城市热岛效应地表通量空间分布研究

城市化进程的加快促使更多大中城市的产生以及城市面积的扩展,导致更加严重的城市热岛现象。为了更加深入理解城市热岛效应产生根源,以西安市城区为例采用美国陆地卫星遥感数据反演或估算地表温度、植被指数以及地表通量等变量,不仅采用传统的地表温度参数理解城市热岛现象,还着重分析城市建成区和郊区的地表通量空间分布格局及其与地表温度的关系。研究发现西安城市建成区与郊区之间热环境存在显著的差异,地表温度不仅与植被覆盖状况具有密切的关系,还与地表潜热通量和实际蒸散发变量存在显著的反相关关系。详细分析表明拥有众多工厂企业的西安市莲湖区热岛效应尤为显著,而位于市中心的新城区次之,具有较大面积郊区的灞桥区热岛效应并不明显。因此城市绿地不仅影响城市建成区的地表温度空间分布,还对地表通量以及实际蒸散发的空间格局产生重要的影响,在调节城市热岛效应方面具有重要的作用。
     

土地利用变化下北京市热通量的时空演变

探究土地利用变化对城市热通量的影响,对城市用地规划和城市热岛缓解具有重要指导意义。利用混合像元组分排序对比和分层能量切割方法,通过Landsat系列数据反演的地表参数,结合气象再分析资料,估算了2004、2009、2014和2017年4期9月份的北京市地表瞬时热通量,依据同期的北京市土地利用图,分析了北京市热通量随土地利用变化的时空演变。结果表明：①北京市地表温度和热通量分布具有明显的空间异质性,山区和平原、平原不同土地利用类型之间差异明显;②在不同时期,土地利用类型间的地表温度和热通量的高低次序具有一致性,瞬时潜热通量,林地最高,为347.85~546.95 W/m²,其次为耕地、草地,建设用地最小,为225.23~349.03 W/m²,感热通量和地表温度则相反,建筑用地最高,分别为94.06~189.28 W/m²和25.18~32.25 ℃,耕地和草地次之,水体的最低,分别为28.15~102.55 W/m²和19.25~28.38 ℃;③土地利用类型转变引起的城市热通量变化方面,自然表面转为建设用地时,潜热通量急剧减少,感热通量增加,城区周边耕地的潜热通量受城市热辐射影响而增加,城市绿地能有效缓解城市热岛效应。     

基于ASTER遥感的杭州城市热/冷岛的景观特征分析

以杭州市中心城区为研究对象,基于ASTER热红外遥感数据反演杭州市中心城区地表温度、提取热环境边界,结合Landsat8OLI数据进行土地利用分类来提取不透水面和植被信息。在此基础上主要进行以下两方面研究:通过均值—标准差法提取杭州市热岛和冷岛边界,对比分析热岛和冷岛区内的景观模式差异,识别对杭州市中心城区地表温度影响最大的地物;使用空间梯度分析法来定量揭示杭州市地表温度与植被、不透水面的关系,并分析杭州市地表温度的空间分布特征。结果表明:(1)热岛和冷岛区域内存在较大的景观模式差异,热岛区域内不透水面对温度变化影响最大,而冷岛区域内植被对杭州市中心城区地表温度影响最为明显,且降温效果大于水体;(2)随着与市中心距离的增加,地表温度平均值与不透水面密度趋势线走向基本一致(正相关),与植被密度趋势线走向大致相反(负相关),且不透水面对地表温度的增温效应大于植被的冷却效应。     

地表通量对模型参数的不确定性和敏感性分析

基于2007年12月22日~2009年12月31日黑河流域阿柔冻融观测站的气象驱动数据,利用通用陆面模型(Common Land Model,CoLM)模拟的地表通量结果,研究地表通量对模型参数(叶面积指数、地表反照率和植被覆盖度)的不确定性与敏感性。结果表明,叶面积指数、地表反照率和植被覆盖度对地表感热和潜热通量不同组分的影响存在较大的差异。其中,植被层的感热和潜热通量对叶面积指数的敏感性程度较高,敏感系数均达到0.7以上;与潜热通量相比,感热通量对反照率更加敏感,土壤感热、植被感热和总感热通量对反照率的敏感系数分别达到-0.96、-0.97和-0.66,而土壤潜热和总潜热通量对地表反照率的敏感系数仅为0.1左右;植被潜热通量对植被覆盖度的敏感性程度很高,敏感系数范围为0.92~0.96,而土壤感热通量对植被覆盖度最不敏感,敏感系数只有0.18左右。     

利用Landsat遥感影像进行福州市地表热通量估算的研究试验

利用福州市1989年和2001年Landsat TM/ETM+遥感影像数据估算地表温度、地表反照率和植被覆盖度等地表参数,再结合气象站观测资料,估算与城市热岛密切相关的气候因子即显热通量和潜热通量.然后根据植被覆盖度对由人工建筑物和水泥道路等构成的不透水面覆盖区的潜热通量进行修正,改进了不透水面潜热通量的计算,并且探讨了地表热通量随土地覆盖变化的时空分布特征.最后对地表热通量精度进行分析和检验,论证了本研究的地表热通量估算结果是合理的.     

