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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

城市化也称为城镇化，城市化及其气候效应是当今全球变化研究的热点。随着人类社会经济的不断发展，世界各地特别是中国城市化进程十分迅速。城市化的气候效应已成为一个具有重大现实与科学意义的问题，不少科技工作者已经利用观测资料和数值模式对城市化的气候效应进行了一系列的研究。根据城市化进程影响区域气候的三类主要途径，即城市土地利用变化、人为热释放和人为气溶胶排放，对国内外城市化进行气候效应的研究^[1]。陆地生态系统作为人类的生存环境,其对气候变化的响应及反馈作用一直是全球气候变化研究的重点,而其中下垫面的改变引起的地表水热通量的改变一直是研究的焦点问题之一。

我国是近年来全球城市化速度最快的国家，正处于以城市群为核心的快速发展阶段。城市化过程使土地利用／覆盖类型发生巨大地变化，最直接的改变是，原有的水域、植被等自然下垫面，不断被混凝土、沥青等人工下垫面取代，人类活动的频繁使得城市与郊区出现了明显的空间差异。城市中不透水面面积大于郊区，建筑物密度较高，地表的不均匀性较强，导致地表温度高于郊区，地表储热较高，蒸散发较小等等，都表现出明显的城郊差异。总之，地表特性的空间差异性普遍存在，且影响着地表水热通量的空间分布，这一差异将改变地表物化性质及与大气间的水分、能量等物质交换过程，对水热分配产生深刻影响，从而影响大气的稳定状况和大气边界层的结构与气候，引发环境问题，影响居民的健康生活^[2][3]。

地表水热通量表示地表与大气之间的感热、潜热和动量交换，在城市火灾评估、作物产量预报、区域热环境诊断及旱情监测等领域均具有重要的作用。鉴于各地区的城市化发展迅速，及其产生的影响（比如温室效应等）得到多方面的重视，城市化对地表水热通量的影响已成为当前研究的热点问题之一。 近年来，随着气候变暖及社会经济的高速发展，长三角成为我国综合实力最强的经济中心，自80年代来，位于长三角地区的太湖周边区域城市化发展迅速。本研究从区域尺度研究城市化进程与地表水热通量分配的关系，是认清城市化对周边生态系统影响的基础，也是为合理进行土地利用规划，改善局地气候和生态环境提供参考理论依据。通过本课题的研究，将分析大量与太湖周边地区湖泊、农田、植被等类型相关的遥感影像，分析影响地表水热通量的变化因素，为更近一步开展相关研究奠定基础。课题完成后所总结出的结论对太湖周边地区甚至每个城市区域范围内气候背景及水域特征相似的地区，进行城市化建设和规划分析方面的工作提供借鉴。

国内外研究现状

2.1城市化气候效应

伴随着城市化高速发展的同时，城市化对气候产生了明显的影响。城市气候是在区域气候的背景上，在城市的特殊下垫面和城市人类活动的影响下而形成的一种局地气候。快速的城市化发展，使得城市人口密集，建筑物鳞次栉比，建筑道路多为沥青覆盖，植被在逐渐减少，农田耕地多被住宅取代，还有城市工业和交通排放的废气等，这些因素都综合为城市化对气候的影响。城市化对城市气候的影响主要表现在下垫面性质的差异上。如表1所示，不同性质地表的热容量和导热率不相同，而城市下垫面具有较小的热容量和较大的导热率，因此，城市下垫面增温要快，热容量比郊区大得多。下垫面与大气之间进行着动量、质量、能量和水汽交换。下垫面性质不同,其交换程度和结果也不尽相同,从而影响到大气的属性。再加上城市下垫面的热力性质和几何形状与郊区有很大不同，这对城市气温、降水、湿度、日照、能见度和风等气候要素都产生很大影响，导致城市气候出现“五岛”特征，即“热岛”、“湿岛”、“干岛”、“雨岛”和“混浊岛”。

