基于FSDAF模型的干旱区典型绿洲城市夏季地表热岛效应时空演变研究

全球城市化进程加快引起的干旱区绿洲城市热岛效应变化及其生态环境问题已成为当前国内外城市气候、环境和生态等领域的研究热点之一。基于遥感热红外通道反演的地表温度(Land surface temperature,LST)是开展城市地表热岛(Surface urban heat island,SUHI)效应监测研究的关键参数。然而,受热红外遥感数据“时空矛盾”的制约,目前在单一星载卫星传感器下尚不存在同时具有高时间分辨率和高空间分辨率的热红外遥感数据源,因而制约了在干旱区绿洲城市范围内开展高精度地表热岛效应监测研究。针对上述问题,以干旱区典型绿洲城市--乌鲁木齐市为研究区域,以Landsat系列影像和MODIS地表温度产品为基础数据源,基于FSDAF(Flexible spatiotemporal data fusion method)时空融合模型分析了2001-2018年乌鲁木齐市在城市扩张背景下夏季地表热岛效应的时空变化特征以及夏季LST与城市地表参数之间的关系。研究结果表明:(1)乌鲁木齐市夏季热岛强度(SUHI intensity,SUHII)在不同的郊区范围内均呈现增加的趋势。在较小的郊区范围内,SUHII1从2001年的1.24℃增加到了2018年的2.83℃;在较大的郊区范围内,SUHII2从2001年的1.44℃增加到了2018年的2.88℃;(2)在研究区各土地利用类型中,裸地的夏季LST最高,水体最低;(3)研究区地表反照率和不透水面的增加与城市夏季LST升高呈正相关,而植被指数与植被覆盖度则与LST呈负相关关系;(4)在干旱区绿洲城市,城区内部植被面积的增加有助于缓解城市热岛效应,而仅郊区植被的增加则会导致SUHII的进一步增强。     

城市地表温度热岛影响因素研究进展

城市地表温度热岛是城市生态环境效应研究的热点之一,其影响因素研究为缓解城市热岛带来的负效应、促进城市可持续发展提供依据.本文系统回顾了国内外关于城市地表温度热岛影响因素的研究进展.首先结合热岛效应表征的地表能量过程,基于景观生态学格局-过程理论,从地表能量吸收释放、转换及传输3种过程中归纳热岛效应的影响机理,分别对应地...     

河谷地形下兰州市城市热岛效应的时空演变研究

基于1999年和2010年的Landsat ETM+和TM影像,以单窗算法反演了兰州市地表温度,研究兰州市最近10 a的城市热岛时空分布以及演变特征。研究结果表明:兰州市城市热岛的空间分布与延展与城市建城区的扩展相一致,热岛范围不断扩大,次中温和中温区大面积减少,相应的次高温和高温区大面积增加,热岛强度明显增强;除了城市下垫面覆盖类型,黄河低温带亦逐渐成为影响城市热岛分布的重要因子。各土地利用类型的平均温度均有所升高,建设用地和未利用地温度最高,对热岛效应贡献最大,是城市热岛的主要贡献因子,绿地和水体能够很好的缓解热岛效应。地表温度和信息指数NDVI、MNDWI、NDBI、NDBaI在兰州市河谷空间格局上显著相关,存在很好的对应关系。     

厦门市热岛强度与相关地表因素的空间关系研究

以厦门市为例,基于遥感影像与建筑普查数据,分析了各局部气候区中相关地表因素与热岛强度之间的空间响应规律,以及厦门市各局部气候区中热岛强度与相关地表因素的空间关系。结果表明：研究区热岛强度有显著的空间自相关性,高值区集中于东南部的建设用地及耕地和裸地,低值区聚集于湖泊、河流等水体、湿地以及北部、西北部的林地;普通回归模型不能有效解释空间中相关地表因素与热岛强度之间的关系;空间误差模型的拟合效果优于空间滞后模型,可以更准确分析地表因素与热岛强度之间的空间关系;各局部气候区中可以作为回归模型自变量的地表因素有所不同。作为回归模型的自变量时,植被指数、水体指数、天空视域因子与热岛强度呈负相关关系,建筑密度、不透水面比例与热岛强度呈正相关关系,而建筑体积密度、建筑平均高度、建筑高度差与热岛强度的相关性在各气候区中并不一致。根据研究结论建议保护“补偿区”、分隔“作用区”,综合考虑规划实施策略的可行性,以有效缓解热岛效应。     

