文摘

北京经历了快速城市化和城市热岛热岛反应有关。本研究旨在分析城市形态对热岛的影响在北京使用TM / ETM图像在1989年和2010年之间。空间分析探索区域之间的关系,提出了紧凑度,城市土地的重力中心和热岛。在北京热岛空间代表了“NE-SW”的主轴。地表温度(LST)是南方比北方高。城市热岛比率指数(URI)是相互关联的不同区域与城市土地面积。类似的城市土地面积条件下,热岛和紧凑城市土地的比例正相关。热岛重心的移动方向基本上是符合城市土地扩张。城市郊区土地的侵占土地是热岛效应的主要来源。结果表明,城市设计基于城市形式可以有效调节热环境。

1。介绍

在快速城市化的背景下,人口居住在城市地区的预测是五十亿到2030年1]。多次修改的地表会出现作为一个积累大量的人们迁移到大城市2]。陆地表面的修改将导致城市气候变化。有一个了不起的城市气候现象,城市土地和周围的农村地区的温度是不同的。明显的差异的温度被称为城市热岛(热岛)[3,4]。热岛会严重影响人类的生活条件,增加能源消耗和大气污染5]。城市化进程的加速,如不透水表面和人口密度增加,会增加热岛[6]。

许多研究都集中在城市形态对城市环境的影响。城市形态,这是一个术语,指一个城市的布局和设计,影响生态和环境质量的组成和土地的分散模式,水和能源消耗,空气流动(7- - - - - -11]。好的(12]说明城市规模热岛发展的主要因素。热惯性和植被指数的下降,因为城市土地侵蚀的约束蒸发从而减少热量的损失由潜热通量(13]。风速的降低14)和sky-view因素(5,7),更高的人为热释放5,7,14),增加的能源需求,和拥堵的交通网络(11)造成城市化将进一步加剧热岛效应。然而,城市发展是一个不可避免的趋势后,人们迁移到大城市。“好城市形态”将减轻城市环境的恶化15,16)最近的讨论“城市扩张”在美国和欧洲的“紧凑城市”(17- - - - - -19]。城市形态和交通能源消耗之间的关系已经被检查以减少有限公司₂排放(20.- - - - - -22]。马尔克斯和史密斯23)建立了土地利用-交通环境模型连接城市形态来改善空气质量。已经到目前为止,还没有详细研究的理论成果和实际应用之间的关系在北京城市形态和城市热环境。这项研究集中在以下。城市形态的时空特征和热岛是1989 - 2010年期间?在北京城市形态如何影响热岛效应吗?

描述城市增长、形式和空间结构,各种指标,如密度、紧性,复杂性,和循环比率是用来代表城市特征(24]。区域战略还为我们提供了一种科学的测量方法对城市群空间地理信息(25- - - - - -27]。与城市形态相似,城市热岛的测量也已大量研究的焦点,和几个指标的分配9,28- - - - - -30.]。卫星观测提供了一种定量测定的城市扩张和热岛。先进的高分辨率辐射计(AVHRR)数据来自美国国家海洋和大气管理局(NOAA) (31日,32),热红外(行动)的数据主题映射器+ (TM)和增强型专题成像仪(ETM) [33,34),中分辨率成像光谱仪(MODIS) LST产品已先后利用热岛效应研究[30.]。本研究分析了LST从TM / ETM收集了1989年,2000年和2010年,分别。此外,陆地卫星TM图像分析来获取土地利用类型。

2。研究区和数据来源

2.1。研究区域

北京,中华人民共和国的首都,延伸约37°′纬向(39°26 -41°03年′′N)和2°05′纵向(115°25′-117°30′E)。它涵盖了十四区和两个县,总面积大约是16410公里²(35)(图1)。这个城市有半湿润气候的温暖的温带大陆季风气候和四个不同的季节,寒冷而多风的冬天,和夏天炎热和潮湿的。北京经历了快速的城市化进程。常住人口是1075万,1989年达到1962万2010年。同样,国内生产总值(GDP)从456亿年到1.4113万亿年增加1989 - 2010年期间与近似增加30倍(35]。最近,环境问题(如热岛沙尘风暴,和污染烟雾)人口和经济快速增长带来的负面影响质量和舒适的城市生活36]。