基于混合光谱分解的兰州城市热岛与下垫面空间关系分析

利用Landsat ETM+数据,采用混合像元线性光谱分解方法提取的城市植被覆盖度与不透水面表征城市下垫面,通过单窗算法反演地表真实温度,对兰州市中心城区的夏季城市热岛强度与城市下垫面的空间分布关系进行相关分析。结果显示,利用中等分辨率ETM+影像对兰州中心城区不透水面和植被盖度分布提取,其成本较低,精度令人满意;兰州城区植被覆盖、不透水面与热岛强度的分布呈空间正自相关,地表温度的空间依赖性极强,与植被盖度和不透水面在空间方向上的相关性差异较大。     

无人机热红外城市地表温度精细特征研究

以南京市江宁区某大学校园为研究区,利用无人机搭载热红外成像仪获取6种典型城市下垫面(水体、灌木、草坪、荷兰砖路面、大理石路面、沥青路面)地表温度数据,分析其在不同天气、不同月份的变化状况,并估算其感热释放量,定量描述不同下垫面地表温度的精细特征。通过对地表温度与气象因子进行相关性分析,探究地表温度变化的影响因素。结果表明:不同天气条件下,下垫面地表温度变化特征、感热释放量均存在差异。晴天时不同下垫面地表温度日变化波动较大,沥青路面温度相对较高,感热释放量最大,大理石、荷兰砖路面次之。水体和灌木在白天几乎没有感热释放量,对热环境缓解效应明显。阴天时不同下垫面地表温度日变化均不明显,人工地表仍然是感热释放的主体。气象因子中,太阳辐射和空气温度与下垫面温度呈正相关,对下垫面有增温作用,空气湿度与下垫面温度呈负相关,对下垫面增温具有一定的抑制作用。研究为城市微环境研究提供了新的思路和方法,并能够为城市微热环境遥感研究提供一定的理论依据。     

多源参数在晋江城市热岛分析中的差异性

城市热岛遥感监测分析中,不同参数与指标得到的热岛时空分布结果不同。针对过去研究仅利用遥感反演地表温度或亮度温度监测城市热岛现象,以福建省晋江市为研究区,选择2010年与2014年夏季Landsat数据,结合数字高程数据和气象站点实测数据,反演晋江市域内地表温度与近地表气温。在此基础上,利用多源参数计算多种城市热岛监测指标,并对比分析这些指标用于晋江城市热岛研究的差异性。结果表明:1)2014年较2010年的城市热岛范围扩大,区域内热岛比例显著上升,热岛斑块面积增多且热岛等级增强;2)相对于地表温度,近地表气温用于评价城市热岛空间分布更为合理;3)不同热岛监测指标作用不同,热岛强度、归一化热场强度可以在空间上直接表明热岛空间分布及强弱,热岛比例指数则在数值上反映了不同区域热岛现象的发生概率,热岛源汇指数结合地表热参数和土地覆盖类型,反映了土地利用变化对区域内热岛效应加剧或减缓的贡献程度。     

近15年天津市城市热岛时空演变分析

鉴于研究城市热岛效应对监测气候变化、城市扩张等的重要指导作用,该文借助天津市夏季Landsat-5/7/8卫星热红外遥感数据,使用影像拼接技术获取几乎覆盖整个天津市的影像,并运用基于发射率校正的陆面温度反演模型得到1999年、2001年、2006年、2009年和2013年的近似地表温度分布图,以进行天津市近15年城市热岛演变分析研究;采用温度稳定比例的相对分级策略与首次提出的相对离散度指标,对天津市城市热岛进行整体分析,并对特殊局部和重点地区进行了细致分析,同时分析了中心城区-滨海新区沿线的温度变化情况。研究表明:天津市城区热岛分布呈现"由分化总,由总化分"的趋势,滨海新区热岛现象先增强后减弱,天津市北部近年来热岛现象加强,中心城区、滨海新区"双热岛"向中心城区-滨海新区沿海河线"热岛群"转变。     

