（生态学专业论文）上海市城市化过程中城市热岛的时空动态变化研究.pdf

b y z h uf e i g e s u p e r v i s e db y l ij u n x i a n ga s s o c i a t e p r o f e s s o r d e p a r t m e n to fe n v i r o n m e n t a ls c i e n c e e a s tc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y s h a n g h a i ，c h i n a 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文上海城市化过程中城市热岛的时空动态变化研 究，是在华东师范大学攻读硕士博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了 明确说明并表示谢意。 作者签名：盖垒鱼日期：加，年z 月j 日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 上海城市化过程中城市热岛的时空动态变化研究系本人在华东师范大学攻读学 位期间在导师指导下完成的硕士博士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归华东师 v 范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主管部 门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网”送交学位论文的印刷版和电子版；允许 学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加入全 国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版， 采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) ( ) 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密”学位论文宰， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( ) 2 不保密，适用上述授权。 导师签本人签名彳竺伪 沙| 年b 月lb “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学位论文 ( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有效) ，未经上述部门审定 的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用上述授权) 。 筮玉鱼硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 达良俊教授华东师范大学主席 李德志教授华东师范大学 张庆费高级工程师上海市园林科学研究所 本论文研究得到国家自然科学基金项目 “城市景观格局与热岛效应相互关系的多尺度研究 ( 3 0 7 7 0 3 8 4 ) 资助 华东师范大学2 0 11 届硕士学位论文 上海城市化过程中城市热岛的时空动态变化研究 摘要 本文利用上海市1 1 个郊县台1 9 6 0 2 0 0 9 年逐年逐月气温资料、2 0 0 7 年4 4 气 象站空间加密逐时气温数据、上海市1 9 8 9 2 0 0 5 年四个时相的土地利用数据、以 及上海市人口数据，研究了近5 0 年来气候变化和城市化对上海市城市热岛的影 响及城市热岛的时空变化格局，得出的主要结论为： 1 、近5 0 年上海市气候存在变暖趋势，平均气温、最高气温和最低气温增加 趋势分别为：0 3 7 9 1 0 a 、0 3 3 2 1 0 a 和0 4 2 7 1 0 a ，最低气温的增加趋势明 显大于最高气温和平均气温；气温变化存在明显的冷暖期，冷期为1 9 6 0 1 9 9 0 年 代，表现为气温负距平，暖期为1 9 9 0 2 0 0 9 ，表现为气温正距平，冷暖转变发生 在1 9 9 0 年初期，转折点与上海快速城市化时间基本吻合。 2 、5 0 年来上海市春夏秋冬四个季节的气温变化趋势与年平均气温变化趋势 大体相同，存在明显的冷暖期，但冬季气温变暖趋势明显提前。 3 、气候变化和城市化均对气温升高有贡献，气候变化贡献大于城市化贡献， 在城市化快速发展阶段19 9 0 2 0 0 0 年上海市气温受城市化影响较大，城市化主要 影响最低气温。 4 、上海近5 0 年的热岛强度呈增强趋势，增速为0 2 9 l o a 。而市郊热岛强 度随郊区城市化增加而减弱。 