城市空间形态对城市热岛效应的多尺度影响研究进展

随着全球城市化的快速发展和气候变暖及极端高温事件的加剧,城市热岛效应已成为了21世纪影响人类生存发展的重要环境问题。因此,阐明城市热岛强度时空变化特征,揭示多空间尺度下的形成机制是人文地理学和气候学研究的热点和前沿交叉科学问题。从街道峡谷微观尺度、城市街区局部尺度和城市宏观尺度全面总结和系统梳理了城市空间形态对城市热岛效应的多尺度影响和耦合机制,提出了未来通过定量表征城市热岛强度、城市空间形态的空间格局、时间演化特征及规律,构建空间关系分析模型,进而揭示城市空间形态在不同时空尺度对城市热岛强度的作用机制,为城市规划、宜居城市建设以及气候变化的响应与适应研究提供理论指导。     

Predicting air temperature simultaneously for multiple locations in an urban environment: A bottom up approach

Cities are characterized by high heterogeneity that results in varied microclimate effects. The current study introduces a new bottom–up approach linking the urban Canyon Air Temperature (CAT) model with spatially distributed inputs extracted from a GIS data-base and remote sensing products to predict intra-urban temperature variability simultaneously for multiple locations in an urban environment. To provide proof of concept, the model was applied for the city of Bat-Yam, Israel. Simulation shows a maximum nighttime urban heat island (UHI) intensity of 2–2.25 °C, relative to a rural reference point, during both summer and winter, with significant spatial variability related to the height-to-width ratio of urban street canyons and to the surface land cover. The CAT simulation also highlighted the important influence of the local wind regime on the development and persistence of the nocturnal UHI. We conclude that linking CAT to a GIS data-base supports simulations at the city scale that reflect the local intra-urban variability. The model can be used to investigate both macro and micro scale spatio-temporal characteristics of the UHI in various urban development scenarios, which may be applied to generate appropriate geographically-explicit mitigation and adaptation measures.     

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。     

济南市城市热岛效应的时空分布特征

论文应用区域自动气象站2007～2008年逐时气温观测资料,分析了济南城市热岛的时空分布特征,结果表明,无论春、夏、秋、冬,济南的城市热岛在空间分布上均以泉城广场、市政府为中心呈环状放射发展。热岛强度以冬季最强,秋、春季次之,夏季最弱。对城市热岛进行小波分析发现,济南冬季和夏季城市热岛的主要振荡周期是以准24h为代表的日变化和准270h所代表的旬变化为主。夏季日变化不如冬季明显,夏季旬变化略强于冬季。济南城市热岛以日为周期呈规律性变化,城市热岛强度表现为夜间强,白天弱。     

“源-汇”景观格局的热岛效应研究——以武汉市为例

论文基于2017年Landsat 8遥感影像,通过GIS技术选取城市地表温度、源汇景观密度、源汇景观贡献度和景观效应指数,结合地理空间分析和数理统计方法,分析了武汉市局部源汇景观格局对城市地表温度的贡献及其效应。结果表明：① 武汉市城区热岛(urban heat island, UHI)季节变化明显,夏季热岛强度大、范围广,呈“大”字型分布,工业集聚区和经济开发区产生的UHI更显著;② 武汉市城区平均地表温度(land surface temperature, LST)在距市中心约8 km处达到峰值后沿城乡梯度逐渐下降,呈现“倒钩型”特征,这一现象与景观密度变化密切相关;③ LST与源(正向)、汇(负向)景观密度存在极强相关性,不透水表面是城区热岛的主要贡献因子;④ 相同密度的水体和绿地,水体更具有削弱城市热岛效应的功能;⑤ 一般当汇-源景观面积比>0.89(汇区密度>0.47)时,局部景观格局对城市热岛有缓解作用,且局部汇区越集中缓解效果越显著。     

The socio-spatial dynamics of extreme urban heat events: The case of heat-related deaths in Philadelphia

Heat is the number one weather-related cause of mortality in the United States; typically punctuated by extreme heat waves. This study examines the relationship between the spatial distribution of vulnerable populations, satellite-detected urban heat island (UHI) and heat-related mortality distributions during a 1993 extreme heat event in Philadelphia, PA. Geostatistical methods are used to compare spatial distributions of vulnerability and to determine concentration of mortality within surface UHI intensity levels. The results suggest the spatial distribution of urban poor is congruent with heat-related death. Additionally, deaths are concentrated in higher order surface UHI intensity levels. The findings suggest that surface UHI measures and population in poverty are important variables in spatially measuring risk from extreme heat events. Coupling surface UHI measures with socioeconomic indicators of vulnerability may enable creation of risk models with improved spatial specificity to assist public health professionals. This approach is demonstrated by developing a linear regression model of potential risk in Philadelphia for the 1993 extreme heat event.     

