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东北地理所在城市湿地“冷池”效应研究中取得进展

近三十年来,全球城市化快速发展,至2016年,全球超过54%的人口居住在城市中。根据预测,至2030年,全球城市面积将超过120万平方公里,新增的城市面积半数将分布在亚洲地区[S1]。快速的城市化将改变区域气候和水文环境,并带来一系列的环境问题。城市热岛就是问题之一,其会直接影响城市的能源消耗、环境质量和人类健康。城市湿地“冷池”效应起着抵消热岛效应的重要作用。如何定量明确城市湿地“冷池”效应的降温能力和效率以及明晰城市湿地“冷池”效应与城市湿地特征的关系?回答上述问题对如何科学制定城市发展方向和规划具有重要意义。

近日,中国科学院地理科学与资源研究所匡文慧副研究员等著《城市地表热环境遥感分析与生态调控》由科学出版社出版。该书出版获得国家出版基金项目资助,并入选地球观测与导航技术丛书。Landscape and Urban Planning主编象伟宁教授和地理资源所刘纪远研究员为该书作序。

春节期间的中国人口迁移流动是世界上每年最大规模的人口迁移。春节期间,许多大城市的人口由于“返乡过年”而出现骤减,另一方面,近年来的“旅游热”促使一些旅游热点城市的人口在春节期间呈现激增。据报道,2014年全国春运期间的客流量约36亿人次。春节期间如此大规模的人口迁移流动为科学家提供了独一无二的机会,来观察分析人口迁移流动如何影响城市气候。最近,中国科学院大气物理研究所张井勇、吴凌云及其合作者的一系列研究表明,春节期间的人口迁移流动明显影响城市气候与环境。

中国科学院东北地理与农业生态研究所湿地生态系统管理学科组研究人员利用Landsat-8 TIRS数据、城市建筑三维数据和城市湿地分布数据,结合地温模型,分析了城市热岛效应特征。在此基础上,构建“冷池”能力指数和“冷池”效率指数,定量评价城市湿地“冷池”的降温能力。研究结果表明,城市湿地“冷池”的降温能力是城市绿地的42.3倍;城市湿地中,河流的降温能力最强,其次为湖泊和水库;城市湿地的水文连通性、形状复杂度和面积是决定其“冷池”大小的关键因素。水文连通的城市湿地,其降温能力是水文隔断的6倍;城市建筑群的高度和密度是限制城市湿地降温能力的关键因素。

该书前期研发工作,获得国家自然科学青年基金“京津唐都市圈近30年城市不透水表面增长的生态水文效应研究”,面上项目“北京城市不透水地表/绿地格局对城市生态系统服务热调节功能影响”以及国家高技术研究发展计划项目,国家重点基础研究发展计划项目等资助。

在多个大城市,春节期间人口迁出显著减弱城市热岛效应。城市热岛强度被定义为城市站与乡村或郊区参考站的气温差。例如在北京,多年平均的春节周日平均温度、日最高温度和日最低温度的城乡差表征的热岛强度与非假期背景场相比,分别降低了0.64oC, 0.45oC和0.83oC;在哈尔滨,多年平均的春节周日平均温度、日最高温度和日最低温度的城乡差表征的热岛强度与非假期背景场相比,分别降低了0.65oC, 0.31oC和1.14oC;在郑州,多年平均的春节周日平均温度、日最低温度城乡差表征的热岛强度分别比非假期背景场低了0.50°C和0.66°C,相对变化分别降低了76%和105%。在一些旅游热点城市,春节期间旅游人口的增加明显增强城市热岛效应。例如,在三亚,多年平均的春节周日平均、日最高和日最低温度城乡差表征的热岛强度比非假期背景场分别增加0.48 oC, 0.66 oC和0.42oC。城市热岛强度在春节周的变化幅度可与近百年来全球平均气温变暖的幅度相比较。

研究论文“Quantifying the cooling-effects of urban and peri-urban wetlands usingremote sensing data: Case study of cities of Northeast China”由东北地理所助理研究员薛振山、侯光雷、副研究员张仲胜等共同完成。成果发布在国际期刊Landscape and Urban Planning上。

全书共分七章,重点阐述了等级尺度城市地表结构与热环境调控新理念,研发了城市地表结构组分与辐射热通量遥感地面量测方法;分析了城市土地利用格局及覆盖组分时空特征,城市地表辐射和热通量时空特征;揭示了城市内部结构三个尺度与辐射通量作用机理。发现了服务于水热调节功能的各功能区不透水地表与绿地组份调控阈值;构建了城市热岛及热环境监测与预警、城市地表水环境监测与应急管理、城市工矿区土壤环境监测与评价、城市大气环境监测与应急预警集成信息平台。

由于不同城市的人为热、气象条件、人口迁移的时空分布等会有差异,因此春节人口迁移流动对城市热岛效应的影响在不同城市也会呈现不同的特点。例如,在哈尔滨,城市热岛强度的减弱主要发生在春节周;而在郑州,春节周及前后1周则都发生了明显的变化。哈尔滨和郑州的城市热岛强度在春节后都恢复到了与春节前相似的强度,但是,北京的城市热岛效应在春节后却没有恢复到春节前的强度。即使在同一个城市,由于城市各功能区之间会存在差异,也会造成人口迁移流动有着不同的影响。

该研究由国家重点研发计划子课题(2016YFC0500401,2016YFA0602303)、国家自然科学基金面上项目(41671087, 41671081, 41471081)、东北地理所“一三五”规划(IGA-135-05)共同资助。

自2010年以来,研究组开展了城市建筑和公园绿地地表温度、比辐射率、辐射四分量、热通量涡度相关等比较观测实验,开展了Landsat TM、MODIS系列城市 生态参数遥感反演与验证。研发了耦合城市地理学“空间结构理论”和城市气候学“辐射能量平衡原理”的生态城市调控模型。围绕城市生态环境领域在Journal of Geophysical Research: Atmospheres,Landscape Ecology,Landscape and Urban Planning等期刊发表30余篇论文,发明专利2项。获得Science Bulletin 2014年度优秀作者和TOP10高引频论文,荣获中国自然资源学会青年科技奖励。

人口迁移流动不仅影响城市热岛效应,而且影响干湿度、大气雾霾等城市气候与环境的其它方面。人口迁移流动发生在多种时间和空间尺度上,因而其对城市气候的影响也是多时空尺度的。该研究结果可为提高城市规划设计和管理能力、改善城市生态环境、治理城市病等提供科学参考。