基于足迹分析的京津冀城市群热岛效应的时空特征及驱动因素分析

作     者：付学成 

作者单位：山东师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：姚磊

授予年度：2023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] 

主      题：热岛足迹范围 热岛足迹强度 热风险 季节 京津冀 

摘      要：快速的城市化进程会对当地的热平衡造成实质性的干扰,并诱发严重的城市热岛效应,对城市生态安全和可持续发展造成不利影响,且其带来的高温加剧了热风险,对人体健康及人居环境产生严重的负面影响。因此,有必要全面了解城市热岛效应的时空特征、驱动因素及其带来的潜在风险,以利于科学的城市热环境管理以及制定热风险防控措施。本研究基于单指数衰减模型识别并提取京津冀城市群2000-2020年热岛足迹范围及热岛足迹强度双重指标用于表征城市热岛效应,运用Mann-Kendall趋势分析法、Sen斜率估计以及空间可视化等方法对该地区年均以及季节昼夜城市热岛效应的动态特征进行分析比较;选取环境-社会-经济多方面潜在驱动因素通过相关性分析、基于面板数据的回归分析探讨年均及不同季节昼夜城市热岛效应的驱动因素;在热岛足迹基础上,通过空间叠加人口栅格数据进一步识别了该区域热风险人口及热风险水平。结果表明:(1)京津冀城市群热岛足迹范围和强度存在显著的时空差异。日间足迹范围高于夜间(25.30 km22.79 km),并在春季(相较于其他季节,春季日间达到33.13 km,春季夜间为23.32 km)和大城市(相较于其他规模城市,年均日间达到36.80 km,年均夜间为70.06km)显示出较高的状态。在足迹强度方面,夜间强度高于日间(2.43℃0.92℃),季节间昼夜强度最高值分别出现在夏季日间(2.55℃)和冬季夜间(2.77℃),空间上则分别出现在中等城市(年均日间达到1.38℃)和大城市(年均夜间达到2.57℃)。从时间上看,大多数城市的日间热岛足迹范围呈扩张的趋势,平均变化率为0.65 km/年,变化率高值更多地出现在春季(日间变化率为1.497 km/年);但在夜间,多数城市的热岛足迹范围有所下降,变化率为-0.068 km/年,其中仅夏季夜间的足迹范围保持扩张(0.157 km/年)。在足迹强度方面,除春季日间(0.018℃/年)外,均表现出总体下降的趋势(年均昼夜变化率均为-0.018℃/年)。此外,中等城市表现出更高的范围变化率值(日间年均为1.115 km/年,夜间年均为-0.027 km/年)和强度变化率值(日间年均为0℃/年,夜间年均为-0.004℃/年)。(2)社会和经济因素是京津冀城市群热岛足迹变化的重要驱动因素,具体关键驱动因素在不同季节昼夜中存在差异。用电量和第三产业占比分别对年均日间热岛足迹范围和热岛足迹强度产生主要贡献,在夜间则均为三产占比。在不同季节的昼夜时段中,对热岛足迹范围和热岛足迹强度的主要驱动因素存在差异。在日间,各季节热岛足迹范围最重要驱动因素分别为道路面积(春季)、建设用地面积(夏季)、用电量(秋季)和日照时数(冬季);各季节夜间关键驱动因素均为三产占比。对热岛足迹强度来说,各季节日间最重要驱动因素分别为三产占比(春季)、汽车保有量(夏季)、人口密度(秋季)和二氧化碳排放量(冬季);在夜间,夏季热岛足迹强度的最重要驱动因素为用电量,其余各季节热岛足迹强度最重要驱动因素均为三产占比。(3)京津冀城市群年均及季节昼夜均存在不同程度的热风险,以低风险为主,风险人口持续上升,在大城市尤为明显。区域内城市日间热风险人口平均达到213.50万人,夜间则为231.77万人。在日间,该地区大多数城市的热风险人口峰值出现在夏季,平均达到225.96万人,在夜间则出现在春季,达到237.28万人。大城市的热风险人口普遍多于中小城市(日间为710.10万人,夜间为883.47万人),其中北京的热风险人口最多,年均昼夜分别达到993.80和1108.18万人。在研究期间,热风险人口存在显著的增长趋势,区域内城市年均日间平均增加7.76万,年均夜间平均增加5.39万人,其中在夏季(相较于其他季节,日间为8.05万人/年,夜间为7.00万人/年)和大城市(相较于其他规模城市,年均日间增长26.37万人,夜间增长29.85万人)的热风险人口呈现出较快的增速。结合风险水平来看,该地区年均昼夜热风险人口占足迹范围内总人口的比重分别超过68.52%和66.00%,夏季(相较于其他季节,日间占比达到84.50%,夜间达到83.03%)和大城市(相较于其他规模城市,年均日间占比78.53%,夜间达到91.05%)存在更广泛的风险人口。此外,区域城市面临的风险水平以低风险为主,这将对范围内居民的热舒适水平产生负面影响。研究表明,随着城市化进程的继续推进,京津冀城市群面临的城市热岛问题及其带来的热风险将持续存在并表现出时空异质性特征,城市的规划者和管理者必须加以重视并采取具有针对性的、有效的预防、缓解和治理措施以防止区域热环境的进一步恶化。