构建了人造地表覆盖等级层次结构分类系统,发展了基于2010年全球地表覆盖30m分辨率产品(GlobeLand30)的人造地表覆盖二级类型像元组分提取的技术方法,研发了亚洲2010年高精度城市建成区及其内部城市不透水地表和植被覆盖组分比例数据产品.基于多源数据融合和专家知识方法获取的城市建成区及其内部组分分类的总体精度为90.79%;城市内部不透水地表比例组分信息提取平均相对误差为0.87,总体上数据产品具有较高的质量和可靠性.遥感精细化信息提取局部误差与不同气候带城市建筑与植被镶嵌程度密切有关.遥感精细化分类表明,亚洲城市建成区面积181785.96km~2,占亚洲陆表面积的0.59%;城市内部结构组分中,城市不透水地表总面积为116504.72km~2,占亚洲城市建成区面积的64.09%,植被和裸土面积占34.56%.在空间上,城市不透水地表自东向西呈现集聚式、分散式和无显著分布特征三级梯度.中国、印度和日本等国家,城市不透水地表总面积排在前三位,分别占亚洲城市不透水地表面积的32.77%、16.10%和11.93%.研究发现,城市建成区内部不透水地表与植被覆盖组分比例与国家的经济发展程度及区域气候环境密切相关,对于经济较为发达的国家,城市建成区内部镶嵌类型中不透水地表比例相对较低,如韩国、新加坡城市不透水地表比例约为50~60%,公共绿地植被面积比例相对较高,而对于经济发展水平较低的国家,城市建成区内部镶嵌类型中城市不透水地表比例则接近或超过80%.城市建成区内不透水地表、植被组分及空间分布特征集中反映了亚洲地区人口集聚和经济发展水平以及对子流域环境健康状况影响程度.     

北京城市及周边热岛日变化及季节特征的卫星遥感研究与影响因子分析

以EOS-MODIS遥感信息反演的地表温度、土地覆盖类型、植被覆盖、地表蒸散,结合常规气象资料,并采用GIS空间分析技术和多元统计相关,对北京城市及周边2001年城市热岛(UHI)空间分布的季节规律和日变化及影响因子进行研究.分析北京地区的土地覆盖、地形高程、植被绿地状况、城市和郊区地表蒸散与热岛时空分布状况的关系.揭示出北京UHI主要特征为:(ⅰ)北京城市下垫面的高热容和密集建筑物的多次发射,加之北京特殊的三面环山地形特征,使得北京城区一年四季均存在明显的热岛分布,并以夏季最为明显,UHI与城市结构的轮廓相一致;北京城区与地势相对平坦的近郊区的地表温度差异在4~6℃左右,与地势较高的西北远郊区的地表温度差异在8~10℃左右;(ⅱ)北京地区日间和夜晚的UHI的季节分布和程度不同,以夜间UHI明显;夏季白天郊区地表比城区蒸散量大,潜热交换明显,反映出城市与郊区的温度差异显著;(ⅲ)地表覆盖类型对UHI的效应明显,北京地区植被绿地状况与UHI呈现明显反相关分布;夏季地表NDVI与下垫面的温度散点图的回归方程的负相关系数的平方R2达到0.6481,即植被覆盖好,则UHI不明显;揭示出植被绿地对降低UHI具有重要的作用.大范围的绿地建设能有效降低UHI.     

城市地表潜热通量数值模拟方法研究

近年来,中尺度气象模式中城市建筑物影响的数值模拟方法日趋完善,城市地表潜热通量数值模拟方法是目前城市地气耦合研究面临的瓶颈问题之一.采用北京325 m气象塔140 m高度处的能量平衡观测资料,用陆面-单层城市冠层耦合模式进行了一年连续的离线模拟.根据模式对城市下垫面潜热通量模拟的系统性误差较大的特点,基于观测资料研究了城市下垫面潜热通量的数值模拟方法.采用观测分析与城市陆面模式相结合的方法,求出了城市中绿地的绿洲效应系数、城市不透水下垫面水份有效率的时间变化公式以及人为潜热排放的日变化曲线和四季最大值,可直接应用于城市陆面模式,有效提高了模式的整体模拟性能.该方法对其他城市地区有一定的参考意义.     

