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不同地表覆盖类型对城市热岛效应的影响探究

作者:工程管理
出处:www.lunrr.com
时间:2019-10-04

1简介

城市热岛效应是指城市温度明显高于周围郊区的温度的现象,其效应强度可以用热岛强度来表示。城市热岛效应是由于人口密集和工业集中。这是一种现代城市小气候现象,其中城市温度高于郊区。它不仅是大气的热污染现象,而且是城市环境中不可缺少的一部分。它被认为是最典型的城市。气候特征之一。随着城市规模的不断扩大和城市化进程的加快,城市热岛效应越来越显着。城市的热岛不仅使人们易于取暖和取暖,而且增加了城市的能源消耗。此外,由于城市热岛的热效应,形成了所谓的城市热岛复合循环,导致局部风从郊区吹向市区,市区扩散了。郊区的污染大气被送回市区,加剧了城市的空气污染。当前,城市热岛效应严重制约着人们的日常生活和城市的可持续发展。如何有效缓解城市热岛效应成为近年来研究的热点,研究城市热岛效应的形成机理,变化特征,影响因素和演化规律。它可以为城市的可持续发展提供一些理论指导。

在19世纪初,霍华德湖首先提出了城市热岛的概念,指出伦敦市区的温度高于郊区的温度。 1972年,饶(Rao)首次使用热红外遥感数据研究了城市热岛现象;卡洛等。利用NOAA卫星遥感数据研究了1993年的城市热岛。温度上升最低的影响。目前,温度和地表温度已成为研究城市热岛效应的有效手段。地表温度是反映城市热岛效应的重要指标。传统的地表温度研究主要使用气象数据或实测数据进行比较研究。但是,由于场地的空间分布不均匀以及观测条件的局限性,不可能完全反映整个区域的温度条件。随着卫星遥感技术的发展,利用卫星遥感图像数据研究城市热岛已经成为当前的趋势。它可以在很大范围内监视其变化趋势和空间分布。它具有许多监视阶段,广泛的监视范围和数据同步。数据易于分析等,对于研究城市热岛效应十分方便。

本文以石家庄市区为研究区域,以2004年8月30日,2008年7月16日和2010年8月15日的Landsat-5 TM卫星遥感影像数据为基础,采用单窗算法对地表温度进行反演。研究区域。通过使用地面测量的0cm表面温度数据验证了算法的性能。根据反演获得的地表温度,探讨了石家庄市城市热岛的时空分布格局及变化特征。结合地表覆盖类型,分析了不同地表类型对城市热岛的影响。最后,对石家庄市一定规模的水域和绿地对周围热环境的影响进行定量分析,并利用缓冲技术定量估算影响范围。该研究可以为石家庄市的城市建设和合理的土地规划提供一定的理论基础和技术指导。

2研究领域概述和数据源

2.1研究区域概述

本文选择石家庄为研究区域。石家庄市位于河北省中南部,太行山东麓,介于37 27'- 38 47'和113 30'- 115 20'之间。石家庄属于温带半湿半干旱大陆性季风气候。太阳辐射的季节变化很大,四个季节则不同。近年来,由于城市工业化进程的加快,城市的绿色空间越来越少,城市的底层表面结构发生了变化,城市工业,交通运输和城市建设向城市大气中排放的人类热量和废热也逐渐减少。居民日益增多。一些气象因素表明郊区之间存在显着差异,并且城市热岛效应变得越来越重要。通过研究石家庄的城市热岛效应,我们可以掌握气候与城市环境发展之间相互作用的规律。这对石家庄市的城市建设,城市规划,大气污染控制,能源利用,城市气象预报,城市防灾和生态平衡改善具有重要意义。它为未来的城市规划提供了理论基础和技术支持。

2.2数据介绍

本文使用的遥感图像数据是石家庄市的Landsat-5TM数据,在晴朗无云的条件下于2004年8月30日的11:32、2008年7月16日的10:50和2010年8月15日的10:51过境。数据由国家科学数据服务平台提供(涵盖石家庄市的图像带编号)。 /行号(曲目号)为124/34。 Landsat-5TM图像包含七个波段。 1-5波段和7波段的空间分辨率为30 m,而6波段(热红外波段)的空间分辨率为120M。南北扫描范围约为170 km,东西扫描范围约为183公里。在这项研究中,使用最近邻居算法将第6波段(热红外波段)中120 m分辨率的图像重新采样为30 m分辨率。

3种反演算法及精度验证

3.1单窗口算法

自20世纪60年代初tiros-ii发射以来,学者们利用卫星遥感数据反演地表温度。20世纪70年代以来,越来越多的遥感数据被应用于地表温度反演,如modis、avhrr、tm/etm+。针对不同数据的特点,国内外专家学者提出了一系列地表温度反演算法,如单窗口算法、分裂窗口算法和多通道算法。主要针对当时只有一个热红外波段的TM数据,提出了单窗口算法。与多通道算法相比,单窗口算法的优点是只需要一个热红外波段就可以得到表面温度。单窗口算法是谭志豪在2001年提出的。根据地表热辐射传导方程,将大气和地表的影响直接纳入计算公式,得到了较好的结果。

