全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿猿卷 第 员圆期摇 摇 圆园员猿年 远月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
森林低温霜冻灾害干扰研究综述 李秀芬袁朱教君袁王庆礼袁等 渊猿缘远猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
碱蓬属植物耐盐机理研究进展 张爱琴袁庞秋颖袁阎秀峰 渊猿缘苑缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
中国东部暖温带刺槐花期空间格局的模拟与预测 徐摇 琳袁陈效逑袁杜摇 星 渊猿缘愿源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
长白山林线树种岳桦幼树叶功能型性状随海拔梯度的变化 胡启鹏袁郭志华袁孙玲玲袁等 渊猿缘怨源冤噎噎噎噎噎噎
油松天然次生林居群遗传多样性及与产地地理气候因子的关联分析 李摇 明袁王树香袁高宝嘉 渊猿远园圆冤噎噎噎
施氮对木荷 猿 个种源幼苗根系发育和氮磷效率的影响 张摇 蕊袁王摇 艺袁金国庆袁等 渊猿远员员冤噎噎噎噎噎噎噎噎
围封对内蒙古大针茅草地土壤碳矿化及其激发效应的影响 王若梦袁董宽虎袁何念鹏袁等 渊猿远圆圆冤噎噎噎噎噎噎
干热河谷主要造林树种气体交换特性的坡位效应 段爱国袁张建国袁何彩云袁等 渊猿远猿园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
生物降解对黑碳及土壤上苯酚脱附行为的影响 黄杰勋袁莫建民袁李非里袁等 渊猿远猿怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
猿 个树种对不同程度土壤干旱的生理生化响应 吴摇 芹袁张光灿袁裴摇 斌袁等 渊猿远源愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
冬小麦节水栽培群体野穗叶比冶及其与产量和水分利用的关系 张永平袁张英华袁黄摇 琴袁等 渊猿远缘苑冤噎噎噎噎
不同秧苗素质和移栽密度条件下臭氧胁迫对水稻光合作用尧物质生产和产量的影响
彭摇 斌袁李潘林袁周摇 楠袁等 渊猿远远愿冤
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
根域限制下水氮供应对膜下滴灌棉花叶片光合生理特性的影响 陶先萍袁罗宏海袁张亚黎袁等 渊猿远苑远冤噎噎噎噎
光照和生长阶段对菖蒲根系泌氧的影响 王文林袁王国祥袁万寅婧袁等 渊猿远愿愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
植物病原菌拮抗性野生艾蒿内生菌的分离尧筛选和鉴定 徐亚军袁赵龙飞袁陈摇 普袁等 渊猿远怨苑冤噎噎噎噎噎噎噎
不同生物型棉蚜对夏寄主葫芦科作物的选择 肖云丽袁印象初袁刘同先 渊猿苑园远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
性别和温度对中华秋沙鸭越冬行为的影响 曾宾宾袁邵明勤袁赖宏清袁等 渊猿苑员圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
基于干扰的汪清林区森林生态系统健康评价 袁摇 菲袁张星耀袁梁摇 军 渊猿苑圆圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
洞庭湖森林生态系统空间结构均质性评价 李建军袁刘摇 帅袁张会儒袁等 渊猿苑猿圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
川西米亚罗林区不同海拔岷江冷杉生长对气候变化的响应 徐摇 宁袁王晓春袁张远东袁等 渊猿苑源圆冤噎噎噎噎噎噎
圆园园员要圆园员园 年内蒙古植被净初级生产力的时空格局及其与气候的关系
穆少杰袁李建龙袁周摇 伟袁等 渊猿苑缘圆冤
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
地形因子对盐城滨海湿地景观分布与演变的影响 侯明行袁刘红玉袁张华兵袁等 渊猿苑远缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
毛乌素沙地南缘植被景观格局演变与空间分布特征 周淑琴袁荆耀栋袁张青峰袁等 渊猿苑苑源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
贵州白鹇湖沉积物中孢粉记录的 缘援 缘 噪葬月援 孕援以来的气候变化 杜荣荣袁陈敬安袁曾摇 艳袁等 渊猿苑愿猿冤噎噎噎噎
典型河谷型城市春季温湿场特征及其生态环境效应 李国栋袁张俊华袁王乃昂袁等 渊猿苑怨圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
秦岭南北近地面水汽时空变化特征 蒋摇 冲袁王摇 飞袁喻小勇袁等 渊猿愿园缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
露天矿区景观生态风险空间分异 吴健生袁乔摇 娜袁彭摇 建袁等 渊猿愿员远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 匀燥造凿则蚤凿早藻和 悦悦粤分析的中国生态地理分区的比较 孔摇 艳袁江摇 洪袁张秀英袁等 渊猿愿圆缘冤噎噎噎噎噎噎噎
资源与产业生态
中国农业生态效率评价方法与实证要要要基于非期望产出的 杂月酝模型分析 潘摇 丹袁 应瑞瑶 渊猿愿猿苑冤噎噎噎噎
舟山市东极大黄鱼养殖系统能值评估 宋摇 科袁赵摇 晟袁蔡慧文袁等 渊猿愿源远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
不同基因型玉米间混作优势带型配置 赵亚丽袁康摇 杰袁刘天学袁等 渊猿愿缘缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
气候与土壤对烤后烟叶类胡萝卜素和表面提取物含量的影响 陈摇 伟袁熊摇 晶袁陈摇 懿袁等 渊猿愿远缘冤噎噎噎噎噎
城乡与社会生态
成都市沙河主要绿化树种固碳释氧和降温增湿效益 张艳丽袁 费世民袁李智勇袁等 渊猿愿苑愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢猿圆远鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿猿鄢圆园员猿鄄园远
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封面图说院 长白山南坡的岳桦林要要要长白山岳桦林位于海拔约 员苑园园要圆园园园皂之间的山坡遥 这种阔叶林分布在针叶林带的上
面袁成为山地森林的上缘种类袁在世界山地森林中实属罕见遥 岳桦能够顽强地抗御长白山潮湿尧寒冷尧强风等恶劣气
候因素袁在严酷的环境条件下形成纯林袁是与其独特的生长发育机理密切相关的遥 岳桦的枝干颇具韧性袁在迎风处袁
由于风吹雪压袁树干成片地向背风侧倾斜袁这种特性使它能不畏风雪袁顽强生存遥 随着海拔的升高袁岳桦林也逐渐矮
化袁这是岳桦林保护自身生存袁适应大自然的结果遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援 糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援 糟燥皂
第 33 卷第 12 期
2013 年 6 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 33,No. 12
Jun. ,2013