长沙都市区热力景观空间格局分析

热环境是城市生态系统的重要组成部分,将分形几何学的基本理论引入地表热力景观格局研究,可以量化评价城市热环境状况.以长沙都市区为例,利用TM热波段反演得到地表温度,并将其分为强热岛、弱热岛、常温区、弱冷岛和强冷岛5种热力景观类型,分别采用standard法和moving window法分析了都市区热力景观空间格局,然后用边界维数D和稳定指数SK定量化地描述了热力景观格局的复杂度与稳定性.结果显示:常温区是热力景观基质,而热岛景观已是春季城市热场重要特征;景观梯度变化在南北和东西两条样带上均呈现由市区向乡村骤变的特征,并伴有不同幅度的波动;热力景观边界维数D复杂度排序为:常温区＞弱热岛＞弱冷岛＞强热岛＞强冷岛,稳定性指数SK排序与之相反.     

地理单元划分对城市热环境响应规律的影响——以北京为例

尺度效应及空间异质性决定了同一种影响因子在不同地理单元中对生态过程的作用程度存在差异。论文选择城市热环境效应这一典型城市生态过程为研究对象,针对地理单元划分对热环境效应响应规律研究较少的现状,选择土地利用分类、网格、街区、局地气候区4种地理单元,选取常用景观组分指标——归一化差值植被指数(normalized difference vegetation index, NDVI)、不透水面比例(impervious surface area, ISA)和改进的归一化差值水体指数(modified normalized difference water index, MNDWI)为热环境影响因子,探究不同地理单元中城市热环境对景观组分响应规律的差异。以POI数据重新定义的北京市城区为研究区,结果表明：① 单因子与地表温度Pearson相关性分析得出街区和网格作为划分单元,各影响因子与地表温度相关性较高;② 利用多因子回归方法更适合于地表温度空间分异的解释,植被和不透水面比例因子的组合在4 km网格单元,植被、水体组合及植被、水体、不透水面比例的因子组合在局地气候区单元对地表温度空间分异的解释力度最强。论文为北方大城市热岛影响因素选择提供依据,充实了不同尺度热环境效应响应规律的案例研究,并为城市生态环境效应选择适当研究单元提供依据。     

地表温度“源—汇”景观贡献度的影响因素分析

在中国快速城市化进程中,城市热岛是严重的环境问题之一。探究城市热岛的影响因素,建立与自然因子、社会经济因子、景观形态因子的关联,对解决中国“城市病”,实现可持续发展具有重要的意义。本文首先在全国尺度上基于地表温度“源—汇”景观指数识别地表温度的“源”景观/“汇”景观,在此基础上计算“源—汇”景观贡献度及其效应,分析其时空演变规律;其次,基于空间杜宾模型分析自然因子、社会经济因子和景观形态因子对“源—汇”景观贡献度的影响,结果发现：① 2005—2015年间,可缓解热岛效应的省份冬季较夏季多,冬季“强”和“较弱”景观贡献度比值区域集中分布在中国北部和南部;夏季“强”的“汇”与“源”景观贡献度比值区域集中分布在中国北部地区。② 对于本地因子,景观形态对“源”或“汇”景观贡献度的影响较大,缓解热岛效应将附近小“汇”斑块结合来降低地表温度“汇”景观的离散度;其次,夏季适当在“源”景观里增加相对湿度、并增加其植被覆盖率,严格控制“源”景观和“汇”景观的建筑密度及建筑高度,可达到最佳降温效果。③ 邻域因子中相对湿度和建筑密度的影响更大,景观形态中增加“源”景观的离散度及其边缘密度,或增加“汇”景观集聚度,简化其形状均有利于缓解邻域的热岛效应。     

珠三角地区地表温度与土地利用类型关系

随着城市化进程的加快,城市气候与环境问题日益显现,尤以城市热岛效应最为突出。通过监督分类方法对TM遥感影像进行了土地利用分类,并运用TM热红外波段线性拟合模型进行近地表气温反演,分析城市热岛的空间分布及地域性差异,以及与土地利用类型的关系。结果表明:珠三角地区近地表气温与土地利用类型紧密相关,城市建设区形成高温中心,是热岛的主要贡献因子,植被和水体则有明显的冷岛效应;研究区热岛具有区域性集中与分散分布的特点,且以区域性热岛为中心向周边扩展;分析热岛强度剖面线发现,由于地形、植被覆盖度等因素影响,研究区热岛强度的南北差异较大,而东西差异较小;热岛分布与土地利用类型分布格局较为一致,但也有分布不一致性的区域,表现为城市热岛向非城市建设用地扩展。     

