城市热岛效应研究

1、天津师范大学2015届本科毕业论文（设计）开题报告学院：城市与环境科学学院 专业（专业方向）：地理信息系统 论文题目基于遥感的京津冀城市热岛效应联动效应初探指导教师霍红元职称讲师学生姓名邢晓瑞学号1130080208一、 研究目的（选题的意义和预期应用价值）城市热岛效应(Urban Heat Island Effect, UHI),就是因城市化的发展,导致城市中气温高于外围郊区的现象。在近地面大气等温线图上,郊外的广阔地区气温变化很小,如同一个平静的海面,而城区则是一个明显的高温区,如同突出海面的岛屿,由于这种岛屿代表着高温的城市区域,所以就被形象地称为城市热岛。在夏季,城市局部地区的气温,能

2、比郊区高出6e甚至更高,形成高强度的热岛.城市热岛影响着各个城市。尤其是大城市比如北京等。第一：城市中的机动车辆、工业生产以及大量的人群活动,产生了大量的氮氧化物、二氧化碳、粉尘等,这些物质能大量吸收环境中的热辐射能量,并增加大气对地面的长波逆辐射,产生众所周知的温室效应,引起了气温的进一步升温。第二：城市建成区、几何形状,与热岛强度存在着明显的关联。如果城市建筑走向设计、或几何形状不合理,则不易通风,造成因风速小而热量不易散发,导致局部气温过高。和一些别的因素产生这种效应，危害人体健康，加剧大气污染，造成局部地区的自然灾害，导致气候与物候失常等危害！最终影响了人类和生物的发生发展。预期应用价

3、值：对于研究降低城市热岛效应对策、缓解热岛效应的影响、提高人民的城市生活质量和城市的可持续发展水平,具有重要的意义，为京津冀城市群的布局与合理规划提供有意义的参考。二、与本课题相关的国内外研究现状，预计可能有所突破和创新的方面（文献综述）（一）与本课题相关的国内外研究现状1.1城市热岛的形状自从1972年，R a o首先证实了城市区域可以通过分析卫星热红外数据而区分出来，并使用ITOS-1卫 星数据制作了美国大西洋中部沿海城市的地面热场分布图6。此后，国内外许多学者利用热红外遥感 数据进行城市热岛的研究，取得了 一系列成果。 Carlson等分析了美国洛杉矶地区昼夜热场分布情况22，Matso

4、n等利用NOAA数据研究了美国西海岸几个城市的夜间城乡辐射温度差异23，Price等利用热红外制图仪数据评估了美国西北部地区城市热岛的范围和强度24 。接着国内也有不少学者利用NOAA/AVHRR数据研究了 北京、上海、苏州27、沈阳28等多个城市的热岛现象。虽然研究区域各不相同，但是却发现一些共同的特征：在无风或微风条件下，城市热岛的形状、走向和位置都与建成区基本一致；在城市内部，城市热场的分布结构同土地覆盖特征密切相关，低植被 的工业区和商业区呈现出明显的高温中心，植被覆盖度大的乡村则显示为低温区域。然而，NOAA/AVHRR气象卫星数据1. 1 km的 地面分辨率只能用于宏观分析城市热岛

5、的形态和结 构。为了能详细地分析城市内部热场结构，国内外 学者纷纷将目光投向使用更高分辨率的Landsat TM1、ASTER等热红外图像。研究结果表明，分辨率的提高对于研究热场的内部结构特征更为有效，也进一步验证了城市热场的分布存在共同的特征：在热场状况分布图中，各温度区一般呈不同形状的带状分布，并呈现出温度由高到低或由低到高的规律变化，而这种变化规律表现出与下垫面介质分布有高度的一致性。即使运用到红外遥感，而它运用到的遥感卫星的精确度仍有待提高。事实证明60 m的影像分辨率对于进行城市热岛内部结构研究略显不足，应运用更高精度的遥感设备，比如30m。然而目前的卫星遥感对于城市热岛的垂直结构研

