物联网技术支持下的城市热环境时空变化分析

热环境是城市生态系统最为关键的大气环境要素之一,开展城市热环境研究的前提是在时空维度上获取足量的热环境参数。利用先进的物联网技术构建了在线式热环境监测设备,收集2022年10月16日至24日广州大学校园气温、风速、太阳辐射和地面温度四种热环境参数,分析小尺度下城市热环境的时空变化特征。研究结果表明:1)不同测点之间的风速特征具有一定的相关性,极个别测点的风速特征与其它测点相关性仅在0.5左右,显示其小气候的独特性;2)不同测点风速和热岛强度变化时空差异明显,即使距离靠近的测点,受邻近建筑和植被特征的影响热环境特征会有所差异,各测点的日间风速大,热岛强度较为明显,夜间风速较小,热岛强度较弱;3)地面温度与气温的相关性达0.8左右,这种相关性在夜间表现更为密切,并且这种关系受风速的影响不大。研究结果反映了城市热环境参数在小尺度上的高度异质性,并揭示了物联网技术在城市热环境监测领域的可行性、便捷性和高效性。

基于形态空间格局分析与最小累积阻力模型的城市热环境生态网络优化研究

【目的】建立合理的城市热环境生态网络,以缓解城市热岛效应。【方法】以成都市中心城区为研究对象,基于“源-汇”理论,利用形态学空间格局分析方法(MSPA)与景观连通性指数,分别筛选研究区内景观稳定性好、连通性高的“源”“汇”景观作为生态源地;运用最小累积阻力模型、重力模型以及水文分析模块构建和筛选研究区内的重要生态廊道,从而建立缓解城市热环境问题的多层级“源-汇”景观网络。【结果】分别筛选出24个具有重要连通性的“源”“汇”核心斑块作为重要生态源地。构建“源-源”廊道102条,“汇-汇”廊道141条,“源-汇”廊道325条,生态节点103个,障碍点148个。通过综合相交分析,一级补偿廊道主要由岷江、毗河和其他河道构成,二级输送廊道主要分布在“汇”景观较为密集的区域,三级作用廊道主要分布在高强度建设区域。【结论】基于“源-汇”理论构建的多层级生态网络优化格局是有效缓解城市热岛效应的重要举措。图4表3参25.

气候韧性视角下城市热环境与空间规划策略研究——以郑州市为例

城市增量扩张引起城市热环境发生显著变化,成为影响人居环境品质、降低城市气候韧性的重要问题.本文以郑州市为例,用城市热岛表征城市热环境,采用定性与定量相结合的方法,基于气象和规划数据分析城市热环境的时空变化,运用GIS分析识别郑州主城区2022年夏季典型日的热岛空间分布及影响因素.为改善城市热环境,利用国土空间规划的调控手段,从优化城市生态空间格局、引导生产空间布局、改善生活空间提质三个维度提出规划策略,以期在国土空间规划体系中进行落实,促进超大特大城市发展方式的转变,为建设韧性城市提供规划路径.

基于局地气候分区的滨海城市热环境评估

局地气候分区在城市气候规划中的研究进展全球气候变暖加剧与城市热浪频发使公众健康面临着巨大的挑战。在新时代国土空间规划的大背景下,城市规划及更新设计结合国家、地域、城市气候信息的综合考量,对未来城市气候响应、增强城市韧性至关重要[1]。局地气候分区(Local Climate Zone,简称LCZ)是近几年城市规划气候响应的重要研究分野[2]。LCZ根据地表覆盖、地表结构、地表材质和人类活动,制定了10个量化指标,并据此将城市下垫面划分为17种基本分区类型,包括10种建筑类型和7种自然类型。与传统城市热环境的研究方法相比,LCZ对城市内部异质结构及指标的精细划分更有利于跨学科的标准化描述。

