基于Penman-Monteith模型考虑人为影响的城市蒸散发反演研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 陈家豪 |
| 答辩日期 | 2023-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 高彦春 |
| 关键词 | 城市蒸散发 PM-urban 模型 人为热通量 建筑物内部耗散 热岛效应 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 城市地表蒸散发（Evapotranspiration，ET）连接着陆气之间的水热交换，是城市水文循环和城市地表能量平衡的重要组成部分。另一方面，城市作为典型的“自然-社会”二元水循环区域，其蒸散发不仅包括自然侧的蒸散，也包括人类活动下的室内环境中产生的蒸发等社会侧蒸散。充分了解城市蒸散发的时空变化对于了解大气和城市表面之间的相互作用，改善城市水资源管理、预测各种地理条件下的用水量具有重要的作用。然而到目前为止，由于城市景观异质性所固有的挑战，基于遥感的城市地表蒸散发研究并不多见。因此，开展城市蒸散发遥感模型研究，一方面可以拓展蒸散发的研究范围，另一方面还可用于改善城市人居环境。本文基于传统的Penman-Monteith 模型提出了一种考虑人类活动的改进多源并联模型（PM-urban），使其适用于城市下垫面的蒸散发估算。PM-urban 模型在人类活动强烈的城市地区，将人为热通量（Anthropogenic heat flux，AHF）纳入地表能量平衡公式，并重新推导了适用于城市地区考虑人为热的Penman-Monteith 公式。另一方面，PM-urban 模型考虑了建筑物内部的用水耗散，将其作为一分项加入进城市蒸散发的计算中。基于PM-urban 模型，本文以全球城市化进程最快的城市之一深圳为研究区，利用2013 年-2022 年7 期Landsat8 遥感影像数据、气象数据和社会经济数据生成了深圳城市蒸散发及其各分量结果，并使用经过互补关系校正后的蒸发皿数据、波文比系统观测数据以及相关研究结果对模型进行验证。同时研究了人为热通量和建筑物内部耗散两种人类活动作用对城市蒸散发的影响。最后本文分别从数量和空间上确定并量化了城市蒸散发对城市热环境的调节效应。本文的主要研究结论如下：（1）城市地表总蒸散发在不同土地利用类型上有：水体＞森林＞红树林＞草地＞灌木林＞农田＞湿地＞裸土＞不透水面，而由于建筑物的高度和类型不同，建筑物内部耗散的值差异极大。（2）人为热通量的高值区通常位于密集的商务办公区和工业园区，尤其是在福田区的超高层商业建筑。人为热通量的三个分量中，建筑物人为热通量所占总人为热通量比例的平均值最大，交通人为热通量次之，人体代谢热通量最小。各个土地利用类型上人为热通量平均值有以下关系：红树林＞建成区＞湿地＞裸土＞灌木林＞草地＞森林＞农田＞水体。（3）在整个研究区内，考虑人为热通量的蒸散发平均值比忽略人为热通量的蒸散发平均值高2.09 W·m-2。不同土地覆盖类型，人为热通量对蒸散发的影响程度也不同，红树林的蒸散发受人为热通量影响最大，水体蒸散发受人为热通量影响最小。验证结果显示考虑人为热可以改进城市下垫面的蒸散发估算，因而在估算城市地表蒸散发时，需要在能量平衡算法中加入人为热通量。（4）人为热通量显热转换比rH的高值区域大多分布在建成区等不透水面组分较高的地区，rH的低值区域大多分布在水体和植被等不透水面组分较低的地区。7 期rH的平均值为0.79，说明整体上79%的人为热通量会转换成为显热通量来促进地表温度的升高。人为热通量潜热转换比rET的高值区域大多分布在水体和植被等不透水面组分较低的地区，rET的低值区域大多分布在建成区等不透水面组分较高的地区。7 期rET的平均值为0.21，说明整体上21%的人为热通量会转换成为潜热通量来促进地表蒸散发的升高。（5）在整个研究区内，考虑建筑物内部耗散的蒸散发平均值比忽略建筑物内部耗散的蒸散发平均值高7.54 W·m-2，这也解释了城市内部的高耗水现象。不同土地覆盖类型，建筑物内部耗散对蒸散发的影响程度也不同，建成区的蒸散发受建筑物内部耗散影响最大，灌木蒸散发受建筑物内部耗散影响最小。为解释城市高耗水现象及实现城市蒸散发的精细化制图，需要同时考虑社会侧耗水和自然侧蒸散。（6）城市蒸散发与地表温度之间存在着负相关关系，不同土地利用类型两者的相关系数与拟合斜率也有所不同。随着蒸散发强度水平的增加，城市热岛强度水平普遍降低，这表明蒸散发强度水平高的地区城市热岛强度较弱。相邻缓冲区之间城市蒸散发平均值变化量与地表温度平均值变化量之间存在着明显的线性负相关关系。综上所述，PM-urban 模型较为充分的考虑了城市地区下垫面的复杂性、不可忽略的人为热通量和人类活动产生的建筑物内部耗散，为城市地区蒸散发的估算提供了一种新的途径。结果将为改善城市热岛效应提供了一个新的视角，可应用于城市管理、规划和设计。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 174 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199802]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 陈家豪. 基于Penman-Monteith模型考虑人为影响的城市蒸散发反演研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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