遥感热惯量反演表层土壤水的方法研究

提出了一种新的遥感热惯量模型, 并用其来反演表层土壤水. 此遥感热惯量模型只涉及到地表最高温度, 不需要求算地表温差值; 同时模型考虑到植被因素对土壤热惯量的影响, 在植被覆盖区使用了双层模型中的土壤热平衡方程, 使热惯量模型的应用范围由裸土和植被覆盖较少的区域扩展到植被覆盖较多的地区; 此外, 将地表显热通量和地表潜热通量引入到热惯量模型中, 提高了对表层土壤水的反演精度. 通过此热惯量模型反演了内蒙中西部西蒙地区的表层土壤水, 并与表观热惯量反演的土壤水进行了对比, 结果表明了此方法的优越性.     

我国黄土高原地区陆面能量的空间分布规律及其与气候环境的关系

我国黄土高原地区地处夏季风边缘,分布在气候和生态过渡带,气候环境的空间差异很大,对陆面能量的空间分布格局影响非常显著.然而,由于受该地区陆面过程观测站点较少的局限,对整个黄土高原区域陆面能量的空间分布规律及其影响机制的认识十分有限.在对CLM模式模拟的陆面能量平衡分量资料进行试验验证的基础上,利用CLM模式模拟的近30年黄土高原地区陆面能量平衡分量资料,分析了该地区近30年平均陆面能量平衡分量的空间变化特征以及与最干燥年和最湿润年的差异,研究了陆面能量平衡分量空间分布与经、纬度和海拔高度等地理因素及降水和气温等气候因子之间的关系.发现,黄土高原地区陆面能量平衡分量空间差异非常显著,地表净辐射和感热通量由南至北增加,潜热通量和土壤热通量从东南向西北减少;空间最干格点和最湿格点之间的地表感热、潜热和土壤热通量几乎相差1倍左右,地表能量分配由最干格点的感热通量主导转变为最湿格点的感热和潜热平分秋色;年际干湿波动对地表能量平衡分量的影响也相当显著,对感热和潜热通量的改变幅度最大接近30%.而且,经纬度和海拔高度等地理因素及温度和降水等气候要素均与陆面能量平衡分量空间分布有一定的相关性,但地表净辐射与海拔高度和纬度的关系更密切,感热通量与降水和纬度的关系更密切,而潜热和土壤热通量只与降水的关系比较密切.     

北京城市热岛的时空变化分析

利用1987、1999、2000、2001、2002和2005年六幅陆地卫星影像研究北京市规划区地表城市热岛（SUHI）．首先用决策树分类法进行分类，得到六幅不同时相的土地利用／覆盖分类图像．根据Artis＆Carnahan算法利用热红外通道的灰度值计算地表辐射亮温，基于分类结果进行比辐射率纠正，计算地表温度．通过分析北京市规划区1987～2005年间地表城市热岛的特征，发现不同土地利用／土地覆盖类型与地表城市热岛有密切关系；2001年、2002年和2005年影像中市区的热岛分布的破碎度增加，由原来的集中分布慢慢向周围扩散，并在市区中心植被覆盖高的区域出现蓝色“凉爽”区；地表城市热岛增加的区域与城市扩展区域一致，城市化过程是城市热岛面积不断增加的主要的原因．     

污染天气下成都城市热岛环流结构的数值模拟

本文利用中尺度模式WRF V3.9对2016年7月16日成都一次污染天气下的城市热岛环流个例进行了数值模拟,分析了城市热岛环流的三维结构及演变特征.并通过设计减少气溶胶光学厚度的敏感性试验,研究了污染对城市热岛环流的可能影响.结果表明:当地时间17∶00城市热岛环流开始形成.随着热岛强度增强,环流增强,城乡边界处的城市风锋不断向城市中心推进.19∶00热岛环流结构最显著.21∶00环流结构被破坏,仅低层存在微弱的乡村风.在热岛环流结构最显著时刻,近地面风场由郊区向城市辐合,地面以上2.0km处风场由城市向乡村辐散,辐散中心与辐合中心位置大致对应.此时城市风锋在城市处合并,环流的水平尺度约为城市尺度的2～2.5倍.当气溶胶光学厚度减小后,城市热岛环流尺度和强度以减小为主.特别是在热岛环流最显著时刻,低层乡村风风速减小,城市风锋最大上升速度降低,环流的水平尺度在西、南、北三个方向均减小,且高空回流高度降低.可能的影响机制是,气溶胶光学厚度减小后,净辐射通量增大,城乡地表能量通量差异增大,城市边界层高度升高.但城市边界层高度升高对城市热岛的抑制作用超过了城乡地表能量通量差异增加对城市热岛的增强作用,最终造成城市热岛减弱,环流减弱.     

