多源遥感数据支持的喀斯特山区城市热环境时空分布规律研究

作     者：廖书冰 

作者单位：贵州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：蔡宏

授予年度：2020年

学科分类：07[理学] 070602[理学-大气物理学与大气环境] 0706[理学-大气科学] 0713[理学-生态学] 

主      题：城市热环境 异常热岛 地形岩性 季节与昼夜效应 喀斯特山区 

摘      要：随着我国经济快速发展,快速的城市化带来的区域生态环境变化,尤其是热环境变化,已经对区域生态环境造成重大影响。喀斯特地区生态脆弱且难以在短时间内恢复,在区域城市化速度不断加快的背景下,研究城市化对区域热环境的影响对区域可持续发展有着重要的意义。本文以贵阳市及其周边地区为研究区,利用Landsat影像数据提取研究区土地覆盖变化特征,结合MOD11A2地表温度数据和研究区特殊的喀斯特地质地貌特征,通过对下垫面因子与地表温度之间的相关关系进行分析,探讨研究区不同年份、季节及昼夜间地表温度变化的驱动因素;然后通过提取和计算城市热岛和异常热岛影响强度,研究区域城市热岛强度随城市扩张的变化规律;最后,结合研究区实测温度数据,通过分析市区、近郊和远郊站点的年平均温度变化和年平均温差变化,分析研究区大气热环境变化趋势。本文的研究结果如下:（1）下垫面及城市热环境变化:研究区四个时期均以植被覆盖程度较低的绿地为主,绿地面积占研究区总面积的比例在63%以上;植被覆盖程度较高的林地四个时期面积占比均不高,占比在研究区总面积的30%左右;水体,建设用地与未利用地占比较小,均在研究区总面积的5%以下。自2002年至2017年,贵阳地区土地利用/覆盖变化总体趋势为绿地面积明显减少,水体面积下降趋势明显,林地面积缓慢增加,建设用地和未利用地面积急剧增加。其中建设用地面积增加了近4倍;未利用地面积增加了10倍以上。研究区的热环境逐渐恶化,且随着城市不断扩张,其恶化趋势已经比较明显。贵阳都市圈尺度下高温区和次高温区两个温度等级的面积表现出以下规律:同一年份,同一季节白天的高温区面积和次高温区面积要高于晚上;夏季高温区面积最大,冬季高温区面积最小;随着城市面积不断增长,高温区面积和次高温区面积增长趋势比较明显。（2）研究区热环境驱动因素:区域热环境同时受到快速城市化,岩性背景和地形条件的共同影响,且同一因子对区域热环境的影响存在一定的季节性、昼夜及年际差异。一方面,土地利用/覆盖因素对区域热环境起主导作用。在两个尺度下,建设用地、绿地和未利用地均对日间地表温度升高有促进作用;林地与水体则能有效抑制日间地表温度的上升速度。水体和建设用地在两个尺度上与夜间地表温度呈正相关,林地在两个尺度上与夜间地表温度呈负相关。绿地与夜间地表温度在都市圈尺度下呈负相关,但除此之外,绿地和未利用地对夜间地表温度的影响均不显著。不同季节间,水体、建设用地、林地和未利用地对地表温度的影响夏秋季节强于春冬季节;而绿地对日间地表温度影响在春冬季节要强于夏秋季节。随着城市区域不断扩张,建设用地、林地与未利用地对地表温度的影响显著增强,水体、绿地对地表温度的影响逐渐减弱。另一方面,地形地貌和岩性背景对区域热环境的影响也不可忽视。海拔与日间和夜间地表温度在两个尺度中均呈显著负相关,且其与地表温度的相关系数逐年增大;坡度与日间地表温度在两个尺度上均呈显著负相关,其与夜间地表温度在贵阳都市圈尺度上呈显著负相关,在大区域尺度上则呈显著正相关。岩性背景对低植被覆盖地表的地表温度也有着较强的影响,下垫面喀斯特区域比例越大,低植被覆盖地表像元的地表温度值越高;下垫面非喀斯特区域比例越大,低植被覆盖地表像元的地表温度越低,且三种不同岩性背景的低植被覆盖地表像元的地表温度差别在夏秋季节要小于春冬季节。（3）区域热环境主要影响因素:四个时期内,城市热岛对区域热环境的影响力白天大于夜晚,夏秋季节大于春冬季节;且随着城市发展,城市热岛的影响逐渐增大。但是异常热岛对区域热环境的影响在四个时期内均不可忽视。即使在城区面积最大的2017年,其影响强度指数仍然大于城市热岛,依旧是区域热环境重要的主导因子。（4）区域大气热环境变化趋势:区域大气热环境变化趋势与地表热环境变化趋势相吻合,由于异常热岛的存在,近郊站点的年平均温度普遍高于城区站点的年平均温度;而远郊站点由于受到异常热岛的影响较小,年平均温度要明显低于近郊站点和城区站点的年平均温度。随着区域城市化过程不断加快,近郊站点和城区站点年平均温度增高的趋势十分明显,而远郊站点的年平均温度则是略有上升。各类气象站点的年平均温差变化趋势方面,在城市化的影响下,近郊与远郊的温差和城区与远郊的温差均大幅上升,近郊与城区的温差则表现出减少的趋势。以上结果表明,在区域快速城市化的背景下,贵阳地区热环境恶化趋势十分明显。在城市化趋势不可避免的前提下,需要科学规划城市布局,统筹协调区域生态环境治理工作,提高区域居民生活舒适度,促进区域生态和社会经济和谐发展。