上海城市热岛效应形成机制及空间格局

M echan ism of form a tion of urban hea t island effect and its spa tia l pattern in Shangha i
DA I X iao2Yan1, * , ZHANG L i2Q uan1, GUO Zhong2Y ang2, WU Jian2P ing2, LI X iao2Dong2, ZHU Y an2L ing2
1 S ta teK ey La boratory of E stua rine and C oa stal R esearch, Ea st Ch ina Norm al University, Shangha i 200062, C hina 2 D epartm ent of Geography, Key Laboratory of Geog raph ic Inform a tion Science, M inistry of Edu ca tion, Ea st Ch ina N orm al Universi ty, Shanghai
基金项目: 国家科技支撑计划资助项目 ( 2006BAC01A14); 国家重点基础研究发展规划资助项目 ( 2008DFB90240); 华东师范大学研究生 重点课
程建设资助项目 ( 2007kc04)
收稿日期: 2008207230;
修订日期: 2009204208
* 通讯作者 C orrespond ing author. E2m ai:l dx iaoyan2002@ yahoo. com. cn
第 29卷第 7 期 2009年 7月
生态学报 ACTA ECOLOG ICA SIN ICA
Vo.l 29, No. 7 Ju.l , 2009
上海城市热岛效应形成机制及空间格局
戴晓燕 1, * , 张利权1, 过仲阳2, 吴健平 2, 栗小东 2, 朱燕玲 2
( 1. 华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室, 上海 200062; 2. 华东师范大学 地理信息科学教育部重点实验室, 上海 200062)
K ey W ord s: u rban heat island; mech an ism of formation; geostatistics; decision tree; Shangha i
城市化的快速发展最为直观的表现就是土地覆盖景观的转变。土地利用 /土地覆盖的变化不仅会改变地 球表面物理特征, 而且又能影响到地表与大气之间的能量和水分的交换过程、改变地表生物地球化学的循环 过程, 对区域甚至全球生态系统的结构和功能等产生极其深刻的影响 [ 1, 2] 。尤其对于我国重要的经济中心城 市 ) ) ) 上海, 在社会经济的高速发展中, 城市景观布局和土地利用方式变化对城市生态环境演变产生了深远 影响。在各种城市化的生态环境效应中, 城市热岛效应的产生及演变与城市地表覆被变化、人类社会经济活 动密切相关, 是城市生态环境状况的综合概括与体现, 因而, 对于城市热岛的分布特征、形成演变机制等问题 的研究受到了众多学科领域的广泛关注。李延明等 [3]通过分析 1987年以来城市化发展对北京市绿色空间和 热环境的影响发现, 随着城市建设范围的扩张, 热岛分布范围持续扩大; 热岛面积比率与植被覆盖率成明显的 负相关关系, 当一个区域植被覆盖率大于 30% 时, 绿地对热岛效应具有较明显的削弱作用, 而规模大于 3hm2 且绿化覆盖率达到 60% 以上的集中绿地与郊区自然下垫面的热辐射强度相当, 在城市中形成以绿地为中心 的低温谷地。T ran等 [4]对 2001~ 2003年间亚洲 18个大城市的热岛效应的时空变化模式及其与城市地表覆 盖特征之间的关系进行了定量评价和对比分析; 采用 2维高斯曲面拟合出的城市热岛的强度和空间尺度均与 城市人口规模呈显著正相关, 在温带地区的各大城市中, 东京城市热岛的空间分布范围和强度最大, 而我国的 北京和上海分别位于第 2和第 4位; 并基于植被盖度和建筑密度这 2项因子建立了热岛效应与地表覆盖特征 的定量关系。肖荣波等 [5]通过邻域统计分析揭示 60m至 960m像元尺度上北京市在南北、东西、西北 2东南和 西南 2东北不同方向上不渗透面盖度与地表温度间的定量关系, 结果表明, 当不渗透面盖度从区间 0~ 10% 增 大至 90% ~ 100% , 地表平均温度则由 20. 74e 升高至 29. 92e , 这意味着若植被、水体等自然下垫面被金属、 水泥混凝土等不渗透面所替代, 平均地表温度将升高 9. 18e 左右; 不渗透面盖度与地表温度之间存在明显的 正相关性, 随 着尺 度从 60m 增大 到 960m, 相关 系 数由 0. 807 增大 至 0. 925。 Yuan 和 Bauer[6] 利用 美国 M innesota城市地区 2000~ 2002年 4个不同季节的 TM /ETM + 影像, 通过对比分析地表温度与 NDVI 和不渗 透面盖度之间的定量关系指出, 不渗透面盖度与地表温度之间在所有季节均具有显著的线性关系, 而 NDVI 与地表温度间的相关关系及相关程度随季节和地表覆盖类型及其组合发生变化; 与 NDVI 相比, 地表温度的 空间变异在更大程度上取决于不渗透面盖度的空间分布状况。根据上述分析, 遥感和 GIS技术可以为城市热 岛的动态监测与分析提供科学而有效的方法, 然而, 目前对城市热岛形成、演变的驱动机制、热岛效应与地表 覆被变化的定量关系研究大多还是从对某些影响因子 (如 NDVI、植被盖度和不渗透面盖度等 )的测定入手, 缺乏对区域热环境系统全面、综合的评价与分析。
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生态学报
29 卷
Hale Waihona Puke Baidu