5 、上海市城市热岛在季节和日尺度上的时空分布特征为：秋、冬季热岛强 度较强，在夏季热岛强度较弱；一天中，最高热岛强度发生在晚上2 0 ：0 0 至次日 0 5 ：0 0 之间，热岛强度白天远远低于夜间；白天1 4 ：0 0 热岛面积最大，呈多岛现 象，热岛中心主要集中郊区，其他时亥j j ( 0 2 ：0 0 、0 8 ：0 0 、2 0 ：0 0 ) 的热岛面积较小， 高温区集中分布在市中心区域。 6 、户籍人口与热岛强度存在显著线性正相关，回归分析表明，每增加1 百 万人城市热岛强度增加0 3 2 ；城市热岛强度与城市景观之间存在显著的相关关 系，表明景观格局对气温存在很明显的影响作用。 关键词：上海市；城市化；气候变化；城市热岛；多时空尺度；城市人口；城市 景观格局 华东师范大学2 0 11 届硕士学位论文 上海城市化过程中城市热岛的时空动态变化研究 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，h i s t o r i c a lm o n t h l ya i rt e m p e r a t u r ef r o m19 6 0t o2 0 0 9f r o m11 w e a t h e rs t a t i o n si ns h a n g h a im e t r o p o l i t a nr e g i o n s ，a i rt e m p e r a t u r ed a t ao f2 0 0 7f r o m 4 4w e a t h e rs t a t i o n s ，19 8 9 2 0 0 5l a n du s ed a t a , a n du r b a nh i s t o r i c a lp o p u l a t i o nw e r e u t i l i z e dt os t u d yt h ei m p a c t so fc l i m a t i cc h a n g ea n du r b a n i z a t i o no nu r b a nh e a ti s l a n d ( u h i ) ，a n ds p a t i o t e m p o r a ld y n a m i c so fu h ii ns h a n g h a i m ym a i nf i n d i n g sw e r e s h o w na sf o l l o w i n g ： 1 t h e r ea r em a r k e dw a r m i n gt r e n d so fa i rt e m p e r a t u r ei ns h a n g h a ii nt h ep a s t5 0 y e a r s t h ei n c r e a s i n gr a t eo f m e a n ，m a x i u ma n dm i n i m u m a i rt e m p e r a t u r ea r e0 3 7 9 c 1 0 a , 0 3 3 2 。c 1 0 aa n d0 4 2 7 。c 1 0 a ，r e s p e c t i v e l y t h e r ea r ed i s t i n c t i v ec o l da n d w a r m p e r i o d so ft h ea i rt e m p e r a t u r ei ns h a n g h a i ，t h ec o l dp e r i o dw h i c h i n d i c a t i v eo f n e g a t i v et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ef r o mt h ea v e r a g e ，o c c u r r e di nt h et i m eo f 19 6 0 19 8 0 s ， t h ew a l t l lw h i c hi n d i c a t i v eo fp o s i t i v et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ef r o mt h ea v e r a g e ， o c c u r r e di n 也et i m eo f19 9 0 2 0 0 9 t h es w i t c ht i m eb e t w e e nt h ec o l da n dt h ew a r l n o c c u r r e di nt h ee a r l y19 9 0 sw h i c hi sc o n s i s t e dw i t ht h ei n i t i a lt i m eo fr a p i d u r b a n i z a t i o ni ns h a n g h a i 2 i nt h ep a s t5 0y e a r s ，t h e r ea r ed i s t i n c t i v ec o l d w a r mp a t t e r nf o rt h es e a s o n a 1 c h a n g eo fa i