城市热环境遥感

第1章绪论 1.1　城市化进程与温度变化 1.1.1　全球城市化进程 在过去几十年，全球城市化进程显著，*主要的体现就是城市人口的增加和城区范围的扩张。根据《世界城市化展望（2018年修订版）》，1950年全球城市人口占总人口的30%，而到2018年，这一比例已增加至55%，并且在北美等发达地区，城市人口比例甚至达到了80%以上。随着亚洲和非洲等地区的发展，城市人口仍将继续增加，至21世纪中叶，全球将会新增25亿城市人口，届时城市人口将占全球总人口的三分之二以上。以我国为例，2010年城市人口所占比例约为50%，到2020年这一比例已增至64%。与此同时，我国超大城市（城区人口超1000 万人）已达到7个，特大城市（城区人口在500万～1 000万人）已增至14个，其中上海城区常住人口接近2000万人，位居榜首（图1-1）。 图1-1　我国超大和特大城市人口数据来源于国家统计局，城市规模按照《国务院关于调整城市规模划分标准的通知》（国发〔2014〕51号）进行划分 城市人口的增加必然会伴随着城市面积的扩张。如图1-2（Li et al.，2019 ）所示，在1986～2015年的30 年，平均每年有近1万km2的土地由非城市用地转变为城市用地，全球城区面积净增长80%左右，其中约70%的新增城区出现在亚洲和北美。我国自改革开放以来发展迅速，城区面积快速扩张。相关研究表明，我国不透水面比例在1985～2019年增加了约1.5倍，已达到2 450万hm2，其中超过80%的面积来自耕地（Yang and Huang，2021）。 1.1.2　城市扩张引起的温度变化 快速的城市化进程会对局部生态环境和气候条件产生显著影响。首先，城市扩张会使大量自然地物转变为人造地物，造成城市周边包括耕地、草地、林地、湿地等具有重要生态调节功能地物的减少或消失。这种地表覆盖的改变会直接影响下垫面的生物物理性质，进而引起地表能量平衡和温度的变化。地表能量平衡的原理可由下式表示： Rn=LE+H+G（1-1） 式中：Rn为地表净太阳辐射通量；LE为潜热通量（latent heat flux），指水汽相变时向大气传输的热量通量；H为感热通量，指湍流运动从地面向大气传输的热量通量，主要由地面与大气之间的温差所决定；G为土壤热通量，指地表土壤与下层土壤间热传导的热量通量。 由植被等自然地物向人造地物的转变会增加不透水面比例，降低地表的蒸散发能力，造成地表潜热通量的减少和感热通量的增加，进而引起局部温度的升高。相较于自然地物，以砖石、水泥和沥青等材料为主的人造地物热容量大，导热率高，并且有着较低的反照率，会吸收更多的太阳光，引起地表净太阳辐射通量的增加，进而造成下垫面温度的升高。研究表明，2006～2011年，我国耕地向城市用地的转变分别引起日间和夜间地表温度（land surface temperature，LST）升高约0.18℃和0.01℃，这种地表温度变化主要归因于地表覆盖变化引起的蒸散发和反照率的改变（Zhang and Liang，2018）。 城市是人口的聚集地，居民的生产生活、交通出行等活动都需要消耗大量的能源。煤炭石油等化石燃料的消耗在释放热量的同时，还会产生大量的二氧化碳等温室气体。据统计，全球有超过65%的能源消耗发生在城市中，与此同时，全球约70%的碳排放来自城市（Poumanyvong and Kaneko，2010）。此外，城市中的机动车辆和工业生产会产生大量的氮氧化物、粉尘等空气污染物，这些物质能够吸收环境中的热辐射能量，引起城市大气温度的上升（Cao et al.，2016）。有研究表明，我国的平均气温在1961～2013年升高了约1.44℃，其中城市温度升高贡献了整体升温效应的三成左右（Sun et al.，2016）。 