上海城市热岛与热浪协同作用及其影响因子

在全球变暖的背景下,热浪变得更加频繁。城市地区由于城市热岛效应在热浪事件中承受更大的风险。然而城市热岛与热浪之间的相互作用还少有研究。利用2016-2017年两个夏季（6-8月）上海城、郊气象站逐时气温、风速、相对湿度资料、城区徐家汇和郊区奉贤涡动相关通量观测资料对比分析了热浪和非热浪期间城市热岛强度的差异,并利用一个平流扩散解析模型揭示了城市热岛与热浪相互作用的物理机制。结果表明,热浪期间的城市热岛强度相比非热浪期间明显增强,且白天增强大于夜间,显示出城市热岛与热浪之间的协同效应。热浪期间城、郊相对湿度比值相对非热浪期间明显减小,表明热浪期间城区地表相对郊区变得更干,从而抑制了蒸发作用,加剧了城市热岛强度;平均风速也明显减小,平流降温效应减弱,对城市热岛强度起正反馈效应。热浪期间城区净辐射通量的增加大于郊区,使城区获得更大地表辐射输入;由于城区更少的植被覆盖和更多的不透水下垫面,热浪期间城区潜热通量略有降低,而郊区明显增加;城区感热通量增幅则大于郊区,这种感热和潜热通量分配的改变也加剧了城市热岛强度。本研究对城市如何应对加剧的热风险具有重要的科学指示意义。     

北京城区城市热岛的多时空尺度变化

利用气象台站数据分析北京城郊气温和城市热岛（UHI）强度的年变化及风速对北京UHI的影响;同时分析北京5个城市站点UHI在不同季节的日变化特征。结果表明,近44 a来北京市区与郊区的多年平均气温和UHI强度均呈增加的趋势。风速的降低促进北京城区的UHI出现增加趋势。风速对UHI的季节变化影响也很显著。2005年北京UH...     

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。     

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。     

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。     

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.     

城市化对极端高温事件影响研究进展

目前有关城市热岛效应的时空分布特征及其对气温变化趋势的影响已有大量研究,但对于极端高温—热岛效应相互作用、城市化对高温热胁迫及其健康后果的影响等研究还不够深入,在进行未来气候变化预估时也很少考虑城市的影响。在气候变化、中国城市化快速发展和人口老龄化的背景下,这将严重低估城市未来的变暖幅度以及城市极端高温的健康风险。随着近年来气候变暖所导致的高温热浪事件频发,城市化对极端高温事件的影响引起了广泛关注。本文对国内外陆续开展的城市热岛效应影响极端高温及其长期趋势的观测事实、城市极端高温数值模拟、城市高温期间超额死亡率的流行病学研究等方面所取得的成果进行了系统性的总结和评述。大部分观测和数值模拟研究都发现,城市热岛效应加剧了城市极端高温发生的范围和强度,增加了城市居民的高温健康风险,对城市极端高温的长期上升趋势也有重要贡献;流行病学研究表明,城市化引起的热岛效应对极端高温期间的死亡率有着重要影响。最后,对城市化影响极端高温未来的研究方向进行了探讨。     

中国城市群热岛效应时空演变及其影响因素分析

基于长期不透水面和MODIS地表温度数据,分析2000—2015年中国城市群扩张及热岛效应时空演变,进而综合采用冗余分析(RDA)、线性回归分析和变异分配分析(VPA)等方法,揭示城市群城市热岛效应的驱动机制。结果表明：城市群内建成区面积快速扩张,不透水面比例从2000年2.08%增长到2015年5.33%,且主要集中于珠江三角洲等沿海城市群;2000—2015年,夏季热岛分布较广,且白天强度高于夜晚。东部以及大部分北部城市群如哈长城市群等,降温强度较大,但其夜晚热岛效应在不同程度增强。冬季夜晚比白天热岛分布广、强度高,北方、西北、东部等地区夜晚热岛效应也在增强;自然环境因素显著影响城市群热岛强度,降水对夏季夜晚热岛强度起显著负贡献(22%),纬度越高,冬季夜晚热岛强度也越高。人为因素显著影响夜晚热岛分布和城市群内热岛强度的平衡,城市植被覆盖显著减少夜晚城市群内热岛分布,灯光强度对夏季夜晚热岛强度起显著负贡献(24%),对热岛比例起显著正贡献(27%),人口密度对夏季夜晚热岛强度起显著负贡献(31%);自然环境因素对热岛强度的贡献占主导,而人为干扰因素对热岛比例的贡献占主导。     

