基于复合指标的城市热岛强度计算方法与流程

本发明涉及城市热岛研究领域，具体涉及一种基于复合指标的城市热岛强度计算方法。

背景技术：

“城市热岛”(urbanheatisland，uhi)效应是城市气候的典型表现之一，指的是城市中心区的局部气温明显高于郊区的现象。随着人们对人居环境、生存舒适和健康度要求的进一步提高，良好的城市热环境已成为支撑城市可持续发展的基础条件。目前，全球范围内的城市化进程正处于高速发展中，城市热环境问题变得越发凸显和尖锐。城市化将植被为主的自然景观格局改变为人工建筑为代表的城市景观格局，而城市人口的大幅增加又导致了能源需求剧增，人为排放温室气体的总量直线上升。这些都导致了城市热环境的恶化和城市热岛效应的日趋严重。

城市热岛强度(uhiintensity,uhii)是用以表征城市热岛效应发育程度的重要指标，一般被定义为城市与郊区之间的温度差，表示利用城乡温度差(urbanruraldifference,urd)得到的城市热岛强度值。但在全球快速城市化背景下城乡界线在逐渐模糊，客观地区分和确定“城市”与“郊区”并获取代表性的温度是目前争议较大的一个方面。传统方法受实际观测条件和资料限制都带有较多不确定性和局限性，且结果之间的可比性较低。另一方面，传统方法考虑的是城郊“代表性点位”的温度差值，本质仍然是基于“点”的城市热岛强度描述。而城市环境是处于持续动态变化中的多因素耦合体，单纯的“点”数据变化并不能完全代表区域热岛强度，更无法从“面”上反映和刻画城市热环境的变化特点。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于复合指标的城市热岛强度计算方法，既能反映城市热岛带来的区域温度较差极值，也能表征不同温度等级区在城市形态中的占比变化，能客观地描述区域城市热岛发育程度。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于复合指标的城市热岛强度计算方法,包括以下步骤：

步骤s1:确定研究区的城市形态重心,并采用四向热场剖面法计算区域温度较差rtr；

步骤s2:获取研究区地表温度影像并进行归一化处理，计算研究区城市热岛比例指数uri；

步骤s3根据区域温度较差rtr和城市热岛比例指数uri，计算研究区城市热岛复合指标强度cii，对区域城市热岛强度定量化。

进一步的，所述步骤s1具体为：

步骤s11：确定研究区的城市形态重心；

步骤s12:以城市形态重心为集合中心贯穿整个研究区的四方向相交线，获取下垫面四向热场剖面特征数据；

步骤s13:求取区域最高、最低地表温度值,并根据区域最高、最低地表温度值得到区域温度较差rtr。

进一步的，所述步骤s11具体为：城市形态重心坐标(x,y)，是在各典型城市之城市形态轮廓的基础上，以下式确定：

式中：wi为第i个离散目标之权重，其根据各离散目标的面积与总面积之比来确定；xi、yi为第i个离散目标之横、纵坐标值。将各个离散目标之横、纵坐标通过加权平均，即可获得该区域对应城市形态重心之坐标(x,y)。

进一步的，所述步骤s13具体为：

步骤s131:根据不同时相剖面所提取的地表温度变化数据，获取各方向各剖面线的最高、最低地表温度值lstmax、lstmin以及地表温度均值lstmean，并依据公式(2)，(3)和(4)分别计算出各方向剖面的代表rtri值

δtimax＝lstimax-lstimean(3)

δtimin＝lstimean-lstimin(4)

式中：δtmax、δtmin分别表示相对最高与最低温度；lstmax、lstmin分别为有效地表温度最高、最低值；lstmean为有效地表温度均值

步骤s132:用下式可以得到研究区的rtr：

式中：rtri为某方向温度剖面所得到的热岛强度值，n为方向剖面的数量。

进一步的，所述步骤s2具体为：

步骤s21:获取研究区地表温度影像并进行归一化处理；

步骤s22:将归一化后的研究区地表温度影像数据，进行等密度分割，将正规化后的温度按需分级，并赋予不同权重，得到各个时相的uri值。

进一步的，所述步骤s22具体计算流程如下：

式中：lst′为正规化后地表温度值；lstmin、lstmax分别为地表温度的最小值和最大值；m为所划分的温度等级数；i为城区温度高于郊区温度的第i个温度等级；n为城区高于郊区的温度等级数；w为权重值，取第i级的级值；p为第i级所占城市形态面积的百分比。

进一步的，所述步骤s3具体为：

根据得到研究区域rtr和uri的值，通过下式计算城市热岛复合指标强度cii：

式中：cii为城市热岛复合指标强度，cii≥0；当cii＝0时，说明区域内不存在城市热岛效应，值越大，代表区域城市热岛效应越强；uri为城市热岛比例指数，rtr为区域温度较差，i为城区温度高于郊区温度的第i个温度等级；n为城区高于郊区的温度等级数；w为权重值，取第i级的级值；p为第i级所占建成区面积的百分比，δtmax_j、δtmin_j分别为某方向温度剖面j所得到的相对最高与最低温度。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明既能反映城市热岛带来的区域温度较差极值，也能表征不同温度等级区在城市形态中的占比变化，能客观地描述区域城市热岛发育程度。