表1 不同性质的下垫面的热容量和热传导率

地表类型	热传导率（瓦每米每开尔）	热容量（焦耳每千克开尔）
干土壤	0.000006	0.8
湿土壤	0.005	0.5
混凝土	0.011	0.09

城市土地利用方式改变是城市化发展影响区域气候最直接的途径。城市土地利用方式改变引起的区域气候效应首先体现在地表气温上。最突出的就是城市热岛效应的研究。早在19世纪，英国学者霍华德就从台站温度记录中发现伦敦市内的气温比周边郊区要高，这一工作被认为是城市化气候效应研究的开端。20世纪50年代，Manley(1958)才将这种现象定义为城市热岛效应,也由此正式拉开了城市热岛效应研究的序幕。Trusilova等研究发现城市土地覆盖导致城市区域夏季气温日较差下降（1.260.71）℃，冬季下降（0.730.54）℃。Hamdi等通过长时间模拟发现城市化使得布鲁塞尔地区的最高和最低气温上升速率分别增加0.05℃/10a和0.14℃/10a，城市土地利用改变导致的增暖效应占区域整体增暖的45%。Zhang等通过敏感性试验发现城市化效应引起城市地区冬季平均地表气温上升（0.450.43）℃，夏季上升（1.90.55）℃。Feng等发现城市下垫面改变使得中国区域全年增温0.13℃，部分城市化显著的地区（如长三角地区）增温可达0.84℃。通过对中国三大城市群高分辨率嵌套模拟，Wang等发现城市土地利用使得城市地区地表气温上升1℃左右，此效应在夏季体现最为明显。城市土地利用方式改变引起的地表水热通量分配的改变，定量化的增温结果有助于改善城市热环境。城市土地利用导致的气候效应的另一个体现是对城市降水格局的影响。随着城市下垫面的改变，城市化进程减少了城市降水。例如， Shem等通过WRF模式模拟发现亚特兰大下风向降水有明显增多，这点与之前很多研究结论相符合。Shepherd等通过模拟一个降水个例发现，在不考虑城市的情况下，休斯敦西北地区的对流性降水相对于考虑城市的情况会变少。Lin等发现引入正确的土地利用信息对城市降水模拟至关重要，城市化效应能显著影响边界层中大气的热力和动力过程。Wang等通过高分辨率嵌套模拟同样发现，城市土地利用会使中国长三角和珠三角地区夏季降水显著减少。降水减少的原因可能是城市土地利用导致自然植被和土壤被不透水层替代，区域蒸发显著减少，水汽供应不足，加之边界层变厚使得水汽在其中混合得更加均匀，导致对流有效位能降低，对流抑制能量增加，从而不利于区域降水的发生。城市土地利用还对城市地区某些污染物浓度存在一定的影响，比如Jiang等发现未来气候变化将导致休斯敦地区日最高臭氧浓度上升2.6ppb，而城市土地利用却能使得日最高臭氧浓度上升3.6ppb，两者对臭氧浓度的作用因地区不同而不同，未来气候变化将使得八月极端臭氧污染日增加1～2天，而城市土地利用却能使其增加2～3天^[1]。

所谓的城市化引起的气候效应不仅仅是城市土地利用的变化的结果，还有人为热源的释放和人为气溶胶的增加。工业能源的消耗，汽车尾气的排放以及化工原料的的处理都是人为热源释放的来源。然而，人为产生的热源多种多样，不易观测，人为热释放的气候效应研究的难点在于很难准确描述人为热的时空分布。现阶段研究普遍采用基于能源消耗清单和地面能量守恒的方法对人为热释放进行估算，两种方法各有优缺点，需要根据研究对象做具体分析。人为气溶胶对大气辐射的改变可能会减弱以上两个因素对城市区域增温的影响，人为气溶胶的直接、半直接和间接效应可能对该地区的降水变化（强度和分布格局）存在一定的作用 ^[1]。

目前，大多数研究都是土地利用类型的改变所引起的气候效应对城市的影响。而下垫面类型随着城市化的发展变化，城市不透水面扩大，导致城市的地表水热通量分配也发生极大变化。国内外城市化发展研究，由于所涉及的地理方位、区域特点、人口数量及经济发展有着很大不同，所以城市化导致的地表水热通量分配的改变也大不相同，但采取的许多技术方法、研究思路和一些城市化基础理论，在本课题中可以借鉴和利用。

2．2地表水热通量的观测研究

太阳辐射作为地表的能量源,到达陆地表面后,一部分用于植物光合作用,一部分以显热和潜热的形式返回到大气中, 土壤-植被-大气系统内部这种能量和物质的传输转化过程控制着作物生长的微气候环境,因而对作物产量的形成有重要影响。然而，当今，随着城市化的加速，绿地面积逐步减小，城市建筑占用面积在不断扩大，汽车尾气的大量排放及人为热源的增多等，这些都导致了城市土地利用类型的改变，从而影响地表水热通量分配。因此，在国际地圈生物圈计划(IGBP)核心项目中包括了水文循环生物圈(Biospheric Aspects of Hydrological Cy-cle,BAHC),其中一项很重要的内容就是地表与大气之间水分及热量的传输过程,即土壤-植被-大气传输(Soil-Vegeta-tion-Atmosphere Transfer,SVAT)。当前有关地表水热通量的研究,从观测手段到建模都有了长足的进展,且随着全球变化研究的需要,计算机技术及航天技术的发展,遥感技术也越来越多地应用到这方面的研究中^[4]。