人为热源对城市边界层结构影响的数值模拟研究

用南京大学多尺度模式系统在不同区域进行了多种人为热源引入方案的研究，结果表明：考虑时空变化的人为热源按比例分别引入到地表能量平衡方程和大气热量守恒方程是将人为热源引入模式的最优方案.人为热通量密度变化的敏感性试验结果发现：人为热源的存在对城市热岛的生成有重要作用.计算结果表明，南京现有的人为热源排放量对该地区的城市热岛贡献率约为296％，若人为热通量密度在现有量值的基础上增大1倍，则其热岛贡献率可达429％；此外，人为热的排放对清晨城市边界层逆温结构有一定程度的破坏作用，能明显升高夜间近地层气温达05～10℃，并能使白天湍流活动的影响范围增大，混合层高度抬高，使夜间城市热岛环流的影响范围扩大.     

全球城市人居环境不透水面与绿地空间特征制图

全球城市不透水面和绿地空间遥感制图对于准确把握全球人居环境质量,指导城市和区域发展规划,促使城市向生态、宜居和可持续方向发展具有重要的科学意义和应用价值.当前研究中针对全球城市下垫面覆盖状况不透水面与绿地空间要素的高精度遥感制图仍显不足.本研究基于城市等级尺度地表结构和景观分类原理,融合了GlobeLand30数据等,建立了MODIS NDVI、夜间灯光数据(DMSP/OLS)和全球各分区30个典型城市Landsat TM获取的不透水面和绿地空间像元组分比例之间回归关系,发展了全球城市建成区内不透水面和绿地空间组分比例数据集.基于Google Earth高分辨率影像验证表明,城市不透水面制图的平均相对误差(MRE)为0.19.本文评估的全球城市用地面积为76.29×10~4km^2,主要分布于北半球的欧洲中部地区、亚洲东部地区和北美洲的中东部地区,其中北美洲、欧洲和亚洲城市用地面积为66.3×10~4km^2,占全球城市用地总面积的86.91%,全球前50位国家城市用地占全球城市用地面积总量的59.32%.全球城市不透水面面积为45.26×10~4km^2,集中分布于北美洲中南部、亚洲东部、欧洲大部分地区,以及全球海岸沿线地区.其中,北美洲、欧洲、亚洲城市不透水面面积占全球城市不透水面积的84.25%.研究也发现,全球不同发达程度国家之间城市不透水面分布和绿地布局呈现高度的空间差异特征,各大洲建成区内城市不透水面比例由大到小依次为:非洲>70%>南美洲>大洋洲>亚洲>60%>北美洲>欧洲>50%.全球各大洲绿地面积集中分布在北美洲东南部、欧洲西南部、亚洲东部和西部.其中,北美洲、欧洲和亚洲绿地面积占全球绿地总面积的89.44%.欧洲和北美洲的发达国家更注重城市景观设计及城市不透水面和绿地的有效镶嵌,城市建成区内绿地面积比例相对较高,而部分发展中国家和欠发达国家建成区内绿地面积比例相对较低,城市宜居环境有待提升.     