rt e m p e r a t u r ew h i c hi ss i m i l a rw i t ht h a to f t h ei n t e r a n n u a l b u tt h ei n i t i a l t i m eo fw a r m e rw i n t e rw a sa d v a n c e dc o m p a r i n gt ot h eo t h e rs e a n s o n s 3 t h eg l o b a lw a r m i n ga n du r b a n i z a t i o nb o t hc o n t r i b u t et ow a r m i n gi ns h a n g h a i i nt h ep a s t5 0y e a r s ，b u tt h ef o r m e rc o n t r i b u t e sm o r et h a nt h el a t e r t h ec o n t r i b u t i o n f r o mu r b a n i z a t i o nm a i n l yt om i n i m u ma i rt e m p e r a t u r ea n do c c u r r e di nt h et i m eo f 1 9 9 0 s 4 t h eu h ii n t e n s i t ye x h i b i t e da l li n c r e a s i n gt r e n d sa tt h es p e e do f0 2 9 。c 10 ai n t h ep a s t5 0y e a r s w h i l et h eu h ii n t e n s i t yb e t w e e nc e n t r a lu r b a na n ds u b u r b a na r e a s d e c r e a s e dw i t hu r b a n i z a t i o n 5 t h e r ea r em a r k e ds p a t i o t e m p o r a ld y n a m i c sa ts e a s o n a la n dd i u r n a lt i m es c a l e f o ru h ii ns h a n g h a i t h es t r o n g e ru h ii n t e n s i t yo c c u r r e di na u t u m na n dw i n t e r , t h e w e a k e s tu h io c c u r r e di ns u m m e r t h eh i g h e s tu h ii n t e n s i t yh a p p e n e di nt h ee v e n i n g t i m eo f2 0 ：0 0 p mt o0 5 ：0 0 a m t h eu h ii n t e n s i t yi nd a y t i m ew a sf a rl o w e rt h a nt h a ti n n i g h t t i m e t h e r ew e r em u l t i p l eu h i sm a i n l ye x i s t e di ns u b u r b a na r e a si nt h et i m eo f i i 华东师范大学2 0 11 届硕士学位论文 上海城市化过程中城市热岛的时空动态变化研究 14 ：0 0 p r oa n dh a v et h el a r g e s ta r e a , b u ti nt h eo t h e rt i m e ，t h eu h ic o n c e n t r a t e di n c e n t r a l u r b a na r e a sa n dh a ss m a l l e ra r e ac o m p a r e dt ot h ed a y t i m e 6 t h e r ea r es i g n i f i c a n tp o s i t i v el i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nu h ii n t e n s i t ya n d u r b a np o p u l a t i o ns i z e t h eu h ii n t e n s i t yi n c r e a s e s0 3 2 w i t he v e r ym i l l i o n p o p u l a t i o ni n c r e a s e t h es t r o n g c o r r e l a t i o nb e t w e e nu h ii n t e n s i t ya n du r b a n l a n d s c a p ep a t t e r nd e