地表城市热岛效应的概念内涵与定量刻画

明晰城市热岛（UHI）效应相关概念内涵、厘清其定量刻画方法是有效开展UHI效应研究的重要基础。全球城市化进程使UHI效应越发普遍,相关研究数量迅速增长并出现了UHI效应的多样认知,尤其对具有空间异质性表征优势的地表城市热岛（SUHI）效应开发了多样的定量刻画方法,但目前尚缺乏对其定量刻画方法的系统梳理。因此,本文对城市热岛、城市热岛效应、地表温度和城市热环境等易混淆概念进行了辨析,总结了各类UHI典型空间位置和尺度范围。在SUHI效应定量刻画中,将SUHI范围识别方法归结为城乡温度阈值、温度等级阈值、高斯拟合参数、温度衰减突变四大类,指出当前SUHI范围识别研究侧重于对SUHI影响规模的认知。研究同时对各类范围识别方法所对应的SUHI强度表征指标进行了梳理,认为理解指标本质内涵是掌握指标间潜在差异的前提。未来研究应整合多维度数据以突破单一SUHI监测途径,发展大尺度SUHI定量刻画方法以拓展定量研究的广度,认知连通化SUHI空间形态以挖掘范围识别研究的深度。     

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。     

珠江三角洲土地覆盖变化对地表温度的影响

由于经济的快速增长,1978年以来的25年中,珠江三角洲地区的土地覆盖变化,特别是城市扩展速度非常之快。通过把遥感和地理信息系统相结合,研究了土地覆盖变化及城市增长状况,并且评估了城市增长对地表温度的影响。利用陆地卫星多时段数据监测了土地利用和土地覆盖变化;通过陆地卫星热红外单波段反演了地表温度,研究了土地覆盖变化特别是城市增长对地表温度的影响。结果发现,珠江三角洲地区土地覆盖变化明显,城市增长显著且不平衡。城市的发展使城市化地区的地表温度提高了8.9K。研究表明,遥感和地理信息系统的结合,在监测和分析土地覆盖变化,特别是城市增长状况以及评估城市化对地表温度的影响方面,是十分有效的。     

热红外遥感图像中云覆盖像元地表温度估算初论

云覆盖是热红外遥感应用和地表温度(Land Surface Temperature,LST)遥感定量反演的重要障碍。如何估算热红外遥感图像中云覆盖像元的地表温度,是热红外遥感的前沿研究难题。以地表热量平衡为基础,根据地表温度的空间分布连续性、植被对地表温度的影响,提出三种解决云覆盖像元地表温度估算方案:空间插值修正法、植被关系修正法和改进型地表热量平衡法,并探讨云覆盖区地表温度空间分布的洼地效应现象、洼地效应强度及计算方法。基于地表热量平衡方程的洼地效应强度因子和影像灰度值之间关系的数值模拟,是三种估算方案切实可行的关键。     

局地气候分区框架下城市热岛时空分异特征研究进展

局地气候分区（LCZ）框架自2012年提出以来,在城市热岛研究领域备受重视,但目前对LCZ框架下城市热岛（简称LCZ城市热岛）时空分异特征仍缺乏系统性总结。本文以统计和“荟萃分析”为手段,系统梳理了2012—2019年LCZ城市热岛研究在数据获取手段、时空格局和影响因素3个方面的进展,并对今后研究进行了初步展望。结果表明,迄今为止全球范围内已在超过130座城市开展了LCZ城市热岛研究,这些城市主要集中于中纬度（35°N~55°N）的亚洲和欧洲地区,且主要聚焦于以近地表气温表征的“冠层热岛”和以地表温度表征的“地表热岛”。具体而言：① 在温度数据获取方面,站点观测（文献数量占比42.5%）、模型模拟（38.3%）与移动测量（19.2%）是获取气温的主要方法,其中模型模拟方法占比逐年升高。而卫星热红外遥感是获取地表温度的主要手段（86.5%）。② 在时空格局方面,就全球而言,LCZ气温的类间极值差（均值为3.1 K）显著低于地表温度的类间极值差（9.8 K）,且该极值差通常在夏季或冬季较大;冠层热岛与地表热岛均存在显著的“LCZ类内热岛”现象。③ 在影响因素方面,多数研究局限于定性分析地表结构、覆盖、材质和人类活动的影响,而普遍忽略了建筑布局与邻近LCZ类型等潜在因素的作用。本文将有利于从整体上更好地把握LCZ城市热岛的研究进展与今后的发展趋势。     

基于形态学的城市建成区绿色空间与地表热岛演化关系研究——以西安市为例

以形态学视角,厘清城市绿色空间（urban green spaces,UGS）与地表城市热岛（surface urban heat island,SUHI）形态演化的关系为存量背景下如何微调绿地改善城市热环境提供了新途径。本文以西安市建成区为例,基于形态学空间格局分析法,分析2002—2021年UGS形态演化特征,同时识别SUHI范围,以地表城市热岛扩张指数拆分SUHI形态演化过程。在此基础上,采用皮尔逊分析法与随机森林模型相结合的方式,探讨UGS与SUHI形态演化的动态关系,同时参照西安市国土空间总体规划草案,提出具体的UGS改造方案并进行空间落位,进而预估改造措施实施后的效果。结果表明：(1) 2002—2021年,UGS面积缩减,整体呈现大斑块破碎,小斑块消失,相互间连通性降低的趋势。(2) 2002—2021年,地表温度最高值逐年攀升,温度增幅下降;SUHI覆盖范围蔓延程度大于收缩程度。SUHI收缩由建成区中央点状收缩转变为建成区边缘点状收缩。2002—2012年,边缘式扩张为主要扩张类型,存在于城市边缘地带,2012—2021年,边缘式扩张和填充式扩张比例相当,在研究区均匀分...     