6、究仍显得十分薄弱。不能提供精确的数据就无法得到更加清晰的图像。然而一些小的地区地域就无法得到反映和解决！1.2城市热岛的时空变化该方面研究主要集中在对城市热岛强度的变化 规律和过程的研究30，包括对年际间城市热岛的变 化格局特征1，31，32和城市热岛季节与昼夜变化规律 的研究11，12。国外的StreutkerD R根据休斯敦地区19851987年间 和19992001年间获取的数百景夜间NOAA影像地表温度图，系统地分析了这两个时期的城市热岛特征31，13。结果表明，12 a间休斯敦地区城市地表热岛强度平均增加了 0. 8 K或35%，且城市热岛范围也扩大了 170 km231。国内的陈云

7、浩对比了上海市 1990、1995和1998年的夏季城市地表温度热岛，发现1995年热岛强度比1990年增加了 0. 5 C，1995年 的则和1998年的相似。而通过对1990、1995和 1998年热力景观缀块转移概率的分析也表明，上海市的城市热岛强度有增强的趋势1。上述研究成果证明，利用卫星遥感技术能够对年际间城市热岛的变化格局特征进行比较客观、有效地监测。同时也存在隐患：（1）由于分辨率限制，所获数据和统计数据产生一定的差异；（2）由于卫星过境的时间限制，其观测的地点往往处于城市热岛较弱的一系列状态，不能随机观测不同的状态，最终导致结果偏低；（3）研究者常使用亮温或简单处理的温度数据，

8、其不能真实地反映地表温度，那么卫星遥感所获取的城市地表热岛强度会受到偏差，导致与真实强度不尽相同。然而城市热岛强度的季节变化则十分复杂，主要视 区域气候条件和城市人为因素而异，没有一定的模 式3。赵大庆等通过对比分析4个不同季相的沈阳 城市热岛分布图得出，春夏秋冬的热岛强度依次为 4、8、7、5 C。即夏季和秋季热岛较强，春季较弱15。 纪瑞鹏等利用NOAA/AVHRR资料对沈阳等6城市 热岛现象进行连续监测，对所监测城市热岛最大强度及随季节变化进行对比分析，发现由于各自地理 位置和气候差异，虽然沈阳和大连同属综合性特大 城市，但沈阳热岛强度（5. 27 C)却比大连（2 61 C) 强一倍有

9、余。而且沈阳出现在夏末秋初，大连出现 在春季，抚顺、本溪则出现在初夏28。杨星卫等通 过对比分析1992年4月、6月和7月3个时相的 NOAA/AVHRR图像，发现上海地区春（4月）、夏（7 月）两季的热岛效应较强，而春夏交替之际的6月则 较弱33。然而，研究者会选用一个景象特定的时期影像代表一个季节，而所得结论也会因为影像获取时间不同而导致结果的差异。所以我们应该在一个季节里多选取几个影像作为参考以防止片面性而导致的有差异的结论，增加研究结果的说服力。1.3城市热岛的成因分析城市热岛的形成、发展及其空间分布受到多种因素的影响。城市热岛变化机制研究的目的就在于通过分析城市热岛变化背后的各种驱动

10、力，最终揭示城市热岛的形成、发展变化的驱动机制。近年来,随着遥感技术的发展，许多学者通过卫星数据反演与城市热岛相关的影响因子，结合GE 技术及相关分析34、分形数学17、三角形法35,36等 数学方法，尝试建立城市热岛与其各种可能的影响 因素如NDVP、土地利用类型172934、植被覆盖度)定量关系。结果证明，在天气晴朗、无风或微风的情况下城市热岛的形成、发展及空间分布主要取决于下垫面介质和城市格局变化而城市人口则和城市热岛的强度和范围呈现正相关关系。而城市热源则对区域热岛强度有一定的影响厦季除外）。而如果出现大风的天气则热岛中心的变化和风速、风向密切相关。风速足够大时则不存在热岛现 象14。

11、但是从根本上讲上述模型也还是基于统计意义的模型。仅依靠遥感资料所获取的时间断面信息试图从机理上分析城市热岛的形成、变化过程是十分困难的。因为结果会受到诸多因素影响，而这些因素也存在变动性，流动性。【参考文献】  1陈云浩，李京，李晓兵.城市空间热环境M.北京:科学出版 社，2003.2 Howard L. Climate ofLondon deduced from meteo no logical observa- tionM . Harvey and Darton，1833.3周淑贞，束炯.城市气候学M.北京:气象出版社，1994.4htlp: /www epa gov/gbbaW