基于ECOSTRESS的城市热环境昼夜空间特征分析

地表温度是表征城市热环境变化的重要指标,其分布信息对监测城市热环境具有重要意义。本文首先基于2018—2023年6—8月ECOSTRESS数据,通过地表温度修正得到沈阳市四环内的昼夜地表温度;然后利用均值-标准差法和空间自相关分析法对地表温度昼夜空间特征进行提取;最后结合土地利用数据,分析不同地类对地表温度空间分布的贡献度。结果表明,沈阳市四环内地表温度呈北高南低、西高东低的形式,日间和夜间地表温度差异较大。高温区主要集中在皇姑区、大东区、沈河区西部和铁西区东部,低温区和次中温区主要集中在四环边缘;人工地表类别的地表温度大多高于自然地表类别的地表温度,建筑用地类别高温区占比最多,这是地表升温的主要因素,自然地表类别是降温的主要因素;沈阳市四环内的地表温度呈空间正相关,夜间地表温度聚集程度高于日间,且具有显著性的冷热点,地表温度昼夜变化与地表温度聚集性分布特征一致。

公园城市理念下的城市热环境改善与优化设计研究——以成都市为例

本研究以成都市为例,探讨了公园城市理念下的城市热环境改善与优化设计。首先分析了城市热环境的组成及形成原因,认识到城市化进程中人类活动、建筑热量排放和缺乏绿化空间等因素对城市热环境产生的重要影响,并指出存在的问题和不足。在充分理解土地利用关系与城市热环境之间的联系后,研究发现,通过合理规划城市空间结构、采用屋顶光伏板结合种植技术来增加屋顶绿化、增设城市公园以提高地面反照率,降低人类活动产生的热量,可以缓解城市的热岛效应,改善城市热环境。本研究提出了一系列改善城市热环境的方法和城市热环境优化设计策略,可以为城市规划和建设提供重要参考。通过优化城市热环境,可以提高人居环境的舒适度和城市生态环境的质量。展望未来,还需要进一步研究和探索,以推动城市发展与环境保护的协调发展。

天津市城市公园对城市热环境的降温效应研究

该文以遥感影像反演得出的天津市地表温度数据为基础,借助ENVI、GIS等软件获取公园内部温度数据与内部景观结构数据,通过SPSS对各景观要素与不同城市公园的降温效应进行相关性分析,探究影响热岛效应的主要因子,为缓解城市热环境提供参考。结果表明:①各公园对周围环境都有明显的降温效应,降温范围在60~400m之间,降温幅度在0~6℃之间,其中0~30m的降温幅度最大。②公园内平均地表温度与公园面积、周长、形状指数均呈显著负相关,公园面积超过10~16hm2,周长超过4~5km,公园降温速率变缓。③公园面积和水体比例是影响公园降温效应最主要因子,在公园规划建设中,应首要考虑面积与水体比例,在场地面积有限时,水体比例大于30%时公园降温效果明显。

基于温度反演技术的城市热环境分析与降温策略研究——以安陆市为例

城市化背景下城市热岛效应日益明显,改善热环境是提升城市环境品质的重要手段之一。该文以湖北省安陆市为对象,在遥感影像数据基础上,通过温度反演技术分析城市热环境格局与特征,并结合三调及实地调研数据,解析热环境与城市功能用地、蓝绿空间、旧城更新等要素及行为的相关性,从而就热环境的问题与趋势,针对老城区、产业发展区以及城市边缘区提出相应的降温策略。