m o n s t r a t e dt h ei m p a c to f u r b a nl a n d s c a p ep a t t e r no nu h i k e y w o r d ： s h a n g h a i ； u r b a n i z a t i o n ； 舀o b a lw a r m i n g ； u r b a nh e a ti s l a n d ； s p a t i o t e m p o r a ld y n a m i c s ；u r b a np o p u l a t i o ns i z e ；u r b a nl a n d s c a p ep a t t e r n l 华东师范大学2 0 11 届硕士学位论文 上海城市化过程中城市热岛的时空动态变化研究 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章前言。1 1 1 研究背景与意义 1 2 1 2 国内外研究现状分析 1 2 1 城市热岛的研究方法2 1 2 2 利用气象站点资料研究城市热岛的国内外现状2 1 2 3 城市热岛与城市景观格局的相关性研究4 1 2 4 上海市城市热岛效应研究现状4 1 3 研究目标、研究内容及研究方法 6 1 3 1 研究目标6 1 3 2 研究内容：6 1 3 3 研究方法7 1 4 拟解决的关键问题、技术路线 1 1 1 4 1 拟解决的关键问题1 1 1 4 2 技术路线1 2 第二章研究区概况13 2 1 自然地理概况 2 2 城市发展概况 1 3 1 3 第三章数据及预处理14 3 1 数据源。 3 2 数据预处理 1 4 3 2 1 气象数据处理1 5 3 2 2 土地利用数据获取15 第四章上海市气温变化趋势分析1 6 4 1 近5 0 年气温在不同时间尺度上的变化趋势1 6 4 1 1 近5 0 年气温变化趋势分析1 6 4 1 2 近5 0 年气温季节变化趋势分析1 8 4 2 历年上海市各气象站点气温变化趋势分析 4 3 城市化与气候变化对城市气温的影响 4 4 小结 2 l 2 3 第五章多时空尺度城市热岛强度的变化特征2 8 5 1 近5 0 年城市热岛强度在不同时间尺度上的变化特征 5 1 1 历年城市熟岛强度的变化趋势2 8 5 1 2 历年各季城市热岛强度变化趋势3 0 5 2 不同季节城市热岛强度日变化的时空分布特征 3 1 5 2 1 城市热岛强度在不同季节的日变化特征3 3 5 2 2 各季节城市热岛强度在不同城市化水平上的分布3 3 i v 华东师范大学2 0 11 届硕士学位论文 上海城市化过程中城市热岛的时空动态变化研究 5 3 上海市城市热岛空间分布日变化特征 5 4 本章小结 3 4 3 8 第六章城市化与城市热岛的相关性研究4 0 6 1 城市化指标的选取 6 2 人口与城市热岛的相关性研究 6 3 城市化过程中景观格局与城市热岛的相关性研究 4 0 4 0 4 1 6 3 1 景观水平景观格局与气温的相关关系4 3 6 3 2 类型水平景观格局与气温的相关关系4 4 6 4 本章小节 第七章结论与展望4 7 7 1 结论 7 2 特色与创新 7 3 研究不足与展望。 参考文献 附录： 后记 v 4 7 4 9 5 7 5 8 华东师范大学2 0 11 届硕士学位论文 上海城市化过程中城市热岛的时空动态变化研究 第一章前言 1 1 研究背景与意义 城市化( u r b a n i z a t i o n ) 从地理学的角度定义，是指一个地区的人口在城镇和 城市相对集中的过程，也意味着城镇用地扩展，城市文化、城市生活方式和价值 观在农村地域的扩散过程( 宋永昌e ta l ，2 0 0 0 ) 。近些年来，快速城市化导致的土 地利用覆盖变化、生物多样性保护、城市热岛等的一系列问题已受到学术界和 各国政府的高度重视( h a n s e n ，2 0 0 5 ；g r i m me t a l ，2 0 0 8 ；l ie t a l ，2 0 0 9 ) ，其中城市热 岛效应( u r b a nh e a ti s l a n d ，u h i ) 是指城区温度和地表温度高于周边郊区的现 象，是城市气候最典型的特征之一，属于局地气候特征，受全球气候变化影响， 由人为因素及当地地理条件共同决定( b o m s t e i n ，1 9 6 8 ；o k e ，1 9 8 2 ；o w e ne t 以1 9 9 8 ； b a k e re ta 1 ，2 0 0 2 ) ，是城市化所导致的一个比较严重的环境问题( c i c e k d o g a n ，2 0 0 6 ；l a i & c h e n g ，2 0 0 9 ；o q q e i l l e b i ，2 0 0 9 ) ，目前己受到学者的广泛关注。 城市热岛效应是环境与人类活动相互作用的结果。