环境问题,特别是在北京热岛,引起了国际社会的关注。Zhang et al。37)报道,平均热岛大约是4 - 6°C时使用一个郊区在西北地区农村基线和8 - 10°C当使用外郊区在同一地区。气温甚至延迟的时间秋天树叶假期(38]。多元化和经济的快速发展和城市社会,在北京城市扩张可能会扩大和热岛效应将变得更加严重29日]。

2.2。数据源

提供的土地利用数据集是地理科学和自然资源研究所,中国科学院。土地利用数据集的研究收集了三个时期,即1989年、2000年和2010年。获取土地覆盖类型,陆地卫星TM图像被选定,清朗地纠正。进行目视判读的假彩色复合材料(R / G / B =乐队5/4/3)TM / ETM +图像。有六个聚合类土地利用:农田、森林、草地、水体、建设用地,裸露的土地。这些类是进一步分为25土地利用类。建设用地包含城市土地,农村住宅用地,工业和矿业网站。土地利用平均解释精度分别为92.9%,97.6%,土地覆盖变化的检测。对于农田,精度为94.9%。96.3%的组合面积精度最高。 For forest and grassland, the accuracies were 90.1% and 88.1%, respectively [39]。此外,三个高质量的(无云)TM / ETM图像,即8月14日1989年8月10日,2000年8月8日,2010年应用于检索LST,分别。

3所示。方法

3.1。城市形态的措施

3.1.1。城市形态测量指标

城市的紧凑度外轮廓是一个重要的概念反映了城市形态(27,40- - - - - -42),计算如下: 在哪里是城市土地的紧凑度,城市土地的面积,的周长是城市轮廓。范围从0到1;更高的值表示一个更密实的形状和一个值接近1表明,形状更接近于一个圆,反之亦然。一个圆是最紧凑的形状,因此狭长形状的紧凑度远小于1。

一般来说,如果城市土地扩张填入方式的变化,城市边缘的凹度会降低,因为城市内部差距逐渐填满,因此,城市外轮廓形成趋向于更为紧凑。如果城市土地扩张edge-expansion方式的变化,城市形态往往是松散的。然而,争论一个紧凑的城市形式最适合城市热环境持续了很长一段历史43,44]。低密度蔓延的城市地区热源相对分散,但增加了车辆的燃油消耗产生更多的人为热量。然而,新大面积的建筑物会占据更多的绿地,增加不透水表面的面积和增强热岛效应。

3.1.2。城市土地扩张的测量指标

最常见的方法来描述城市土地扩张的异构是比较分析城市扩展速度的差异在不同的方向(图1)。方法视觉和简明地勾勒出空间形式的城市扩张和歧视在不同的区域空间异构。在本文中,我们设计了一个在市中心30公里的缓冲,可以覆盖所有城市建设用地。我们还研究了城市空间异构除以缓冲区成八象限。

城市土地扩张的速度和强度可用来分析和描述土地扩张状态在城市建设用地和各个方向比较扩展强度、速度、和趋势的城市土地研究领域在不同时期45,46]。表示为两个指标 在哪里是扩张速度指数,是扩展强度指数,在研究区域城市土地扩张地区吗我(例如,一个区域在特定方向)时期j,是时间跨度,是在研究区域城市土地的面积在早期j,是在研究区域城市土地的面积我。

扩张速度表示城市土地的增长年率在整个研究期间不同阶段,代表了总体趋势的不同类型的城市土地扩张阶段。扩展强度指数基本上是用来规范年均扩张速度的空间单元,从而扩张速度在不同时期进行比较(47]。

重心是一个重要的指标描述地理空间分布过渡的主题(48,49]。重心反映了空间元素的空间定位和整体异构和“高密度”部分的土地利用类型,及其动态的转变反映了整体转移轨道的空间元素的分布。的重力中心城市土地是一种重要的空间索引与城市发展和城市发展决策具有较高的适用价值。

