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城市熱環境遙感 版權信息
- ISBN：9787030736260
- 條形碼：9787030736260 ; 978-7-03-073626-0
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
城市熱環境遙感 內容簡介
城市作為人類活動*為密集的區域，其內部熱環境的分布與變化受到越來越多的關注。隨著熱紅外遙感技術的發展，通過衛星影像獲取空間連續分布的地表溫度數據，為了解城市熱環境提供了新的視角。本書以城市熱環境為對象，依托遙感數據、技術和方法，首先在詳細介紹城市熱環境遙感監測的理論和方法的基礎上，分別從城市地表覆蓋類型和空間結構特征的角度，探討城市熱環境時空分布特征的影響因素；隨后在社區尺度分析城市熱環境與宜居性的關系，并構建城市宜居性評價指標，給出我國主要城市宜居性評價結果；*后結合多時相遙感觀測，分析城市熱環境時序變化特征及其驅動因素，為城市熱環境的改善及城市的可持續發展提供科學指導。
城市熱環境遙感 目錄
目錄
第1章 緒論 1
1.1 城市化進程與溫度變化 1
1.1.1 全球城市化進程 1
1.1.2 城市擴張引起的溫度變化 2
1.2 城市熱島效應 3
1.2.1 城市熱島效應的影響 3
1.2.2 城市熱島效應的研究進展 4
1.3 城市熱環境監測 6
1.3.1 城市熱環境監測的傳統方法 6
1.3.2 城市熱環境遙感監測的優勢 7
參考文獻 7
第2章 城市熱環境遙感監測的理論、數據與方法 10
2.1 熱紅外地表溫度遙感反演的基本原理與方法 10
2.1.1 熱輻射的基本概念與定律 10
2.1.2 熱紅外地表溫度遙感反演算法 13
2.2 常用的遙感地表溫度數據 18
2.2.1 Landsat 18
2.2.2 ASTER 19
2.2.3 MODIS 20
2.2.4 AVHRR 22
2.2.5 其他數據 23
2.3 城市熱環境遙感監測指標 23
2.3.1 城市熱島強度 23
2.3.2 城市熱島足跡 24
2.3.3 城市熱場強度 26 參考文獻 27
第3章 典型地物對城市熱環境的影響 30
3.1 城市地表溫度與不透水面比例的關系 30
3.1.1 概述 30
3.1.2 數據與方法 31
3.1.3 研究結果 35
3.1.4 討論與分析 42
3.1.5 小結 44
3.2 城市樹木降溫效率的遙感評估 45
3.2.1 概述 45
3.2.2 數據與方法 46
3.2.3 研究結果 49
3.2.4 討論與分析 53
3.2.5 小結 55
3.3 人造地表和植被對地表溫度的綜合作用 56
3.3.1 概述 56
3.3.2 數據與方法 57
3.3.3 研究結果 61
3.3.4 討論與分析 68
3.3.5 小結 69
3.4 農業灌溉對地表溫度的影響 70
3.4.1 概述 70
3.4.2 數據與方法 71
3.4.3 研究結果 74
3.4.4 討論與分析 78
3.4.5 小結 81
參考文獻 82
第4章 城市景觀格局對地表熱環境的影響 89
4.1 城市景觀格局與城市地表熱島強度關系時空變化的遙感評估 89
4.1.1 概述 89
4.1.2 數據與方法 89
4.1.3 研究結果 93
4.1.4 討論與分析 102
4.1.5 小結 105
4.2 城市二維和三維景觀格局對地表溫度的綜合影響 105
4.2.1 概述 105
4.2.2 數據與方法 107
4.2.3 結果與討論 119
4.2.4 小結 130
參考文獻 131
第5章 社區尺度城市熱環境及宜居性評估 136
5.1 社區景觀、熱環境與宜居性分析 136
5.1.1 概述 136
5.1.2 數據與方法 137
5.1.3 研究結果 144
5.1.4 討論與分析 155
5.1.5 小結 157
5.2 我國主要城市社區綜合宜居性評估158
