城市热岛强度及其驱动因素的时空分布研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 侯浩然 |
| 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 | 苏红波 |
| 关键词 | 城市热岛 中国城市 地表能量平衡 时空变化 驱动因素 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 城市热岛（Urban Heat Islands, UHI）是城市的温度高于其周边区域的温度的一种现象，它是由城市化引起的位于地球表层的温度异常。城市可以视为是连续的自然地表上的人造突变。不同于自然地表，构建城市的材料与覆盖地表的自然要素的物理性质差异很大，改变了地表原本的能量流动和交换，造成城市局部气候的显著变化。UHI不仅能影响城市的空气质量、植被物候、生物多样性等，而且能对城市的经济发展和居民的身心健康产生负作用。面对世界范围内高速的城市化进程和强烈的气候变化，全面、深入的认识UHI的形成机理，为缓解UHI提出可行建议成为生态环境领域的重要课题。 UHI有种类多、数据来源多、计算方法多、驱动因素多的特点，大范围、长时段、可比性好的研究相对较少。有鉴于此，本研究利用实地观测、遥感观测和模型模拟的多源数据，以地表能量平衡理论为基础，从不同时空尺度对比了过去2003 – 2017年间中国32个主要城市的冠层热岛（Canopy-layer UHI, CUHI）和地表热岛（Surface UHI, SUHI）强度的时空变化；利用多种统计学方法从城市尺度揭示了净辐射通量（net radiation, Rn）、感热通量（sensible heat, H）、潜热通量（latent heat, LE）和净热储量（net heat shortage, G）四个地表通量与CUHI和SUHI的关系，并分析了四个地表通量影响SUHI强度变化的时空格局；在此基础上，从社区尺度量化了城市形态对SUHI强度的影响，并进一步使用机器学习方法明确了城市形态、植被节律、人类活动和地表覆盖四个因素对SUHI强度变化的驱动力。主要创新如下： 1. 采用新型数据集和计算方法，刻画中国32个主要城市2003 – 2017年CUHI强度和SUHI强度的时空变化，改善了已有研究因数据类型和计算方法不统一带来的问题。本研究采用结合气象站点与陆面模式数据降尺度得到的格网气温数据集和MODIS卫星遥感得到的地表温度数据集，具有长时序和高分辨率的优点；采用多种遥感数据选取适合15年研究时段的城乡样本区，并使用统一的热岛强度计算方法计算CUHI和SUHI强度。结果表明，过去15年来，中国32个主要城市的CUHI强度季节变化较小（春、夏、秋、冬四个季节的平均强度为1.69 °C、1.65 °C、1.59 °C和1.41 °C），年际变化不明显，具有显著增长趋势的城市有福州、南昌和上海，具有显著下降趋势的城市有兰州、南京和太原；SUHI强度季节变化较大（四个季节的平均强度为1.67 °C、4.78 °C、1.99 °C和0.21 °C），年际变化显著，具有显著增长趋势的城市有北京、长沙和成都等17个，具有显著下降趋势的城市只有拉萨。 2. 采用多源数据和多种统计方法，在不同时间尺度上分析了Rn、H、LE和G四种地表通量对城市热岛强度变化的影响的时空差异，补充已有研究的不足。本研究采用陆面模式生产的高分辨率地表通量数据，具有时间序列长，分辨率高的优点；采用包括K均值聚类和地理探测器在内的多种统计学方法，量化了四种地表通量对UHI强度的解释力。结果表明，中国32个主要城市的CUHI强度与四个地表通量之间的相关关系不显著。其中，Rn、LE和G存在的弱负相关关系（Pearson相关系数r分别为-0.06、-0.18和-0.22），而H则存在弱正相关关系（r = 0.17）。与CUHI不同，SUHI强度与四个地表通量之间存在显著的相关关系。其中，Rn与LE存在显著的负相关关系（r分别为-0.52和-0.65），而H与G则存在显著的正相关关系（r分别为0.55和0.23）。同时，Rn、H、LE和G四个地表通量对中国32个主要城市的SUHI强度变化的解释力具有较大的时空差异。整体上看，H和LE对SUHI强度变化的解释力显著强于Rn和G；空间上看，LE对SUHI强度变化的解释力自北向南逐渐降低，其它通量无明显趋势；季节上看，H和LE对SUHI强度变化的解释力在夏季显著高于冬季，Rn和G的季节变化较小。 3. 采用多种高分辨率数据集和机器学习方法，从社区尺度上量化包括城市形态在内的多个地表因素对城市热岛强度变化的驱动力，首次揭示了城市地表粗糙度和形态与地表热岛强度在中国干旱/半干旱区域冬季存在负相关关系。本研究采用实测得到的高分辨率城市形态数据和城市“街谷”方位比设计了三个城市指数，量化城市地表粗糙度与形态。结果表明，三个城市指数（代表粗糙度的zurban与代表形态的Vertical Area Ratio（VAR）和Horizontal Area Ratio（HAR））与SUHI强度之间的关系相似（年平均Pearson相关系数r分别为0.35 ± 0.34、0.35 ± 0.31、0.41 ± 0.26）。SUHI强度随着三个指数的升高而升高，两者的关系在夏天达到最大值（r = 0.59 ± 0.13），然后是秋季和春季，冬季达到最小值（r = 0.11 ± 0.35），且在北方的部分城市还会出现负相关关系。同时，三个指数与SUHI强度的关系具有很强的时空异质性。从最北的中温带季风性气候（东北城市群）到最南的北亚热带季风气候（珠三角城市群），四个季节的样本分布越来越相似（回归方程的斜率越来越接近），相关关系也趋于一致（r的季节变化也越来越小）。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 138 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199868]  |
| 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 | 侯浩然. 城市热岛强度及其驱动因素的时空分布研究[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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