1.2　城市热岛效应 1.2.1　城市热岛效应的影响 城市中心与周边区域地表覆盖和人类活动等方面的异质性会引起二者温度的差异，一般表现为城市中心的温度高于周边区域，这一现象被称为城市热岛（urban heat island，UHI）效应。城市热岛效应是城市热环境空间分布的一种集中反映和体现，也是城市热环境研究的核心问题（姚远等，2018）。 城市热岛效应会对城市中的生物物候、土壤特性、水文循环、能源消耗、空气质量和居民健康等多方面产生影响（图1-3）。城市温度的升高会影响生物物候，*为典型的就是位于城市中的植被发芽开花的时间会提前，落叶的时间会延迟，造成植被生长期的延长（Li et al.，2017）。城市热岛效应会引起城市中土壤温度的升高，造成土壤湿度、呼吸代谢、养分活性等特性的改变，进而会对土壤微生物的活动和土壤生物的多样性产生影响（肖荣波等，2005）。城区温度的升高会使气压降低，导致郊区冷空气更容易流向城区，形成的局部空气对流会引起降水量的增加，进而影响城市的水文循环（Shepherd et al.，2002）。众多研究表明，城市热岛效应会促进臭氧、氮氧化物、一氧化碳等空气污染物在城市中的形成与聚集（康汉青，2014；Lai and Cheng，2009）。此外，城市热岛效应会促进城郊之间局部环流的形成，引起城市上空尘埃和烟雾的聚集，进而诱发空气污染事件（肖荣波等，2005）。 在全球变暖背景下，城市热环境变化及城市热岛效应会加剧城市热浪出现的强度、持续时间与频率，影响城市居民的生活舒适度，甚至会危害居民的生命健康。1980 年，在热浪的影响下，美国堪萨斯城和圣路易斯两座城市的商业核心区的人群死亡率分别上升了64% 和57%，远高于城市郊区（姚远等，2018）。2003年，城市热浪侵袭欧洲，总计造成约7万人死亡。2004～2018年，美国平均每年有702例与高温有关的死亡病例，且以老年人为主（Ambarish et al.，2020）。2018年，日本、韩国出现大范围的高温热浪事件，导致上千人中暑、近百人死亡。2019 年热浪再次侵袭欧洲，仅在法国就造成了约1500人死亡。为了降低室内温度，空调、电扇等电器的使用会增加城市电力消耗。相关研究表明，温度每升高1℃，电力需求量会增长0.5%～8.5%（Santamouris et al.，2015）。2012年，美国有六分之一的电力消耗用于降温，由此产生的电费负担高达400亿美元。2001～2015年，我国城市家用空调的人均能耗从16.4 kW h 增加到96.6 kW h（Cai et al.，2021）。 1.2.2　城市热岛效应的研究进展 与城市热岛相关的研究*早可追溯到1833年，当时Luke Howard出版的The Climate of London，Deduced from Meteorological Observations 一书中记载了伦敦市中心比郊区温度高的现象。后来Manley根据这一现象在1958年首次提出了“城市热岛”这一概念。随着城市化进程的加速和全球变暖问题的凸显，城市热岛效应逐步成为研究的热点问题。图1-4展示了近40 年来与“城市热环境”或“城市热岛”相关的文献发表情况。其中，中文文献检索平台为中国知网，检索词为“城市热环境”或“城市热岛”，英文文献检索平台为Web of Science ，检索词为“urban thermal environment ”或“urban heat island”。可以明显看出，2000 年以来，与城市热环境/城市热岛相关的论文发表数量出现了“井喷式”的增长，这说明城市发展过程中产生的以城市热岛效应为典型代表的热环境问题已经受到众多学者的关注，现有研究主要集中于以下几个方面。 1.城市热环境的时空分布和变化规律 目前已有大量研究对城市热环境的空间分布、昼夜差异、季节规律等方面进行了分析。