对于多个地理对象,重心的坐标计算如下: 在哪里和在时间的重力中心城市土地吗t,和是城市的几何中心坐标在块土地吗我,块的面积是我。

我们进一步提出了两个变量:重心转移距离(l)和重心转移角度()。传输距离反映了不同时期之间的均匀程度的城市土地,和转移方向表明城市土地的“高-密度”部分(48,49]: 在哪里是城市土地的重心转移的距离到时间t+ 1: 在哪里之间的角方向和东方向转移期吗到时间。

3.2。LST的时空模式

3.2.1之上。检索从陆地卫星5号拍摄TM图像亮度温度

陈等人。50)提出了一种两步方法获得亮度温度。首先,带6的数字数据(DNs)转换为辐射亮度(,)如下: 在哪里是乐队的DN 6,= 1.896,= 0.1534。

然后辐射亮度转换为开尔文在卫星的亮度温度,T (K),如下所示: 在哪里= 1260.56 K和= 60.766 (),发射前的校准常数,b是有效的光谱范围,当传感器的反应远远超过50%,b= 1.239 (μ米)。

3.2.2。检索从陆地卫星7 ETM +图像亮度温度

陆地卫星7 ETM产品用于检索2000年温度根据用户的手册。这也简化为两个步骤如下。

首先,带6的DNs被转换为光辉如下: 可以在哪里获得增益和偏移量的头文件,= 1,= 255,= DN,和(也在头文件)的光谱光芒带6 DNs 1和255(即,和),分别。

然后把地球大气层的有效温度在卫星系统的假设下均匀辐射率可以从上面获得光谱辐射率如下: 在哪里在开尔文有效在卫星的亮度温度,= 666.09 (),= 1282.71 K校准常数,的光谱辐射吗。

3.2.3。检索LST

辐射的辐射温度修正计算通过使用归一化差植被指数(NDVI)。研究阈值归一化植被指数图像分成两个通用植被和nonvegetation类,和分配发射率值为0.95和0.92,分别产生辐射图像为每个数据(51]。然后,LST计算如下(33,52- - - - - -57]: 在哪里=波长的辐射= 11.5μ米,= 1.43810⁻²可(h=普朗克常数= 6.62610⁻²⁴Js,c=光速= 2.99810⁸米/秒= = 1.38玻耳兹曼常数10⁻²³J / k)。因为植被的重要性作为温度控制因素,辐射率修正导致显著分化类和增加空间的细节与反光的乐队。最后,图像转换成摄氏度。

3.2.4。城市热岛的计算比率指数(URI)

本文旨在研究热岛的时空变异通过LST数据倒从遥感(RS)图像在不同时期。然后基于亮温度正常化,我们介绍了URI量化热岛[28,46]。

热岛研究侧重于空间LST的相对强度。条件也在周围的农村地区影响热岛的大小(58]。例如,Streutker [32)发现与农村LST热岛强度呈负相关。RS图像从不同时期只改变LST的值,而不是改变LST的空间分布。因此,lst归一化比较lst的空间分布在三个时期,从而在北京热岛的时空模式的变化在1989年和2010年之间进行了研究。

首先,在不同时期被规范化lst在0和1之间: 在哪里像素的归一化值吗;LST的像素;是北京最大的LST;和是最低LST。

然后规范化lst是由密度分割方法分为五个热力学水平:低,submedium,介质,介绍,高。因此,LST水平的分布特点,在北京,每一层的面积可以根据计算表1。

最后,介绍了URI量化城市土地的贡献率热岛(28,46]: 在哪里是归一化温度水平的数量;我温度的水平值高于农村;n高数量的温度水平主要发生在城市地区;表示加权值使用对应的价值水平我;和p面积的比例水平。从本质上讲,计算获得的URI是热岛区城市土地的比例加权值的考虑的温度水平。它反映了发展程度的热岛建设用地。一个更大的URI表示更严重的热岛效应。

