城市用地?cái)U(kuò)展的熱島效應(yīng)遙感定量估算及其氣候特征研究.pdf

1、目前，世界上約54％的人口居住在城市地區(qū)，預(yù)計(jì)到2050年城市化率將增加到66％。城市化最直接的表現(xiàn)是土地利用/覆被的變化，下墊面的變化改變了城市地表接收的太陽(yáng)福射量和熱量交換效率，導(dǎo)致城市與郊區(qū)氣溫差增加，從而形成城市熱島效應(yīng)。上海作為中國(guó)的經(jīng)濟(jì)中心，改革開(kāi)放以來(lái)，城市擴(kuò)展速度加快，人口密度升高，研究上海市城市擴(kuò)展對(duì)熱島效應(yīng)的影響，揭示城市熱島效應(yīng)時(shí)空格局演變規(guī)律，對(duì)改善城市生態(tài)環(huán)境和推動(dòng)城市可持續(xù)發(fā)展有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

2、r>　　本文以上海市為研究區(qū)，采用1974-2015年Landsat、SPOT-5、HJ-lB CCD和2000-2013年MODIS等遙感數(shù)據(jù)以及11個(gè)國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站和120個(gè)區(qū)域自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)，運(yùn)用衛(wèi)星遙感技術(shù)、地理信息技術(shù)、統(tǒng)計(jì)回歸模型方法和氣候?qū)W分析方法，以建設(shè)用地空間信息提取，分析城市建設(shè)用地時(shí)空格局演變，城市擴(kuò)展對(duì)城市熱島效應(yīng)的影響和城市熱島效應(yīng)氣候?qū)W分析為主軸線，開(kāi)展上海市城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)展的熱島效應(yīng)定量遙感估算及其氣

3、候特征研究。主要研究結(jié)果如下:
　　(1)利用2005年Landsat ETM+衛(wèi)星數(shù)據(jù)，利用線性光譜混合分解得到高反照率、低反照率、植被和藍(lán)色屋頂四個(gè)端元的豐度圖;在此基礎(chǔ)上，利用迭代自組織數(shù)據(jù)分析方法提取高反照率豐度圖中的高亮土壤及低反照率豐度圖中的陰影和水體，最終獲得不透水面豐度圖。以2005年高空間分辨率的Google Earth、SPOT5影像和2003年土地利用現(xiàn)狀圖對(duì)2005年不透水面豐度圖進(jìn)行精度驗(yàn)證，RMSE值為

4、0.121，隨后結(jié)合閾值的設(shè)定提取2005年建設(shè)用地;根據(jù)以上的方法利用173景1974-2015年Landsat MSS/TM/ETM+/OLI和HJ-lB CCD等衛(wèi)星數(shù)據(jù)，獲取1974-2015年歷年上海市建設(shè)用地空間分布圖。通過(guò)采用圈層同心圓緩沖分析法和扇形分區(qū)法結(jié)合城市擴(kuò)展強(qiáng)度指標(biāo)分析上海市建設(shè)用地時(shí)空格局變化特征，發(fā)現(xiàn)區(qū)域建設(shè)用地?cái)U(kuò)展強(qiáng)度受距離市中心的距離影響，不同時(shí)期、不同方向建設(shè)用地?cái)U(kuò)展強(qiáng)度存在顯著差異。1978-201

5、5年上海市城市建設(shè)用地面積呈現(xiàn)逐漸上升趨勢(shì)，特別是2000年城市化進(jìn)程加速增長(zhǎng)。
　　(2)利用上海市徐家匯等11個(gè)氣象站點(diǎn)的1961-2013年逐月平均氣溫、最低氣溫和最高氣溫?cái)?shù)據(jù)，以徐家匯站為城市站點(diǎn)，其他站點(diǎn)為郊區(qū)站點(diǎn)計(jì)算1961-2013年上海城市熱島強(qiáng)度。結(jié)果表明:1961-2013年基于不同郊區(qū)站的上海市城市熱島強(qiáng)度總體上呈先增加后減少趨勢(shì)。1961-1990年基于徐家匯與周邊站點(diǎn)的年平均氣溫、最低氣溫和最高氣溫?zé)釐u強(qiáng)

6、度分別增加了0.34、0.48和0.25℃。1991-2003年基于不同郊區(qū)站的年平均氣溫、最低氣溫和最高氣溫?zé)釐u強(qiáng)度分別增加了0.41、0.78和0.34℃。在2004年左右基于大部分郊區(qū)站的年平均氣溫、最低氣溫和最高氣溫?zé)釐u強(qiáng)度達(dá)到最大值，而后熱島強(qiáng)度開(kāi)始下降。結(jié)合遙感影像提取的城市建設(shè)用地空間分布圖，發(fā)現(xiàn)這是由于作為參考站的郊區(qū)站點(diǎn)受到城市化的影響，建設(shè)用地比例增加，導(dǎo)致這些站點(diǎn)的氣溫上升，進(jìn)而使得徐家匯站點(diǎn)與郊區(qū)氣象站點(diǎn)的溫差下

