基于改进城乡二分法的城市群热岛效应时空异质性及其影响机制

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作者：

陈圣子

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摘要：

城市地区的地表温度比农村或者郊区的温度高的现象被定义为地表城市热岛(Urban heat islands,UHIs),是由城市化引起的最重要的城市环境问题之一.城市群作为新的城市形态,具有空间组织结构紧密,经济联系密切等特征.如何理解城市群发展模式下热岛效应及其影响机制是当前迫切需要解决的难题.了解不同时间尺度和空间尺度的热岛差异,厘清热岛强度的影响机制随空间尺度发生变化的规律性是城市群热岛研究的重要任务.城市热岛强度常采用城乡二分法进行评估,即城市与郊区,周边乡村的实时或累计的地表温度的差值.然而,传统的城乡二分法难以适用于城乡一体化或城市之间距离缩短甚至消失的城市群热岛研究.因此,本文引入区域热岛(Regional Heat islands,RHIs)的概念,突破单一城市的边界,改进城乡二分化,以像元为评估单元,提取受城镇化影响最小的周边背景,构建适用于区域热岛强度评估的方法.以长三角城市群作为案例,选取2003-2017年的EOS/MODIS热红外遥感数据,从城市群和单个城市两个角度研究长三角城市群热岛强度的时空格局和特征,重点分析各城市热岛强度的共性和差异以及核心城市与各城市之间热岛的相互关系;选取生物物理因子,社会经济因子以及气候因子探讨其对长三角城市群热岛强度的影响.基于逐步线性回归方法分析不同影响因子的相对重要性,进而明确不同季节热岛强度的主导因子;从像元尺度扩大到城市尺度,检验空间尺度对影响因子与长三角城市群热岛强度的相关性的影响,进一步理解长三角城市群热岛强度空间异质性的成因和空间分布模式.主要研究结果如下:(1)提出改进城乡二分法的区域热岛强度评估方法.基于土地覆盖类型,海拔,年最大植被指数和人为热排放四个指标提取受城镇化影响最小的周边背景,以1 km×1 km为最小评价单元,构建区域热岛强度(Surface Regional Heat Island Intensity,SRHII)评估方法,并将其应用于长三角城市群热岛强度评估.结果表明长三角城市群2017年夏季热岛强度为5.97℃,是运用传统城乡二分法评估结果(2.44℃)的2倍,这说明传统的城乡二分法一定程度上低估了长三角城市群的热岛强度,主要是由于城市热岛对周边乡村产生影响,传统的城市热岛强度忽略了热岛之间聚集效应.(2)从2003到2017年,长三角城市群夏季白天热岛区域面积从21.74%增长到31.03%;夏季白天弱热岛(2℃SRHII≤4℃),中热岛(4℃SRHII≤6℃)和强热岛(SRHII6℃)区域面积分别增长了1.28%,4.18%和5.74%.夜间年平均热岛区域面积(SRHII≥2℃)从2003年的7510 km~2增加到2017年20097 km~2.分析各城市热岛强度和形态的变化特征,结果发现白天大部分城市春季(县级城市个数N=28),夏季(N=24),秋季(N=24),冬季(N=22)平均热岛强度分别为2-3℃,4-5℃,1-2℃和0℃,夜间平均热岛强度低于白天.苏州市,无锡市,常州市和南通市强热岛区呈现向上海方向转移的趋势,绍兴市,余姚市和慈溪市的强热岛区呈现向杭州方向转移的趋势.(3)长三角城市群热岛强度的主导因子存在一定的季节差异.白天热岛强度的主导因子在春季,夏季,秋季和冬季分别为增强型植被指数(解释度为33.27%),归一化建筑密度(37.28%),归一化建筑密度(26.83%)和降水(26.16%).夜间,春季,秋季和冬季长三角城市群热岛的主导因子均为改进的归一化差异水体指数(54.12%,52.62%和24.19%),夏季的主导因子为增强型植被指数(42%).改进的归一化差异水体指数对长三角城市群热岛强度的影响在白天表现出降温作用,夜间表现出增温作用,这表明水体不是热岛降温的最佳选择.此外,白天热岛强度从弱热岛,中热岛到强热岛的增强,归一化建筑密度,地表反照率和人为热排放的增温效果变得更加明显,而植被和水体的降温作用则更强烈.(4)生物物理因子,社会经济因子和气候因子对长三角城市群热岛强度的相对重要性很大程度上取决于空间尺度.城市尺度上人均国内生产总值,人为热排放和人口密度与热岛强度的相关性比像元尺度分别高0.18(p0.01),0.24(p0.01)和0.34(p0.01).气温和降水与热岛强度的相关性在城市尺度比像元尺度高0.07和0.34.这表明人类活动和气候背景对热岛强度的重要性在较粗的空间尺度上更加突出,城市群热岛集聚效应及人类活动的影响将加剧区域环境的压力,控制人为热排放对缓解大尺度上的热岛强度是有效的措施.(5)长三角城市群热岛强度与主要影响因子的空间关系表明其回归系数具有显著的空间异质性.运用最小二乘回归模型计算夏季长三角城市群热岛强度的局部R~2为0.79,而地理加权回归模型的局部R~2为0.91,表明地理加权回归模型能更好的识别空间异质性.归一化建筑密度指数与热岛强度的回归系数随归一化建筑密度指数递增而增加,说明城市化程度对热岛强度有重要影响.气温和降水与热岛强度的回归系数的空间异质性表现为由东南沿海向西北内陆递减,从而制定重点突出的热岛缓解措施和生态环境管控方案.

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