4所示。结果

4.1。城市形态的时空模式

城市土地扩张是城市形态演变的基本特征。城市土地增加了775.82公里²184.31%的速度在1989年和2010年之间(表2)。具体来说,城市土地增加了469.32公里²在1989 - 2000和306.50公里²2000 - 2010年期间,分别。城市土地扩张强度()从1989 - 2000年的1.51下降到1.08 2000 - 2010年期间,表明扩张速度的放缓。对城市形态、城市土地是分布在1989年像一个“南”轴。城市土地在北轴的高度压缩,表明集群程度高;城市土地在南压实轴的少,说明分散分布。从1989年到2010年,新城市土地躺北south-wards沿轴,因此城市土地的密实度比率略有下降,显示整体edge-expansion模式(数据2和3)。

1989年,城市土地集中在西南部和西部,例如,西城,丰台区,和石景山地区,占研究区建设用地总量的41.38%。城市土地在东北区域的面积是70.17公里²。三个地区的城市土地扩张的填满,和密实度指数(bci)都增加1989 - 2000。尤其是BCI从0.17增加到0.25,西南区,这是由于新城市土地的大面积在丰台区和连续填入城市土地扩张在西城,海淀、石景山地区。好像在其他区同期略有下降。这些结果表明,新城市土地是向外传播,特别是在南方和西北区域,扩大强度()分别达到2.17和1.84。但是好像没有明显变化。城市土地在东南区也明显扩张,扩张强度达到1.63,但BCI下降在同一区域。城市土地的扩张速度和密实度比率略有下降在2000 - 2010年期间,和城市土地更分散。城市扩张仍然是明显的在南方,西北和东南区。特别是城市土地的面积是185.48公里²,比1989年增加了4倍在丰台、大兴区。

4.2。LST的时空模式

北京的lst在1989年和2010年之间定量从TM / ETM数据检索,和他们的时空模式进一步分析(图4)。一般来说,城市土地的lst和uri从1989增加到2010,热岛地区扩展,城市扩张所带来的热岛强度明显增加(表3)。lst在城市土地是1989年在南部比北部高,主要是因为有更多的工业土地在北京的南部。然而,空间分布变得不那么明显的随着城市扩张在1989 - 2000年期间,因为一些大型能源密集型工厂完全搬出去和发布工业热源减少。

1989年热岛分布像NE-SW主轴,西南区域URI URI率达到0.25(图很明显高于其他区域5),因为大型能源密集型企业包括Shoudu钢铁公司和一些热电厂位于石景山地区。他们排放丰富的热量导致大气和陆地表面温度升高。URI还在东北区(URI = 0.16)和热岛效应比邻区更严重,这主要是与顺义区北京首都国际机场。uri很大程度上增加,热岛面积扩大显然在1989年和2000年之间。然而热岛分布仍像一个“NE-SW”主轴在西南和东北区。uri显著增加,高于0.3在西方,南方和西北地区。特别是南方的URI的增加是最明显的区域,这是与城市扩张强度最高。城乡交接带的主要城区通州/仿膳饭庄地区明显体现热岛特征。

uri在所有区域进一步增加,热岛是更严重的2000年至2010年在北京。URI仍然是最高的西南区(URI = 0.44),其次是南方区(URI = 0.41)。明显,URI在西北区域迅速增加到0.38,因为巨大的城市土地扩张。堆积如山的高科技产业领域和大型居民区出现并逐渐成为新的热岛中心,如中关村、上地,和四季青居民区。这些高密度建筑和稠密的人口高lst的主要原因。此外,东部区逐渐连接和联合开发的居住区在河北燕郊,人口激增,交通土地扩展和增加车辆流在一起导致不断增加的URI。

4.3。城市形态对城市热岛的影响

在这项研究中,我们比较城市土地和uri的八区在三个时期。结果表明,这两个指数都在高度相关(R²= 0.971),这表明热岛效应的发生很可能归因于快速从土地到城市郊区土地(图6)。大面积建筑物侵占了更多的绿地,不透水表面的增加,热惯性下跌,蒸发和植被指数限制,因此减少热量的损失由潜热通量和增强热岛效应。