附图说明

图1是本发明一实施例中四向热场剖面线方位示意图；

图2是本发明一实施例中研究区城市形态重心及四向热场剖面位置；

图3是本发明一实施例中四向热场剖面温度变化曲线示意图；

图4是本发明一实施例中各城市形态地表温度等级分布；

图5是本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

请参照图5，本发明提供一种基于复合指标的城市热岛强度计算方法,包括以下步骤：

步骤s1:确定研究区的城市形态重心,并采用四向热场剖面法计算区域温度较差rtr；

步骤s11：确定研究区的城市形态重心；城市形态重心坐标(x,y)，是在各典型城市之城市形态轮廓的基础上，以下式确定：

式中：wi为第i个离散目标之权重，其根据各离散目标的面积与总面积之比来确定；xi、yi为第i个离散目标之横、纵坐标值。将各个离散目标之横、纵坐标通过加权平均，即可获得该区域对应城市形态重心之坐标(x,y)。

步骤s12:以城市形态重心为集合中心贯穿整个研究区的四方向相交线，获取下垫面四向热场剖面特征数据；

在本实施例中，在确定各时相之城市形态重心之后，就可分别遴选东-西向(e-w)、南-北向(s-n)、北西-南东向(nw-se)以及北东-南西向(ne-sw)四条相交于此重心的剖面线(如图1所示)。福州研究区城市形态重心及四向热场剖面具体位置，见图2。

步骤s13:求取区域最高、最低地表温度值,并根据区域最高、最低地表温度值得到区域温度较差rtr。

步骤s131:根据不同时相剖面所提取的地表温度变化数据，获取各方向各剖面线的最高、最低地表温度值lstmax、lstmin以及地表温度均值lstmean，并依据公式(2)，(3)和(4)分别计算出各方向剖面的代表rtri值

δtimax＝lstimax-lstimean(3)

δtimin＝lstimean-lstimin(4)

式中：δtmax、δtmin分别表示相对最高与最低温度；lstmax、lstmin分别为有效地表温度最高、最低值；lstmean为有效地表温度均值

步骤s132:用下式可以得到研究区的rtr：

式中：rtri为某方向温度剖面所得到的热岛强度值，n为方向剖面的数量。在本实施例中，优选的，n＝4。值得指出的是，由于各区域的水体温度远低于陆地表面地物，且常规城市热岛强度的获取多来源于陆地气象站之数据，因此在进行rtr计算之前，建议先将水体掩膜，而后再进行后续相关操作。

表1四向热场剖面温度数据及rtr(℃)

步骤s2:获取研究区地表温度影像并进行归一化处理，计算研究区城市热岛比例指数uri；

步骤s21:获取研究区地表温度影像并进行归一化处理；

步骤s22:将归一化后的研究区地表温度影像数据，进行等密度分割，将正规化后的温度按需分级，并赋予不同权重，得到各个时相的uri值。

所述步骤s22具体计算流程如下：

式中：lst′为正规化后地表温度值；lstmin、lstmax分别为地表温度的最小值和最大值；m为所划分的温度等级数；i为城区温度高于郊区温度的第i个温度等级；n为城区高于郊区的温度等级数；w为权重值，取第i级的级值；p为第i级所占城市形态面积的百分比。

在本实施中，本将地表温度分为7级，因此m＝7，分别为低温、较低温、次中温、中温、次高温、高温、特高温。城区高于郊区的温度等级数n根据研究城市和时相的热岛发育程度不同而变化，其值取决于主导城市形态范围内的温度等级。福州在所研究年份城市形态边界范围内主要由次高温、高温和特高温这3个温度等级组成，因此n为3，w分别赋值为次高温、高温、特高温的温度等级5、6、7。

表2地表温度等级和uri统计(面积:km²，比例:％)

注：括号内数字为lst等级级值。

步骤s3根据区域温度较差rtr和城市热岛比例指数uri，计算研究区城市热岛复合指标强度cii，对区域城市热岛强度定量化。

在本实施例中，所述步骤s3具体为：

根据得到研究区域rtr和uri的值，通过下式计算城市热岛复合指标强度cii：

式中：cii为城市热岛复合指标强度，cii≥0；当cii＝0时，说明区域内不存在城市热岛效应，值越大，代表区域城市热岛效应越强；uri为城市热岛比例指数，rtr为区域温度较差，i为城区温度高于郊区温度的第i个温度等级；n为城区高于郊区的温度等级数；w为权重值，取第i级的级值；p为第i级所占建成区面积的百分比，δtmax_j、δtmin_j分别为某方向温度剖面j所得到的相对最高与最低温度。

最后计算得出，福州研究区1980s的tm影像的城市热岛复合指标强度cii值为0.1。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。