土壤一植被一大气系统水热通量的观测研究起初只限于斑块尺度陆面过程的研究,如农田、草原和森林生态系统内部的研究.这些研究的主要目的就是调查土壤-植被-大气界面能量、水的垂直交换情况, 随着流域水文及全球变化研究的需要,更需要了解流域、区域或全球尺度上地-气系统的能量传输过程,因此应将斑块尺度的研究推广到更大尺度水平的研究，在这个尺度上已发展了许多方法以计算和观测近地层水分及热量的湍流输送,如波文比-能量平衡法(BREB)、涡度相关法、空气动力学方法和廓线梯度迭代法等^[4]。

由于地表水热通量中的潜热通量是以通量形式描述蒸散发的过程，从模型的角度来说与我们通常所说的蒸散发在概念上是一致的。所以可以说，地表水热通量的研究源于蒸散发的研究。其研究发展历程见表3：

表2 几个典型的地表水热通量研究历程^[3]

时间	事件
1802年	Dalton 就综合考虑了气温、湿度以及风速等对蒸发量的影响，提出了著名的道尔顿蒸发计算公式，为近代蒸散理论的创立莫定了坚实的基础，使其具有明确的物理意义
1926年	Bowen 提出了波文比[5]——能量平衡法，认为潜热通量与显热通量之比为常数，即为波文比，该指标至今都被用于衡量水热通量的分配。
1948年	Penman[6]假定下垫面表层为饱和条件，基于能量平衡原理和紊流扩散原理，提出无水汽平流输送时的计算潜在腾发量的公式；在此基础上。
1965年	Monteith 在 Penman 公式的基础上，引入“空气动力学阻力”和“冠层阻力”的概念，从而得到了 Penman-Monteith 公式，该方法理论基础较强，在湿润或干旱半干旱区均适用，但式中两个阻力尤其是冠层阻力不易确定，其应用受到限制；与 Penman 思想不同，Bouchet[7]认为实际腾发量与潜在腾发量存在互补关系；Morton 最早提出了基于腾发互补理认的模型，后来通过详细分析又找到了大量直接证据[8]。
1966年	Philip 提出来出土壤—植物—大气连续体（SPAC）的概念，使得蒸散发的研究由原来仅侧重研究某一方面到对整个系统进行研究[9]。

总的来讲，在研究的初期，研究方法主要以传统的方法为主，概括起来有以 Dalton 公式为例的经验模型，水量平衡法，以波文比法、Penman-Monteith 公式和腾发互补模型为例的微气象法，以及 SPAC 模型。国内外很多学者在原始方法的基础上，不断进行参数标准化、方法修正等，并将其应用在研究工作中^[10][11][12]。

近年来，随着卫星遥感技术的出现与发展，遥感因其宏观、实时的特点被逐渐引入到地表水热通量的反演过程中，反演大尺度、不均匀地面的地表水热通量逐渐成为可能，由遥感影像相应波段可以提取出一些重要地表参数的空间分布，如地表反照率、地表温度、归一化植被指数，弥补了过去传统方法中以点代面的不足。基于此，近 30 年来，遥感估算地表水热通量受到了广泛的重视。20 世纪 70 年代, Brown提出了利用遥感技术测定作物表面温度并结合下垫面的能量平衡和湍流运动规律来计算农田腾发的方法；Jackson^[13] 等、Seguin^[14] 等和 Hatfield^[15]等尝试用热红外卫星资料计算地气温差，并以此来估算区域腾发量；1980 年美国的Landsat-4 和 Landsat-5、法国的 SP0T-1 陆续发射；1985 年在湿地资源调查、海岸带生态系统管理、海岸带湿地制图中,利用航空像片、Landsat MSS、Landsat TM、SPOT、AVHRR各种不同的遥感平台进行了较多的研究与应用； 1989 年 Neman^[16]等研究了植被指数（Vegetation Index，简称“VI”）与地表温度的散点图，发现了二者的相关性，基于该理论产生了计算腾发量的两种方法；Meneti等于 1993 年提出基于地表能量平衡指数 SEBI 来计算地表蒸散量^[17]；;Roerink等^[18]提出了简化的地表能量平衡指数 S-SEBI 模型；Bastiaanssen^[19][20] 等人在能量平衡、空气动力学原理和经验关系的基础上，建立了计算区域腾发量的 SEBAL模型，该模型物理意义明确，所需观测的地面资料较少，得到了比较广泛的应用；Su Z^[21]建立了地表能量平衡系统 SEBS 来计算区域蒸散发，该方法通过归一化处理显热通量来计算相对蒸发，有较高的精度。

