城市化背景下沿海城市热岛的时空变化外文翻译资料

 2022-08-09 15:20:03

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城市化背景下沿海城市热岛的时空变化

摘要：本研究在厦门市城市化的背景下，定量分析了厦门市城市热岛（UHI）的时空变化，使用了Landsat专题绘图仪（TM）和增强型专题绘图仪（ETM ）获得的1987年，1992年，1997年，2002年和2007年冬季相同日期的热图像。城市热岛（UHI）强度和范围以及景观指标（PLAND，PD，CA，NP，P-UHI，NP-UHI，PFD-UHI等等）用于量化其变化。结果表明，厦门市冬季城市热岛（UHI）在过去20年越来越变得显著。城市热岛（UHI）强度增加到10℃以上，城市热岛（UHI）范围和热斑块数量也显著增加。同时，城市热岛（UHI）更受高级的热斑块的支配和分裂。在冬季，这些城市热岛（UHI）在海岸线上形成了数个热点和显著区域。这种模式与在快速城市化进程中沿海地区建造的工业区和大型基础设施有关，因为大型不透水地面，大型吸热工厂建筑屋顶都是这些热点的来源。同时通过进行类似的季节性分析，证明了厦门秋季城市热岛（UHI）最为强烈，并且季节的变化不会改变城市热岛（UHI）显著区域的数量。

关键词：城市热岛；时空变化；城市化；沿海城市；厦门

引言

近年来，全球城市化进程日趋加快，从而给城市环境和气候带来许多问题(Grimm等，2008)。城市热岛（UHI）是指由于城市化而导致的城市地区大气和地表温度高于周围农村地区的现象（Voogt和Oke ,2003）。其特点是覆盖了大多数城市地区的大量非蒸发不透气材料，随之以潜热通量为代价感热通量增加（Owen 1998）。交通，工业和民用建筑产生的人为热量加剧了城市热岛（UHI）效应的影响。城市热岛通过城市紧凑的建筑群影响能量交换和电导率水平，进一步影响当地气候（Xian和Crane 2006；Kato和Yamaguchi 2007;Memon 2008）。城市热岛效应的较高温度增加了空气调节的需求，增加污染，并且更改降水模式（Yuan 和Bauer 2007）。因此，城市热岛效应的规模和模式及其与城市化进程的关系已成为许多城市环境和气候学研究的主要关注点。本研究旨在利用时空序列遥感数据和包括景观格局指数在内的多个指标，为城市化背景下的地表城市热岛效应变化提供时空分析的方法。

数据与研究方法

研究区概况

本研究的研究领域是厦门市，在本刊的简介中对其进行了介绍。自20世纪80年代初以来，厦门经历了从农业地区到城市化的重大土地改革。城市化区域由1981年的12平方公里（Zhang和Wang 2006）增加到2007年的180平方公里（厦门统计局 2008）。它已从岛上城市变成了海湾城市，岛上主要城市地区和大陆湾区和邻近平原上的几个卫星城镇或郊区都进入了城市化区域。与此同时，根据报道，与1989年相比，2000年厦门的城市热岛效应在时空上有增加（Xu和Chen 2004）。

数据预处理

在本项研究中使用了7个Landsat专题地图（TM）和增强型专题地图（ETM）图像（表1），包括相隔5年的冬季时间序列和用于季节性比较的两张补充图像。将所有图像校正到UTM投影系统（Zone N50），并将其热波段重新采样到30m分辨率。然后使用直辖市边界的矢量数据提取研究区域的数据（参见补充图1）。预处理后，热波段用于分析城市热岛效应动态变化，而其它波段用于通过监督分类，底图调整和对2006年12月25日获得的SPOT 5图像的人工解译来提取土地利用图和海岸地图。

表1 这项研究中用到的图像

地表温度的获取

TM/ETM 热红外波段（10.4~12.5毫米）用于提取地表温度。对于TM，热波段是6；对于ETM ，有两个热波段：波段61适用于反射率高的区域，例如裸露和沙丘土壤的地方，波段62通用于反射率低的区域，例如沿海地区（Xian和Crane 2006）。由于厦门是沿海城市，因此选择了波段62。

使用公式（1）将这些热波段的数字灰度（DN）转换为卫星辐照度：

其中Llambda;是传感器辐射度，Gainlambda;是辐射度/数字灰度（DN）转换函数的斜率，而Biaslambda;是辐射度/数字灰度（DN）转换函数的截距。在每个TM/ETM 附带的元数据中提供了Gain和Bias的值（Landsat项目科学室 2002）。然后，使用等式（2）将传感器中的辐照度转换为卫星温度（Tb），也称为亮度温度：

其中K2是校准常数2，其值对于TM是1260.56，对于ETM 是1282.71。K1是校准常数1，其值对于TM是607.76，对于ETM 是666.09。Llambda;与公式（1）相同。Tb的单位是K。

由于在这项研究中所有图像都是在良好（无云和晴朗）的天气下采集的，因此可以视为大气对亮度的影响在空间上是均匀的。但是，城市热岛效应的研究重点是城乡之间的温差，而不是LST的绝对值，因此没有进行大气校正，LST等于得到的亮度温度。

热岛面积

热岛面积定义为可视为发生热岛效应的区域。假设Tui是市区第i个像素的LST，Ta是厦门整个陆地部分（包括农村和城市地区）的平均LST，Delta;Ti是市区第i个像素的温度差，则通过分别满足一下条件的城市要素：Delta;Ti=Tui-Tagt;0可以识别和测量热岛面积。利用海岸线图提取地面部分，并根据土地利用分类图将其分为城市和农村地区。