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家自然科学基金(41101088,40901021);河南省教育厅科学技术研究重点项目(12A170002)
收稿日期:2012鄄06鄄01; 摇 摇 修订日期:2013鄄03鄄05
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: liguodonghd@ 163. com
DOI: 10. 5846 / stxb201206010802
李国栋,张俊华,王乃昂,彭剑峰,程弘毅.典型河谷型城市春季温湿场特征及其生态环境效应.生态学报,2013,33(12):3792鄄3804.
Li G D, Zhang J H, Wang N A, Peng J F, Cheng H Y. Characteristics of temperature field, humidity field and their eco鄄environmental effects in spring in
the typical valley鄄city. Acta Ecologica Sinica,2013,33(12):3792鄄3804.
典型河谷型城市春季温湿场特征及其生态环境效应
李国栋1,*,张俊华1,王乃昂2,彭剑峰1,程弘毅2
(1. 河南大学环境与规划学院, 开封摇 475000; 2. 兰州大学资源环境学院, 兰州摇 730000)
摘要:快速的城市化对城市气候要素产生了重要的影响,城市温度场、湿度场的分布格局和结构特征强烈的影响着城市生态系
统的物流、能流,产生了一系列生态环境效应。 应用城市气候流动观测、定点观测、GIS 空间分析和遥感反演等方法,模拟分析
了典型河谷型城市———兰州市的春季温湿场特征和演变规律,结果表明:一日中 14:30 和 20:30 温度场的分布格局较为类似,
高值区主要位于火车站、第二热电厂、五里铺十字、盘旋路围成的高惯高耗区域;8:30 温度场的热中心位于西关十字至胜利宾
馆开发程度较高的商贸区附近;一日中 8:30 和 20:30 的湿度场分布格局较为相似,湿度场强度较大的区域主要位于城区北部
的徐家山森林公园、雁滩村、高滩村等开发程度较弱的绿地区和低惯低耗区,高湿度区分布与高植被覆盖率区域基本一致。 利
用景观生态学理论,热场空间分布结合 NDVI分布,进行了热力景观空间格局分析和热力景观类型的划分,城区不同热力景观
格局的形成与能耗、人口、建筑、下垫面类型之间存在显著的因果关系,NDVI>0. 5 的区域对应湿度场强度高值区、热场强度低
值区。 利用城、郊气象站观测数据,分析了近 50 年城区热岛效应和干岛效应强度的变化规律,近 50 年城区热岛强度和干岛强
度呈现逐渐增强的趋势,热岛强度的线性趋势达到 0. 31 益 / 10a,干岛强度的线性趋势达到-2. 1% / 10a,20 世纪 70 年代之后急
剧增强。 城市热岛强度和干岛强度作为人类活动对城市生态系统影响的一种量度,与各时段城市化发展水平、城市建设规模、
城市下垫面性质的改变等因素是密切联系的。
关键词:温度场;湿度场;热力景观;生态环境效应;河谷型城市
Characteristics of temperature field, humidity field and their eco鄄environmental
effects in spring in the typical valley鄄city
LI Guodong1,*, ZHANG Junhua1, WANG Naiang2, PENG Jianfeng1, CHENG Hongyi2
1 College of Environment and Planning, Henan University, Kaifeng 475000, China
2 College of Earth and Environmental Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China
Abstract: Rapid urbanization has a significant impact on temperature and humidity, the distribution patterns and structure
characteristics of temperature field and humidity field profoundly affect the ecosystems energy flow and material cycle, and
further result in a series of eco鄄environmental problems. In recent years, contribution of the urban heat island effect to the
global warming has been widely concerned by people. Distribution characteristics and causes of temperature field and
humidity field in typical valley鄄city were researched widely, there are practical significance on urban eco鄄environmental
construction, city planning, urban architecture design, urban energy usage and the health of residents for the typical valley鄄
city. Lanzhou is a typical valley鄄city in western China; the level of urbanization is higher than average level of China; and
urban area increased rapidly in last 50 years; in addition, air pollution is very serious for natural and anthropogenic
reasons. So the urban climate effect is unique in Lanzhou. Based on methods of climate mobile observation, fixed鄄point
observation, GIS spatial analysis and remote sensing, distribution pattern and its evolution of temperature and humidity field
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in a spring day are simulated in the typical valley鄄city. The results show that distribution pattern of temperature field is more
similar in 14:30 and 20:30, high鄄value areas are mainly located in the train station, the second thermal power station, the
Wulipu cross and Panxuan road area. Thermal centers are mainly concentrated in the Xiguan cross to victory hotel in 8:30.