国内利用遥感研究蒸散发起步较晚，但发展迅速。近些年，随着城市化进程的加速，城市气候尤其是城市热环境方面的研究得到重视，研究者也逐步开始基于地表能量平衡方程方法进行研究。如肖捷颖等利用Landsat TM数据，对石家庄进行了土地分类，计算出石家庄能量平衡方程各个分量，并对热环境形成机制进行了分析。Shintaro Goto等利用ASTER影像，采用PCACA模型，对日本熊谷市地表热通量进行了反演，并分析了城市不同地表覆盖类型对地表热通量及能量平衡的影响。陈云浩^[22]建立了裸露地表和全植被覆盖 2 种极端条件下的裸土蒸发和全植被覆盖蒸散计算模型结合，进行了西北地区蒸发散量遥感估算；潘志强等年将 SEBAL 模型应用于黄河三角洲腾发量的估算上；詹志明等将 SEBS 模型应用于陇西黄土高原陆面蒸散的遥感研究中。

目前，应用于地表水热通量研究的传感器有许多，其中，美国NASA的陆地卫星(Landsat)计划(1975年前称为地球资源技术卫星——ERTS )，从1972年7月23日以来,已发射8颗(第6颗发射失败)。可以用于地表热通量研究的主要有目前有Landsat7和Landsat 8。TM 传感器是 Landsat 4-5上携带的主要传感器之一，TM 上的数据是 90 年代以前的；ETM 传感器（Enhanced Thematic Mapper，增强型专题绘图仪）是 1999 年 4 月 15 日发射的 Landsat7 上携带的主要传感器之一，共有 8 个波段，与 TM 相比，灵敏度更高，其多增加了 15 米空间分辨率的全色波段，使热红外波段的分辨率由 120 米提高到 60 米，改进后的精度提高 1 倍。OLI 传感器和 TIRS传感器是 Landsat 8 上携带的主要传感器。Landsat/TM（ETM 、OLI、TIRS）传感器获取的遥感数据，其中可见光-近红外波段数据可以用于土地利用（土地覆盖）信息的时空变化监测，反演反照率等地表参数，热红外波段可以用于反演地表温度；所有波段结合应用可以进行地表能量平衡分析，反演水热交换参数，即可以反演感热通量、潜热通量和土壤热储量等。90年代前,遥感技术初步应用于地表水热通量，并应用于多个领域，但是，系统知识不完善，技术有待进步。90年代后，遥感技术可以和各门学科密切结合，解决实际问题，但技术不够精确，功能需要扩大^[23]。

研究地表热通量参数化方法有多种，比如观测法、气象法、水文发、模型法及遥感法，。观测法获得的区域点通量结果很难具有大面积代表性，模型法因分辨率偏低及个别高分辨率模式所需计算资源较高等问题，在一定程度上限制了在城市区域的地表热通量研究。通过遥感技术可以方便地获取地表各类参数，如地表温度、地表反照率、地表土地覆盖类型和植被指数等，遥感经验模型最大的优越性在于不需要气象观测数据，仅用遥感数据反演的地表温度、地表反照率、植被指数等参数就可以逐像元计算蒸发比和潜热通量，规避了机理模型中所需气象场模拟的不确定性，可以用于无气象资料地区的蒸散发估算，简单实用^[23]。以下表2是几种可以应用于地表水热通量分配研究的几种遥感模型：