广州市城区热岛效应的遥感应用研究

利用Landsat TM/ETM + 热红外波段数据,根据辐射传输方程的地表温度反演方法,定量计算了广州市城区1988年、1995年和2002年的地表温度,讨论了广州市热岛扩展的时空演变格局和热岛效应形成的主要因素.结果表明,广州市城市热岛效应明显,热岛分布区域广且范围在不断扩大,在空间分布上呈现"三线四区"的特征.通过地表温度对比分析发现,老城区温度比高温区低3.7℃～4.2℃,比低温区温度高2.9℃～3.3℃,热岛强度为6.6℃～7.6℃;城市的功能布局、人类活动和经济发展与热岛效应的空间分布有十分密切的关系,也是影响城市热环境的重要因素.     

近30年北京市ISP-LST空间特征及其变化

本文聚焦长时序地表的不透水与温度特征,利用Landsat影像数据,获取1991—2015年北京市的不透水地表盖度（Impervious Surface Percentage, ISP）与地表温度（Land Surface Temperature, LST）数据,构建不透水地表盖度-地表温度（ISP-LST）二维空间。结合标准差椭圆法,对ISP-LST空间密度分布的聚集特性进行分析,定量化表述各时期的特征与变化。研究发现：① ISP-LST二维空间特征表现为三种类型：弱相关、非完全正相关和显著正相关。② ISP-LST标准差椭圆的方向性和离散性均值为11.26和2.87,空间聚集性良好。随时间推移,高温现象受不透水地表的影响过程趋于复杂化。③ ISP-LST聚集区是城市热环境的重要表征,其在各功能区年际增长率为：功能扩展区（2.97%）>核心功能区（1.75%）>发展新区（1.63%）>生态涵养区（0.18%）。聚集区在东南方向增长明显,研究时段内累计增长14.77%。④ ISP-LST聚集区的斑块密度及形状复杂度的景观格局变化不大,但斑块连接性随时间推移有所降低。本文研究结果可为缓解城市热岛效应、制定生态环境调控政策提供相应参考。     

半干旱区典型工业城市热岛时空分布及演变特征——以包头市为例

基于2000 年、2008 年和2015 年landsat5 TM影像和Landsat8 OLI影像,以单窗算法反演地表温度,研究包头市区近15 a 的城市热岛时空分布及演变特征,并对下垫面土地利用/覆盖类型、 NDVI 与城市热岛的关系进行了定量分析。研究结论表明：包头城市热岛15 a 来呈逐步扩展趋势,且主要集中于裸地区、工矿区、商业和人口密集区三类区域,空间演变趋势与城市扩张格局呈现出高度的一致性;城市热岛效应强度增强,但2008-2015 年以来,市中心区高温区面积比重大大降低;下垫面土地利用/覆盖类型是影响城市热岛空间分布的重要因子,地表温度呈现出裸地>工矿用地>建设用地>城市绿地>农用地>水体的规律;地表温度与 NDVI 呈现显著的负相关关系,即植被指数越高,城市的地表温度越低。     

山地高密度城市热岛效应的多约束因子格局分析与定量探测——重庆都市区案例研究

城市热岛受城市地表多因素影响,山地城市的情况则更为复杂。本文以典型山地城市重庆为例,基于Landsat8 OLI/TIRS影像、高精度矢量建筑等多源空间数据,采用城市地温反演、归一化植被指数、天空开阔度建模等方法,重点针对城市建成区,通过地理探测器分析各因子对城市热岛效应的约束力。研究表明：① 在都市区全域,城市热场空间异质性显著,植被覆盖、城市表面高程和天空开阔度因子具有全局性约束力表现,建筑密度、容积率和路网距离具有局部约束力表现。② 在城市建成区内部,对城市热岛效应约束性排前三位因子分别为：植被覆盖（q=0.782）、城市表面高程（q=0.499）、建筑密度（q=0.496）;局部约束因子建筑密度、容积率和道路距离的约束力均较强,但三者差异小;天空开阔度对城市热岛的全局性影响相对较小（q<0.1）。③ 在城市建成区内部,各约束因子对城市热岛具有叠加约束效应,叠加解释度q（X_i∩X_j）均强于独立解释度,叠加q值介于0.50~0.82之间。     