城市热岛的产生是城市耗 能( s a n t a m o u r i se ta 1 ，2 0 01 ；s a n t a m o u r i se ta 1 ，2 0 0 7 ) 、不透水面增加( c h e l ae t a l ，2 0 0 6 ；z h a n ge ta l ，2 0 0 9 ) 、建筑群密集( s o n g ，2 0 0 5 ) 、下垫面保水性差( b r a z e le t a 1 ，2 0 0 7 ) 、大气污染( j u n ke ta 1 ，2 0 0 3 ) 、及温室气体增多等错综复杂的原因所导致 的结果( x i a oe ta 1 ，2 0 0 8 ) ，以上导致城市热岛的原因，究其根本都源于城市化的快 速发展( 周淑贞，1 9 8 3 ；z h o ue ta l ，2 0 0 4 ；c h e ne ta 1 ，2 0 0 6 ；c i c e k d o g a n ，2 0 0 6 ；z h a o e ta 1 ，2 0 0 6 ；赵志敏，2 0 0 8 ；王爱珍李艳，2 0 0 9 ；周雅清任国玉，2 0 0 9 ； y o n g z h ue ta l ，2 0 1o ) 。 在全球变暖的气候背景下，城市化所产生的城市热岛效应属于区域性气候变 化，这种区域性气候变化已经严重影响了人类的生活：导致诸多疾病的发病率和 死亡率大大上升( c o n t ie la 1 ，2 0 0 5 ；t a ne ta 1 ，2 0 0 7 ；l a i c h e n g ，2 0 0 9 ) ；降低了人类 的生活品质及环境条件( c h e ne ta l ，2 0 0 4 ；t a ne ta 1 ，2 0 1 0 ) ；导致城市中心的地下水 温比乡村的地下水温高3 5 摄氏度( y a l c i n & y e t e m e n ，2 0 0 9 ) ；促使了空调的大量使 用，反过来又引起了城市热岛的加强( w e n & l i a n ，2 0 0 9 ) ；另外，城市中心温度的 升高已经引起了物候的变化( c h u n ge t a l ，2 0 0 9 ) ，这一切都是城市热岛所带来的严 重后果，这些后果值得人类深思，并积极采取相应措施进行缓解和阻止其进一步 恶化。 城市化如何影响城市热岛强度? 并进一步影响城市热岛的时空格局? 气候 华东师范大学2 0 1 1 届硕士学位论文 上海城市化过程中城市热岛的时空动态变化研究 变化与城市化对城市气温的影响孰轻孰重? 城市化导致了城市土地利用的改变， 并深刻地改变了城市景观的格局，那么热岛效应与城市景观格局之间存在什么关 系? 对这些问题的研究有助于我们了解城市热岛效应产生的机理，从根本上寻找 应对缓解城市热岛的措施，从而为城市规划和城市建设提供参考和决策依据。 上海自改革开放以来，城市化进程逐步加快，目前已是中国城市化水平最高 的城市。城市化带来的热岛效应已经非常明显( 周淑贞，1 9 8 2 ；戴晓燕e ta l ，2 0 0 9 ； d a ie ta 1 ，2 0 1 0 ) ，上海的城市热岛带来了能源消耗过大、水资源缺乏、疾病发病 率和死亡率上升等问题( t a ne ta 1 ，2 0 0 4 ；t a ne la l 2 0 0 7 ) ，已经严重影响上海的可 持续发展和居民的身心健康( t a ne ta 1 ，2 0 1 0 ) 。因此，开展上海城市化过程中城市 热岛的动态变化研究具有典型性和代表性。此研究的开展将为上海市缓解城市热 岛效应的决策和措施提供依据，也为上海生态和宜居城市建设提供理论支撑。对 国内类似城市的相关研究亦可提供借鉴作用。 1 2 国内外研究现状分析 1 2 1 城市热岛的研究方法 国内外关于城市热岛的研究，主要集中在城市热岛形成机制及影响因子 ( h a e g e r - e u g e n s s o n h o l m e r , 1 9 9 9 ；陈群玉，2 0 0 8 ) 、演变的驱动机带o ( b r a n d s m ae t a l ，2 0 0 3 ；c h e ne ta 1 ，2 0 0 3 ；戴晓燕e ta 1 ，2 0 0 9 ) 、热岛效应与地表覆被变化的定量 关系( q i a ne ta l ，2 0 0 6 ；h ee ta l ，2 0 0 7 ；y i l m a ze ta 1 ，2 0 0 7 ) 等的研究。研究所采用的 方法主要有：第一、应用热红外遥感资料，反演地表温度，研究城市表面热岛( r o t h 甜a 1 ，19 8 9 ；g a l l oe ta l ，19 9 3 ；n i c h o l ，19 9 6 ；s t r e u t k e r , 2 0 0 2 ；s t r e u t k e r , 2 0 0 3 ；v 0 0 舀 o k e ，2 0 0 3 ；t r a ne ta l ，2 0 0 6 ) ，并发展了很多反演算法( w a n j ，1 9 9 6 ；q t ne la 1 ，2 0 0 1 ； s o b r i n oe ta l ，2 0 0 4 ；z h a n ge ta 1 ，2 0 0 9 ) ；第二、采用地面气象站点的观测资料，主 要研究长时间序列各种气温指标的变化趋势( v e l a z q u e z l o z a d ae ta 1 ，2 0 0 6 ；s a j j a d e ta 1 ，2 0 0 9 ；z e n ge ta l ，2 0 0 9 ；高红燕e ta 1 ，2 0 0 9 ) ，同时利用城市站点和乡村站点 的温度差来计算城市热岛强度( t i a n g c oe ta 1 ，2 0 0 8 ；m e m o ne ta 1 ，2 0 0 9 ) 。