5.2.1 概述 158
5.2.2 數據與方法 160
5.2.3 研究結果 168
5.2.4 討論與分析 183
5.2.5 小結 186
參考文獻 186
第6章 城市熱環境的時序變化191
6.1 局部氣候帶動態變化對城市熱島的影響 191
6.1.1 概述 191
6.1.2 數據與方法 192
6.1.3 研究結果 197
6.1.4 討論與分析 202
6.1.5 小結 203
6.2 我國城市熱島足跡變化趨勢及影響因素 203
6.2.1 概述 203
6.2.2 數據與方法 205
6.2.3 研究結果 208
6.2.4 討論與分析 212
6.2.5 小結 214
參考文獻 214
第1章 緒論 1
1.1 城市化進程與溫度變化 1
1.1.1 全球城市化進程 1
1.1.2 城市擴張引起的溫度變化 2
1.2 城市熱島效應 3
1.2.1 城市熱島效應的影響 3
1.2.2 城市熱島效應的研究進展 4
1.3 城市熱環境監測 6
1.3.1 城市熱環境監測的傳統方法 6
1.3.2 城市熱環境遙感監測的優勢 7
參考文獻 7
第2章 城市熱環境遙感監測的理論、數據與方法 10
2.1 熱紅外地表溫度遙感反演的基本原理與方法 10
2.1.1 熱輻射的基本概念與定律 10
2.1.2 熱紅外地表溫度遙感反演算法 13
2.2 常用的遙感地表溫度數據 18
2.2.1 Landsat 18
2.2.2 ASTER 19
2.2.3 MODIS 20
2.2.4 AVHRR 22
2.2.5 其他數據 23
2.3 城市熱環境遙感監測指標 23
2.3.1 城市熱島強度 23
2.3.2 城市熱島足跡 24
2.3.3 城市熱場強度 26 參考文獻 27
第3章 典型地物對城市熱環境的影響 30
3.1 城市地表溫度與不透水面比例的關系 30
3.1.1 概述 30
3.1.2 數據與方法 31
3.1.3 研究結果 35
3.1.4 討論與分析 42
3.1.5 小結 44
3.2 城市樹木降溫效率的遙感評估 45
3.2.1 概述 45
3.2.2 數據與方法 46
3.2.3 研究結果 49
3.2.4 討論與分析 53
3.2.5 小結 55
3.3 人造地表和植被對地表溫度的綜合作用 56
3.3.1 概述 56
3.3.2 數據與方法 57
3.3.3 研究結果 61
3.3.4 討論與分析 68
3.3.5 小結 69
3.4 農業灌溉對地表溫度的影響 70
3.4.1 概述 70
3.4.2 數據與方法 71
3.4.3 研究結果 74
3.4.4 討論與分析 78
3.4.5 小結 81
參考文獻 82
第4章 城市景觀格局對地表熱環境的影響 89
4.1 城市景觀格局與城市地表熱島強度關系時空變化的遙感評估 89
4.1.1 概述 89
4.1.2 數據與方法 89
4.1.3 研究結果 93
4.1.4 討論與分析 102
4.1.5 小結 105
4.2 城市二維和三維景觀格局對地表溫度的綜合影響 105
4.2.1 概述 105
4.2.2 數據與方法 107
4.2.3 結果與討論 119
4.2.4 小結 130
參考文獻 131
第5章 社區尺度城市熱環境及宜居性評估 136
5.1 社區景觀、熱環境與宜居性分析 136
5.1.1 概述 136
5.1.2 數據與方法 137
5.1.3 研究結果 144
5.1.4 討論與分析 155
5.1.5 小結 157
5.2 我國主要城市社區綜合宜居性評估158
5.2.1 概述 158
5.2.2 數據與方法 160
5.2.3 研究結果 168
5.2.4 討論與分析 183
5.2.5 小結 186
參考文獻 186
第6章 城市熱環境的時序變化191
6.1 局部氣候帶動態變化對城市熱島的影響 191
6.1.1 概述 191
6.1.2 數據與方法 192
6.1.3 研究結果 197
6.1.4 討論與分析 202
6.1.5 小結 203
