论文:顾及三维城市形态的城市热岛效应与地表能量平衡之间的季节性关系探究

文摘   科学   2024-08-30 11:07   福建  
1 研究背景

全球持续的城市化导致城市人口密度增加,城市建成区扩张,以及城市相关经济活动的增加。在当前气候变化背景下,预计全球经济将在未来26年内减少19%的收入;全球每年与热浪相关的GDP损失预计将从2030–2040年的0.3%–1.7%增加至2050–2060年的0.6%–4.6%。然而,这样的经济损失已远远超过了将全球升温限制在2°C内所需的成本。

城市热岛(urban heat island, UHI)既可用于刻画城乡之间的温度差异,又可用于描绘城市局地环境的异常高温现象。UHI通常以空气温度(air temperature, AT)与地表温度(land surface temperature, LST)作为评价指标。然而,无论是AT还是LST,都是局地区域对于所吸收能量的向外表现形式。城市作为一个复杂的生态系统,其大气-地表-土壤间的能量交换过程才是形成温度变化的重要环节。地表的净太阳辐射一部分以显热通量(sensible heat flux, H)和潜热通量(latent heat flux, LE)的形式转移到上方的大气中,而剩余的热量则扩散到土壤中。城市化改变了地表结构和大气-地表间的能量交换过程,导致了城区特殊的大气环流和能量分配模式,而城区温度的空间分布正是受到城市地表辐射与能量平衡分配的影响。可见,地表能量平衡(surface energy balance, SEB)通量的形成、转换和分配是导致城市局地温度变化的内在原因,是探究UHI演化内在机理的关键。

当前对于SEBLST间关系的探究主要集中于大区域尺度的宏观视角,或基于微气候数值模拟的微观视角。而对于城市局地尺度的探究还较为缺乏。本研究通过基于卫星遥感影像数据的SEB通量因子反演,并结合局地气候分区(local climate zones, LCZ),对SEBLST间的定量关系,以及三维(3D)城市形态对SEB的季节性影响进行探究。

2 研究区概况

本研究以近年来全国有名的“火炉城市”福州作为研究区,以其主城区内的街区单元作为空间研究粒度。研究区总面积为172.98 km2,涵盖2272个街区单元。


3 数据源与研究方法

4 重要图表

5 重要结论

(1)福州研究区在各季节的整体城市热环境空间分布具有较为明显的一致性,具体表现为城市建筑空间具有相对较高的LST,显热通量(sensible heat flux, H),储热通量(net radiation, G),以及较低的净辐射(net radiation, Rn),与其形成鲜明对比的是城市蓝绿空间,它们具有较低的LSTHG,以及较高的Rn和潜热通量(latent heat flux, LE)

(2)不同LCZ类别的城市街区单元具有显著的城市局地热环境差异,其中LCZs 3 and 8(密集低层和大型建筑)代表了具有高温、高致热能量通量的建筑类型,而LCZs 1 and 4(高层建筑)则为低温、低致热能量通量的建筑类型。

(3)表征 SEB 通量间组分比例的 SEBR (surface energy balance ratio)相比于表征其相对差值的UEII(urban energy island intensity),与城市热岛强度(urban heat island intensity, UHII)有着更为显著的线性相关性。此外,SEBRLCZ各类别中所表现出的季节稳定性要优于UEII

(4)SHAP (Shapley Additive exPlanation)分析揭示了3D建筑形态对SEBR变化的相对重要性要高于3D 植被形态。其中,BH_mean(建筑高度)TUGR(三维绿化率,即植被冠层垂直投影体积与单位地面面积的比值)分别是城市形态和植被形态中最具影响力的要素。高值BH_meanTUGR分别所表征的城市高层建筑与高大树木,不仅能够对周边区域形成较大面积的阴影投射,同时分散布局、高低错落起伏的高层建筑能够增加局地空气的流动,抑制致热能量通量的产生,缓解局部高温。

引用格式:

Lin, Z., Xu, H., Hu, X., Liu, Z., Yao, X., & Zhu, Z. (2024). Characterizing the seasonal relationships between urban heat island and surface energy balance fluxes considering the impact of three-dimensional urban morphology. Building and Environment, 265, 112017. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2024.112017.

校对:苏桂芬
编辑:任萌杰
一审:胡秀娟
二审:刘智才
三审:王   琳

环境资源遥感
福州大学遥感信息工程研究所
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