而本文主 要选择第二种方法对上海市的城市热岛进行的研究。 1 2 2 利用气象站点资料研究城市热岛的国内外现状 采用地面气象站点观测资料研究城市热岛的方法又可分为：利用长时间序列 2 华东师范大学2 0 1 1 届硕士学位论文 上海城市化过程中城市热岛的时空动态变化研究 气象资料研究气温的变化趋势及长期城市化所引起的城市热岛效应；利用短期气 象观测资料进行城市与其周边乡村气温的差值来研究城市热岛效应；以及采用移 动观测方法研究城市热岛效应的研究( s z y m a n o w s k i & k y z a ，2 0 0 9 ；y i l m a ze t a 1 ，2 0 0 9 ；y o k o b o f i & o h t a ，2 0 0 9 ) 。本研究主要利用前两种方法，相关研究综述如 下： 其中利用长时间序列气象数据研究热岛效应的主要包括：k r u g e r 等( 2 0 0 4 ) 3 0 用南非地区的2 6 个气象站点对该地区温度趋势的时空变化进行了详细的研究， 结果显示各种气温指标均呈现升高的趋势，其中变化的趋势不一致，城市化对区 域气候存在很大的影响；c h e n ( 2 0 0 6 ) 等利用1 9 6 1 1 9 9 7 年长江流域5 3 个气象站点 的气象数据研究了该区域内的气候变化情况，结果表明：长江流域的几个大中型 城市的年平均、年最高平均、年最低平均温度均有升高的趋势，然而周边地区却 有明显的降低趋势，其中上海、无锡、南宁、宁波等地区有明显的热岛效应存在， 且表现为秋、冬季热岛最明显；杨英宝等( 2 0 0 9 ) 利用南京市常规气象观测气温资 料对南京近5 0 年( 1 9 5 1 - 2 0 0 0 年) 的气温变化进行了综合的研究，结果表明目最 高、日最低和日平均气温的年平均呈现上升趋势，其中日均气温和日最高气温夏 季呈现下降的趋势，春季、秋季和冬季表现为上升趋势，日最低气温所有季节都 呈现上升趋势，且南京城市热岛效应呈增强的趋势，热岛面积增加，热岛中心增 多；王珊珊等( 2 0 0 9 ) 对乌鲁木齐的城市气温变化趋势也进行了长期的研究 ( 1 9 6 1 2 0 0 3 年) ，利用4 个气象站点研究了城市气温多年的变化趋势，结果表明： 乌鲁木齐年平均气温呈现缓慢上升趋势，气温倾斜率为0 2 6 4 l o a ，且经 m a n n k e n d a l l 检验法检验气温序列的突变，表明1 9 7 4 年为气温的突变点；s a j j a d 等( 2 0 0 9 ) 利用1 9 4 7 - 2 0 0 5 年的气象资料对巴基斯坦卡拉奇的气温变化分阶段进 行了详细研究，结果表明：平均气温、最高气温及最低气温的变化趋势在不同的 时间段存在很明显的不一致，其中最高气温的变化趋势比最低气温的增温趋势 大。另外，郭军( 2 0 0 9 ) 、高红燕( 2 0 0 9 ) 、李玉娥( 2 0 0 9 ) 、李丽光( 2 0 0 9 ) 等分别对 天津、西安、保定及辽宁城市群的气温变化趋势及城市热岛特征也进行了详细的 研究，本文不再一一赘述。 以短期观测资料为基础( c u e t oe ta 1 ，2 0 0 9 ) ，以空间城市化差异代表时间城市 化发展过程，对大中型城市的城市与乡村的气温变化差异也进行了大量详细的研 究。y i l m a z 等通过对土耳其埃尔祖鲁姆市城市热岛的研究得出城市比乡村和城 市森林的平均气温分别高1 7 和o 7 ( y i l m a ze ta 1 ，2 0 0 7 ) ；h u a n g 等研究了南京 3 华东9 币范大学2 0 11 届硕士学位论文 上海城市化过程中城市热岛的时空动态变化研究 在城市热岛环境下不同覆盖类型下的微气候差异，结果表明白天的温度：混凝土 地 草地 水域 林地，而晚上结果则不完全相同( h u a n ge ta 1 ，2 0 0 8 ) ；k i m 等研 究了朝鲜几个大城市的城市热岛日变化情况，结果表明，沿海地区的城市热岛强 度比内陆地区的城市热岛强度小( m b a i k ，2 0 0 4 ) 。其中各个城市因其地形、气 候、城市构造、人口等因子都各有其特点，引起各个城市的热岛效应特征均存在 差异。 利用短期资料研究城市热岛季、日变化的研究现在也日渐增多，因为城市热 岛效应不仅在季节上存在差异( w a n ge ta l ，1 9 9 0 ；张佳华e ta 1 ，2 0 0 5 ；a i k a w ae t a 1 ，2 0 0 7 ) ，在一天2 4 小时内也存在很大的差异。