近30年京津冀城市化进程中地表热岛效应时空演变与变化趋势研究

The Urban Heat Island (UHI) is an important "side effect" brought by urbanization. With the joint development and the new urbanization process of Beijing-Tianjin-Hebei region, the study on the spatiotemporal variations and future trends of UHI can not only reveal their patterns and mechanisms, but also help to provide theoretical basis and technical support for alleviating the UHI effect and building livable cities. Considering the difficulties on obtaining the long-time series remote sensing (RS) data with high spatiotemporal resolution and the research gaps on the UHI variations and their relationship with urbanization process between multiple cities at the fine scale, the project is organized in terms of building the datasets and evaluating the UHI variations between multiple-cities. Firstly, the improved spatiotemporal fusion algorithm is proposed, based on which 30-year high-precision RS datasets with high spatiotemporal resolution in Beijing-Tianjin-Hebei are generated using the multi-temporal and multi-source remote sensing images and meteorological data. Secondly，with the support of the datasets, the spatiotemporal variations over the past 30 years and the future trends of UHI are characterized at the fine scale using the RS information extraction technology, change detection methods, spatial analysis, time series analysis, statistical methods and numerical simulation methods. Their differences between multiplicities are also comparatively analyzed from both qualitative and quantitative perspective. The project will further expand the applications of RS images in urban thermal environments and enrich the UHI research theoretical system. The results may also serve urban planning and management decision-making.

热岛效应是城市化重要的“副作用”，京津冀区域协同发展和新型城镇化背景下开展城市化过程中热岛演变及趋势研究，有助于揭示其模式及机理，亦可为缓解热岛效应、建立宜居城市提供重要的理论依据和技术支撑。针对当前研究中长时间序列中高空间分辨率遥感数据获取困难，以及多城市热岛演变及趋势特征精细尺度对比研究不足的问题，本项目从数据集构建和多城市对比两个方面展开研究。首先，改进现有地表温度时空融合算法，基于多时相多源遥感影像和气象资料，建立近30年逐年夏季京津冀高精度中高空间分辨率遥感数据集；在此基础上，结合遥感信息提取和变化监测方法、空间分析、时间序列分析、统计分析和数值模拟等方法，精细刻画京津冀城市化进程中热岛时空演变特征及未来变化趋势，定性定量对比分析热岛效应城市间的差异性。本项目的实施将拓展遥感影像在城市热环境研究中的应用，丰富已有的热岛理论研究，成果可为城市规划和管理部门提供决策依据。

作为城市环境的重要显著特征之一，城市热岛具有很强的区域气候效应，并对居民健康有着巨大影响等。遥感数据在城市热岛研究中发挥着越来与重要的作用，为更好理解热岛效应的时空变异特征及其与城市化的关系，开展多城市热岛效应研究成为目前城市热岛研究热点之一。本项目正是基于此开展，主要内容包括地表温度时空融合算法构建，长时间序列遥感数据集构建，京津冀城市群热岛效应时空演变及变异特征及其对城市化进程的响应，进而以我国32个主要城市为例，从国家尺度探讨了热岛效应的时空分布格局及其与自然环境、经济发展的关系。主要结论如下：1）基于双边滤波函数的地表温度时空融合算法可有效提升地表温度融合的精度，基于该算法可以重建时间序列中高分辨率的遥感数据集。2）京津冀城市群热岛强具有明显时空分布特征，空间上城区热岛面积出现不同程度的扩大，城区周围低温区减少，卫星城热效应逐步增强；时间上，郊区最高温的增长趋势相比于城区更为显著。 这与城市的经济发展、城市地理位置、植被覆盖程度密切相关；3）由于城市扩张，京津冀地区新开发区域的最低气温将上升5K左右。由于周边新开发的城市地区，老城区的温度也会上升（小于1K）。城市扩张的足迹，尤其是最低气温，同时表明未来城市环境表现的更不舒适。尤其是夜间，由于城市扩张将导致温度变化较大；4）全国尺度看，中国白天SUHIIs的空间格局在中国北方的季节变化要比南方高得多。夜间SUHII比白天SUHII弱得多，且稳定，并且北方地区的空间格局明显要比南部高得多。时间上城市的SUHIIs的时间变化与城市化发展的关系更为密切，并非所有城市都经历了以前研究报道的城市化恶化和恶化的城市热环境。本项目不仅提出了研究SUHIIs模式及其关系的时空机制，而且对中国的SUHIIs提供了深入而全面的认识。