城市冠层结构热力效应对城市热岛形成及强度影响的模拟研究

本文在城市边界层预报模式中耦合了一个单层冠层模式,此模式能够体现城市冠层结构和人为热源对城市热岛的共同作用.通过传统平板模式和城市冠层模式的模拟结果与自动气象站观测资料对比发现,耦合了城市冠层模式的模拟结果与观测资料更为吻合,尤其能够较好地模拟出城市地区夜间地面的气温变化情况.对北京城市区域的模拟结果进行分析,白家庄地区冠层建筑物使得城市地区气温白天下降,夜晚上升,不考虑人为热源作用时,城市冠层使得白家庄站地面气温白天最低下降2.5℃,夜间气温最大升高为4.7℃.针对模拟区域较小的理想算例模拟结果分析表明,城市冠层模式能够很好地模拟城市地区地表能量平衡关系,体现城市冠层对长短波辐射的封截以及热量存储能力,全天平均净辐射通量由传统模式的43.38 W/m²变为84.19 W/m²,热存储通量白天最大值为278.04 W/m²,夜晚最大释放热存储通量为160.35 W/m².冠层建筑物和人为热源对夜间城市热岛强度的贡献分别为70.65％和29.35％.城市冠层建筑物对夜间城市热岛的形成起决定性作用.     

复杂下垫面地表土壤热通量算法改进:以黑河流域为例

地表土壤热通量是地表能量平衡的重要组成部分,对地表蒸散发的估算至关重要.利用土壤温湿度廓线观测资料基于热扩散方程计算地表土壤热通量,并通过冻土融化前后土壤液态水含量变化估算土壤含冰量,分析了土壤含冰量对土壤热通量的影响,旨在分析黑河流域典型下垫面(高山草地、农田和森林)地表土壤热通量的时空变化特征.研究结果表明:(1)黑河流域不同下垫面的地表土壤热通量有明显的日变化差异,日最大值时刻提前净辐射通量几分钟至几小时不等,这与土壤质地、湿度、热属性和植被覆盖度有关;(2)净辐射通量有显著的季节变化,一般夏季达最大值,冬季最小,地表土壤热通量也有明显的季节变化,但并不总是与净辐射通量变化保持一致,春季达最大值,夏季由于植被覆盖的原因反而降低;(3)地表土壤热通量占净辐射通量的比例因季节及下垫面不同而有差异,1月份月平均比值分别为:阿柔25.6%、盈科22.9%和关滩4.3%,7月份月平均比值分别为:阿柔2.3%、盈科1.6%和关滩0.3%;(4)冬季考虑了冰的热容量使得土壤热容量增加,土壤热存储增加,从而由热扩散方程计算的地表土壤热通量增加,使得能量平衡闭合率提高了4.3%.     

以微分热惯量为基础的地表蒸发全遥感信息模型及在甘肃沙坡头地区的验证

首先综合回顾了目前采用的地表通量遥感方法和途径.分析了现有遥感思路中不能摆脱非遥感参数的现实和困扰. 在实践的基础上, 建立了以微分热惯量为基础的地表蒸发全遥感信息模型. 其思路的关键是以微分热惯量提取土壤水分可供率而独立于土壤质地、类型等局地参数; 以土壤水分可供率推算波文比而摆脱气温、风速等非遥感参数. 并以净辐射通量和表观热惯量对土壤热通量进行参数化. 实现了以全遥感信息反演裸地蒸发(潜热通量)的目标. 应用接近最高和最低地表温度出现时刻的两幅NOAA- AVHRR 5个波段的影像图和地面同步观测数据, 作出了我国西北沙坡头地区的土壤蒸发的区域分布影像图. 同时以同步观测的地表蒸发值对影像图对应点的输出值进行了对比, 验证了本思路和模型的可行性, 并且讨论了本模型扩展到浓密植被区所能造成的误差和进一步改进途径.     

森林下垫面大气环境多尺度模拟研究

植被是重要的城市地表覆盖类型之一,它通过蒸散降温和阻挡强冷空气,对城市风温湿大气微环境和污染物扩散特征会产生显著影响.准确预测植被环境流动和标量输运特性,理解植被与大气之间湍流交换过程,对城市环境改善具有重要意义.文章建立和发展了适用于森林植被环境湍流流动和标量场演化仿真计算的大涡模拟方法,将中尺度气象预报模式与微尺度精细大涡模拟方法耦合,利用地表能量平衡关系考虑大气辐射等多物理过程,研究了典型天气条件下复杂森林下垫面大气流动问题.通过考察不同大气稳定度条件下森林植被环境流动发现,在不稳定和稳定大气情况,浮力分别起到增强和抑制大气湍流混合作用,风切变也相应减小和增加.在北京奥林匹克森林公园的多尺度模拟试验中,通过与外场观测结果比较,文章验证了耦合模型可以较好地模拟城市复杂地表上空风速、温度和相对湿度的日变化.尤其是对于风场的模拟,耦合方案明显优于传统中尺度数值模拟,这主要是由于耦合方案既考虑了外部中尺度流动的影响,又通过降尺度方法可以精细分辨城市非均匀地表粗糙元素分布,从而较为精确的复现了城市粗糙子层内复杂大气流动和湍流通量输运.     