利用TM数据监测岩溶山区城市土地利用变化

该文以贵阳市为例，利用多时相的TM遥感数据及相关资料对地质构造复杂，地表覆盖类型多样的岩溶山区城市土地利用变化进行了调查和动态监测，基于图像光谱信息特征分析，确定了用于贵阳市土地利用变化遥感图像分类的最佳波段组合，利用热红外波段TM6，基本消除了岩溶山区遥感图像分类中阴影和水体混分现象。     

遥感估算热惯量研究的回顾与展望

热惯量是影响地表温度变化的一个重要因子,随着热红外数据反演地表温度算法的不断完善,遥感技术已 成为估算热惯量的主要手段。本文回顾了近些年来遥感估算热惯量研究的进展,对其中3 种主要方法即地表温度 日较差法、日出日落温差法及模型反演法进行了评述,重点讨论了地表温度日较差估算热惯量方法,并提出从加强 机理研究、尺度转换及采用多时相多光谱数据等方面进一步完善遥感估算热惯量方法、提高其估算精度的设想。     

MODIS资料用于塔克拉玛干沙漠地表温度计算方法初探

用热红外通道的遥感数据计算陆地表面温度是MODIS资料的重要应用之一。陆地表面温度(LST)是表征地球表面能量平衡和气候变化的很好指标,也是研究区域或全球陆地物理过程的关键参数。特别是对于面积广大、人烟罕至的沙漠地区,用遥感资料反演其地表温度更显得非常必要。作者主要介绍MODIS资料用于塔克拉玛干沙漠地表温度的计算方法。     

基于遥感的城市热岛效应研究

热红外遥感和气候学的交叉融合为城市热岛效应提供了新的研究方法。从城市热岛的空间分布与土地利用类型、植被覆盖关系、人为热关系以及城市热岛效应演变4方面分析热红外遥感在城市热岛研究中的应用现状;探讨目前存在的两个主要问题:城市地物真实温度难以获取,遥感和气候模型结合不密切;提出遥感和气候模型结合以及多平台、多尺度、多角度遥感的综合应用等是城市热岛效应遥感研究的发展趋势。     

归一化水汽指数与地表温度的关系

城市热岛的遥感研究,传统上主要利用归一化植被指数作为指标来评估地表温度-植被之间的关系。本研究探讨了以归一化水汽指数作为评估其与地表温度关系的适应性,比较了归一化水汽指数和归一化植被指数在表达城市热岛效应方面的效力。利用"单窗算法"和3个不同时段的TM/ETM+数据获取了珠江三角洲核心区域的地表温度分布图,分析了两种指数与地表温度之间的关系。对局部区域逐像元和对区域总体分析的结果表明:不同时段的地表温度与归一化水汽指数之间均存在较强的线性关系,而地表温度与归一化植被指数之间的线性关系相对较弱。说明在城市化的环境下,与传统上常用归一化植被指数作为指标来定量分析地表温度相比,归一化水汽指数提供了一种互补的、甚至更加有效的衡量指标。     

基于CBERS-02 IRMSS和MODIS数据的地表温度反演与热环境评价

应用中巴资源卫星热红外遥感数据(CBERS-02 IRMSS)和普适性单通道算法反演福州市的地表温度.反演过程中使用同时相的MODIS数据在像元尺度上获取的大气水汽含量替换标准大气模拟值,参考气候资源评价中人体舒适度指数模型,建立基于地温的热环境评价模型,并对福州城市热环境进行评级.结果表明:中巴资源卫星热红外数据对城市热岛和热环境研究具有重要的应用价值,多源遥感数据的结合可以提高地表温度的反演精度,而基于遥感反演参数的热环境指数评价方法能够较好地描述城市热环境的空间特征.     

