珠江三角洲城市群熱環(huán)境及其效應(yīng)的時(shí)空特征研究.pdf

1、近二十多年來，珠江三角洲經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，逐漸形成了以廣州、東莞、深圳等為核心的城市群，快速城市化已造成區(qū)域氣候變化及大氣環(huán)境污染加劇。本論文以氣象觀測(cè)站、自動(dòng)氣象站、大氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站等的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、Landsat數(shù)據(jù)、MM5模擬數(shù)據(jù)及相關(guān)社會(huì)發(fā)展資料為基礎(chǔ)，以小波分析及功率譜分析、RS和GIS技術(shù)、景觀生態(tài)學(xué)理論、城市擴(kuò)展元胞自動(dòng)機(jī)(CA)模型及MM5模式等為方法，綜合研究了珠江三角洲城市群熱環(huán)境及其效應(yīng)的時(shí)空特征。 珠江三角洲

2、城市群熱環(huán)境及濕度的變化具有顯著的季節(jié)性、多尺度疊加性，城市化對(duì)區(qū)域氣候變化的影響顯著。研究區(qū)域氣溫及年平均熱島強(qiáng)度上升趨勢(shì)明顯，消除全球變暖影響后，城市化造成城市群溫度上升了1.1℃；城市群月平均氣溫及其變化幅度、變化率等具有季節(jié)性；改革開放后，各城市熱島強(qiáng)度大幅上升的階段和速度均有差異，各城市的城市化速度及規(guī)模是根本原因。珠江三角洲城市群及其各城市月平均熱島強(qiáng)度變化規(guī)律較接近；熱島強(qiáng)弱與干濕季密切相關(guān)。珠江三角洲城市群溫度、熱島及相

3、對(duì)濕度呈多時(shí)間尺度結(jié)構(gòu)特征，存在13-15年、17-20年的年代際、2-4和6-8年的年際尺度。 珠江三角洲城市群被珠江口分割為東西岸城市群，東岸以深圳、東莞為核心，西岸以廣州為中心。珠江口西岸城市群及其各區(qū)熱島強(qiáng)度逐年上升，其主要由2-4和6-8年等年際、16-18年年代際和日、周、兩個(gè)月及三個(gè)月等尺度疊加而成。廣州熱島強(qiáng)度02、20時(shí)較大，08時(shí)次之，14時(shí)較??；秋冬季最大，夏季次之，春季最??；靜小風(fēng)的夜間出現(xiàn)頻率高，秋季

4、出現(xiàn)頻率大于夏季；各季平均熱島強(qiáng)度呈多中心的空間結(jié)構(gòu)。干濕季對(duì)NO2、PM10濃度及API指數(shù)的影響較大；NO2、PM10濃度及API指數(shù)與城市群熱島強(qiáng)度時(shí)間尺度結(jié)構(gòu)及變化趨勢(shì)一致。天氣系統(tǒng)及區(qū)域氣候是城市熱島形成的外因；下墊面特性、地表長(zhǎng)波輻射、風(fēng)和地表熱量交換等是其形成的內(nèi)因；人為熱和大氣污染是其形成的人為因素。 為了消除大的氣候系統(tǒng)的影響，本文以小波分析結(jié)果為基礎(chǔ)，選取1990、1995、2000、2004年四個(gè)時(shí)相的L

5、andsat數(shù)據(jù)反演了地溫；并利用以MM5模擬數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立的不同下墊面上地溫及氣溫的回歸模型及下墊面分類數(shù)據(jù)反演了氣溫。1990-2004年研究區(qū)域高溫中心面積急劇增加，其主要集中在城鎮(zhèn)用地最為集中的地方；珠江口東西岸城市群的高溫區(qū)逐漸連成片，在2000年形成珠江口東岸溫度較西岸高的格局，在2004年，隨著珠江口西岸城市的發(fā)展，珠江口兩岸城市熱環(huán)境的差異呈減小的趨勢(shì)。城市用地70％以上區(qū)域的溫度較高，林地和水體的溫度較低，城市用地和裸