Distribution pattern of humidity field is similar in 8:30 and 20:30, and the large area mainly locates in Xujia mountain
forest park, Yantan village and Gaotan village with high vegetation coverage. Using the theory of landscape ecology, and
combining distribution of thermal field and humidity field with NDVI map, thermal landscape distribution is analyzed and
thermal landscape types are divided. Results show formation of urban thermal landscape pattern has a significant
relationship with energy consumption, population, building, underlying surface types, and regions while NDVI > 0. 5 are
corresponding to higher value in humidity field and lower value in thermal field, so the reasonable planning of green belt is
very important in eco鄄city or low鄄carbon city construction. Finally, using the observation data from urban and suburb
weather stations, and analyzing variation of urban heat island effect and dry island effect in the past 50 years. Both urban
heat island intensity and dry island intensity are gradually increasing in the past 50 years, the linear trend of urban heat
island intensity is 0. 31益 per 10 years, and the linear trend of dry island intensity is -2. 1% per 10 years, the trends are
dramatically enhanced after the 1970s. The urban heat island intensity in the recent 10 years average to 3. 6 益 and dry
island effect intensity is 11% . Urban heat island intensity and dry island intensity were affected obviously by the level of
urbanization, scale of urban construction, characteristics of urban underground and human activities. Urban heat island
intensity and dry island intensity also can be a measure of the impact of human activities on the urban ecosystem.
Key Words: temperature field; humidity field; thermal landscape;eco鄄environmental effect; valley鄄city
城市化进程的加快是目前全球性变化趋势之一,Grimm等在《Science》杂志上的报道称[1]:2000 年城市人
口占全球人口 45% ,预期到 2030 年则将占到 60%以上;我国 2010 年的城市化水平已达到 49. 7% ,预计 2050
年将达到 70% 。 城市化正在快速地将乡村植被群落转变为人造的城市工程设施,下垫面性质、土地利用类
型、地表反照率、植被覆盖率等因子发生显著改变,导致城市近地层地—气能量交换和局地气候发生了明显变
化[2鄄4];同时,城市高度集中的经济活动、工业生产以及生活活动向大气中排放了大量的人为热量、污染物、气
溶胶等物质,这些因素在中小尺度水平上对城市各气候要素产生了重要影响[5-6],尤其对气温、湿度的影响显
著,导致城市气候出现“五岛冶效应特征,其中的城市热岛效应已成为城市生态学研究的重要课题,成为既影
响气候过程又影响生态过程的城市环境问题[7鄄9]。 兰州市作为典型的河谷型城市,因自然和人为方面的原
因,其城市气候效应较其它城市表现更加突出和独特。
Kalnay等在《Nature》杂志上的报道称:城市化和土地利用方式的改变对气候产生了重要的影响[10]。 城
市热场、湿度场的分布和结构强烈的影响着城市生态系统的物流、能流,产生一系列生态环境效应,影响到:局
地气候[11]、城市水文[12]、城市大气环境[13]、城市生物习性[14]、城市物质循环[15]、城市能量代谢[16]以及城市