中国328个城市的植被覆盖度长期变化特征及其驱动因子

城市绿地有助于促进城市居民健康,增强城市生态系统生物多样性,减轻环境污染,缓解城市热岛效应.然而城市植被盖度异质性高,量化难度大.本文利用30m分辨率的陆地卫星数据,研究了1990～2022年间我国328个城市植被覆盖度的变化.结果显示, 1990～2005年,由于城市内建筑容积率和不透水表面的增加,全国平均城市植被覆盖度由0.38降至0.35.此后,城市植被覆盖度开始逆转,到2022年增长至0.45,这种增长趋势在新建城区最明显. 2005年以前,平均城市植被覆盖度的降低主要是低植被覆盖区域的扩张造成的;此后,城市植被盖度的增加则表现为高植被覆盖区域的扩张.城市植被覆盖度变化趋势的转折与2004年以后国家陆续出台政策要求增加城市绿地覆盖度有关,城市国内生产总值与城市植被覆盖度变化呈现最高相关性.对于大城市和中等规模城市,影响植被覆盖度的前三个因子分别为国内生产总值、城市人口和气温.但对于干旱/半干旱地区的城市,植被覆盖度变化对气候因素(如降水)的敏感度更高.尽管近年来中国城市的总体植被覆盖度显著增加,但在小城市和大城市老城区的城市绿地仍有改善空间.     

考虑冻土的陆面过程模型及其在青藏高原GAME/Tibet试验中的应用

陆面过程的研究对于更好地认识气候和天气系统的演变规律、陆地-大气水热交换过程、人类活动对气候和环境的影响等具有重要意义. 建立了综合考虑土壤冻融、土壤水汽通量、植被覆盖和陆面-大气近地层水热交换的一维冻土-植被-大气连续体模型, 模拟了固液相变、汽态水迁移、土壤水、汽、热耦合迁移等过程, 反映了液态水从未冻区向冻结区迁移、冻结及其引起的潜热迁移的冻土物理本质, 也反映了汽态水分从高温区向低温区迁移所引起的温度及水分场的变化, 并对模型进行了检验. 水分运动方程采用混合Richards方程, 可适应各种边界条件. 土壤水热传输模型求解引入了修正的Picard迭代法, 不仅使计算迭代收敛更快, 而且能更好地保证数值计算过程中的水量平衡. 结合GAME/Tibet实验1998年5月份、7月份的观测数据, 应用该模型对青藏高原安多观测点的水热交换过程进行了模拟分析. 模拟结果表明: 土壤的冻融过程对地温变化会产生负反馈作用; 若净辐射相同, 土壤表层含水量较高的情况下考虑冻结时其地热通量在冰融化时明显增加, 显热通量减少, 而潜热通量变化不大, 但是冻结时各通量的变化不明显; 而土壤发生融化时, 尽管地热通量增加, 但是地表温度仍然减小; 土壤发生冻结时, 尽管土壤负温要比不考虑冻结时高, 但整体上热通量变化不大.     

基于遥感和典范对应分析方法优化生态地理分区——以中国区域为例

选取适当生态地理边界对遥感影像进行分割,降低分区单元内土地覆盖复杂程度,可有效提高遥感土地覆盖分类精度.本研究将气象、高程、土壤等环境数据与季节性植被遥感信息相结合,利用典范对应分析(CCA)和k均值聚类等进行生态地理分区的划分,旨在提出适用于区域遥感地表分类的生态地理分区方案.以我国为例的研究结果表明,季节性植被遥感信息与CCA相结合,能够有效筛选出区域生物地理格局主导环境因子,可将这些主导因子作为生态地理分区的区划指标.本研究中,温度要素是我国生物地理格局的主导驱动力,水分要素次之.以MODIS MCDl2C1(2005年)和GlobCover(2004~2006年)全球土地覆盖分类产品来评价生态地理分区内土地覆盖复杂程度,结果表明,本研究的生态地理分区在土地覆盖类型均数、主要土地覆盖类型面积比例以及主、次要土地覆盖类型面积比例之和等方面,均优于已有研究结果,且主、次要土地覆盖类型的植物物种和性状特征差异比较明显,表明利用表征植被季节特征的环境主导因子进行生态地理区划,可以有效降低生态地理分区内地表覆盖复杂程度,更利于地表覆盖遥感分类.     