6、地的增加，林地、灌叢、農(nóng)田及水體的減少是造成珠江三角洲熱環(huán)境變化的原因。數(shù)值模擬與遙感反演的地溫及氣溫的空間分布較相似；其與實(shí)測(cè)氣溫的絕對(duì)差分別小于3K及1.1K。數(shù)值模擬與RS反演的地溫和氣溫?zé)釐u及熱力景觀空間格局較相似。研究區(qū)域熱島與干島相伴而生；干島出現(xiàn)位置與熱島的有一定位移；熱島造成城區(qū)出現(xiàn)了小風(fēng)輻合現(xiàn)象。 綠地、水域及城市用地的熱環(huán)境效應(yīng)差別較大，其影響程度取決于其面積、周長(zhǎng)及周長(zhǎng)面積比。公園綠地周長(zhǎng)面積比對(duì)溫度影響

7、最大，周長(zhǎng)次之，面積最小；城市湖泊及水庫(kù)有顯著的降溫能力，城市不透水面是熱島形成的主要原因。 利用1990-2004年四幅影像及MM5模擬數(shù)據(jù)研究了城市群熱環(huán)境景觀格局年際及年代際演變特征及氣象要素空間格局日變化。地溫和氣溫的MoranI指數(shù)從1990年開始減小，2000年達(dá)到最小，隨后開始增加；各年氣溫的MoranI指數(shù)較地溫的高；RH、W10的MoranI指數(shù)較Tg與T2m的高。地溫和氣溫?zé)釐u及熱力景觀，在類型水平上，LS

8、I和FRAC_AM1995-2000年的值較高，CLUMPY的值較低，高溫斑塊的LSI、FRAC_AM及COHESION一般較其它類型的小；在景觀水平上，各指數(shù)1995-2000年的值波動(dòng)較大；地溫和氣溫?zé)釐u景觀格局指數(shù)日變化明顯。1985至2004年，廣州城市群斑塊數(shù)量和密度、多樣性指數(shù)及分維數(shù)呈逐年增加趨勢(shì)，形狀指數(shù)呈下降趨勢(shì)。下墊面空間格局年際尺度的變化決定了熱環(huán)境空間格局年際和年代際演變。各氣象要素的PLAND、FRAC_AM、

9、LSI、SHDI、CONTAG等日出、正午及日落前后變化劇烈；其日變化是下墊面差異、太陽短波輻射、地表長(zhǎng)波輻射、大氣逆輻射、湍流交換等綜合作用的結(jié)果。 本文利用基于粗集理論的城市擴(kuò)展CA模型模擬了珠江口東岸城市群的城市擴(kuò)展，其模擬精度較高；并將城市擴(kuò)展模擬結(jié)果運(yùn)用到MM5中，模擬和預(yù)測(cè)了2000、2004、2010、2015及2020年城市擴(kuò)展對(duì)區(qū)域熱環(huán)境及氣候的影響。2000-2020年地溫和氣溫的高溫分布范圍不斷擴(kuò)大，城市

10、急劇擴(kuò)展區(qū)域也是溫度范圍擴(kuò)大最快的區(qū)域；城市擴(kuò)展對(duì)夜晚溫度影響較大；河流存在顯著的“邊緣效應(yīng)”。城市化造成城區(qū)風(fēng)速減小，熱島(溫度梯度)強(qiáng)烈影響了珠江口的海陸風(fēng)環(huán)流。城市擴(kuò)展將造成區(qū)域比濕減小，感熱通量增加，潛熱通量減小及邊界層高度增加；且其白天的影響較夜晚的大；比濕和潛熱通量負(fù)增量、感熱通量和邊界層高度增值中心與溫度場(chǎng)增值中心基本相對(duì)應(yīng)。城市擴(kuò)展將造成區(qū)域氣象要素的空間連續(xù)性發(fā)生變化，正午至午夜各氣象要素的MoranI指數(shù)變化較顯著。