例如，a i k a w a ( 2 0 0 8 ) 等指出春季 是日本的热岛强度最大的季节；a l o n s o ( 2 0 0 7 ) 等报道了西班牙萨拉曼卡的城市热 岛出线在秋季夜间；关a l c o f o r a d oa n d a n d r a d e ( 2 0 0 6 ) 等对葡萄牙首都里斯本的热 岛强度日变化的研究结果表明夜间的热岛强度最强；黄良美等( 2 0 0 7 ) 、张佳华等 ( 2 0 0 5 ) 、李明华( 2 0 1 0 ) 等分别对南京市、北京、惠州市的城市热岛强度的日变化 规律做了详细的研究，结果均显示热岛强度夜间较大，而在日间多为负值。 1 2 3 城市热岛与城市景观格局的相关性研究 快速城市化过程导致了景观格局的动态变化( w e n g ，2 0 0 7 ；t a n ge ta l ，2 0 0 8 ； d e n ge ta 1 ，2 0 0 9 ) ，且在城市化研究中己被广泛研究且得至幅明：h e r o l d 等( 2 0 0 5 ) 曾利用景观格局指数描述了城市增长和土地利用的改变，y ua n dn g ( 2 0 0 7 ) 等还 曾利用景观格局指数定量城市化。那城市景观格局的变化到底会不会对城市热岛 效应产生影响呢? 近年来结合景观格局对城市热岛的研究已经受到国内外学者 的重视。但就目前的技术针对景观格局研究城市热岛效应主要是利用遥感方法 ( w e n g ，2 0 0 3 ；l i u & w e n g ，2 0 0 8 ；j i a n g e t a 1 ，2 0 0 9 ；贡璐吕光辉，2 0 0 9 ； b u y a n t u y e v & w u ，2 0 1 0 ) ，该方法主要是研究地表温度城市热岛的景观格局变化， 而很少去研究城市热岛与城市景观格局的关系到底如何，目前在研究城市热岛效 应与城市景观格局相关性时还存在许多问题：对不同景观格局对城市热岛效应有 何影响方面的研究还不是很多，且未探索城市景观格局对城市热岛形成和强度的 影响( 刘艳红郭晋平，2 0 0 7 ) 。 1 2 4 上海市城市热岛效应研究现状 上海是我国最大的工商业城市，其人口密度、建筑密度，能源消耗量和发展 4 华东师范大学2 0 1 1 届硕士学位论文 上海城市化过程中城市热岛的时空动态变化研究 速度不仅居我国大城市的首位，对于全世界而言亦是屈指可数的特大城市，其城 市热岛效应非常突出f o j e n ，1 9 9 2 ) ，具有东亚热带季风气候区典型的城市气候特 色，是研究城市热岛效应典型的例子。上海城市热岛的影响早在8 0 年代周淑珍 等已做了大量的研究，周淑贞研究了气候因子及下垫面对热岛效应的影响( 周淑 贞，1 9 8 2 ；周淑贞，19 8 8 ，19 9 0 ) ；d a i 等研究了上海热岛效应的时空特征( d a ie t a 1 ，2 0 1 0 ) ；戴晓燕和唐曦等基于遥感方法对上海市热岛效应的形成机制及空间格 局( 戴晓燕e ta 1 ，2 0 0 9 ) 和热岛效应与植被的关系做了详细的研究( 庸曦e t a 1 ，2 0 0 8 ) 。周红妹利用遥感方法研究了城市扩展与热岛空间的相关关系，结果表 明城市扩展会导致上海市热岛范围和面积的扩大，且两者具有空间一致性( 周红 妹e ta 1 ，2 0 0 8 ) 。曹爱丽等利用上海地区2 个气象站点近5 0 年的数据研究了气温 变化与城市化发展的关系，表明各项城市化发展指标均与上海城郊温差存在显著 性相关( 曹爱丽e ta 1 ，2 0 0 8 ) 。侯依玲等利用2 0 0 6 年1 1 个气象站点的气象资料研 究了上海局地气温变化特征( 侯依玲e ta 1 ，2 0 0 8 ) 。漆梁波( 2 0 0 4 ) 、丁金才( 2 0 0 2 ) 等 利用上海市气象站点观测数据研究了上海市夏季的热岛强度变化情况，还有诸多 学者利用气象站数据从各个方面研究了上海市城市热岛效应( 朱家其e ta 1 ，2 0 0 6 ； 谈建国e ta 1 ，2 0 0 8 ) 。 总结以上国内外的关于城市热岛效应的研究，一方面利用长期气象局资料研 究气温变化趋势，另一方面分别在时间和空间上研究了城市热岛的时空变化特 征。然而利用气象局数据研究城市热岛的空间分布时，以上研究不同程度上存在 站点数据密度不大，或者站点分布不均匀等情况，这是制约利用气象数据研究城 市热岛的瓶颈因素，所以这影响了城市热岛时空变化特征研究的准确性及精确性 ( 朱家其e ta 1 ，2 0 0 6 ) ，而本文利用高空间密度分布的气象站点的资料，利用i d w 插值方法对上海市城市热岛的日空间分布变化进行了详细的研究。此外，区分城 乡气象站点时，郊县台气象站点本文采用气温变化趋势最小的三个郊县气象站的 平均气温值代表远郊区站点，而城郊结合部的站点分别计算其与市区的温差，这 又进步从侧面利用城市热岛强度反映了该区县的城市化水平及城市化发展速 度；文章中加密站点城乡划分则是通过市中心缓冲区分析的方法研究其热岛强度 的日变化特征。 再者，针对上海市城市热岛效应的研究，同时具有上海市长时间序列及空间 加密站点气象资料、多时相土地利用数据的并不多，而本文弥补了这一数据上的 不足。