6.2 我國城市熱島足跡變化趨勢及影響因素 203
6.2.1 概述 203
6.2.2 數據與方法 205
6.2.3 研究結果 208
6.2.4 討論與分析 212
6.2.5 小結 214
參考文獻 214
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城市熱環境遙感 節選
第1章緒論 1.1 城市化進程與溫度變化 1.1.1 全球城市化進程 在過去幾十年，全球城市化進程顯著，*主要的體現就是城市人口的增加和城區范圍的擴張。根據《世界城市化展望（2018年修訂版）》，1950年全球城市人口占總人口的30%，而到2018年，這一比例已增加至55%，并且在北美等發達地區，城市人口比例甚至達到了80%以上。隨著亞洲和非洲等地區的發展，城市人口仍將繼續增加，至21世紀中葉，全球將會新增25億城市人口，屆時城市人口將占全球總人口的三分之二以上。以我國為例，2010年城市人口所占比例約為50%，到2020年這一比例已增至64%。與此同時，我國超大城市（城區人口超1000 萬人）已達到7個，特大城市（城區人口在500萬～1 000萬人）已增至14個，其中上海城區常住人口接近2000萬人，位居榜首（圖1-1）。 圖1-1 我國超大和特大城市人口數據來源于國家統計局，城市規模按照《國務院關于調整城市規模劃分標準的通知》（國發〔2014〕51號）進行劃分 城市人口的增加必然會伴隨著城市面積的擴張。如圖1-2（Li et al.，2019 ）所示，在1986～2015年的30 年，平均每年有近1萬km2的土地由非城市用地轉變為城市用地，全球城區面積凈增長80%左右，其中約70%的新增城區出現在亞洲和北美。我國自改革開放以來發展迅速，城區面積快速擴張。相關研究表明，我國不透水面比例在1985～2019年增加了約1.5倍，已達到2 450萬hm2，其中超過80%的面積來自耕地（Yang and Huang，2021）。 1.1.2 城市擴張引起的溫度變化 快速的城市化進程會對局部生態環境和氣候條件產生顯著影響。首先，城市擴張會使大量自然地物轉變為人造地物，造成城市周邊包括耕地、草地、林地、濕地等具有重要生態調節功能地物的減少或消失。這種地表覆蓋的改變會直接影響下墊面的生物物理性質，進而引起地表能量平衡和溫度的變化。地表能量平衡的原理可由下式表示： Rn=LE+H+G（1-1） 式中：Rn為地表凈太陽輻射通量；LE為潛熱通量（latent heat flux），指水汽相變時向大氣傳輸的熱量通量；H為感熱通量，指湍流運動從地面向大氣傳輸的熱量通量，主要由地面與大氣之間的溫差所決定；G為土壤熱通量，指地表土壤與下層土壤間熱傳導的熱量通量。 由植被等自然地物向人造地物的轉變會增加不透水面比例，降低地表的蒸散發能力，造成地表潛熱通量的減少和感熱通量的增加，進而引起局部溫度的升高。相較于自然地物，以磚石、水泥和瀝青等材料為主的人造地物熱容量大，導熱率高，并且有著較低的反照率，會吸收更多的太陽光，引起地表凈太陽輻射通量的增加，進而造成下墊面溫度的升高。研究表明，2006～2011年，我國耕地向城市用地的轉變分別引起日間和夜間地表溫度（land surface temperature，LST）升高約0.18℃和0.01℃，這種地表溫度變化主要歸因于地表覆蓋變化引起的蒸散發和反照率的改變（Zhang and Liang，2018）。 城市是人口的聚集地，居民的生產生活、交通出行等活動都需要消耗大量的能源。煤炭石油等化石燃料的消耗在釋放熱量的同時，還會產生大量的二氧化碳等溫室氣體。據統計，全球有超過65%的能源消耗發生在城市中，與此同時，全球約70%的碳排放來自城市（Poumanyvong and Kaneko，2010）。此外，城市中的機動車輛和工業生產會產生大量的氮氧化物、粉塵等空氣污染物，這些物質能夠吸收環境中的熱輻射能量，引起城市大氣溫度的上升（Cao et al.，2016）。