居民健康[17]等方面;此外,城市热岛效应对全球或区域变暖的贡献率问题已引起广泛关注[18鄄20]。 揭示典型河
谷型城市的温度场、湿度场的分布特征和形成原因,对于河谷型城市在城市生态环境建设、城市规划、城市建
筑设计、城市能源利用和居民健康等方面具有重要的现实意义。 目前,类似研究大多只利用卫星遥感反演法,
而卫星遥感反演法受大气状况等复杂因素的影响,准确反演实际气温、湿度存在困难, 且只能反演一日中卫
星过境时刻的地面温度场[21鄄24]。 本项研究综合利用流动观测、定点观测、GIS 空间分析、遥感反演等方法,分
析典型河谷型城市春季一日中不同时段的温湿场分布特征和热力景观空间格局,以期探寻将传统的城市气候
研究方法与现代 3S技术相融合的途径。
1摇 研究区域与研究方法
1. 1摇 研究区概况
兰州市地处黄河中上游的黄土高原、内蒙古高原和青藏高原的接壤汇合地带,市区位于黄河河谷之中,平
3973摇 12 期 摇 摇 摇 李国栋摇 等:典型河谷型城市春季温湿场特征及其生态环境效应 摇
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均海拔高度为 1 530 m,河谷相对高差达 500—600 m,为典型的河谷型城市。 自上世纪 80 年代以来,兰州市城
市化进程进入了一个快速增长期,如图 1 所示,1978 年兰州城市化水平为 45. 6% ,到 2010 年时兰州城市化水
平已经达到 62. 7% ,目前,兰州城市化水平显著高于全国平均水平。 兰州市城区面积在近半个世纪急剧扩
张。 如图 2 所示,隋唐时期,兰州建成区面积为 0. 16 km2,到建国初期,面积只有 4. 48 km2,在这漫长的历史
时期,增幅也非常微弱,建成区面积很小。 而到 2010 年,建成区面积剧增到了 133 km2,短短 50a 时间,兰州建
成区面积扩大了 30 倍,这充分反映了兰州城市建设速度和扩张速度之快。 同时,人口也由建国前的 8. 6 万人
剧增到目前的 361. 6 万人;城市道路面积也由建国时的 65. 75伊104 m2 增长到目前的 913伊104 m2。 快速的城
市化导致:下垫面性质急剧改变,人为热大量释放。 其次,兰州河谷盆地之中气流闭塞,边界层内静风频率高,
城市上空易形成深厚的逆温层。 再次,和全球其它山谷型城市类似[25],大气污染问题严重;这些人为和自然
因素的综合作用使得兰州市的城市气候效应较其它城市表现更加突出和独特。
图 1摇 兰州城市化水平
Fig. 1摇 Urbanization level of Lanzhou
图 2摇 兰州各时期城市建成区面积
Fig. 2摇 Build鄄up area at different periods in Lanzhou
1. 2摇 数据来源
车载气象仪器的城市气候流动观测和定点观测实验数据。 2007 年 9 月 18 日 Landsat-5 TM 遥感影像。
兰州城区中心气象台和郊区榆中站建站以来的气象数据。 1颐5 万兰州市地形图;兰州市土地利用现状图;兰
州市部分社会经济统计资料。 遥感处理软件 ERDAS IMAGINE 9. 0、 ENVI 4. 5, 地理信息系统软件
ArcGIS10. 0。
1. 3摇 观测仪器
流动观测仪器为美国产 Kestrel 4000 多功能便携气象仪;天津产 DHM2 型通风干湿表;美国产 Magellan
320 GPS卫星定位系统。
定点观测仪器为澳大利亚产 Monitor SL5 波文比系统;美国产 Kestrel 4000 多功能便携气象仪;天津产
DHM2 型通风干湿表;宁波产 DYM3 型空盒气压表。
1. 4摇 研究方法
为了详细了解兰州市城区温度场、湿度场的形态结构和时空演变规律,本文综合应用了流动观测法、定点
观测法和模型模拟法进行分析,实验方法和技术路线如图 3 所示。
1. 4. 1摇 流动观测和定点观测
分别于 1999 年 1 月、1999 年 4 月、1999 年 10 月、2000 年 7 月、2006 年 7 月、2006 年 10 月、2007 年 1 月、
2007 年 4 月,在兰州市城关区进行了四季各气候要素的汽车流动观测和定点观测。 观测选择在晴朗、无风的
天气条件下进行。 流动观测的线路和测点如图 4 所示,路线和测点综合考虑了不同的城市功能区,不同的建
筑密度和不同性质的下垫面类型。 在观测期间,每天用两部汽车分别携带美国产 Kestrel 4000 多功能便携气
象仪、天津产 DHM2 型通风干湿表、美国产Magellan320 GPS沿城区东、西两条线路进行早、午、晚 3 次观测,每
次观测时间持续约 3—4 h,主要集中在 7:00—10:00,13:00—16:00,19:00—22:00 3 个时间段。
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图 3摇 流动观测数据模拟温湿场流程图
摇 Fig. 3摇 Flow chart of temperature and humidity field simulation
based on mobile observation data
流动观测的同时,在兰州大学本部,利用自动气象
站和人工观测进行定点观测,每 5 min 记录 1 次观测要
素值。 流动观测和定点观测的要素有:经纬度坐标、干
球温度、湿球温度、相对湿度、风速、气压、海拔高度、露
点、酷热指数 /风寒指数。 为了从能量平衡的角度来分
析兰州市城市热场和湿度场的形成机制,在兰州市中心
和榆中县,利用两套澳大利亚 Monitor SL5 波文比系统