Characteristics of urban heat island effect in Lhasa City

This paper analyzes the Urban Heat Island (UHI) effect in Lhasa City of Tibet using meteorological observations, the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), Land Surface Temperature (LST) data obtained from Earth Observing System/Moderate resolution Imaging Spectroradiometer (EOS/MODIS) information, and correlation and composite analyses. The results show: (1) Areas with high temperature are primarily located in the center of the city or nearby counties, while low temperature areas are in the suburbs of counties. The area with high temperature has expanded in recent years and some high-temperature centers have even migrated to certain other regions. (2) The UHI intensity tends to be stronger both in annual and seasonal variations, especially in winter. Also, LST is somewhat positively related to mean air temperature. (3) A negative correlation exists between the changes of LST and NDVI with the increase of vegetation from urban to rural areas in different seasons. (4) The UHI intensity is negatively correlated with precipitation while positively correlated with wind speed, and the relation between the UHI intensity and evaporation varies with the seasons, namely, the intensity is positively correlated with summer evaporation but negatively correlated with winter evaporation. (5) UHI intensity might be enhanced by intensified urbanization, wherein built-up areas expand, there is increased heat from human activity, and there is more artificial heat input to the atmosphere.     

武汉城市扩张对热场时空演变的影响

深入分析城市扩张对城市热场时空分布及演变的影响机制,对探求城市热岛效应缓解对策、改善城市生态环境质量意义重大。基于1987年、1996年、2007年和2013年的Landsat影像反演武汉主城区地表温度、提取不透水面值,定量研究两者的关系,探讨城市建设对城市热场空间分布的影响;采用不透水面和正规化地表温度差值影像动态定量1987-2013年武汉城市扩张对热场时空演变的影响机制。结果表明：① 1987-2013年,武汉不透水面不断增加,城市建设强度加强,城市扩张明显,但是不同时期表现出不同的扩张方向、范围和模式。② 城市热岛效应主要发生在相应时期的建成区和武钢工业区,而城市大型水体则表现出明显的“冷廊效应”和“冷岛效应”;1987-1996年、1996-2007年和2007-2013年热状况恶化面积分别为382.0 km²、305.1 km²和105.7 km²,热状况总体呈现恶化趋势。③ 不透水面指数能较好地解释热场空间的异质性,两者回归方程的系数为0.751~0.923,不透水面值每增加0.1,正规化地表温度值会增加0.01~0.02。④ 城市热状况变化从改良极显著、改良较显著、无变化、恶化较显著到恶化极显著,对应的不透水面差值由小到大,城市扩张和城市建设强度加大对恶化城市热环境和加剧城市热岛扩展作用明显。     

苏州下垫面格局演变及其局地热环境效应

以苏州为研究区域,选择1986年Landsat TM、2006年Landsat ETM+遥感图像为主要数据源,分别提取下垫面类型和地表温度,研究景观格局指数的粒度效应,并在适宜粒度下分析景观格局的演变特征,进而研究其与热环境变化之间的关系。结果表明,研究区20多年来景观破碎化程度、斑块形状复杂程度与景观多样性变大,而聚集程度变低,热场变异指数增大区域的景观格局指数变化更为明显,这说明下垫面格局演变对热环境变化具有一定的影响作用。     

大气污染物排放量与颗粒物环境空气质量的空间非协同耦合研究——以武汉市为例

针对区域大气污染物排放量与空气质量在时空分布上存在不完全协同、匹配的现象,论文选择SO₂、NO_X、PM_2.5、CO和VOCs作为大气污染物指标,选择气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth, AOD)表征颗粒物环境空气质量,以武汉市为例,综合应用耦合模型和空间错位指数模型研究2类指标之间的空间非协同耦合规律。主要结论如下：① 武汉市大气污染物排放量与颗粒物空气质量具有不同空间分布特征,大气污染物排放量呈现由城市中心城区向远城区递减的趋势,其中SO₂、PM_2.5和VOCs的排放具有明显的中心聚集现象,而NO_X和CO聚集现象不显著,且与道路分布明显相关;AOD分布具有明显的空间差异性,总体上呈由西北向东南依次递减的趋势。② 武汉市大气污染物排放与颗粒物空气质量的空间非协同耦合规律：越靠近城市中心城区,空间协同耦合现象越显著,空间错位现象越弱;越远离主城区,空间非协同耦合现象越显著,空间错位现象越显著;SO₂排放量与AOD在武汉市远城区的空间错位指数均大于0.7,且耦合度指数小于0.3,呈现较强的非协同耦合特征,NO_X、VOCs、PM_2.5的排放量与AOD在武汉中心城区的空间错位指数均小于0.5,且耦合度指数大于0.5,协同耦合现象较为显著。③ 基于时空非协同耦合分析城市大气环境污染治理建议：针对污染物与AOD空间错位不显著的城市中心城区,以本地减排治理为主;针对污染物与AOD空间错位显著的远城区,应在污染溯源分析的基础上进行区域协调综合治理。     