有研究表明，我國的平均氣溫在1961～2013年升高了約1.44℃，其中城市溫度升高貢獻了整體升溫效應的三成左右（Sun et al.，2016）。 1.2 城市熱島效應 1.2.1 城市熱島效應的影響 城市中心與周邊區域地表覆蓋和人類活動等方面的異質性會引起二者溫度的差異，一般表現為城市中心的溫度高于周邊區域，這一現象被稱為城市熱島（urban heat island，UHI）效應。城市熱島效應是城市熱環境空間分布的一種集中反映和體現，也是城市熱環境研究的核心問題（姚遠等，2018）。 城市熱島效應會對城市中的生物物候、土壤特性、水文循環、能源消耗、空氣質量和居民健康等多方面產生影響（圖1-3）。城市溫度的升高會影響生物物候，*為典型的就是位于城市中的植被發芽開花的時間會提前，落葉的時間會延遲，造成植被生長期的延長（Li et al.，2017）。城市熱島效應會引起城市中土壤溫度的升高，造成土壤濕度、呼吸代謝、養分活性等特性的改變，進而會對土壤微生物的活動和土壤生物的多樣性產生影響（肖榮波等，2005）。城區溫度的升高會使氣壓降低，導致郊區冷空氣更容易流向城區，形成的局部空氣對流會引起降水量的增加，進而影響城市的水文循環（Shepherd et al.，2002）。眾多研究表明，城市熱島效應會促進臭氧、氮氧化物、一氧化碳等空氣污染物在城市中的形成與聚集（康漢青，2014；Lai and Cheng，2009）。此外，城市熱島效應會促進城郊之間局部環流的形成，引起城市上空塵埃和煙霧的聚集，進而誘發空氣污染事件（肖榮波等，2005）。 在全球變暖背景下，城市熱環境變化及城市熱島效應會加劇城市熱浪出現的強度、持續時間與頻率，影響城市居民的生活舒適度，甚至會危害居民的生命健康。1980 年，在熱浪的影響下，美國堪薩斯城和圣路易斯兩座城市的商業核心區的人群死亡率分別上升了64% 和57%，遠高于城市郊區（姚遠等，2018）。2003年，城市熱浪侵襲歐洲，總計造成約7萬人死亡。2004～2018年，美國平均每年有702例與高溫有關的死亡病例，且以老年人為主（Ambarish et al.，2020）。2018年，日本、韓國出現大范圍的高溫熱浪事件，導致上千人中暑、近百人死亡。2019 年熱浪再次侵襲歐洲，僅在法國就造成了約1500人死亡。為了降低室內溫度，空調、電扇等電器的使用會增加城市電力消耗。相關研究表明，溫度每升高1℃，電力需求量會增長0.5%～8.5%（Santamouris et al.，2015）。2012年，美國有六分之一的電力消耗用于降溫，由此產生的電費負擔高達400億美元。2001～2015年，我國城市家用空調的人均能耗從16.4 kW h 增加到96.6 kW h（Cai et al.，2021）。 1.2.2 城市熱島效應的研究進展 與城市熱島相關的研究*早可追溯到1833年，當時Luke Howard出版的The Climate of London，Deduced from Meteorological Observations 一書中記載了倫敦市中心比郊區溫度高的現象。后來Manley根據這一現象在1958年首次提出了“城市熱島”這一概念。隨著城市化進程的加速和全球變暖問題的凸顯，城市熱島效應逐步成為研究的熱點問題。圖1-4展示了近40 年來與“城市熱環境”或“城市熱島”相關的文獻發表情況。其中，中文文獻檢索平臺為中國知網，檢索詞為“城市熱環境”或“城市熱島”，英文文獻檢索平臺為Web of Science ，檢索詞為“urban thermal environment ”或“urban heat island”。可以明顯看出，2000 年以來，與城市熱環境/城市熱島相關的論文發表數量出現了“井噴式”的增長，這說明城市發展過程中產生的以城市熱島效應為典型代表的熱環境問題已經受到眾多學者的關注，現有研究主要集中于以下幾個方面。 1.城市熱環境的時空分布和變化規律 目前已有大量研究對城市熱環境的空間分布、晝夜差異、季節規律等方面進行了分析。