12、aming/actions/local/heatisland/in- dex hm 15 htlp: /www city toronto on ca/taf/cool+toronto hml6 Rao P k Rote sensing of urban heat islands fiom an environmental satellite J . Bulletin of the American Meteorological Society， 1972，53: 647 - 648.7张霞,朱启疆，闵祥军.陆面温度反演算法一劈窗算法的敏 感度分析J.遥感学报，2000, 4(1): 8 - 1

13、3.8杨青生，刘闯.MODIS数据陆面温度反演研究J.遥感技术 与应用，2004,19 (2) : 90 - 94.9Gillespie A R，Rokugawa S Tompemture/Emissivity separation Algorithm Theoretical basic Document Version 2. 4M/OL. Pre- pated under NASA contract NAS5 - 31372，1999. htlp: /eospso gsfc nasa gov / eo s_hcm ep age / for_ sc ien tists / atbd / doc

14、 s /A STER10罩志彖，ZhangMing - hua，Arnon Karnieli，et al J.地理学报， 2001，56(4): 456 - 466. 11范心圻.北京城市热岛遥感研究的应用与效益J.世界导弹与 航天，1991，6: 6- 11.12范天锡.北京地区城市热岛特征的卫星遥感J.气象，1987, 13 (10): 29- 3213 StreutkerD R. A rote sensing study of the Urban Heat Island of Houston，Texas J . International Journal of Ramote Sensin

15、g，2002, 23 (13): 2595 - 2608.14周红妹，周成虎，葛伟强.基于遥感和GE的城市热场分布规律 研究J.地理学报，2001,56 (2): 189 - 197.15赵大庆，韩釜山.利用气象卫星诊断沈阳地区的城市热岛J. 环境保护科学，1991，17(3):1-4.16 W engQihao A Rote Sensing - GIS evaluation of urban expansion and its impact on surface temperature in Zhujiang Delta， China J. International Journal of

16、Remote Sensing， 2001，22(10) : 1999 -2014.17 W eng Qihao Fractal analysis of Satellite - detected U rban Heat Island Effect J. Photogram metric Engineering & Rote Sensing， 2003,69(5): 555 - 566.18 白香花.北京城区下垫面类型及城区格局对热场分布影响研究 D .北京:北京师范大学，2003.19 Gallo K P， et al the use of a vegetation index for

17、assesament of Ihe urban heat island effect J. International Journal of Rote Sensing， 1993,14:2223 - 2230.20 Gallo KP，McnabA，Karl T R，eta. The use ofNOAA AVHRR data for asses3ment of the urban heat island effect J . Journal of Applied Meteorology，1993,32: 899 - 908.21 Gallo K P， et a. The comparison

18、of vegetation index and surface tperature composites Jor urban heat island analysis J. Intema- tional Journal of Remote Sensing， 1996,17: 3071 - 3076.22 Carlson TN， Perry EM， Schmugge T J. Renote estimation of soil moisture availability and fractional vegetation cover for agricultural fieldsJ. Agric

19、ultural and ForestMeteobbgy，1990, 52: 45 - 69.23 Matson M E P, Mcclain D F, Mcginnis Satellite Detection of Urban Heat IslandsJ. Monthly Weather Review, 1978, 106 (12): 1725 - 1734.24 Price J C Asses3ment of the Urban Heat Island Effect through the Use of Satellite Data J . Monthly Weather Review, 1

20、979，107(11) :1554 - 1557.25 Balling R C, Brazel S W. High - resolution surface - tperature patterns in a complex urban terrain J. Photographic Engineering Remote Sensing Review, 1988, 54: 1289 - 1293.26Roth M, et a. Satellite - derived urban heat island from three coastal cities and the utilization

21、of such data in urban climatology J. International Journal of Remote Sensing, 1989，10: 1699 - 1720.27李旭文.苏南大运河沿线城市热岛现象的卫星遥感分析J.国 土资源遥感，1993,（ 4) : 28 - 33.28纪瑞鹏，张喜民，李刚.沈阳等6城市热岛效应卫星监测研究J.辽宁气象，2000, 4: 22 - 26.29Spronken - smith R A, Oke T R. The themal regime of urban parks in wo cities with differen