基于局地气候区的西安市城市热环境变化及其影响因素分析

快速城市化过程引起的城市热环境变化,对人类健康和城市可持续发展产生了重要影响。通过科学规划与管理改善城市热环境对于提高城市宜居性具有重要意义。以西安市主城区为例,基于2019-2022年9期70 m分辨率的ECOSTRESS数据,结合局地气候区(Local Climate Zone,LCZ)分类,利用相关性分析及分区统计等方法,对城市热环境变化及其影响因素进行了分析,可为城市科学规划与管理提供决策依据。研究结果表明,(1)研究区以建筑类型(LCZ1-7)局地气候区为主,占区域总面积的72.94%。其中紧凑型中低层建筑(LCZ2-3)局地气候区分布在城市一环路以内,开敞型建筑类型(LCZ4-7)局地气候区分布在城市一环和绕城高速之间,自然类型(LCZA,LCZB)局地气候区和大型低层和硬地面(LCZ7)局地气候区分布于绕城高速周边。(2)日间,紧凑型建筑类型(LCZ3)局地气候区地表温度最高,水体(LCZA)地表温度最低;夜间,水体(LCZA)地表温度最高,植被(LCZB)地表温度最低。紧凑型建筑类型(LCZ1-3)地表温度高于开敞型建筑类型(LCZ4-6),且日间地表温度表现为紧凑型高层(LCZ1)<紧凑型中层(LCZ2)<紧凑型低层(LCZ3),夜间反之。(3)日间,地表温度高值区主要分布于以紧凑型建筑类型(LCZ1-3)局地气候区为主的城市二环路内,地表温度低值区分布于研究区东北部、研究区东南部和二环西北部边缘区域的植被(LCZA)和水体(LCZB)局地气候区内;夜间地表温度高值区分布于研究区东北部水体(LCZB)和绕城高速内的建筑类型(LCZ1-6)区域,地表温度低值区与日间相似。(4)地表温度与NDVI呈显著负相关,与人口和夜间灯光呈显著正相关。研究认为西安市未来建筑类型应多以开敞型建筑为主,并在开敞型建筑类型(LCZ4-7)局地气候区中加强城市绿化,同时,在紧凑型建筑类型(LCZ1-3)局地气候区中建设通风廊道,可起到改善城市热环境的作用。

城市建成区平面形态与城市热环境关联性研究--以西安市为例

随着我国城市化进程的快速发展,建设用地扩张引发的城市下垫面属性变化对城市热环境产生了日益严重的负面影响.以探究城市建成区平面形态与城市热环境的相关关系为研究目标,以西安市城六区为研究对象,基于Landsat遥感影像提取2002—2021年间的城市建成区边界并得出其平面形态的量化参数,同时通过地表温度反演计算出对应年份地表温度的各项指标,而后对两者进行相关性分析,结果表明地表温度最大值与建成区平面形态的面积、周长具有高显著性的相关关系,最终分别对两组数据通过曲线拟合建立数学模型并得出其具体的函数方程,为城市热环境的优化设计提供参考.

规划控制要素视角下城市热环境的测度与优化——以广州中心城区为例

传统的遥感与CFD方法在定量评价及优化城市热环境的影响时存在时间和空间上的局限,规划师缺少精细化管理城市热环境的定量方法。基于局地气候分区(Local Climate Zone,LCZ)体系,梳理规划控制要素与城市热环境的关联,定量分析广州中心城区热岛强度的时空分异特征,发现不同LCZ的热岛强度存在差异,调整规划控制要素可以对热岛强度产生不同程度的影响。通过对比广州中心城区的实测数据,对简化数值模拟方法(Urban Weather Generator,UWG)预测热岛强度的适用性进行检验,结果表明:(1)该方法的精度(R2=0.956,RMSE=1.10℃,MBE=-0.28℃)较好,计算速度快,适用于城市地块热岛强度精细化评估。(2)研究选取与规划控制要素相关的11个参数进行全局敏感性分析,发现建筑密度、建筑高度、建筑功能及占比是影响广州中心城区热岛强度的关键性因素,对热岛强度的控制可在规划初期介入,UWG和LCZ相结合是快速准确评估热岛强度的定量化工具。(3)通过合理规划土地使用、环境容量与建筑建造,引导城市设计,可有效缓解城市热岛,优化城市热环境。