例如，Zhou 等（2016 ）分析了我國32 個主要城市地表溫度從郊區至城市中心區域的變化規律，指出在絕大多數城市中地表溫度從郊區至城區都表現出增長的趨勢，其增長幅度與城市位置、季節及晝夜等因素緊密相關，一般表現為夏季高于冬季、日間強于夜間的規律。城市熱島效應的影響不僅局限于城市物理邊界范圍內，還會影響到城市周邊區域。Zhang等（2004）通過對城市內部及其周邊區域地表溫度的對比分析發現，城市熱島效應不僅會引起城市內部溫度的升高，其輻射效應還會造成周邊區域溫度的上升。Zhou等（2015）研究表明，城市熱島效應的影響范圍可延伸至城區周邊數倍范圍的區域。此外，城市熱環境的時間變化趨勢也是現有研究關注的重點。例如：Yao等（2017）對我國31個城市的熱島強度（即城郊溫度差值）在2000～2015 年的變化趨勢進行了分析，絕大多數城市（27/31）的夏季日間熱島強度在該時間段內出現了顯著增長趨勢，并且城市熱島的增強與城郊植被和人為熱源差異的變化有關；Peng等（2018）比較了我國281個城市的城區和郊區地表溫度在2000～2010 年的變化情況，發現約70%的城市的城區地表溫度增加速度要高于郊區；Yao 等（2019）對全球397個城市的熱島強度在2001～2017年的變化情況進行了分析，發現有42.1%和31.5%的城市分別出現了年度日間和夜間熱島強度顯著增強趨勢，并且城市熱島強度的增強趨勢主要與郊區植被的增加有關。總體而言，現有研究對城市熱環境的時空分布及其變化趨勢進行了較為全面的分析，加深了城市化對局部熱環境影響規律的認識和理解。 2.城市熱島效應的形成機制和影響因素 城市熱島效應的形成機制和影響因素是現有研究的重點。Imhoff等（2010）研究了美國38個城市的熱島效應，發現熱島強度與城市大小和城市所處的生態區聯系密切。Peng等（2012）借助遙感數據，分析了全球419個城市中影響城市熱島時空分布的影響因素，發現日間熱島強度主要與城郊植被指數差值有關，夜間熱島強度則主要受到城郊反照率和夜間燈光強度差值的影響。類似地，Zhou等（2014）利用遙感數據對我國32個主要城市的研究表明，城市熱島強度的影響與季節有關，夏季日間熱島強度主要受植被活動和人為熱源的影響，而冬季日間熱島強度則主要與氣候條件（溫度和降水）有關。以上研究給出了影響城市熱島效應的主要因素，但由于研究方法的限制，缺少對城市熱島效應形成機制的定量評估。因此，Zhao等（2014）開發了定量評估影響城市熱島效應的氣候模式，并結合地表溫度及植被覆蓋的衛星遙感數據對北美地區的 65個城市進行分析，量化了不同因素對城市熱島的影響，發現城郊之間地表粗糙度的差異是影響城市熱島效應的關鍵因素，如果城市的粗糙度小于郊區的粗糙度，就會出現較強的熱島效應。例如，濕潤地區城郊植被多為樹林，地表粗糙，對流散熱效率高，相比之下，這些地區城市的對流效率下降了 58% ，造成熱島效應。在半干旱地區，植物多為低矮的草地，而城市景觀地表更為粗糙，對流散熱效率更高，會抑制熱島效應，甚至造成“冷島效應”（即城市溫度低于郊區的現象）。類似地，Manoli 等（2019）建立了綜合考慮熱島強度、人口和背景氣候的粗粒度模型，并在全球30000 多個城市中探究了城市熱島空間分布模式的影響機制，發現城市熱島強度的大小主要由城郊蒸散發和對流效率差異決定。總體而言，現有研究較為深入地分析了城市熱島的影響因素，為理解城市熱島效應的形成機制打下了基礎。 3.城市熱島效應的緩解和應對措施 城市是人口的聚集地，如何應對城市發展過程中的氣候變化，制訂針對城市熱島效應的有效緩解措施，一直是學者們關注的主要問題。Zhao等（2014）指出在城市尺度上提升地表的反照率是降低城市熱島強度的有效手段。例如，經歷了1995年的熱浪后，芝加哥市制定了建筑規范以促進屋頂反射率的提高，1995～2009年，該市反照率增加了約0.02，有效地緩解了城市熱島效應。與此同
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