7、降。
　　(3)上海中心城區(qū)氣象站徐家匯與郊區(qū)氣象站之間的城市熱島強(qiáng)度在2004年前后的轉(zhuǎn)折是什么原因引起的？值得進(jìn)一步探討。因此，本研究選取受城市化影響比較小的海島氣象站嵊泗站作為參照站，以便客觀反映城市化過(guò)程城市熱島強(qiáng)度變化。上海市11個(gè)氣象站點(diǎn)與嵊泗氣象站的年平均氣溫、最低氣溫和最高氣溫?zé)釐u強(qiáng)度總體上呈上升趨勢(shì)，其中最低氣溫?zé)釐u強(qiáng)度的增加速率顯著大于平均氣溫和最高氣溫?zé)釐u強(qiáng)度增加速率，也就是說(shuō)上海市各個(gè)氣象站的城市熱島強(qiáng)度還

8、處于上升過(guò)程中。
　　(4)為了分析城市熱島強(qiáng)度與城市建設(shè)用地的定量關(guān)系，以城市熱島強(qiáng)度為因變量，徐家匯站不同半徑緩沖區(qū)內(nèi)城市建設(shè)用地比例為自變量，建立城市用地?cái)U(kuò)展的熱島效應(yīng)遙感估算模型?；诓煌瑓⒖颊镜淖畹?、最高氣溫和平均氣溫?zé)釐u效應(yīng)的線性回歸模型決定系數(shù)范圍分別為0.31-0.86、0.39-0.81和0.50-0.87,均通過(guò)0.05顯著檢驗(yàn)。為量化郊區(qū)城市化對(duì)熱島強(qiáng)度的影響，以參考站閔行為例，利用熱島強(qiáng)度拐點(diǎn)之后的數(shù)據(jù)，建

9、立城市熱島強(qiáng)度與閔行站5km半徑緩沖區(qū)內(nèi)建設(shè)用地比例的定量模型，發(fā)現(xiàn)兩者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，即城市熱島強(qiáng)度隨閔行為中心的緩沖區(qū)內(nèi)建設(shè)用地比例增加而降低。這“逆變化過(guò)程”并非是徐家匯為中心的建設(shè)用地增加導(dǎo)致的，而是隨著郊區(qū)城市化的推進(jìn)，郊區(qū)氣象站點(diǎn)周圍建設(shè)用地增加而溫度上升，增溫效果超過(guò)徐家匯站引起。這意味著在城市化對(duì)氣溫的影響研究和城市熱島效應(yīng)研究時(shí)，合理選取“參考站”或郊區(qū)站點(diǎn)的，才能精確地估算城市用地?cái)U(kuò)展對(duì)熱島強(qiáng)度的影響。
　　(

10、5)針對(duì)目前利用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行城市熱島強(qiáng)度分析主要集中在短時(shí)間尺度研究問(wèn)題，本文從氣候?qū)W視角，利用2000-2013年Terra/Aqua-MODIS數(shù)據(jù)，揭示上海市城市熱島強(qiáng)度的氣候?qū)W特征。首先以MODIS反演的陸地表面溫度(LST)、增強(qiáng)型植被指數(shù)(EVI)、歸一化差異水體指數(shù)(NDWI)、太陽(yáng)天頂角(SZA)、距海岸距離(DTC)為自變量，采用逐步多元線性回歸方法，建立研究區(qū)氣溫遙感估算模型，模型驗(yàn)證精度在2.6°以內(nèi);在此基礎(chǔ)上，

11、利用估算模型，構(gòu)建長(zhǎng)時(shí)間系列、覆蓋研究區(qū)的1km分辨率的氣溫?cái)?shù)據(jù)集;以氣候?qū)W的角度從不同的時(shí)間尺度來(lái)分析2000-2013年上海市城市熱島時(shí)空特征及其演變規(guī)律，結(jié)果表明2000-2013年Terra和Aqua星過(guò)境時(shí)間的白天城市熱島強(qiáng)度分別為1.0和2.2℃，晚上不同衛(wèi)星過(guò)境時(shí)間的熱島強(qiáng)度為1.0℃。上海城市熱島效應(yīng)的晝夜、季節(jié)特征差異較為明顯，白天城市熱島效應(yīng)大于夜間城市熱島效應(yīng)。白天城市熱島效應(yīng)夏季最強(qiáng)，冬季最弱，相反晚上城市熱島效