局地气候区视角下的城市热环境优化研究——以澳门地区为例

为应对日益严峻的高温热浪风险,明晰城市复杂的空间形态与热环境的关系,以澳门地区为例,首先,通过ENVI遥感解译、GIS空间分析、CART决策树分类等方法划定局地气候区(LCZs);其次,利用空间误差模型(SEM)分析LCZs热环境的关键影响因子和影响机制;最后结合热环境优化等级评估,提出优化建议。结果表明:1)以中低层建筑、裸露地表为主的LCZs升温效应显著;以乔木、水体和高层建筑为主的LCZs降温效应显著;2)阻挡太阳辐射比通风散热更有利于地表降温;3)空间误差模型(SEM)能较好地描述澳门地区城市形态与热环境的关系;4)各LCZs分区热环境影响因子及影响机制差异较大;5)SVF、BD、BVD和ISD具有增温效应,BH、BH_S、GSD和WSD具有降温效应,且GSD、WSD、ISD和BVD的影响系数普遍较高;6)澳门地区宜优先优化LCZ10(重工业)、LCZF(裸土或沙)、LCZ4(开阔高层)、LCZ5(开阔中层)、LCZA(茂密树木)、LCZ6(开阔低层)热环境。将为澳门地区等高密度城市制定高温风险应对决策提供支持。

基于地理探测器的景观格局变化与城市热环境关系分析

利用地理探测器分析了1990—2020年苏州市土地利用对地表热环境的影响,揭示了城市景观格局演变对地表热环境的影响力度及其内在机制。研究发现:(1)1990—2020年,苏州市建成区面积逐年增加,而最近10年来增速有所放缓,地表温度正常区的占比持续上升,高温区在前20年缓慢扩大后,最近10年出现了显著的下降,3个时段的面积占比分别为38.34%、39.30%和30.44%;(2)1990—2010年和2010—2020年的景观格局指数与地表温度之间的相关性发生了变化,耕地的最大斑块指数和聚集度指数,以及建成区的景观形状指数,均由负相关转为正相关,建成区的最大斑块指数则由正相关转为负相关;(3)1990—2020年,城市热环境的驱动因素表现出从主要受双因子增强模式向非线性增强交互效应的转变。这种转变的因子组合由1990—2000年的建成区、水体与耕地密度和面积因子,到2000—2010年扩展至林地密度因子,再到2010—2020年进一步包含建成区形状因子,呈现出随时间演进的复杂化趋势。驱动因素之间呈现相互增强的趋势,揭示了城市热环境效应具有通过多层面的相互增强与策略合作在多个维度上得到改善的潜力。

基于地表能量平衡的城市热环境遥感研究——以石家庄市为例

对石家庄市LandsatTM数据进行土地覆被分类,计算各土地覆被类型的能量平衡分量。找出感热、潜热、储热通量在下垫面的分配差异并分析下垫面面积比例与感热/净辐射的关系。发现密集不透水面感热单位面积能量达314.1 W/m2,49.9%的净辐射转换为感热。城市植被、水体净辐射的61.2%,65.9%变成潜热;感热/净辐射与城市植被和水体面积比例负相关,面积比例小于30%,感热/净辐射随之减少而快速增长;大于30%则随之增加缓慢降低。感热/净辐射与不透水面面积比显著正相关,可见,城市近地层温度升高主要由不透水面产生的感热交换引起。

