城市景观格局长期演变热效应及优化研究

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中文摘要：快速城市化导致城市景观类型和景观结构发生变化，进而影响城市地表热量平衡和热环境变化，加剧城市热岛效应。城市热岛加剧能源消耗、空气污染，威胁人类健康和经济可持续发展，在全球气候变暖和城市化进程持续加快的协同作用下，热岛效应已成为当前最令人担忧的城市生态环境问题之一。城市地区人为热的集中排放和区域景观格局不同于郊区是城市热岛效应的主要原因，而人为热的差异又体现在景观格局上，一定程度上城市景观格局差异是形成热岛效应的直接原因，其时空异质性决定了城市热环境的状况。已有景观格局与热环境联系研究大多为空间代替时间的静态模型，在模拟城市景观格局时间维度变化的热效应方面存在不足。因此，基于城市景观格局演变探究热环境的影响机制，通过优化城市景观缓解和适应城市热环境，对城市可持续发展具有重要意义。鉴于此，本文突破以往基于空间代替时间的研究方法，从长期变化趋势为切入点，首先分析城市化背景下景观格局影响城市热环境的作用机理；其次，基于长期连续年份土地利用、地表温度（LST）和夜间灯光等多源数据，采用景观格局指数、非线性参数检测方法分析格网尺度城市景观格局长期演变特征，运用空间自回归模型定量解析了城市化对景观格局演变的影响效应；接着采用K-均值聚类、时空立方体、新兴热点分析法揭示了城市热环境时空动态演变规律；第三结合相关系数法、逐步多元线性回归模型、相对重要性分析和地理加权回归模型，解析了城市景观格局长期变化趋势对热环境的影响机理；最后，从顾及土地利用效率的系统优化出发，构建应对城市热岛效应的热环境网络，确定缓解热岛效应的空间需求点，并以南京市为例开展实证研究，为缓解城市热环境提供指导建议。主要研究结论如下：（1）城市化、城市景观格局与城市热环境理论分析认为：城市化、景观格局和城市热环境是一个复杂的作用系统，三者之间交互影响，其背后逻辑在于快速城市化进程中，城市人口规模增加、产业结构调整规划方案实施等，共同作用改变了城市景观类型和格局，城市景观构成、形态和连接度等景观格局变化，又会引起城市地区地表显热通量、潜热通量、热交换、热扩散能力的变化，进而影响城市地表能量平衡和热环境变化。并且城市景观格局是热岛效应形成、演变的重要原因，在把握城市景观对城市热环境的影响机理基础上，可以通过改变城市景观格局和热环境景观格局以实现城市热环境的优化。（2）格网尺度城市景观格局长期演变特征诊断表明：城市景观格局变化具有显著阶段性特征，时间序列分析表明城市景观经历了初期低速-中期高速-后期低速变化的三个阶段。不透水面组分显著增加，集中连片形成更大斑块；耕地景观破碎化剧烈、复杂化，其最大斑块指数初期急剧下降。空间上，景观格局变化表现出显著的空间异质性和复杂性，呈带状、城乡梯度圈层式分布特征，其中长江以南二环外和江北中心城区变化最明显。随着城市化水平的提高，耕地呈斑块破碎化、边缘复杂化和离散化趋势；林地趋于规整；不透水面集中连片，反映出人类活动对耕地、不透水面的干扰频率和强度最大。（3）城市热环境的长期演变规律多个维度揭示显示：时间序列变化表明LST年际升温显著，经历了缓慢-快速-高速-平稳上升的发展阶段。空间上，LST升温差异显著，整体呈现为城市地区高于郊区，且在城市内部呈城市核心区lt;边缘区lt;新城发展区的特征。城市热岛沿长江及秦淮河水系由城市中心向外扩张。时空动态变化表明LST呈城市核心区高温-中低速上升，新城发展区高温-高速上升、城市边缘区中温-中高速上升、郊区中低温-低速上升和大面积蓝绿景观的低温-低速上升模式；城市热岛强度时空热点以连续热点、增强热点和持续热点为主，城市化后期时空热点模式，表现为逐渐减少热点占主导地位，说明城市扩张是引起城市热岛效应的重要原因，城市规划手段能够有效缓解城市热岛效应。（4）景观格局变化对城市热环境影响机理探究发现：不透水面升温效应显著，而耕地、水体景观能够显著降低地表温度，从而缓解城市热岛效应。耕地斑块面积越大、分布越集中、连通度越高，降温效应越显著；水体景观形态越复杂，分散分布，缓解热岛效应能力越强。而不透水面组分（PLANDISP）越高、分布越集中、连通度越大、斑块形态越规则，热岛效应越明显。逐步多元回归结果表明影响城市热环境的主导景观格局因子为PLANDISP，耕地平均斑块面积、耕地斑块密度、水体边缘密度和耕地边缘密度，其中PLANDISP占绝对主导优势。各类主导景观格局指数对LST的影响具有显著空间异质性，PLANDISP对城市扩张区内LST变化影响程度最高。（5）缓解城市热岛效应的热环境网络构建优化建议：以城市热环境长期演变分析结果为基础，结合城市景观空间分布，识别出城市热岛源和冷岛源，依据景观格局影响城市热环境机制创建景观阻力面，分别构建城市热岛网络和降温网络，从正向修复降温网络障碍点、夹点、建设降温关键廊道以完善降温网络，逆向破解热岛夹点、热岛关键廊道以打破热岛网络两方面综合考虑，确定了缓解城市热岛空间需求点，提出优化城市热环境的景观格局方案，为长期城市化过程中地表变暖的应对提供可行方案。

作者：

王洪飞

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关键词：

城市景观格局长期演变热效应土地利用地表温度

授予学位：

博士

学科专业：

土地资源管理

导师：

李效顺

学位年度：

2024

学位授予单位：

中国矿业大学（江苏）

语种：

中文

中图分类号：