对下垫面和大气间的水热通量进行了 1a的连续对比观
测。 在流动观测期间,利用波文比系统的部分观测数据
对定点观测数据进行补充订正。
1. 4. 2摇 流动观测数据的时间差订正
观测结束后,对流动观测各测点在不同时刻的观测
要素值进行时间差订正。 首先,对定点观测每 5 min 的
观测值,应用最小二乘法分别拟合得到早、午、晚 3 个时
间段的趋势方程,然后利用该方程中时间(间隔)与各
图 4摇 兰州市城区气候流动观测线路和测点示意图
Fig. 4摇 Observation points and routes of mobile surveys of urban climate in Lanzhou
观测值的关系,来订正流动观测各测点的观测值[26]。 将每天 3 个时段的流动观测值分别订正到 3 个观测时
段的中间时刻 08:30,14:30 和 20:30 上。
1. 4. 3摇 GIS空间数据库的建立和空间插值
流程如图 3 所示,利用订正后的流动观测气温、相对湿度数据和各测点的空间位置信息,通过 ArcGIS10. 0
软件建立 GIS空间数据库。 利用其地统计模块,进行空间数据的检验,确定统计数据的分布、异常值,寻找全
局的变化趋势,选择合适的内插模型进行表面预测;最后,进行模型诊断和模型的比较。 在插值方法的选择
上,经过空间数据统计分析、交叉验证法验证插值效果,本文选取反距离加权法和 Kriging 法,来拟合创建表
面,得到兰州市热场和湿度场。
1)反距离加权法(IDW)。
反距离加权法以插值点与样本点间的距离为权重进行加权平均。 该方法模拟局部变化会获得较好的
效果。
Z =移
n
i = 1
1
(Di) p
Z i /移
n
i = 1
1
(Di) p
(1)
5973摇 12 期 摇 摇 摇 李国栋摇 等:典型河谷型城市春季温湿场特征及其生态环境效应 摇
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式中, Z为未知点处的预测值; Z i 为第 i点处的观测值; Di 是预测点与各已知观测样点之间的距离; p是距离
的幂。
2)Kriging插值
该方法是建立在空间相关性的先验模型上,以变异函数理论和结构分析为基础,在有限区域内对区域化
变量进行无偏最优估计的一种方法:
Z(x0) =移
n
i = 1
姿 iZ(xi) (2)
式中,Z(x0)为未知点 x0 处的预测值,Z(xi)为数据点 xi 处的观测值,姿 i 为克里格权重。 为了优化内插算法,
Kriging方法产生了多个变种, 有泛克里格、普通克里格、简单克里格、指示克里格、协同克里格等, 这些
Kriging方法基本原理相同,但适用条件有所不同,本文经空间数据统计分析和插值效果比较分析,采用泛克
里格法和普通克里格法。
3)空间插值结果检验
本文采用交叉验证法来验证插值效果,即分别假设每个测点的要素值未知, 用周围测点的观测值来预测
估算;然后,依据所有采样点实际观测值与估算值的误差大小来评判插值效果的优劣。 本文在插值模型、参数
的选择时,采用平均误差(简称 ME)和均方根误差(简称 RMSE)作为评估插值效果的标准:
ME = 1
n移
n
i = 1
( zi
夷
- zi) (3)
RMSE =
移
n
i = 1
( zi
夷
- zi) 2
n
(4)
式中, zi 为第 i个测点的实际观测值; zi
夷
为估测值。
2摇 结果与讨论
2. 1摇 热场动态特征
图 5 为 8:30 的热场分布格局,城区的热中心主要集中在西关十字至胜利宾馆附近,较其它区域温度平均
高约 1. 8 益,此区域为目前兰州市的商贸中心,人口密度大,建筑容积率高;此外,邮电大楼至铁路局附近也是
一温度较高区域,此区域为兰州市 20 世纪八九十年代时较大的商贸中心。 温度较低区域位于城区的东部,雁
滩北面滩新村、高家滩等城区东北部靠近黄河沿岸附近,较其它区域温度平均低约 1. 5 益,这些区域为目前兰
州城区剩余的零星菜地和园地。
图 5摇 8:30 热场空间分布格局
Fig. 5摇 Spatial pattern of thermal field at 8:30
图 6 为 14:30 的热场分布格局,城区的热中心大体位于火车站、第二热电厂、五里铺十字围成的三角形区
域。 最高温出现在第二热电厂附近,达到 30. 6 益,较其它区域气温高出约 3 益,其释放的工业热量非常大、污
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染也较为严重,对周边区域的气温影响较大;火车站附件为面积广大的广场,植被覆盖度很低,也是一明显的
高温中心,达到 29 益。 低温区集中在两个区域,东北部的低温中心与早上低温中心出现的区域一致,西北部
的次低温区位于草场街、佛慈大街和生物所附近,这些区域都是开发程度相对较低的区域。
图 6摇 14:30 热场空间分布格局
Fig. 6摇 Spatial pattern of thermal field at 14:30
图 7 为 20:30 的热场分布格局,此时,城区热中心的分布延续了 14:30 热中心的分布格局,但面积有所缩
减,主要集中在地矿局、广电局、五里铺、东湖小区周边区域;除此之外,还有几个零散的高温区,形成一些热力
缀块,如南关十字、拱星墩。 低温区零散分布,面积不大,形成一些低温缀块,如生物所周边区域,位于城区较
偏远的区域,植被覆盖度较好,人口密度较小,无商贸区、工业区,夜晚形成低温中心,较其它区域平均低约
2 益。
图 7摇 20:30 热场空间分布格局
Fig. 7摇 Spatial pattern of thermal field at 20:30