植物功能性状及其叶经济谱对城市热环境的响应

【目的】了解植物功能性状及叶经济谱对城市热环境的响应,有助于从功能生态学角度理解植物对城市环境的适应机制。【方法】以北京热环境高温点和低温点常见绿化树种国槐、栾树和洋白蜡为研究对象,测定地表温度、土壤含水量及叶功能性状指标。【结果】(1)城市热环境地表温度表现为高温点(HTR)显著高于低温点(CTR)(P<0.05);土壤含水量则表现为CTR相对大于HTR,但未达到显著水平。(2)城市热环境对不同树种影响存在一定差异,其中对国槐、栾树的影响主要源于高温胁迫,对洋白蜡的影响主要源于干旱胁迫。(3)在城市热环境中,叶性状关系与全球尺度基本一致,比叶面积(SLA)与叶绿素含量(CHL)、叶干物质含量(LDMC)、叶组织密度(LTD)呈极显著的负相关关系(P<0.01);CHL与LDMC、LTD间存在极显著的正相关关系(P<0.01);LDMC与LTD间呈现显著的正相关关系(P<0.05)。气孔密度(SD)与气孔面积(SS)、气孔开度(SA)、SLA之间分别呈负相关关系,但差异不显著(P>0.05)。(4)RDA结果显示,植物功能性状指标中SLA主要受地表温度的正向影响(R2=0.97,P<0.05),但土壤水分含量对它们具有负向影响(R2=0.75,P<0.05);地表温度对LDMC、LTD、CHL有正向作用,但土壤含水量对它们有负向作用。【结论】全球叶经济谱在城市热环境中也同样存在,总体上向"快速投资-收益"型一端偏移,在HTR植物具有低的SLA,小的SS和SA,高的CHL、LDMC、LTD和SD,以适应高温、干旱的特殊生境。因此,在城市绿化植物配置时,在热环境高值区应选择耐高温、耐旱的树种,同时采取降温、灌溉等措施来降低高温的影响。

FY-3A/MERSI数据在典型大城市热环境监测预报中的应用——以上海市为例

以上海市为例,探索中国新型自主的FY-3A/MERSI数据在典型大城市热环境研究中的应用模式,包括实时监测与同化数值预报两个方面。结果表明:FY-3A/MERSI反演的250 m地表温度及其他衍生指标能够客观呈现城市热场格局及热岛效应,精细揭示出上海市区—近郊—远郊的地温明显分异,热岛由中心城区呈放射性面状过渡到远郊以乡镇为中心的团块状,其形成与下垫面介质关系密切。同化FY-3A/MERSI数据产品的中尺度数值模式,耦合城市冠层参数化方案,可实现250 m格网0～48 h城市近地层气温空间精细化预报,提取1 h间隔的热环境日演变特征将有助于在不同天气形式下进行热环境灾害潜式预报及机理分析。预报结果在时空分辨率方面明显优于常规数值预报,并避免了卫星云污染的影响,说明FY-3A卫星探测资料能有效改善模式背景场与初始场。

基于地表辐射亮温标准化的城市热环境遥感研究——以上海市为例

基于消除多时相遥感影像图像差异的重要性,在地表实测数据的支持下,分析了多时相热红外遥感影像地表辐射亮温标准化的方法,采用了辐射一致化和初温一致化2个步骤对图像进行处理,并以上海市为例研究了城市热环境的时空演变规律.结果表明:该方法可以明显消除不同成像条件对热红外遥感数据的影响,为城市空间热环境变化研究提供了有力工具.同时,通过统计分析和剖面分析表明,上海城市的扩展对城市热场的年变化幅度有放大作用;上海城市热中心并不在市中心,而位于能耗大、热源强度高的工业区.城市能耗和下垫面性质差异是影响城市热场差异的主导因素;通过剖面分析城区热场的细部结构,反映出城中心区亮温差异有正在缩小的趋势.

