匡文慧等在GIScience & Remote Sensing发表城市化对地表

2019-12-17 作者:产品测评   |   浏览(83)

近日,南京大学地理信息学科在城市热环境遥感领域取得重要进展。研究成果以Identification of typical diurnal patterns for clear-sky climatology of surface urban heat islands为题发表在资源环境遥感领域权威期刊Remote Sensing of Environment。论文第一作者为2017级研究生赖佳梦,地理信息科学学科的占文凤教授和杜培军教授为论文的通讯作者。

城市下垫面精细化的表征与遥感探测是新时代美丽中国建设城市人居环境质量改善和生态系统服务功能提升关注的重要前沿内容,针对中国超大城市复杂地表特征,城市化对辐射能量收支和生物地球物理过程影响的遥感模型的参数化、校正和验证面临一系列的挑战。

城市热环境/热岛作为全球环境问题日益凸显的典型现象之一,对城市居民健康与能源消耗等均产生了深远影响。科学地认知城市地表热环境空间格局与时间演变规律是解决城市热环境问题的基石。卫星热红外遥感技术弥补了传统站点观测的不足,在年际、季节与日夜等时间尺度为城市地表热环境/热岛的空间大尺度精细化监测提供了重要技术支撑。然而,受到卫星遥感观测时空分辨率的制约,在另一个重要时间尺度—日内逐时尺度上,城市地表热岛的演变特征仍不明朗。尽管已有少数研究尝试利用遥感影像时空融合方法初步探索了极少数特大城市地表热岛的日内逐时变化特征,但由于受到地表热辐射方向性观测等多种因素的影响,这类方法难以推广至大尺度范围内的众多城市或城市群。因此,目前在大空间尺度内不同气候区内城市地表热岛日内逐时变化典型模态尚不清楚。

通过收集北京市7个辐射和热通量观测站点数据,城市建筑和绿地辐射四分量和涡度相关、地表温度等参数遥感地面同步观测试验和高精度城市下垫面不透水地表和绿地等组分信息基础上,对北京城市地表短波辐射和反照率、长波辐射和净辐射进行校正和验证。取得如下结论:

针对这一问题,地理信息科学学科的研究人员在前人研究基础上,综合比较了九个适用于极轨卫星热红外遥感观测的四参数地表温度日内循环模型,并提出了最优的参数化策略,从而为中高空间分辨率尺度地表温度日内变化的精细建模奠定了基础(Hong et al., 2018, 亦见图1)。在最优四参数地表温度日内循环模型的支持下,进一步以我国300余个主要大城市为研究对象,率先在大尺度上对城市地表热环境日内逐时变化的典型模态进行了鉴别与分类。研究发现,与城市冠层热岛显著不同的是,城市地表热岛的逐时变化模态更为多样,其形态主要有五种:即“标准勺状”、“弱勺状”、“准勺状”、“反勺状”和“平直状”模态(Lai et al., 2018a, 亦见图2)。通过分析这五种典型模态在不同气候区中的变化规律,揭示了城乡植被覆盖差异等因素对地表热岛日变化模态的内在影响机制,深化了对城市地表热岛多时间尺度演变规律的认识。

基于Landsat TM和 Landsat 8 OLI/TIRS 遥感影像定量反演地表下行短波、上行短波和下行长波、上行长波及净辐射,将高精度的城市建筑、道路、广场等不透水地表和绿地、水域等组分信息嵌入定量模型,并通过不同下垫面类型辐射通量信息的参数本地化,可以显著模型在局地定量反演的精度,校正后的净辐射通量的差值控制在0~± 40 W· m?2,均方差误差小于32.71 W· m?2。

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从1984年、1994年、2004年到2014年北京超大城市地表辐射遥感监测表明,地表净辐射总体上呈现下降的趋势,从1984年489.10 W· m?2 下降到2014年的401.06 W· m?2 ;从城市建成区到远郊区地表净辐射通量呈现显著的上升趋势。

图1. 九个四参数地表温度日内循环模型逐时精度比较结果,其中总体精度最佳的模型为GOT09-dT-τ。

模型参数化过程中,大气透过率和地表反照率参数的改进是关键步骤,由于超大城市地区高密度的气溶胶和水汽含量会降低大气透过率而且轻质和高反射的建筑材质增加地表反照率,会导致城市净辐射减小,一定程度会对局地气候产生冷效应。

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该方法作为核心成果荣获环境保护科技二等奖、国家测绘科技技术进步二等奖。该成果得到北京市自然科学基金重点项目和国家自然科学基金面上项目的支持。

图2. 所鉴别的城市地表热岛日内逐时变化的五种典型模态及对应的城乡温度日变化,其中a至e分别对应于“标准勺状”、“弱勺状”、“准勺状”、“反勺状”和“平直状”模态。

该研究成果发表在《GIScience & Remote Sensing》期刊。

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