快速城市化进程中长三角城市群地表与大气热岛效应的演变及其驱动力的遥感研究

Urbanization and its effects on climate are the hot issues of global change researches. China has entered into a new phase of urbanization that focusing on the development of urban agglomerations in recent years, yet the spatiotemporal trends of urban heat island (UHI) over urban agglomeration have not been well documented at this time. Using Yangtze River Delta Urban Agglomeration as a case study, we will analyze the geospatial patterns of the surface and 2m air UHI, identify the urban agglomeration effect, and explore their diurnal, intra-annual, and inter-annual (in particular their responses to climate extremes) variations in this area. Also, the possible environmental driving forces for the UHI’s distribution will be investigated by examining the relationships between UHI and the key biological, physical, geographical, and anthropogenic factors, and the impacts of urban expansion (including the land sources, expansion modes and locations, and the overall contribution) on UHI will be evaluated by analyzing the co-relations between the variations of UHI and urban land use. This work will include a comprehensive utilization of multi-source dada (such as remote sensing, meteorological observation, socioeconomic, and field surveying data) via 3S technology and multi-source data mining and integration techniques. Results of this study will help enhance our understanding of the climatic effects induced by urbanization, and provide an important scientific basis for formulating the development strategies of urban agglomerations in order to mitigate climate change in China.

城市化及其气候效应为当今全球变化研究的热点。近年来，我国城市化进入以城市群为核心的快速发展阶段，然而有关城市群热岛效应（UHI）时空演变规律的认识相对薄弱。本项目拟以具有代表性的长三角城市群为研究区，基于遥感、气象观测、社会经济和野外调查等多源数据，综合利用3S技术和多源数据挖掘整合手段，分析研究区地表及2m高度大气UHI的空间分布规律，鉴别UHI的城市群效应，并揭示其日内、年内和年际（尤其对极端气候事件的响应特征）变化特征；利用UHI与关键生物、物理、地理及人为因子的关系，厘清城市群UHI空间分布的环境驱动因子，并通过研究UHI与城市用地演变的关系，阐明城市群用地扩张（包括土地来源、扩张方式、发生位置和整体贡献率）对UHI的影响。研究结果将深化对城市群气候效应的系统认识，对制定我国应对气候变化的城市群发展策略具有重要的科学指导意义。

城市热岛作为人类改变地球系统最主要的特征之一，因其对区域环境和人类健康的巨大影响，成为广大学者研究的焦点。然而，过去研究多关注局地尺度城市热岛效应的演变规律，缺乏区域尺度城市热岛的系统研究，尤其对于日益增多的城市群地区。利用MODIS和Landsat数据，本项目首先系统研究了长三角城市群的城市化过程及其热环境效应的演变规律与驱动机制，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演变规律及其驱动机制，最后全面总结了从1972年至今地表城市热岛效应卫星遥感研究的进展、挑战与未来方向。结果表明：（1）长三角城市群地区的城市面积、城市化水平和城市扩张面积均随城市行政级别降低呈指数降低趋势，而城市面积年增长速率最大发生在县级市。所有城市的扩张均已边缘式为主，城市行政级别越低，扩张越破碎和无序。（2）城市化显著提高了长三角城市群地表温度，其热岛效应强度白天明显高于夜晚，夏季明显大于冬季。城市热岛效应的时空演变主要受气候背景、植被活动、地表反照率和人口密度的控制。忽略城市群效应将导致地表城市热岛效应强度和空间分布的巨大误差。（3）从全国尺度来看，地表城市热岛效应强度白天东南部城市大，夜晚西北地区的城市大，且随时间变化明显，东南部城市白天大于夜晚，东北和西北地区城市热岛夜晚大于白天。（4）通过全面总结1972年至今地表城市热岛效应的研究进展，我们发现基于卫星遥感的地表城市热岛效应研究数量自2005年之后呈指数增加态势，且在研究区域、时间、季节、关注问题以及传感器选择等方面均具有明显的偏好。虽然地表城市热岛效应取得了重要进展，但其应用却受到一系列数据和方法的限制。未来除了提高地表温度数据的质量和数量外，应更多关注城市热岛效应的估算方法，年际波动和长期趋势，尺度问题，以及遥感、观测和模型的综合应用等问题。本研究不仅有助于提到我们对城市热岛效应规律的系统理解，还将为实践者制定相应的缓解与适应策略提供重要参考。