利用以上资料数据对上海市城市热岛效应在不同时空尺度上进行了全面的 华东师范大学2 0 1 1 届硕士学位论文 上海城市化过程中城市热岛的时空动态变化研究 研究分析，以期得到上海市城市热岛的多时空尺度变化特征，以及人口、城市用 地景观格局等由城市化所导致的现象的特征及其与城市热岛效应的相关关系。另 外目前对大中城市热岛效应的研究，大多集中在不同土地覆盖类型上气温差异的 研究，而城市化与城市热岛的相关性研究主要集中在人口和经济等因子对城市热 岛的影响，而本文利用城市土地利用景观格局变化来试探性的研究景观格局与城 市气温的相关关系，研究不同城市化程度下城市热岛强度的差异及不同城市景观 格局是怎么影响城市气温分布的。最后，本文利用空间插值法( n a l d e r w e i n ，1 9 9 8 ；c h o ie ta 1 ，2 0 0 3 ；王钧& 蒙吉军，2 0 0 7 ；江学顶e ta 1 ，2 0 0 7 ；c u e t oe t a 1 ，2 0 0 9 ；李明e ta l ，2 0 1 0 ) 进行温度空间插值获得上海市城市热岛日空间分布情 况，以期弥补上海市利用气象站点资料研究城市热岛空间分布格局的不足和空 白。 1 3 研究目标、研究内容及研究方法 1 3 1 研究目标 本论文利用上海市1 9 6 0 2 0 0 9 年1 1 气象台站历年逐月气象资料( 月平均气温、 月平均最高气温、月平均最低气温) ，2 0 0 7 年上海市3 3 个空间加密气象站点和 1 1 个气象台站逐时平均气温、最高气温和最低气温数据，以及1 9 8 9 年、1 9 9 4 年、 2 0 0 0 年、2 0 0 5 年四个时相的遥感影像解译的城市用地数据，对上海市城市热岛 效应的时空变化进行研究，目的在于揭示城市热岛效应的年、季、日的变化特征 及空间变化特征，探讨城市化对上海城市热岛时空动态变化的影响。具体拟解决 的问题如下： ( 1 ) 上海市气温的变化趋势，并基于此分析城市化和气候变化对上海市5 0 年来 气温的影响； ( 2 ) 上海市5 0 年城市化过程中热岛强度的多时空尺度变化特征； ( 3 ) 上海市城市热岛强度与城市化的相关关系。 1 3 2 研究内容 针对上述的研究目标，本研究的研究内容主要包括： ( 1 ) 近5 0 年来上海市气温在多时空尺度下的变化趋势及特征 利用上海市1 9 6 0 2 0 0 9 年1 1 个郊县气象站点的气象数据研究上海市近5 0 年 6 华东师范大学2 0 1 1 届硕士学位论文 上海城市化过程中城市热岛的时空动态变化研究 来气温在年、季时间尺度和市县空间尺度上的变化趋势及特征。分析气候变化和 城市化对上海市气温的影响。 ( 2 ) 近5 0 年上海城市化过程中热岛强度的多时空尺度变化特征 用5 0 年的气温数据分析上海市区、郊区和远郊区梯度上热岛强度的变化趋 势特征；利用3 3 个空间加密气象站点和1 1 个气象台站2 0 0 7 年逐时气温数据进 行空间插值，探讨上海城市热岛空间格局的季节和日变化特征。 ( 3 ) 上海市城市热岛强度与城市化的关系研究。 基于以上研究结果，分别以历年人口数据和城市用地数据为城市化指标，研 究城市化与气温、城市热岛的相关关系。 1 3 3 研究方法 ( 1 ) 气候统计方法 气候统计方法主要采用现代气候统计诊断与预测技术( 魏凤英，2 0 0 7 ) 一书 中的线性倾向估计、累计距平、滑动平均以及气温距平气象数据统计方法，对上 海市1 9 6 0 2 0 0 9 年长时间序列的气温数据进行统计分析，方法介绍如下： 气温距平： 气候要素值与多年平均值的偏差。高于平均为正距平，低于平均为负距平。 距平值在气象上，主要是用来确定某个时段或时次的数据，相对于该数据的 某个长期平均值( 如上海市近5 0 年平均值) 是高还是低。 线性倾向估计方法概述： 用x i 表示样本量为n 的某一气候变量，用t i 表示x i 所对应的时间，建立x i 与t 之间的一元线性回归方程( 魏凤英，2 0 0 7 ) ： x 6 e = a + 乃t ， i = 1 ，2 ，i ( 1 1 ) 方程可以看做一种特殊的。最简单的线性回归形式。它的含意是用一条合理 的直线表示x 与其时间t 之间的关系。由于方程右边的变量时x 对应的时间t ，而 不是其他变量，因此这一方法属于时间序列分析范畴。方程中的口为回归常数， b 为回归系数。口和b 可以用最小二乘法进行估计。 对观测数据五及相应的时间，回归系数b 和常数口的最小二乘法估计为： 7 华东师范大学2 0 11 届硕士学位论文 上海城市化过程中城市热岛的时空动态变化研究 数： 扣g 2 ， 驴艟) 2 ， la = i b t l 式中， i = 去喜誓，f = 去喜幺 利用回归系数b 与相关系数之间的关系， 厂= ( 1 - 3 ) 求出时间与变量薯之间的相关系 ( 1 - 4 ) 线性回归结果主要分析回归系数b 和相关系数，： 回归系数b 倾向值：回归系数b 的符号表示气候变量x 的倾向趋势。b 的 符号为正，即b o 时，说明随时间t 的增加x 呈上升趋势；当b 的符号为负，即 b 0 时，b 0 ，说明x 随着时间t