南京城市化进程对大气边界层的影响研究

为了研究城市化进程对城市边界层结构的影响，通过高分辨率的卫星遥感资料获得土地利用类型,以及地表反照率、植被指数等地表参数，以南京为例，运用数值模拟手段进行了研究，结果显示这是一种可行的手段.数值模拟结果表明，随着城市的发展，城市反照率减小、植被减少、地表湿度减小，蒸发耗热减少，感热通量增加140 W/m2，城市波恩比增加.地表和大气之间热量交换加强，湍流热量通量增大了一倍，湍流交换发展加剧，14：00混合层高度抬高了500 m.地表湍流水汽通量和空气中水汽含量都减小，这也使更多的热量用于加热地表和大气，使地温、气温的日变化幅度增加.     

应用EOS/MODIS卫星资料反演与估算西北雨养农业区地表能量和蒸散量

应用定西地区的陆面过程野外观测资料和四次EOS_MODIS卫星资料,对典型的西北半干旱雨养农业区的基本地表特征参数进行反演,在此基础上对各能量通量和蒸散量进行估算,进而分别分析其季节和空间变化.结果表明：应用卫星数据估算的各参量的相对误差基本都在20%以内,其空间和时间变化基本反映了当地的实际情况;区域各通量和日蒸散量分布极不均匀,表现为四季相差比较大的单峰型变化特征,冬季最小、其次是秋季、夏春两季最大;与面积较大的中、低植被覆盖度区域相比,小范围的高植被覆盖度区域的地表净辐射、潜热和日蒸散量相对较高,土壤热通量和显热通量相对较低,并且都在春、夏季节表现得更加显著.低、中植被覆盖度区的各能量通量的季节变化不显著的特征反映了半干旱西北雨养农业区土壤的干土层相对比较厚的特征.     

白洋淀水陆下垫面上行星边界层空间变动研究

利用三维非静力中尺度模式ARPS,对白洋淀地区水陆非均匀下垫面上大气边界层结构及其变动进行了模拟研究.结果表明,晴天弱背景下,白洋淀地区陆地大气比湿高于水域的情况发生在白天大部分时间内,是普遍存在的一种现象,该现象首先出现在近地层,然后不断向高空延伸,与水陆两种不同的下垫面特征密切相关.由于水陆下垫面的差异,导致水域感热和潜热通量全天较小,变化平稳,而陆地日间感热和潜热通量较大,且潜热高于感热.水陆两地近地层湍流运动状态存在较大差异,湍流输送在水陆比湿空间变动过程中起决定性作用.形成的局地环流同样影响着水陆比湿的空间变动,主要表现在环流上下支对近地层湍流发展以及水汽的垂直输送的影响.陆地上空水汽主要来源于土壤植被的蒸发蒸腾,而来自水域的仅占很少一部分.     

对东日本大地震序列潜热通量异常现象的讨论

用美国国家环境预报中心的表面潜热通量数据,对2011年东日本大地震序列前后所出现的潜热通量异常展开讨论,结合主震震中周边区域在1991~2011年的中强地震序列数据,分析了潜热通量异常与地震之间的关系。结果表明:(1)东日本大地震前的潜热通量剧烈变化不一定是异常,且不一定由此次地震活动引起;(2)该研究区域内20年间出现过多次有疑似"热异常"却无明显震例与之相对应的情况;(3)该研究区域内20年间有超过60%的中强地震震前并无"热异常"出现;(4)在研究潜热通量变化是否属于异常时,应尽量多地考虑各个方面的影响因素,科学合理地设定判断参数;(5)在研究潜热通量异常与地震的关系时,应对特定区域作长时间序列分析,而不是单纯针对短期内的个别震例进行判别。