2. 2摇 湿度场动态特征
分析兰州市城区春季湿度场在一日中不同时段的分布格局(图 8—图 10),发现 8:30 和 20:30 的湿度场
分布格局较为相似,相对湿度较高的区域主要分布在城区的北部,如徐家山森林公园、雁滩村、高滩村附近;另
外,处于城区西南部的五泉山公园也是一日中 3 个时段相对湿度较高的区域。 相对湿度较低的区域主要分布
在西关十字、庆阳路、东岗路周边区域。 与另两个时刻相比,14:30 时的湿度场规律性不强。 总体来看,早上
的湿度场强度较大,整个区域平均相对湿度在 8:30 为 37. 2% ,14:30 时为 15. 1% ,20:30 为 17. 8% ,这种特征
符合相对湿度在一日中的变化规律,其日变化主要取决于气温,气温增高时,虽蒸发加快,水汽压增大,但饱和
水汽压增大的更多,反而使得相对湿度减小;温度降低时,则相反。 从湿度场的空间分布格局来说,高湿度区
与高植被覆盖区基本一致,如高滩、五泉公园附近都是湿度较高地区;城区中心总体呈现湿度较低,如东岗路
周围一带,第二热电厂附近;对于城区人口密集区、商业区和建筑物密集区,从前面的热场强度分析来看,由于
这些区域气温总体相对较高,其对应的饱和水汽压也总体偏高,导致相对湿度总体偏低。 因此,相对湿度的高
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低与该区域热场强度的相对强弱也有密切的关系。 另外,受黄河的影响,黄河周边区域的相对湿度要总体
偏高。
图 8摇 8:30 湿度场空间分布格局
Fig. 8摇 Spatial pattern of humidity field at 8:30
图 9摇 14:30 湿度场空间分布格局
Fig. 9摇 Spatial pattern of humidity field at 14:30
图 10摇 20:30 湿度场空间分布格局
Fig. 10摇 Spatial pattern of humidity field at 20:30
2. 3摇 温度场和湿度场的精度验证
表 1 是依据式(3)和式(4)得到的交叉验证结果,平均误差衡量预测结果的无偏性,总体反映估计误差的
大小,越趋近于零,估值效果越好;均方根误差衡量预测结果的有效性,反映利用样点数据的估值灵敏度和极
值效应,其值越小,估值效果越好。 从交叉验证结果来看,各个时段温度场和湿度场的模拟精度普遍较高。
2. 4摇 城区热力景观与绿地空间分布格局分析
近年来,一些研究引入了景观生态学理论,借用景观生态学的研究方法,来研究热场随城市发展而动态演
变的规律以及热场所演生出的生态效应[27鄄29]。 热力景观是人类在改造、适应自然环境基础上建立起来的人
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工生态系统的热力学表现,是具有高度空间异质性的热力区域。 研究内容包括人类活动对热力景观的影响、
热力景观的动态性、热力景观的缀块性和热力景观的梯度性,其形成机制是建立在下垫面鄄大气系统的热量平
衡的基础之上,通过表面温度场的结构与动态变化来表达。 根据形状和功能的差异,热力景观要素分为热力
缀块、热力廊道和热力基质。 陈云浩等人以热惯量(表征物质热特性)、热耗(生活生产耗能以及新陈代谢所
产生的能量)和温度 3 个指标将热力景观划分为水体、绿化、低惯低耗、低惯高耗、高惯低耗、高惯高耗、热中
心 7 种热力景观类型[30]。
表 1摇 交叉验证结果
Table 1摇 Results of cross鄄validation
8:30 气温
Temperature / 益
14:30 气温
Temperature / 益
20:30 气温
Temperature / 益
8:30 相对湿度
Humidity / %
14:30 相对湿度
Humidity / %
20:30 相对湿度
Humidity / %
平均误差 Mean Error 0. 0792 0. 1228 0. 1280 -0. 0745 -0. 0164 -0. 0151
均方根误差
Root Mean Squared Error 0. 7650 1. 3040 0. 8878 2. 2670 1. 0080 1. 9810
从 3 个时段的热场和湿度场分布格局来看,在部分区域,高、低温度区域呈相互镶嵌状,形成热力缀块;部
分区域热中心呈弥散状,形成热中心连片发展的态势;而在部分区域形成热力廊道,呈现线状或带状的热力景观
现象;对于占主体的高度连续性、相对均质背景的部分为热力基质。 按照热力景观的划分方法,五泉山、徐家山、
高滩、刘家滩一带为绿化区,整体热场强度最低;雁滩北部部分区域、盐场堡、生物制品研究所一带建筑容积率
低、热场强度较低,该区域为低惯低耗区;汽修二厂至排洪南路一带、东岗镇、以及雁滩开发程度较低的区域,多
为低层建筑区,道路硬化程度较低,为高惯低耗区;剩余的区域为高惯高耗区和热中心,如第二热电厂就是典型
的热中心。 兰州市城区不同热力景观格局的形成与能耗、人口、建筑、下垫面类型之间存在显著的因果关系。
表征植被状况的指数很多,在植被遥感中,归一化植被指数(NDVI)是使用最为广泛的一种指数,它是近
红外波段与可见光波段数值之差与这两个波段数值之和的比值,如式(5)所示,该指数是指示植物生长状况
和植被覆盖度最好的指示因子[28],美国宇航局就是利用 NDVI 指数来制作全球范围内的月际植被数据库。
本文为了解兰州市绿地空间分布和结构特征,进行了 NDVI 分析,本研究购置了中科院中国遥感卫星地面站
