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为城市地表热环境“把脉”

来源: 作者:本刊记者 马爱平 2016年02月22日 11:52
[导读] 

  21世纪以来,快速城镇化和工业化导致我国城市生态环境问题日趋严峻,随着《国家新型城镇化规划(2014—2020年)》战略的实施,如何提升城市生态环境管控能力,改善人居环境,提高新型城镇化质量成为当今重要的科研和实践命题。

  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在科学出版社出版专著《城市地表热环境遥感分析与生态调控》,该项研究在城市内部功能结构布局,如城市功能区以及硬化不透水地面和绿地结构比率高精度遥感监测方面,城市热岛及下垫面热环境状况监测与调控机制方面,以及城市大气、水、土壤和热辐射监测预警和应急管理方面具有创新性和开拓性。该书入选地球观测与导航技术丛书,被列为“十二五”国家重点图书出版规划项目。

  攻克高精度制图关键技术

  城乡边界以及内部景观结构具有高度的动态性、结构复杂性和类型镶嵌等特征,其高精度信息提取和城市内部下垫面组分信息获取不论在城市生态、全球气候变化等研究领域,还是在城市规划应用领域均面临着重大挑战。

  针对上述科技难题,匡文慧研究组开展了一系列科技攻关,研发了城市功能区布局以及城市硬化不透水地面、绿地每个30米甚至亚米级象元组分比例信息高精度制图关键技术,可以提供高精度的城市功能区布局以及硬化不透水地面、绿地等建设规划布局详细制图信息。

  匡文慧指出,应用地理信息空间分析技术,巧妙地将城市规划中的功能区和城市硬化不透水地面、绿地覆盖信息建立空间关联性,可计算具体每个功能区、甚至每个小区、楼盘的硬化地面的比率。

  中国科学院地理科学与资源研究所研究员方创琳认为,这一思路和方法为城市总体规划、城市控制性及修建性详细规划的编制提供了非常有价值的精准信息数据和全新思维模式,他强调城市硬化不透水地面和建筑材质的高精度遥感分类对于海绵城市建设规划具有更实际更直接的应用价值。

  研发定量遥感关键技术

  遥感监测表明,中国城市建成区面积从上世纪八十年代的3.4万平方公里增长到2010年的6.0万平方公里。进入21世纪经历高速发展时期,从扩张速度来看近十年是上世纪九十年代的2.15倍。近年来连绵式城市扩张导致建成区硬化不透水地面集中连片增长,显著加强城市热岛的强度和空间范围,超大城市尤为显著。

  针对城市热环境问题,匡文慧带领研究组成员自2010年以来应用红外测温仪,红外热像仪在遥感卫星过境时刻执行同步观测,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,研发了Landsat TM、MODIS系列城市生态参数遥感定量反演关键技术。

  匡文慧说,在北京城市开展实验研究,发现北京城市热岛范围从1984年的298平方公里扩张到现在的近1400平方公里,面积扩张约4.7倍;城乡热岛强度秋季差异从1984年的1—2℃增温到当前的3—6℃。同时,城市内部不同下垫面特征与材质、不同功能区和硬化不透水地面、绿地覆盖之间地表温度存在着更显著的差异。从城市热岛形成的地球物理机制方面考虑,这与不同下垫面的地表辐射和热通量差异密切相关。

  中国科学院地理科学与资源研究所研究员、定量遥感专家张仁华评价,对城市内部详细的硬化地面、绿地等地表覆盖,建筑材质的热平衡方程分量和比辐射率实现精准观测和刻画,在我国首次发现了城市硬化不透水地面的表面温度和空气温度日较差小于绿地的反常现象,为定量遥感深入研究城市热岛形成机理和变化规律认识作出了重大贡献,在定量遥感研究方面具有一定创新性。

  提出地表热环境调控新理论

  匡文慧说,应用城市绿地组分、地表温度、辐射通量分量等高精度多源信息,分析发现了服务于水热调节功能的各功能区硬化不透水地面与绿地组份调控阈值。公共绿地在城市不同区位的热调节功能差异显著,森林和草地绿化覆盖率与单位盖度的水汽蒸发(这里主要指潜热通量)呈指数关系。

  也就是说,在高密度的建筑、道路、广场等硬化不透水地面区(硬化不透水地面比率高于90%),种植一棵树,会发挥两倍的潜热蒸发能力,这也意味着,城市建设规划需考虑,绿地在城市降温方面植被的群体效应和个体效应,如公园和道路绿化在这方面各自均有优势。

  该书提出了城市等级尺度地表结构与热环境调控新的理念,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”生态城市调控模型(EcoCity V1.0)。为方便应用,这些成果已经研发成模型和系统,可以有效识别出城市极端高温区域,制图城市绿化工程建设减缓城市热岛更有效的重点区位,在城市建设规划新区开发和旧城区改造中具有非常重要的应用价值。

  国际《景观与城市规划》主编、美国北卡罗来纳大学教授象伟宁认为,该研究从理论水平、科学规律探索和发现以及应用实践方面取得一系列原创性成果,这一成果达到国际领先水平,并对其它国家、特别是北半球中纬度的国家,有直接的可借鉴作用。

  已开展科技示范和应用

  以上研究成果获得的高精度数据、各类专业模型、业务应用系统已经在国家环境保护、国家测绘与地理信息、地震应急部门开展科技示范和应用。在当前新型城镇化建设规划背景下,围绕建设宜居、生态、智慧城市发展目标,在城市和区域建设规划领域应该会发挥更大的作用。

  匡文慧说,正是由于高精度城市下垫面信息的快速获取,在地震灾害发生后,我们通过快速提取城市和农村建筑分布等详细信息,可以实现灾害发生后建筑、人口、经济等损失评估,及时提出救灾应急和灾后重建对策。

  中国环境科学研究院研究员香宝认为,研发的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,对于国家和地方环境监管方面具有重要应用价值,在城市生态环境管控方面会有很大应用潜力。

  该项研究成果获得国家自然科学基金项目,国家“863”、国家“973”等项目的资助。匡文慧以第一作者围绕城市生态环境领域在国际、国内期刊发表30余篇论文,发明专利2项,出版专著2部。获得Science Bulletin(科学通报英文版)2014年度优秀作者和TOP10高引频论文,Journal of Geographical Sciences(地理学报英文版)2014和2015年度高被引用作者,他也荣获2015年中国自然资源学会青年科技奖励,有多份咨询报告获得关注。

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[责任编辑:中国科技财富]
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