此外,在同一城市规模,更紧凑的城市形式表示更严重的热岛。1989年,城市土地是几乎相同的大小(70.17和72.13公里²)在北京的东北和西部地区。然而,BCI显然是更高的东北区,因此有一个更高的URI,表明强热岛效应在北京的东北区比西方区。同样,东南和北部区一样大(103.09和109.93公里²2010年);然而城市形式更多的压实区东南部,BCI(0.33和0.17),因此URI是更高,表明强热岛效应在东南区比在北方区。显然,更高的城市密度和表面粗糙度会削弱城乡空气通风,阻止城市内部热扩散和提高城市和农村地区之间的温度差异。

那么城市土地对热岛效应的影响进行了进一步分析方面的空间分布(图7)。城市土地的重力中心通常移近边缘区1989年和2000年之间,和重心转移距离更长期间1989 - 2000比2000 - 2010年期间(表4)。重心转移在南方区更明显,其次是东部区域,因为丰台、大兴区南部区域,东部朝阳区区域经历了最强烈的城市土地扩张。在东北、西南和西部地区,然而,该中心1989年和2000年之间传输距离被缩短与其他区域相比,主要是因为新城市土地的三个区域的扩大以填入的方式,因此紧凑度增加。这些结果表明,城市土地的扩张强度和模式将很大程度上影响城市重心转移。

城市土地的低水位体系域主要是分为高和介绍热力学水平;因此这两个水平视为热岛。热岛的空间分布的重力中心显示,热岛重心是远离城市中心与城市土地的重心在同一区(图7),表明影响热岛面积大于城市土地。从空间的角度转移,热岛的重力中心和城市土地转让基本上一致的方式,表示高度的相关性。特别是在南方区域城市edge-expansion更明显,热岛的重力中心和城市土地转让更多的类似。然而,在西南部和东北部区域新城市土地扩张的填入,热岛的重心也转移到不规则。城市土地的侵占郊区土地和一系列的人类活动(例如,人口集中,增加旅游频率和长时间的旅行距离,以及产业结构调整)然后导致根本性的变化的热辐射,蓄热、传热模式。因此,城市化是最直接和热岛面积的扩展的基本驱动力。

5。结论

本研究探讨了城市形态之间的关系,通过GIS空间分析热岛。优越的空间分辨率的长时间序列TM / ETM图像,所涉及的机制产生热岛带来城市形态可以被认可。

城市土地增加了775.82公里²184.31%的速度在1989 - 2010年在北京。城市土地分布像一个轴在1989年“南”。城市躺在南北病房方向edge-expansion地在接下来的二十年里,减少城市紧凑度的土地。具体来说,扩张速度指数和扩展强度减速比1989 - 2000年在2000 - 2010年。热岛分布就像一个“NE-SW”主轴在北京,和lst在南方区明显高于北方区。lst和uri的城市土地增加了从1989年到2010年,在北京热岛区扩大,城市扩张带来的热岛明显增加。

URI是高度相关的城市土地面积。但在某些城市规模,压缩城市形式表示更明显的热岛效应。热岛的重力中心和城市土地转让方式基本一致。热岛效应是由于从土地到城市郊区的快速转变。城市土地扩张也产生较大的比城市热岛面积。

上述有关城市形式的发现可能非常有助于缓解城市热环境。城市规划旨在指导土地利用变化在城市地区分配新的商业领域发展和住宅用地和恢复植被。土地利用的变化将不可避免地重塑城市形态,从而改变城市热环境。因此,评估城市规划政策对城市气候的影响调节进一步整合成空间规划是很有用的。

尽管本文城市形态的影响进行了探讨热岛几个主题需要进一步调查。首先,水体的贡献和绿地在城市地区LST并不明显。增加绿化措施可以减轻热岛效应在同样的城市形态。第二,人类活动对城市热环境的影响应该调查进一步了解城市形态对城市热环境的贡献。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究受到了美国国家关键技术研发项目中国第十二个五年计划期间(2012 bac13b01)和中国国家自然科学基金项目资助下41071357。