表3 几种典型的遥感模型

模型	特点	优点	缺点
SEBAL	SEBAL 是基于能量平衡的单层模型，其核心思想在于通过试验研究发现:地表辐射温度与空气动力学温度和气温的差有良好的线性关系。通过冷热点的选择，保证了热量传输粗糙长度、温度梯度与感热通量藕合关系的自动调整，使遥感辐射温度直接用在感热通量的计算中，规避了剩余阻抗的经验性调整和气象要素插值带来的误差。	利用遥感可见光、近红外和热红外数据，反演地表反照率、NDVI、地表比辐射率、地表温度等参数，结合较少气象参数，如大气温度、风速和大气透过率及植被高度等下垫面信息，不需要进行数值计算，就可以得到不同土地覆被类型的净辐射通量、土壤热通量和感热通量，用剩余法得到潜热通量(蒸散发)。	1.研究区 “极冷点” 和 “极热点”的选择存在人为性。热点粗糙长度对感热通量的计算较为敏感； 2．在求解潜热通量时，模型使用剩余法。感热通量求解独立于遥感反演的能量收人 项，由于风速和地表温度反演的不确定性，感热通量有可能超过能量收人，这会对反演潜热通量带来误差； 3．用经验办法定义粗糙长度会产生误差。
SEBS	SEBS 模型利用遥感数据和气象观测资料，可获得非均匀下垫面尺度不同的地表湍流热通量和蒸发比。	1.提出了在 kB-1的参数化计算方法，减小热量动量粗糙度带来的误差。 2.基于能量平衡指数概念(SEBI)， 逐像元计算 “干限”和“湿限”的能量平衡以确定温度梯度的边界条件，使得反演的感热通量被调整在可获得 能量、气象要素和地表温度所确定的范围内。	1．反演早晨或下午， 即大气在稳定状态和非稳定状态转换时刻的通量误差较大 。 2．对湍流通量反演较为敏感的风速场、温度场、湿度场需要足够的气象观测数据才能够应用气象模型进行模拟以达到摩擦速度在 25%以内，地表温度与参考高度温度差在 2K 以内的精度范围。 经验插值往往得不到较好的气场；3.对 kB -1 的合理估计意味着需要更多的下垫面信息，在没有研究区先验了解的情况下，较难减小 kB -1 的不确定性。
TSEB	双层能量平衡(TSEB)模型将陆面分为土壤和植被， 通过辐射通量和定向辐射温度分 解，或利用Priestley-Taylor 公式计算密集植被覆盖或湿润环境的组分温度和热通量初始值，建立组分能量平衡式，联立方程组求解组分热通量或相关过程参数。	真实地刻画了土壤-植被-大气系统水热交换机制，在理论上比单层模型进步，尤其是反演稀疏植被覆盖条件下的水热通量，其优越性更为显著。利用遥感热红外温度分解组分温度，将简化双层模型能量平衡方程的求解，回避利用Priest-ley-Taylor 公式计算初始组分潜热通量的经验性。	1.土壤和冠层与大气间的水热交换阻抗以及冠层阻抗涉及植被结构、生理特征及土壤水分状况，难以利用遥感数据直接获取。 2.净辐射分解受植被结构、观测角度等影响，会对通量反演带来不确定性。

太湖周边地区地处我国长江中下游，气候湿润，是长三角经济圈的重要组成部分，长期以来这一区域社会经济比较发达，城镇化水平及人口聚集程度较高，且人类行为活动比较剧烈，城市化进程加快，造成该区域内的土地利用程度较高，土地利用类型不断发生改变，其中，耕地、林地面积显著减小，建筑用地、草地等面积上升较快，尤其是城市区的扩建。以苏锡常为代表的的城市化发展导致太湖周边地区的水热通量分配发生变化。对太湖周边地区的城市化发展与地表水热通量进行研究分析，不仅对揭示该区域土地利用规划、城市化与水热通量的影响关系具有重要的理论意义，并且对区域土地利用进一步优化调整、维持区域良好的生态环境具有重要的指导作用，同时还为保证该区域又好又快发展及生态城市建设赋予重要的实践意义^[26]。另外，本课题是针对太湖周边的城市化发展对地表水热通量分配影响，国内外关于这方面的研究比较少见。

2. 研究的基本内容

本研究拟利用Landsat TM/ETM /OLI遥感数据基于SEBAL模型进行太湖周边区域的水热通量反演，结合当地的城市发展进程，分析城市化发展对地表水热通量分配的影响及研究区的能量分配特征，具体研究内容如下：

利用表征城市化发展的各类指标结合同期的地表水热通量的反演结果，即利用SEBAL模型反演三个年代的地表水热通量，定量分析城市化过程对地表水热通量分配的影响，探究城市化发展前后，太湖周边区域的地表水热通量分配的变化。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

课题的实行方案和进度

根据研究内容，本课题的研究技术路线图如下：

研究进度安排:

4. 参考文献

[1] 冯锦明.王君.严中伟.城市化气候效应研究的新进展[j].气象科技杂志，2013.