例如，Zhou 等（2016 ）分析了我国32 个主要城市地表温度从郊区至城市中心区域的变化规律，指出在绝大多数城市中地表温度从郊区至城区都表现出增长的趋势，其增长幅度与城市位置、季节及昼夜等因素紧密相关，一般表现为夏季高于冬季、日间强于夜间的规律。城市热岛效应的影响不仅局限于城市物理边界范围内，还会影响到城市周边区域。Zhang等（2004）通过对城市内部及其周边区域地表温度的对比分析发现，城市热岛效应不仅会引起城市内部温度的升高，其辐射效应还会造成周边区域温度的上升。Zhou等（2015）研究表明，城市热岛效应的影响范围可延伸至城区周边数倍范围的区域。此外，城市热环境的时间变化趋势也是现有研究关注的重点。例如：Yao等（2017）对我国31个城市的热岛强度（即城郊温度差值）在2000～2015 年的变化趋势进行了分析，绝大多数城市（27/31）的夏季日间热岛强度在该时间段内出现了显著增长趋势，并且城市热岛的增强与城郊植被和人为热源差异的变化有关；Peng等（2018）比较了我国281个城市的城区和郊区地表温度在2000～2010 年的变化情况，发现约70%的城市的城区地表温度增加速度要高于郊区；Yao 等（2019）对全球397个城市的热岛强度在2001～2017年的变化情况进行了分析，发现有42.1%和31.5%的城市分别出现了年度日间和夜间热岛强度显著增强趋势，并且城市热岛强度的增强趋势主要与郊区植被的增加有关。总体而言，现有研究对城市热环境的时空分布及其变化趋势进行了较为全面的分析，加深了城市化对局部热环境影响规律的认识和理解。 2.城市热岛效应的形成机制和影响因素 城市热岛效应的形成机制和影响因素是现有研究的重点。Imhoff等（2010）研究了美国38个城市的热岛效应，发现热岛强度与城市大小和城市所处的生态区联系密切。Peng等（2012）借助遥感数据，分析了全球419个城市中影响城市热岛时空分布的影响因素，发现日间热岛强度主要与城郊植被指数差值有关，夜间热岛强度则主要受到城郊反照率和夜间灯光强度差值的影响。类似地，Zhou等（2014）利用遥感数据对我国32个主要城市的研究表明，城市热岛强度的影响与季节有关，夏季日间热岛强度主要受植被活动和人为热源的影响，而冬季日间热岛强度则主要与气候条件（温度和降水）有关。以上研究给出了影响城市热岛效应的主要因素，但由于研究方法的限制，缺少对城市热岛效应形成机制的定量评估。因此，Zhao等（2014）开发了定量评估影响城市热岛效应的气候模式，并结合地表温度及植被覆盖的卫星遥感数据对北美地区的 65个城市进行分析，量化了不同因素对城市热岛的影响，发现城郊之间地表粗糙度的差异是影响城市热岛效应的关键因素，如果城市的粗糙度小于郊区的粗糙度，就会出现较强的热岛效应。例如，湿润地区城郊植被多为树林，地表粗糙，对流散热效率高，相比之下，这些地区城市的对流效率下降了 58% ，造成热岛效应。在半干旱地区，植物多为低矮的草地，而城市景观地表更为粗糙，对流散热效率更高，会抑制热岛效应，甚至造成“冷岛效应”（即城市温度低于郊区的现象）。类似地，Manoli 等（2019）建立了综合考虑热岛强度、人口和背景气候的粗粒度模型，并在全球30000 多个城市中探究了城市热岛空间分布模式的影响机制，发现城市热岛强度的大小主要由城郊蒸散发和对流效率差异决定。总体而言，现有研究较为深入地分析了城市热岛的影响因素，为理解城市热岛效应的形成机制打下了基础。 3.城市热岛效应的缓解和应对措施 城市是人口的聚集地，如何应对城市发展过程中的气候变化，制订针对城市热岛效应的有效缓解措施，一直是学者们关注的主要问题。Zhao等（2014）指出在城市尺度上提升地表的反照率是降低城市热岛强度的有效手段。例如，经历了1995年的热浪后，芝加哥市制定了建筑规范以促进屋顶反射率的提高，1995～2009年，该市反照率增加了约0.02，有效地缓解了城市热岛效应。与此同