2007 年 9 月 18 日 Landsat鄄5 TM遥感影像;该产品已进行过辐射校正和几何校正。 影像左上区云量为 1% ,其
余 3 个区域包括研究区的云量为 0,天气晴好。 在遥感处理软件的支持下经过几何精校正、辐射定标、大气校
正、NDVI计算等步骤,图 11 为反演的兰州市 NDVI图。 对于 TM数据,NDVI可以表示为:
NDVI = (NIR - R) / (NIR + R) (5)
式中,NIR和 R分别是 TM影像的近红外波段(Band4)和红外波段(Band3)的 DN。
图 11摇 兰州市 NDVI分布图
Fig. 11摇 NDVI map of Lanzhou
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NDVI其数值范围统一到-1 和 1 之间,较高的 NDVI 值指示着包含较多的绿色植被。 2004 年 Sobrino 研
究认为:当 NDVI<0. 2 时,像元完全由裸露地表(裸土或建筑地面)覆盖;当 NDVI>0. 5 时,像元完全由植被覆
盖;当 0. 2臆NDVI臆0. 5 时,像元由裸露地表和植被共同组成;当 NDVI<0. 2 时,像元为裸露地表[31]。
与城市典型的土地利用类型,如居住用地、道路广场用地、商业用地、工业用地等土地利用类型相比,城市
绿地的生态环境热效应显著区别于这些典型的城市土地利用类型。 相关研究表明,城市不透水面与地表温度
呈现指数函数型关系[32]。 由地表能量平衡可知,植被具有较大的热惯性、热容量以及较低的热传导、热辐射
率。 在太阳辐射下,水泥路面和建筑物由于吸热面和储热量较多,表面储存的热量要多于绿地,热储存量相当
于地面净辐射的 15%—30% ,而下垫面构成中有森林和草地覆盖的地方,热存储量只相当于地面净辐射的
5%—15% [33]。 研究发现,城乡不同下垫面地表覆盖类型对地表热通量的影响差异显著,不同下垫面类型的
波文比值由大到小的顺序为:工业用地>住宅用地>交通用地>公共设施用地>旱田>公共绿地>水域。 城市人
工建筑用地具有较高的显热通量,较低的潜热通量。 由于城市地表显热通量和波文比明显高于周边植被覆盖
地表,导致城市地表向低层大气供热的增加,这是城市热岛效应形成的重要机制之一[34]。 绿地景观类型的热
环境效应明显区别于其它景观,其对应的城市地表温度要显著低于典型的城市景观类型。 分析兰州城区
NDVI分布与热场、湿度场之间的关系发现:NDVI>0. 5 的高值区(高植被覆盖区)对应高湿度区、低温区,如徐
家山森林公园、五泉公园、高滩附近区域都是 NDVI高值区,平均 NDVI>0. 5,同时这些区域都是湿度场强度较
强区域、热场强度较弱区域。 总体而言,城市的 NDVI 和热场的空间分布具有相反的分布特点,城市的 NDVI
分布和湿度场的空间分布格局较为相似。 城市绿化具有降温增湿、调节小气候效应,相关研究表明:当绿地宽
度>42 m时,绿地能发挥显著的降温增湿效益[35];在一些区域,绿化能使局地气温降低 3—5 益,最大可降低
12 益,增加湿度 3%—12% ,最大可增加 33% [36]。 因此,在生态城市的建设中,绿地的合理规划非常重要。
2. 5摇 城区的热岛效应和干岛效应
应用城郊对比法来研究城市气候效应,以位于城区的兰州中心气象台(36毅03忆N、103毅53忆E)代表城区站,
以位于兰州城区东南约 30 km的榆中站(35毅52忆N、104毅09忆E)代表乡村站。 城市热岛作为城市气候最典型的
特征,为人们所广泛关注。 城、郊站点的气温差作为衡量城市热岛强度的指标,可反映由于城区建设、下垫面
性质改变和人类生产活动等引起的气温变化。 图 12 为近 50 年兰州城、郊气温的年际变化和热岛强度的变
化。 分时段来看,20 世纪 60 年代热岛强度约为 2. 3 益;70 年代热岛强度约为 2. 5 益;80 年代热岛强度约为
3. 1 益;90 年代热岛强度约为 3. 5 益;近 10 年热岛强度平均约为 3. 6 益。 总体上来看,近 50 年城市热岛强度
逐渐增强,线性趋势达到 0. 31 益 / 10a。
图 12摇 城、郊气温和城市热岛强度的年际变化
Fig. 12摇 Annual variability of urban heat island intensity in urban and suburban area
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城市人工构筑的下垫面大多为不透水层,有良好的排水系统,留存在地表的水分非常少,地面较为干燥;
城市地表植被覆盖面积少;这些因素造成城市的自然蒸发、蒸腾量比郊区小,空气含水量少,使得城区平均水
汽压比郊区低,再加上城市热岛效应的存在,其相对湿度比郊区显得更小,从而形成城市干岛[37]。 图 13 为近
50 年兰州城区和郊区的相对湿度和城区干岛强度变化趋势图。 近 50 年,郊区相对湿度变幅不大,在均值
63%上下波动;但城区相对湿度呈现下降的趋势;1965 年之前,城、郊相对湿度差别不大,从 70 年代开始,干
岛效应逐渐明显,干岛强度增大。 分时段来看,20 世纪 60 年代平均干岛强度为 3. 2% ;70 年代平均干岛强度
为 4. 3% ;80 年代平均干岛强度为 7. 1% ;90 年代平均干岛强度为 10% ;近 10 年平均干岛强度为 11% 。 总体
来看,近 50 年干岛效应逐渐增强,相对湿度的线性递减趋势达到-2. 1% / 10a。 城区热岛强度和干岛强度是人
类活动对气候影响的一种量度,与各时间段城市化发展水平、城市建设规模、城市下垫面性质的改变、人类活