基于Landsat 8遥感影像的新旧城区热环境特征对比研究——以成都市为例

近年来,在快速城市化的背景下,大量城市涌现出新型城市区,城市热环境特征发生显著变化。为重点分析城市化过程中新旧城区热环境差异及其影响因素,选择四川省成都市为典型研究区,基于该区域2014年8月13日夏季Landsat 8卫星数据,分别获取地表温度、城市建筑用地和植被覆盖等关键地表参数信息,进而开展成都市新城区与旧城区的热环境差异及其内在影响因素研究。结果发现:(1)整体而言,旧城区地表温度高于新城区,旧城区的地表温度呈现中部区域及北部地区高于南部地区的分布趋势,新城区中部偏西、北地区少部分区域存在高温区域,南部偏东区域地表温度略低,其余地区的地表温度分布相对均匀,并呈现出形状比较规则的低温度斑块;(2)旧城区比新城区的城市热岛比例指数更大,通过新旧城区的热场剖面分析得出旧城区到新城区的地表温度呈现下降的趋势。这都表明旧城区的城市热环境效应强于新城区;(3)建筑用地密度高,城市植被覆盖少的地区易于形成"热岛效应",而合理的城市景观规划布局则有利于改善城市热环境。上述新旧城区热环境效应对比研究表明,成都市新城区的城市规划布局表明其对改善新城区热环境具有积极作用,能为今后新城区的城市规划提供重要借鉴意义。     

A remote sensing study of the urban heat island of Houston,Texas

Radiative surface temperature maps of Houston, Texas were derived from satellite sensor data acquired at approximately 0400 LST on 27 separate occasions over a two-year period. Urban-rural temperature differences were determined for 21 of these cases by modelling the urban heat island as a twodimensional Gaussian surface superimposed on a planar rural background. The purpose of this study was to characterise the complete urban heat island in magnitude and spatial extent without the use of in situ measurements and to determine whether a correlation exists between heat island magnitude and rural temperature. The urban heat island magnitude was found to be inversely correlated with rural temperature, while the spatial extent was found to be independent of both heat island magnitude and rural temperature.     

一带一路沿海超大城市热岛时空特征遥感分析

城市热岛不仅影响城市局地及区域气候,而且对城市空气质量、能源消耗、居民健康等有显著的负面作用。利用长时序遥感数据,系统地分析各超大城市热岛的时空特征,能够为城市热岛效应减缓政策的制定提供参考,对带路城市可持续发展具有重要意义。基于2001~2017年MODIS地表温度产品和Landsat土地利用分类数据,以城市热岛强度（Surface Urban Heat Island Intensity, SUHII）作为指标,从季节和年际的角度分析一带一路沿海超大城市2001~2017年热岛效应时空格局的变化。研究结果表明：①2001~2017年期间各超大城市的核心区存在扩张趋势,高强度热岛主要分布在人口活动密集的城市核心区;②年均城市热岛强度最大的城市是卡拉奇,多年SUHII平均值为3.02 ℃,热岛强度显著上升的是金奈（0.07 ℃/a,P<0.1）;③各城市热岛强度存在季节性差异,其中夏季城市热岛强度最大的城市是伊斯坦布尔,SUHII平均值为2.88 ℃,冬季城市热岛强度最大的城市是卡拉奇,SUHII平均值为4.45 ℃。     

Effects of Landscape Pattern on Annual Variation of Thermal Environment in Hangzhou

Taking the Hangzhou city as an example,this paper retrieves the urban land surface temperature (LST) using 4 Landsat ETM+/OLI_TIRS images and investigates the effects of landscape pattern on the urban thermal environment change.The hot spot analysis was used to identify both the urban heat island and cold island.Landscape pattern indices were adopted to analyze the relationship between the change of the thermal environment and the landscape pattern.Analysis results show that：(1) The proportions of area in urban heat island and cold island in Hangzhou increase first and then decrease with the alternating four seasons;The urban heat island of Hangzhou is the most significant in summer,and the urban cold island effect is more dominant in autumn;(2) Throughout the year,all kinds of landscape has the highest average land surface temperature in summer and the lowest in winter;As for a variety of landscapes,the construction land has the highest average land surface temperature,while,the water body and forest have the relatively low average land surface temperature;(3)On the landscape level,the selected landscape pattern indices are significantly correlated with average land surface temperature in four seasons,the strength of correlation fluctuates with alternating four seasons and the enlargement of analysis window;On the class level,landscape pattern indices of construction land,water body and forest are significantly and highly correlated with average land surface temperature in different seasons.The research in our paper could help to lay out construction land rationally and execute planning and design on urban green space and waters to effectively alleviate the urban heat island effect of Hangzhou.     