22、t summer climatesJ. Untematonal Journal of Rtmote Sensing, 1998, 19(11): 2085 - 2104.30 Xu Hanqiu, CHEN Benqing Rote sensing of the urban heat island and its change in XiaMen City of SE China J . Journal of Environment Sciences, 2004, 169 (2) : 276 - 281.31 StreutkerD R. Satellite - measured growth

23、of the Urban Heat Island ofHouston, TexasJ. Rote Sensing of Environment, 2003,85: 282 - 28932 Gallo K P, Owen TW. Satellite - based adjustments for the Urban Heat Island tperatur biasJ. Journal of applied meteoK)logy, 1999,38: 806 - 813.33 杨星卫，周红妹.卫星资料在上海浦东新区热力场分析中的应 用J.应用气象学报，1994,5(3):369 - 373.34

24、Li Jiahong Study of relation between land - cover conditions andtperature based on LANDSAT/TM data J . Rote Sensing Technology and Application, 1998,13 (1): 18 - 28.35Gillies RR, Carlson TN, CuiJ, et al A verification of the trian- glemethod forobtaining surface soil water content and energy fluxes

25、from remote measurements of the nomalized difference vegetation index, NDVI and surface temperature J . International Journal of Remote Sensing, 1997，8: 3145 - 3166.36Owen TW, Carlson TN， Gillies R R. Rotely sensed surface parameters governing urban climate change J. International Journal ofRtmote S

26、ensing, 1998,19: 1663 - 1681.3、 分析研究的可能性、基本条件及能否取得实质性进展（方案论证）我国运用卫星遥感资料研究城市热岛的工作起步较晚，进展也较为缓慢。1987年和1990年全国高校城市气候研究中心召开的学术研讨会上，开始强调气象卫星遥感资料在城市热岛研究中的应用。主要是应用NOAA卫星资料分析城市下垫面温度、下垫面反射率并据此研究城市下垫面的辐射平衡及应用同步观测的气温资料进行回归分析，找出城市下垫面温度和城市热岛的关系，从城市热岛强度出现的时间和强度进行对比。传统研究方法多停留在从宏观大尺度范围内分 析城区和郊区的热岛关系而从微观小尺度上分析 城区内地表热

27、场分布和下垫面类型、城区各部分具 体分布关系的研究较少。而如进一步研究微观尺度 上的城市热岛详细分析其内部结构。目前的遥感 传感器分辨率是远远不够的因而城市热岛的遥感 研究还期待着更高分辨率的传感器的出现。采用多时相、较高分辨率的遥感资料结合地面 观测定量反演有关“地-气”界面参数并在此基础 上对边界层模式进行改进建立适用于城市热岛研 究的遥感与城市边界层链接模型将是城市热岛研究 的主要方向。目前虽有部分研究者在这方面作了有益的探索。如研究便于城市大气边界层间复杂的 交互作用22,39，模拟城市热岛的形成过程和发展变 化37,40。但是，由于模型本身的缺陷和精确反演地|气界面参数存在的困难，如

28、何进一步完善该方法值得研究。而最基本到的条件我们应该具有相应和相关遥感科目的理论知识的研究。具有相关的软件供给操作，实践。对于京津冀城市热岛联动性这个课题要具备具体的研究方案，实行如何实施操作，并有相关教师专门从事遥感行业的专业指导。纵观国内外众多学者的研究，基于传统方法的 城市热岛研究基本上是点尺度上的或纯概念的研 究，以点带面，很难真实和有效地扩展到面上，因 而对于研究城市热岛的平面布局、内部结构等特征 存在着很大困难，更不用说对城市热环境作深入研 究。而通过遥感手段获取的观测资料具有时间同步 性好、覆盖范围广的特点，基本克服了传统方法的 缺陷。随着当前高分辨率卫星热红外遥感技术的发 展完善，它在城市热岛研究中发挥着越来越重要的 作用，许多学者纷纷利用遥感技术开展有关城市热 岛的研究工作。本文对利用遥感手段研究城市热岛 的现状进行了比较系统的分析和总结，指出了目前 存在的问题，并对城市热岛遥感研究的发展提出了建议。四、课题研究的主要方法、策略和步骤4.1课题主要方法、策略： 目前利用单通道热红外遥感数据反演地表温度的方法有大气校正法、单