The Heat Island Effect Response to the Urban Landscape Pattern of Haikou based on the “Source-Sink” Theory

The Landsat images of the 2000, 2005, 2010, 2015, 2018 are selected as the data source to retrieve land cover and surface temperature data. The contribution of Sink-Source landscape pattern to the heat island and its ecological effects on urban and rural gradient were analyzed by using Heat Index (HI), Sink and Source Landscape Contribution (CI_sink, CI_source) and Landscape Effect Index (LI) in Haikou. The results show that the heat island is concentrated on the West Coast, and in the central urban and Jiangdong New Area; the HI shows a pattern of decreasing value with the following land types: “Bare land>Artificial surface﹥Source landscape>Shrub grassland>Farmland>Sink landscape>Woodland>Water body”. In the central city section, the CI_sink and CI_source are relatively large in these five periods. The LI decreases rapidly along the urban-rural gradient, promoting the Urban Heat Island (UHI) to a large degree. In contrast, the suburban area contributes to a lesser degree. Overall, the LI fluctuates, the proportion of mitigating UHI is large, and there is a second peak outside the city center. The existing Source-Sink Landscape contributes the most to UHI in the central urban area, and this contribution decreases along the urban-rural gradient. With the continuous expansion of city-town areas, the proportion of Sink areas has increased along the gradient, and the proportion of Source areas has subsequently declined, resulting in the spatial transfer and diffusion of UHI. Therefore, a UHI mitigation strategy based on the theory of regional landscape systems is proposed here.     

基于Landsat TM的2001~2015年哈尔滨市地表温度变化特征分析

以哈尔滨市为例,基于2001年、2004年、2008年和2015年夏季Landsat TM 5 /OLI 8遥感影像为基础数据源,采用“单窗算法”遥感技术手段定量反演瞬时地表温度格局,并深入分析温度特征,分区差异和重心变化。研究表明：2001~2015年研究区温度增加1.44℃,平均温年增0.10℃,3时段（2001~2004年、2005~2008年、2009~2015年）年均温分别增加0.08℃、0.09℃、0.12℃,具有加速上升趋势;最高温增加2.74℃,始终位于香坊区,最低温基本恒定,始终位于道里区;2001~2015年极高、高、极低温度分区面积增加4.92 km²、104.07 km²、87.71 km²,年均增量均具有持续增加趋势,中、低分区面积减少110.61 km²、84.94 km²,具有波动降低趋势,极高、高、中、低分区格局总体按照城区-城乡结合地区-乡村的水平梯度扩展;地表温度重心向东偏南70.58°方向移动536.90 m,其中6个市辖区迁移方向和距离差异明显,表明地表能量移动方向和温度重新分布的活跃程度不同。总体来看,研究区地表温度上升明显,分区时空变化剧烈,能量的轨迹移动过程具有折返特征。     

亮温与地表温度表征的城市热岛尺度效应对比研究

利用ASTER数据反演亮温和地表温度,并对二者差异进行对比;利用地统计学界定采样的最大尺度范围,并分别将亮温和地表温度影像以原分辨率为基础进行尺度下推分析,在多尺度分割基础上,构建热岛面积百分比、热岛强度两个指标,用于表征城市热岛尺度效应的差异性。结果表明:亮温和地表温度在数量结构、表征地物温度变异程度上存在很大差异;随着像元尺度增加,用亮温和地表温度表征的城市热岛面积百分比存在明显的尺度效应,且前者明显强于后者,但二者表征的城市热岛强度的尺度效应不明显,且后者稍强于前者;二者表征的城市热岛面积百分比和热岛强度均存在明显差异,表明亮温表征城市热岛的欠合理性。鉴于以上不同,在相关研究中应谨慎选取研究尺度和温度类型。