城市不透水面及其与城市热岛的关系研究-以泉州市区为例

利用Landsat TM卫星影像提取了泉州市1989到1996年的城市建成区不透水面,并研究了其与城市热岛之间的关系。根据Ridd(1995)提出的城市建成区不透水面与植被覆盖度有很强的负相关关系的思想,先利用归一化植被指数求出泉州市建成区的植被覆盖度,进而提取了泉州市建成区的不透水面。通过比较所提取的两个时相不透水面信息,可以看出泉州市区不透水面的面积在7年里有了明显的增加,并主要沿研究区东南部扩展。通过将所提取的不透水面信息与利用TM6波段反演的地表温度进行相关分析,可发现二者之间存在着明显的正相关关系。     

Estimation of storage heat flux in an urban area using ASTER data

The urban heat island phenomenon occurs as a result of the mixed effects of anthropogenic heat discharge, increased use of artificial impervious surface materials, and decreased vegetation cover. These factors modify the heat balance at the land surface and eventually raise the atmospheric temperature. It is important to quantify the surface heat balance in order to estimate the contributions of these factors. The present authors propose the use of storage heat flux to represent the heat flux between the land surface and the inside of the canopy for the heat balance analysis based on satellite remote sensing data. Surface heat fluxes were estimated around the city of Nagoya, Japan using Terra ASTER data and meteorological data. Seasonal and day-night differences in heat balance were compared using ASTER data acquired in the daytime on July 10, 2000, and January 2, 2004 and in the nighttime on September 26, 2003. In the central business and commercial districts, the storage heat flux was higher than those in the surrounding residential areas. In particular, in winter, the storage heat flux in the central urban area was 240 to 290 W m^− 2, which was much larger than the storage heat fluxes in residential areas, which ranged from 180 to 220 W m^− 2. Moreover, the negative storage heat flux in the central urban area was greater at night. This tendency implies that the urban surface stores heat during the daytime and discharges it at night. Extremely large negative storage heat flux occurred primarily in the industrial areas for both daytime and nighttime as a result of the enormous energy consumption by factories.     

Satellite-derived urban heat islands from three coastal cities and the utilization of such data in urban climatology

Abstract

NOAA AVHRR satellite infra-red data are used to display the surface radiant temperature heat islands of Vancouver, British Columbia, Seattle, Washington, and Los Angeles, California. Heat island intensities are largest in the day-time and in the warm season. Day-time intra-urban thermal patterns are strongly correlated with land-use; industrial areas are warmest and vegetated, riverine or coastal areas are coolest. Nocturnal heat island intensities and the correlation of the surface radiant temperature distribution with land use are less. This is the reverse of the known characteristics of near-surface air temperature heat islands. Several questions relating to the interpretation and limitations of satellite data in heat island analysis and urban climate modelling are addressed.     

城市建成区地表热通量的遥感研究——以泉州市区为例

近年来,城市热岛效应已成为一个日益突出的城市环境问题,并受到了普遍关注。本文主要利用泉州市1989年、1996年Landsat TM以及2003年Terra ASTER遥感卫星影像来反演地表温度、地表反照率和植被指数等重要参数,然后结合当地的气象数据来进一步反演泉州市区的显热和潜热通量,分析了它们这些年发生的变化。研究表明泉州市区显热通量的高值分布区与城市建成区的分布范围基本吻合,并且在这些年中的分布面积不断增加。     

Exploring indicators for quantifying surface urban heat islands of European cities with MODIS land surface temperatures

The term urban heat island describes the phenomenon of altered temperatures in urban areas compared to their rural hinterlands. A surface urban heat island encompasses the patterns of land surface temperatures in urban areas. The classical indicator to describe a surface urban heat island is the difference between urban and rural surface temperatures. However, several other indicators for this purpose have been suggested in the literature. In this study, we compared the eleven different indicators for quantifying surface urban heat islands that were most frequently used in recent publications on remote sensing-based urban heat island assessments. The dataset used here consists of 263 European cities with monthly mean temperatures from MODIS data products for July 2002, January 2003 and July 2003. We found that (i) the indicators individually reveal diurnal and seasonal patterns but show rather low correlations over time, and (ii) for single points in time, the different indicators show only weak correlations, although they are supposed to quantify the same phenomenon. Differentiating cities according to thermal climate zones increased the relationships between the indicators. Thus, we can identify temporal aspects and indicator selection as important factors determining the estimation of urban heat islands. We conclude that research should take into account the differences and instabilities of the indicators chosen for quantifying surface urban heat islands and should use several indicators in parallel for describing the surface urban heat island of a city.