热岛强度

热岛强度通常定义为城乡之间的温差。在大气热岛效应研究中，通过计算分别在城市和农村地区建立的两个气象参考站之间的气温差来获取热岛强度。而就地表热岛效应而言，由于通过遥感获取的地表温度数据是平面数据而不是点数据，因此热岛强度没有普遍定义。在这里，我们将热岛强度定义为城市LST与地面平均LST之间的最大差值，如公式（3）所示：

其中I是热岛强度，Tui和Ta是热岛面积部分已定义。

热斑块的分类

由Sun和Lu（2002）定义的相对LST指数R用与统一化不同日期的LST值，可以使用公式（4）进行计算：


然后使用表2中的阈值对热斑块进行分类和分级，并分配相应的热岛等级来描述热岛强度水平。从表2中可以看出，第2-6类的热斑块共同构成了总体热岛面积。

热岛景观格局指数

强度和面积是参数化和描述热岛效应的常规指标，它量化了热岛效应的总体幅度，但并未揭示其空间格局的特征。因此，此处在景观和类级别都使用了景观度量。景观格局指数用于表示热岛强度和面积的整体特征，而类级别则用于描述热岛效应的结构和形式。

将所有热图像转换为分类的热景观斑块后，将其转换为ArcGIS(ESRI,美国Redlands)GRID格式，然后输入到FRAGSTATS 3.3（McGarigal，美国Amherst）以计算景观指标。在这里，我们使用PLAND（整个景观中某个类别的百分比）作为景观优势指数，使用PD（斑块密度）作为景观分散指数，以及使用CA（类区域）和NP（斑块数量）来分析景观类型水平上的的变化。此外，P-UHI（在整个景观中，即在已建成的城市区域中，热岛面积的百分比），NP-UHI（城市中的热斑块数量）和PD-UHI（城市中的斑块密度）用于检测景观类型水平的变化。

结果

近20年来冬季热岛强度和面积的变化

如图1所示，1987年冬季，厦门的城市热岛效应很小，强度只有2℃。从1992年到2002年，城市热岛效应很明显，强度在6℃和7℃之间波动。到2007年，热岛强度达到了前所未有的值，接近11℃。随着城市建成区面积的扩大，热岛面积也在增加，即厦门的城市化进程增加了热岛效应的强度和严重度。

图一 冬季热岛效应的强度（a）和面积（b）变化

图2 冬季热岛景观格局指数的变化.（a）NP-UHI(在城市区的热斑块数量).(b)P-UHI(在城市区的热岛强度比例)。（c）PD-UHI（在城市区的斑块密度）

表3 冬季（1月份）景观格局指数

图3 冬季热岛景观指数的类型水平变化。（a）CA(类区域)。（b）NP(斑块数量)。（c）PLAND (在整个区域的百分比)（d）PD (斑块密度)

图2显示了景观指数P-UHI，NP-UHI和PD-UHI在景观尺度上的变化。可以看出所有斑块迅速增加，与上面所示的热岛面积和强度的趋势一致。热岛强度在整个景观（即城市建成区）中的百分比过去20年在整个城市范围内波动，并在2007年达到最高值。在2002年突然达到峰值之后，斑块密度下降，但2007年的斑块密度仍大于前三个年份数据。这些趋势都证明，从整体上考虑，厦门的冬季热岛效应现在比过去二十年来更加强烈和广泛。在五个年份数据上分析了PLAND，PD，CA和NP的景观类型指数变化（表3），而各个年份数据的变化如图3所示。

五个热斑块类别的所有类区（CA）值均显著增加（图3），斑块数量（NP）也显著增加。就PLAND而言，热岛效应等级最低的第2类表现出下降的趋势，而其他4类热岛效应则呈上升趋势。对于PD，热岛效应等级相对较低的第2级和第3级出现波动，并且没有明显的趋势，而具有较高热岛效应等级的其他类别迅速增加。最重要的发现是，第4，5，6类的所有四个景观格局指数均显著增加。这表明，这里使用的所有指标中，具有较高热岛效应等级的热斑块类别发展迅速，这些指标包括类面积，斑块数量，建成区面积百分比和斑块密度。因此，厦门冬季热岛效应越来越多地被高等级的斑块所支配和分散，其整体强度，面积，NP-UHI，P-UHI和PD-UHI越来越增强。

一年中热岛效应的季节性变化

除了分析冬季五个年份数据外，还研究了热岛效应的季节性变化（表4）。将分别于2006年2月22日，2006年11月5日和2007年1月8日采集的三幅图像作为春季，秋季和冬季的图像，并计算出相同指数。春季和秋季的热岛强度分别为11.56℃和11.54℃，略高于冬季的10.6℃。秋季的热岛面积比冬季稍大一些，而春季的热岛面积最小。对于大多数主要指数，秋季热岛效应排名第一；因此，一般而言，最强烈和最广泛的热岛效应发生在秋季，而不是冬季和春季（表4）。

表4 在季节性变化研究中的景观格局指数

分析

热岛效应模式及其变化的定性分析

陆地表面温度高于平均地面温度的所有建成区都可以视为热岛面积。但是，由于通常整体热岛面积的空间分布似乎是一致的，对于城市建成区，使用热岛面积来表达热岛效应模式并不十分精确。实际上，热岛效应的模式主要由高级别的斑块类型的分布决定。为了描述和解释热岛效应模式，从空间相对性的角度使用热

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