太湖对周边城市热环境影响的模拟

太湖微气候条件及局地热环境的研究对于太湖周边城市地区可持续发展以及大气宏观调控具有重要意义。为了更准确模拟太湖湖-气交换,将CLM4-LISSS浅水湖泊陆面过程参数化方案耦合进入WRF中的Noah陆面过程模型。采用太湖湖上平台及岸边陆上测站观测的数据,评估了CLM4-LISSS浅水湖泊过程方案对太湖区域近地层气象条件的模拟性能。并基于耦合模型模拟研究了太湖对周边城市区域热环境的影响。结果表明,CLM4-LISSS湖泊陆面过程方案模拟的湖表面温度能反映真实温度的变化趋势。两种陆面过程方案在2 m气温的模拟值也存在一定的差异。CLM4-LISSS与Noah方案计算所得湖上2 m气温的模拟值与观测值的平均均方根误差分别为1.77和2.22℃,平均相关系数分别为0.88和0.84;模拟10 m风速的平均均方根误差分别为1.93和2.78 m/s,平均相关系数为0.72和0.68。太湖对周边城市热环境存在明显的影响。8月太湖对周边地区15时(北京时)近地层平均降温0.5—0.7℃,影响范围达60 km。06时太湖导致周边近地层平均升温达0.7—1℃,影响范围达50 km。湖风带来的冷空气抑制了城市热岛的垂直运动,在高温天气下使得苏州、无锡和常州城市地区昼间边界层下降高度可达300、400和100 m。无锡地区边界层内气温最高降幅可达0.5—0.7℃。通过选取无锡地区2015年8月28日高温小风天气作为背景条件,分析该地区湖风对城市热岛环流的影响机制。结果表明湖风能够破坏无锡地区的热岛环流结构,改变近地面热量和水汽的分布,抑制城市热岛的垂直发展,并影响至整个无锡地区。局地热力环流的变化对于局地气候以及污染物质的输送与扩散有可能产生重要影响,准确的湖泊陆面过程参数化方案对于天气预报、空气污染模拟,以及气候模拟研究等均具有重要意义。

微观尺度城市热环境影响因素分析研究——以深圳市罗湖区为例

城市热环境状况是衡量城市生态环境状况的重要指标之一,直接关系到城市人居环境质量、居民健康状况,以及城市的可持续发展。以人口、经济、产业、建筑等为代表的的社会因素是影响城市热环境的主要驱动力因素之一,然而目前相关研究仍主要集中在宏观尺度。以Landsat-8 TIRS为数据源,以深圳市罗湖区为研究区,研究微观尺度多种社会因素对城市热环境的影响机制,揭示城市内部空间热环境的成因。首先,通过计算热岛强度与热岛比例指数分析罗湖区热环境空间分布;然后,应用Pearson相关系数分析微观街区尺度建设用地比率、绿地比率、毛容积率、人口密度等自然、社会因素与城市热环境的相关性;最后,基于统计直方图分析具有不同人文功能属性建设用地对城市地表热环境的影响机制。研究结果表明:由于罗湖全区的生态用地比例较高,热环境状况总体较好,然而由于生态用地分布极不均匀,建成区内的部分区域热岛比例指数较高,城市热岛效应较严重;在微观街区尺度,4种指标与热岛比例指数的相关性由大到小依次为:绿地覆盖率(?0.91)、毛容积率(0.76)、人口密度(0.67)、建设用地比率(0.64);对7种具有人文功能属性的土地利用类型,其对地表热环境的影响由大到小依次为:物流仓储用地、交通设施、工业用地、商业服务业用地、公共管理与服务、居住用地、市政公用设施。研究成果不仅能为快速发展城市土地利用规划提供参考,也对城市热环境管理和城市热岛效应减缓措施的提出与施行具有实践意义。

基于ASTER数据的城市热环境效应定量分析

运用MODTRAN大气模型和通道光谱响应函数对2003年10月7日过境广西北海市的ASTER数据进行大气校正,从Planck公式和热辐射传输方程出发实现了地表温度的反演,采用ASTER VNIR和SWIR数据计算归一化植被指数(NDVI)和归一化湿度指数(NDWI),并分析了5个TIR通道地表温度、地表温度与NDVI、地表温度与NDWI之间的相关关系。结果表明,该方法反演5个TIR通道的地表温度具有显著的一致性,且与实测气温基本相符;地表温度与NDVI、NDWI之间具有明显的负相关关系;利用ASTER数据进行城市热环境效应定量分析,取得了较为理想的结果。