中国城市建成区变化对台站温度记录影响的多源遥感研究

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城市是气候和环境研究的热点区域,城市化是人类活动剧烈影响地球系统最具代表性的现象之一,而与此同时,气温又是人体最为敏感的气象要素之一。城市化通过改变下垫面物理属性、改变人为热环境等诸多过程影响气象台站温度的观测。目前,科学界关于城市化对台站温度记录的影响问题尚未达成一致结论,对于中国这样经历快速城市扩张的区域争议尤为激烈。近年来,随着遥感技术的快速发展以及遥感数据的积累,城市土地利用信息可以借助遥感数据直接获取,为研究城市化对气象台站温度记录的影响提供了新的可能。  本文借助遥感影像获得气象台站周边城市土地利用变化信息,分析城市土地利用变化与台站温度趋势之间的关系,建立城市土地利用扩张与观测温度趋势的线性回归模型,定量评估台站平均温度、最低温度和最高温度记录中城市化影响和城市化影响贡献率,探究城市化影响的时空变异规律,进而对气象台站选址及周边环境规划提出工程建设意见,为气候变化适应和环境规划与管理提供有益帮助。本研究得到的主要结论如下:  (1)中国区域90%的气象台站周边发生了城市土地利用扩张,城市扩张速率与台站观测温度之间的相关关系随所选定的台站周边缓冲距离变化,当缓冲距离为8km时,城市扩张速率与台站观测温度之间的相关性最好,此时评估得到的全国台站周边平均城市扩张速率为0.33%/yr。中国由北向南分布的三个特大城市群,京津冀城市群、长江三角洲城市群和珠江三角洲城市群台站平均城市扩张速率高于全国平均水平,分别达到0.44%/yr,0.53%/yr和0.36%/yr。  (2)在全国尺度,依据气象台站周边8km缓冲距离得到的城市扩张速率对台站进行分类,建立11种台站类型,并对各类型台站的平均城市扩张速率与平均增温速率建立线性回归模型,回归模型在年平均温度有良好的表现,评估得到的年平均温度城市化影响为0.034±0.005℃/10a,城市化影响贡献率为7.54%~10.82%;回归模型在年最低温度的表现通过了0.05的显著性检验,评估得到的年最低温度城市化影响为0.050±0.007℃/10a,城市化影响贡献率为9.35%~13.39%;回归模型在年最高温度的表现一般,仅通过了0.1的显著性检验,评估得到的年最高温度城市化影响为0.008±0.004℃/10a,城市化影响贡献率为1.15%~3.47%。由此可见,城市化对全国尺度台站最低温度记录有更为剧烈的影响,而对最高温度记录的影响表现得较为微弱,但仍不可忽视。城市化对各季节平均温度、最低温度和最高温度的影响存在较大异质性。  (3)在城市群尺度,考虑到台站数量及分布,依据气象台站周边8km缓冲距离得到的城市扩张速率对各城市群台站进行分类,每个城市群建立10种台站类型,同样建立各类型台站的平均城市扩张速率与平均增温速率的线性回归模型。对于京津冀城市群,年平均温度、最低温度和最高温度城市化影响贡献率分别为8.16%~14.53%,7.50%~20.64%和-11.01%~0.98%;对于长江三角洲城市群,年平均温度、最低温度和最高温度城市化影响贡献率分别为16.52%~21.7%,15.29%~27.10%和6.11%~14.72%;对于珠江三角洲城市群,年平均温度、最低温度和最高温度城市化影响贡献率分别为8.20%~20.70%,8.50%~32.30%和0.29%~10.02%。三个城市群尺度城市化影响贡献率略高于全国尺度,其最低温度的城市化影响贡献率均高于最高温度,城市群之间表现为长江三角洲城市群>珠江三角洲城市群>京津冀城市群。  基于本研究对全国气象台站周边城市土地利用变化的分析以及城市环境的特点,我们对气象台站选址及周边环境规划主要提出如下几点建议:第一,气象台站周边土地利用的统筹规划与管理方面,气象台站周边8km范围内应尽量保持周边下垫面的稳定,既要尽量避免城市土地利用的快速扩张,同时也尽量避免剧烈的造林活动等,对于必须进行迁移的气象台站需要依据相关法律法规进行;第二,在城市环境规划方面,可以采用推广绿屋顶,规划城市森林,建设街心公园、林荫大道,统筹公路规划,营建通风廊道等措施限制城市增暖附加影响;第三,对于建筑物而言,建筑物的形体设计、建筑物的材料等应既提高建筑物内部人体舒适程度,又减少对外界环境的影响。
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