d iscovering the m echan ism of form ing UH I effect in Sh angha,i and exh ib it ing the d ifferen t spat ial patterns of th erm al environmen t under synth et ic effect o f various in fluen cing factors. R esu lts ind icate th at spatial d ifferen tiat ion is inherent in the driving factors in fluen cing th e form ation o f u rban therm al env ironm ent, and the evolu t ion trends ofUH I effect rely on spatial com b inat ion s o f various in fluencing factors. The decision tree m ethod can b e effectively used to d eterm ine the k ey factors in flu encing th e form ation of th erm al env ironm en t in d ifferen t regions in side th e city, reveal th e cau sation of formation and evolut ion ofUH I and its spatial d ifference, and fu rther p red ict and analyze the spat ia l d istribut ion pattern of dynam ic change of u rb an surface tem peratu re field in the fu ture.
200062, China Acta E co log ica Sin ica, 2009, 29 ( 7): 3995 ~ 4004.
Ab stract: The formation and evolut ion of urban heat island ( UH I) effect, wh ich are closely related to changes of land cover and soc ioeconom ic activit ies of hum an b eing in u rban area, can generalize and em body u rb an ecologica l environmen t cond it ion. Existing research efforts on the driving m echan ism ofUH I form ation and evolu tion h ave been m ost ly focu sed on the measu rem en t of a sing le or several ind icators represen ting land cover ch anges, socioeconom ic cond it ion s, etc. There is still lack o f a comp reh en sive ana lysis with resp ect to surface therm al env ironm ent system from a reg ion al perspect ive. The cou rse of urban izat ion h as w itnessed a seriou s spatial heterogeneity of u rb an land su rface therm al land scap e due to in tens ive human socioeconom ic activities. In th is paper, first, spatial variation patterns of Shangha i urban surface temperatu re field and their d istinct d riv ing factors are p resented at d ifferent sca les with geostat ist ical methods b ased on the land su rface temp erature ( LST) retrieved from Landsat 7 ETM + th erm al ch ann el data in Shangha,i Ch ina. Second, classificat ion and pred ict ion m odels of urban thermal environm en tal system are con structed by m ean s of decis ion tree. These mod els facilitate qu an titatively estab lish ing the relat ionsh ip between the spatial d istribu tion of LST field and its in flu en cing factors,
摘要: 城市热岛效应的产生及演变与城市地表覆被变化、人类社会经济活动密切相关, 是城市生态环境状况的综合概括与体现, 目前对城市热岛形成、演变的驱动机制、热岛效应与地表覆被变化的定量 关系研究 大多还是从 对某些影响 因子的测 定入手, 缺 乏对区域热环境系统全面、综合的评价与分析。近年来, 在城市化过程中, 人类社会、经济活动的加剧使城市地表热力景观 呈现 出高度的空间异质性 , 在利用 Landsa t 7 ETM + 热波段数据反演 上海地区地表 温度的基 础上, 应用地 统计学 方法揭 示了不同 尺 度下上海城市地表温 度场空间变异特征及其不同的驱动因子。进而, 采用决策树方 法构造城市热环境系统的分类和预测模型, 建立中心城区地表温度场空间 分布及其驱动因素之间的定量关系, 挖掘上海城市热 岛效应的形成机制, 揭示出多种影响因 素综 合作用下中心城区热 环境空间格局差异。研究结果表明, 城市热环境形成的驱动因 子在空间上呈现出明显的分异性特征, 各种 影响因素在空间上不同的组合 方式将决定城市热岛效应的时空演变趋势。运用决策树方法可以有效地确定在城市内部不 同区 域影响热环境形成的主导因素 , 揭示城市热岛形成与演变的成因机制及其空间差异 , 并可以进一步用来预测分析未来城市 地表 温度场动态变化的空 间分布格局。 关键词: 城市热岛; 形成机制; 地统计学; 决策树; 上海 文章编号: 100020933 ( 2009) 0723995210 中图分类号: Q143 文献标识码: A