动等因素是密切联系的、相适应的[38]。
图 13摇 城、郊相对湿度和干岛强度的年际变化
Fig. 13摇 Annual variability of urban dry island intensity and relative humidity in urban and suburban area
3摇 结论
本研究主要利用汽车携带观测仪器进行城市气候流动观测,观测数据结合 GIS 空间插值技术,模拟分析
了河谷型城市春季一日中的温湿场分布和演变规律;结合 TM遥感影像反演的 NDVI图,进行了热力景观空间
格局分析。 利用近 50 年的城、郊气象观测资料的对比分析,研究了城区的热岛效应和干岛效应的变化规律和
强度特征。
(1)热场动态特征
一日中 14:30 和 20:30 热场高温区的分布格局较为相似,高温区主要位于火车站、第二热电厂、五里铺十
字、盘旋路围成的区域;第二热电厂附近温度较其它区域平均约高出 3益;8:30 热中心主要位于西关十字至胜
利宾馆附近。 3 个时段的低温中心分布都较为相似,主要位于东北部的雁滩北面滩新村、高家滩,该区域为城
区菜地和园地的集中分布区;另一个低温区位于生物所、徐家山公园附近,20:30 较其它区域温度平均约低
2益,该区域是城区森林覆盖率较大的一个区域。
(2)湿度场动态特征
一日中 8:30 和 20:30 的湿度场分布格局较为相似,湿度场强度较大的区域主要位于城区北部的徐家山
森林公园、雁滩村、高滩村,五泉山公园也是一强度较大的区域。 湿度较低的区域主要位于西关十字、庆阳路、
东岗路等中心商贸区周边。 14:30 湿度场规律性不强。 一日 3 个时段中,8:30 湿度场强度最大,20:30 时次
之,14:30 时最小。 高湿度区与高植被覆盖区分布基本一致。 相对湿度的高低与该区域热场强度的强弱也有
密切的联系。
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(3)热力景观空间分布格局
对城区热力景观进行划分,五泉山、徐家山、高滩、刘家滩一带为绿化区;雁滩北部部分区域、盐场堡、生物
制品研究所一带为低惯低耗区;汽修二厂至排洪南路一带、东岗镇、以及雁滩部分区域为高惯低耗区;剩余的
区域为高惯高耗区和热中心。
(4)城区 NDVI分布与温湿场空间格局的关系
NDVI>0. 5 的高值区对应高湿度区、低温区,徐家山公园、五泉公园、高滩部分区域都是 NDVI 相对高值
区,平均 NDVI>0. 5,同时这些区域都是湿度场强度较高、热场强度较低区域。 城市的 NDVI 值与热场强度值
在空间分布上具有相反的特点。
(5)近 50 年城区热岛效应和干岛效应的变化规律
近 50 年城市热岛强度逐渐增强,线性趋势达到 0. 31 益 / 10a。 近 50 年郊区相对湿度变幅不大,在 63%上
下波动,但城区相对湿度呈下降的趋势;1965 年之前,城、郊相对湿度差别不大,20 世纪 70 年代开始,干岛效
应强度增幅明显。 近 50 年干岛效应逐渐增强,相对湿度的线性递减趋势达到-2. 1% / 10a。 兰州城市热岛强
度和干岛强度作为人类活动对城市生态系统影响的一种量度,与各时间段城市化发展水平、城市建设规模、城
市下垫面性质的改变等因素是密切联系、相适应的。
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4083 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
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《生态学报》2013 年征订启事
《生态学报》是由中国科学技术协会主管,中国生态学学会、中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊,创刊于 1981 年,报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果。 坚持“百花齐放,百家
争鸣冶的方针,依靠和团结广大生态学科研工作者,探索生态学奥秘,为生态学基础理论研究搭建交流平台,
促进生态学研究深入发展,为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务、为国民经济建设和发展服务。
《生态学报》主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果。 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、新方法、新技术介绍;新书评价和
学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,300 页,国内定价 90 元 /册,全年定价 2160 元。
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生摇 态摇 学摇 报
(SHENGTAI摇 XUEBAO)
(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 33 卷摇 第 12 期摇 (2013 年 6 月)
ACTA ECOLOGICA SINICA
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Vol郾 33摇 No郾 12 (June, 2013)
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