南京市热场分布特征及其与土地利用/覆被关系研究

文章采用Landsat ETM⁺热红外波段反演LST,分析南京市热场分布规律,构建了土地覆被指数LCI定量表示热场分布特征与土地利用/覆被的关系。结果表明:南京市存在三个连续分布且范围较广的热岛中心,主要分布在工业区;建成区平均温度比郊区高0.972℃;土地利用/类型的空间格局总体上决定了城市热场的空间分布,下垫面介质的热特征和生物学特征差异是地表温度不同的根本原因,工业热源是南京市热岛形成的重要因素;LCI可以和城市气候模型、水文模型结合起来运用,为城市热岛提供一种新分析方法。对某一特定区域而言,随着城市化水平的提高,单位面积内LCI值逐渐减小。     

城市土地利用类型及格局的热环境效应研究——以上海市中心城区为例

以上海市中心城区为例,首先采用SPOT影象,人工解译出城市土地利用的类型,同时利用Landsat7卫星,ETM+影象的热红外波段反演每个像元内的陆地表面温度,分析陆地表面温度在不同土地利用类型之间的差异,进一步分析不同土地空间分布格局与地面温度之间的关系。研究结果显示:上海市地表温度具有明显中心城区高、郊区低的热岛效应存在;在城市不同土地利用类型上的表面温度具有显著性差异,两两之间的比较揭示,城市地面温度在大多数土地利用类型之间的差异是显著的。城市内部不同土地类型所产生的热环境效应不同;城市土地类型在空间布局上越复杂,其产生的热岛效应越明显。     

基于MODIS数据的长株潭地区NDBI和NDVI与地表温度的关系研究

基于4个季节的MODIS影像,计算长株潭地区的地表温度、NDBI和NDVI,比较NDBI和NDVI与地表温度之间关系,对地表城市热岛效应研究的指标NDBI和NDVI进行对比分析.结果表明,NDBI与4个季节的地表温度间都存在明显的线性关系,而NDVI与地表温度间关系并不明显且随季节发生变化,说明NDBI是地表城市热岛效应研究的有效指标,在地表城市热岛效应的季节变化研究中NDBI可作为NDVI的一个附加指标.     

高分辨红外辐射探测器地表温度数据在江苏地区1980—2009年间适用性评估

地表温度在物理和生物过程中起着关键作用,也是评价地表热环境的重要指标。因此,了解地表温度时空变化对城市热岛监测及生态质量的评价具有重要意义。高分辨红外辐射探测器地表温度(HIRS LST)是目前时间尺度最长的全球逐小时地温数据集。为了解江苏省地表温度的时空分布情况并研究HIRS LST数据在江苏的适用性,论文选择江苏省1980—2009年49个站点的实测地表温度数据,利用相关系数、偏差、非偏性均方根误差等方法,对HIRS产品从多角度进行了验证。结果表明,HIRS地表温度与站点地表温度数据有较好的一致性。两者相关系数在整个区域都高于0.98,2种数据的距平相关系数在0.65~0.80之间。两者偏差和非偏性均方根误差表明,HIRS的数据在江苏北部和南部部分地区低估了地表温度,主要原因是其对高于32 ℃的地温事件发生次数存在较大程度的低估。然而,HIRS LST在很大程度上高估了在20~30 ℃之间的较高温日数。在年际变化方面,HIRS LST与观测数据在春季的相关性最高,冬季最低。趋势检验表明,2种数据在春、秋、冬3个季节均呈现出明显的增长趋势,增温趋势呈现出相似的空间变化。但是,该地区夏季的地表温度长期趋势被明显高估,HIRS数据并未反映出该地区北部大面积的降温趋势,而在其他季节的地表温度被低估。     

城市地表温度对土地利用/覆被变化响应的遥感研究——以乌鲁木齐为例

 快速的城市化对城市环境产生显著的影响,基于遥感定量研究地表温度对土地利用/覆被变化（LUCC）的响应,来评估快速城市化对环境的影响,是一种快速、有效的途径。以干旱区典型绿洲型城市——乌鲁木齐为例,将遥感与地理信息系统相结合,利用1990年和2009年两期陆地卫星影像为基础数据进行土地利用/覆被分类,并基于单窗算法定量反演同期的地表温度,从而对快速城市化进程中的土地利用/覆被类型动态变化的空间特征及地表温度对快速城市化的响应情况进行了定量研究。结果显示,在近20 a间,乌鲁木齐城市迅速扩张,土地利用/覆被类型变化显著,城市建设用地增长率高达44.73%;同时城市的快速发展使地表温度提高了近6 ℃。研究表明,温度变化格局,尤其是增温区的空间分布与城市扩张的空间格局基本一致,说明地表温度对城市的土地利用/覆被变化产生了显著的响应。     

城市地表热通量遥感反演及与下垫面关系分析

选择日本埼玉县熊谷市为研究区,应用ASTER热红外遥感图像,采用PCACA模型以及理论定位算法,对城市地表热通量的相关参数进行反演,进而分析城市下垫面不同土地覆盖类型对地表热通量以及能量平衡的影响.结果表明,PCACA模型应用于城市区域地表通量估算是可行的.这种算法可以大大减少在下垫面结构复杂的城市区域进行地表热通量估算时所需的参数,并有效降低研究结果的不确定性.研究发现,城乡不同下垫面地表覆盖类型对地表热通量的影响差异显著.不同地表下垫面类型的波文比由大到小顺序依次为:工业用地＞住宅用地＞交通用地＞公共设施用地＞旱田＞公共绿地＞水域.在相同的外部气象条件下,与城市周边的植被覆盖区相比,城市人工建筑用地具有较高的显热通量,较低的潜热通量,以及较高的波文比.由于城市地表显热通量和波文比明显高于周边植被覆盖地表,导致城市地表向低层大气供热的增加,这是城市热岛效应形成的重要机制之一.