3.2算法精度验证

本文采用单窗口算法对石家庄地区2010年8月15日10时51分的地表温度进行了反演。检索结果如图2所示(空白区域是数据缺失区域)。为了验证算法的准确性,本文以0cm地表温度观测数据(实测值)为参考值,与反演结果(反演值)进行对比分析。验证数据为2010年8月15日11:00的0cm地表温度积分数据。可见,反演值整体低于实测值,可能是由于两者采集时间的偏差和遥感图像缺乏精确的大气校正所致,等,反演值与实测值的绝对差不太大,可控制在2(?)c,误差在可接受范围内。结果表明,利用landsat 5 tm单窗反演石家庄地区地表温度是可行的,其精度足以满足本研究的需要。

4石家庄市城市热岛效应分析

4.1城市热岛时空分布分析

本文采用单窗口算法对石家庄市2004年8月30日和2010年8月15日的地表温度进行反演。表面温度(参见图3a,图)。图3b)。比较图3a和图3b,发现在两个地图中石家庄市区都有明显的城市热岛效应。与2004年相比,2010年的热岛范围显着扩大,并呈现了从中心向东西方向逐渐扩展的空间特征。市中心的温度明显高于周围郊区的温度,并且从市中心到郊区的温度值逐渐降低,呈放射状分布。东西方向有较长的“高温带”,这与石家庄市的现状相吻合,基本与石家庄市的发展趋势相吻合。图3a的虚线椭圆框可以粗略地代表2004年石家庄的热岛中心。不难看出,该地区的温度明显高于市区的其他地区。比较图3b,发现在2010年,同一区域出现了“低温区”(图3b中的虚线椭圆框),该区域的热岛效应得到显着缓解。经调查,据悉,近年来石家庄旧火车路的绿化已转变为该地区(新胜街)的绿色走廊。可以看出,改善城市绿化面积可以有效改善城市热岛效应。图3a实心椭圆框是渭河,这是石家庄市政府近年来一直在努力的项目。发现渭河改造后取得了显著成效。储存水后,河道和周围表面的温度显着降低。可以看出,水体的增加也可以有效缓解城市热岛效应。从图3b可以得出结论,最高的地表温度出现在城市中心,为49.3°C,最低的温度为23.6°C,这是渭河水体,绿地乘以It。水和绿地的密集分布区域的地表温度值较低,这表明水体和绿地的增加是减缓城市热岛的有效方法之一。

4.2不同地面物体类型对城市热岛的影响

为了研究不同地表类型对地表温度的影响,本文将研究区域的地表类型分为五类:城市建筑物,乡村/城镇,城市绿地,农田和水(虎托河)。在相同的表面类型下,随机选择三个点以取平均值作为表面类型的表面温度值。通过统计分析得出以下结论:(1)五种地表类型的地表温度顺序为:城市建筑物。 <村庄/城镇> <城市绿地> <农田>水体。 (2)与城市建筑相比,Hu河水体平均温度低10-16度,城市绿地平均温度低4-9度。水体对周围环境的降温效果非常明显,水体的降温效果比绿色空间还重要。 (3)通过比较地表温度图和植被指数图,发现地表温度随着植被覆盖度NDVI的增加而降低,且两者之间具有良好的负相关性。相关系数R2=0.71表明植被覆盖率低是导致城市热岛效应的原因之一。可以推断,科学合理地增加城市地区的植被覆盖度有利于减轻石家庄的城市热岛效应。

发现水体和绿地的表面温度明显低于城市建筑物。一定规模的水体和绿地可以改善周围的热环境。为了定量分析水体和绿地对周围环境的影响,选取2008年7月16日10:50的Landsat 5 TM数据为研究对象,并采用缓冲区技术估算影响范围。的水体和城市公园的绿色空间。显示所选水域和绿色空间的地理位置。图7显示了该研究所选择的具有代表性的公园水体和市区的绿地。

5结论

本文利用Landsat-5TM高分辨率卫星遥感图像数据,通过单窗口算法检索地表温度,以研究石家庄的城市热岛效应。分析了石家庄城市热岛的时空分布以及不同土地覆被类型对城市热岛的影响。定量分析了石家庄市区水体和绿地对周围热环境的影响范围。可以得出以下结论:

(1)石家庄城市热岛效应明显。 2010年,热岛的范围明显比2004年扩大。热岛的空间特征从中心向东方和西方逐渐扩展,从中心到郊区的温度值逐渐降低,显示出径向分布。这与近年来石家庄市的发展趋势基本吻合。

(2)在石家庄市区,水,绿地分布密集的地区及周边地区,地表温度较低,形成了一定范围的“局部小气候”。在一定程度上,增加水和绿地面积是减缓城市热岛的有效方法之一。

(3)五种表面类型的表面温度的顺序为:城市建筑物。 <村庄/城镇> <城市绿地> <农田>水体。许多研究表明,水体的冷却效果比绿色空间的冷却效果更重要。

(4)地表温度随着NDVI的增加而降低,相关系数R2=0.71,说明植被覆盖率低是城市热岛效应的原因之一。科学合理地增加城市绿地面积可以有效缓解城市热岛效应。

(5)分析了一定规模的水体和绿地对周围热环境的影响,并采用缓冲技术定量估算了影响范围。结果表明,水体的影响范围可以达到300 m,当水体超过300 m时,没有观察到明显的降温效果,而绿色空间仅影响周围的热环境,范围为100 m。

这项研究的结果表明,一定规模的水和绿地对调节当地的小气候和改善周围的热环境具有显著作用。可以推断,科学合理地增加水体和绿地的面积可以有效缓解城市热岛效应。该结论可为石家庄城市建设和城市规划提供一定的理论指导和技术支持。该结论对其他城市的城市气候研究具有一定的参考价值。

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