Influence of urban expansion on the urban heat island effect in Shanghai

The urban heat island (UHI) effect resulting from rapid urbanization is attracting increasing attention among the global scientific community. This research analyzed the relationship between urban expansion and the UHI effect utilizing an integrated approach, including urban land interpretation and retrieving land surface temperature based on remote sensing, and spatial overlay analysis for revealing the relationship for different time periods between 1984 and 2014 in Shanghai, China. The results show that (1) the spatiotemporal changes in UHI are consistent with the expansion of urban land, and rapid urban expansion leads to an expansion of the UHI, in particular along roadways. (2) The mode of urban expansion is an important factor influencing the UHI effect. Urban sprawl (urban expansion in the edge-expansion way) is a form of typical expansion that leads to the rapid increase in the UHI. When the urban compactness ratio is less than 0.15, a compact design can effectively control the expansion rate of the UHI and mitigate its range of influence and intensity. However, when the urban compactness ratio is greater than 0.15, the urban design has a marked influence on the UHI ratio index: a more compact form produces a stronger UHI effect. So, finding an equilibrium between urban compactness ratio and urban expansion rate is good for effective urban management and planning.     

北京地区城市热岛强度长期变化特征及气候学影响机制

选择北京地区为研究区,基于1967~2016年城市站（北京站）和城郊农村站（密云站）的长期气象观测数据,研究平均气温、最高气温、最低气温对应的城市热岛强度长期变化特征及其气候学影响机制。研究发现,过去50 a平均气温和最低气温对应的城市热岛强度显著增加,增温率分别为0.29℃/10a和0.45℃/10a,而最高气温对应的城市热岛强度则没有明显变化趋势;统计分析显示过去50 a北京地区相对湿度、风速和日照时数显著降低以及气温显著上升有利于城市热岛的形成,强化城市热岛强度;未来全球变暖和快速城市化背景下北京地区城市热岛效应将进一步加剧,形成更频繁和持续时间更长的夏季城市高温热浪,严重危及城市居民生产生活和生命健康。     

收缩城市住宅价格空间分异及影响机制——以鹤岗市为例

收缩城市的经济社会问题逐渐凸显,住宅市场发展呈现出消极态势,房价变化成为社会关注的焦点。在此背景下,论文以典型收缩城市——黑龙江省鹤岗市为例,基于住宅小区、夜间灯光、POI数据,利用Kriging插值和多尺度地理加权回归模型等方法,结合鹤岗市空间增长与收缩情况分析住宅价格空间分异特征及影响机制。结果显示：① 鹤岗市住宅价格呈圈层模式分布,核心—外围分异程度强。高水平住宅价格小区集聚在核心区内且分布规模小,中高值圈层扩散态势弱;外围工矿型辖区收缩情况相对严重,住宅价格水平低且波动小。② 城市发展状态与住宅价格水平存在空间相关性。不同收缩程度区域经济发展态势、居民收入水平、人口减少与老龄化、保障房建设规模等宏观因素差异影响着住宅价格总体空间分异格局。③ 城市内部区域的增长或收缩状态影响微观设施的作用效果。发展中心的区位优势对增长型区域住宅价格的正向作用更强,高水平公共服务对核心区和城市北部收缩区域住宅价格的增长有明显积极效应,企业工厂的分布对增长型区域住宅价格的负向影响更突出,各因素相互联系、交互影响,共同作用于住宅价格空间分异。     

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.     

楚雄市2008年城市热岛效应实测数据分析

利用楚雄市2008年实测气温数据和楚雄市气象观测站2008资料,分析了楚雄市2008年城市热岛强度的变化,并与楚雄市往年城市热岛效应做对比分析,得到了2008年楚雄市城市热岛效应的月变化和日变化规律;同时分析了热岛强度与地面风速、相对湿度、气压以及大气污染物的灰色关联度。结果表明,2008年楚雄城市热岛效应的日变化和月变化规律明显,热岛效应呈现出明显的时段性和季节性;气象因子中风速和相对湿度对热岛的影响明显,大气污染物因子中NO2对热岛的影响较大。     

基于遥感数据的苏州市热岛效应时空变化特征分析

城市化对于城市环境的一个重要影响是热岛效应.为了研究苏州市20多年来城市化进程对热岛效应的影响,采用遥感与GIS相结合的方法来定量的分析城市热环境的时空变化.根据1986和2004年两个时相的Landsat TM影像提取了研究区的土地覆盖以及亮温信息,在此基础上通过统计分析和GIS的缓冲区分析对这18a来苏州地区的热岛时空变化及其与土地覆盖变化的关系进行了深入研究.分析结果表明,城市热岛与城区的空间分布之间存在明显的一致性.