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印度热带气候城市的热岛评估
Manju Mohan1, Yukihiro Kikegawa2, B. R. Gurjar3, Shweta Bhati1, Anurag Kandya1, Koichi Ogawa2
摘要
在过去几十年里，印度在城市热岛强度（UHI）上缺乏实地观测。遥感观测提供了有关城市热岛强度和热点的有用信息，作为补充或代替实地的测量。已经进行的案例研究，评估和比较了基于实地测量和遥感观测的UHI和热点，因为后面的方法可以用来代替空间和时间上缺乏实地测量的情况。印度的首都，大都市德里在过去的2 - 3年里发展迅速，并且强烈地代表了热带气候条件，在这里类似的研究和实地观测几乎不存在。因此， 2008年夏天，在这个大城市进行了一场名为DELHI-I（研究德里热岛强度的实验）的实地测量。城市热岛效应被发现主要在密集的基础设施建设区和商业中心地区。与一些最近的研究类似，热岛强度（UHI）在下午和夜间的数值都较高（最高达8.3°C）。城市中的三个热岛强度比较高的区域包括商业区和/或人口稠密地区。与MODIS-Terra地表温度数据相比，本次实地测量的结果表明，UHI热点只有在夜间才可比较，在白天，类似的比较令人不太满意。 此外，将最大UHI与人口数据的可用关系应用于当前测量，并且在本文中其他国家的最大UHI中讨论。
关键词：城市热岛；土地利用土地覆盖; 微气象实验; 遥感; 人为排放
- 介绍
城市热岛是指一个比其周围地区温暖得多的城市地区[1]。 城市热岛的概念认为城市中心与周围地区的空气温度不同，它被定义为“指示相对温暖的表面区域的闭合等温线; 最常见的人类干扰相关区域如城镇和市区“[2]。由于人口中心的规模从村庄到城镇逐渐增加，它们的平均温度往往相应提高。 因此，像印度在热带地区的国家，空调的建筑能源需求增加。这种能量需求的增加不仅会导致人为热的增加，而且会导致热岛本身的进一步增强[3]。 因此，城市热岛强度（UHI）的估计在城市规划以及减排战略中很重要。研究表明，在过去几十中城市热岛出现在许多发展中经济体如印度尼西亚[4]，马来西亚[5]，斯里兰卡[6]，土耳其[7]，阿曼[8]，智利[9]，墨西哥[10]，阿根廷[11] ，尼日利亚[12]，埃塞俄比亚[13]等。
对于不断增长的大城市，由于人口增加和基础设施压力，土地使用和土地覆盖（LULC）发生变化，对城市热岛发展发挥了重要作用。过去十年，德里的人口急剧增长，从1991年的942万人增加到2001年的1378万人 [14]。这种迅速增长的人口数量与车辆人口，住宅和商业综合体，工业和其他基础设施的增长速度有所相似，导致LULC发生重大变化，人为热排放增加。所有这些变化预示着产生几个UHI位置和城市热岛现象的动态变化。所有这些变化，在几个UHI位置和城市的动态变化热岛现象。过去几十年来一直在观察首都地区德里温度增加趋势[15]。而温度升高可能是全球变暖的直接后果或者由于LULC变化和人为热导致的局部现象，它们需要研究大城市中可能会继续增强的热岛现象的影响。
过去几乎没有进行研究来分析德里热岛的城市气候影响和模式[16-18]。Mohan研究了不同作者不同的热岛强度，估计了平均混合深度的影响[19]。 近几十年来，在这个大都市的城市热岛现象方面缺乏系统的研究，包括实地测量和遥感数据。卫星数据可以提供有用的信息作为更宽空间域的快照，一般每天两次，而实地测量可以覆盖选定的地理域，时间分辨率为每天数秒到数分钟。 考虑到这一背景，本研究试图研究几种不同类型土地覆盖（LULC）的空间温度变化，以评估城市热岛效应，并比较该区域的实地地面测量 与遥感工具的运用[20]。 此外，还分析了对世界各个城市的UHI观察结果。
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实地测量的介绍
- 学习区域网络
选择国家首都德里作为研究区域， 整个面积32公里times;32公里被分成了16个8公里times;8公里的网格。每个网格都是分配了一个或多个微气象站，测量表面温度，以获得代表性。整个城市总共有30个站点，包括3个气象站（WS）和27个微气象站。图1显示德里地图上测量站点的位置。 选择了微观气象站，以代表广泛的各种土地使用/土地覆盖类别。 广泛的站点可分为城市建成区，绿化区地区，开放区域和河滨地区。
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- 研究区LULC分类
Stewart [21]和Stewart和Oke [22]指出，由于景观多样性，不同城市地区的分类制度缺乏标准和同质性。
基本上，任何LULC分类都是基于建筑面积覆盖率，建筑密度，绿化覆盖率和开放面积覆盖率。 在本研究中，分类是基于对所有微气象站点观察到的这些特征，并且与德里研究区域的卫星图像的LULC分类相关联 [23,24]。 研究领域的LULC已被归类为：
图一.建立整个研究区域的微观气象站。一个12times;12公里子域更大的站密度显示在网格的下部。站点位置用他们的站点数字符号来标记。
1）城市建成区：涵盖基础设施区域，诸如住宅和商业目的的建筑物等。根据研究领域的建筑结构的密度，这些领域已被分类为三类，这些分类与基于卫星图像的德里LULC分类结果相吻合[23,24]。
a）密集冠层：这些是高度建成的地区（建成面积gt; 80％），在城市开放很少空间和狭窄的车道。通常较老的1至2层住宅或商业建筑可能与较新的较高层（最多5层）建筑混合。这些结构附着在基部或两端。这些地区的建筑结构通常很老，当新的结构出现时，不会以任何计划的方式建造，从而增加这些地区的建成群。
b）中密度城市冠层1：这些规划好的区域有3 - 4层的建筑，一些较高的多层建筑，商业区和商场等。建筑面积占总面积的65％〜80％。
c）中密度城市冠层2：这些规划好的区域有开放空间和公园。 建成地区大约50％ - 65％的面积大多被2 - 3层楼，购物中心，小市场，商业区等覆盖。
d）较少密集的城市冠层：这些是檐篷居民区，分布着大量的绿色地区和休憩用地。 建成面积在30％- 50％之间。
2）绿色地区：这些地区包括绿色覆盖从中等密度森林到耕地，公园和花园。
a）中密度森林：典型的茂密森林在德里不存在。 但是，德里岭的拉伸标志着茂密的郁郁葱葱的植被和两个这样的地区（Sanjay Van和Buddha Jayanti Park）已被选中在本研究中代表这种类型的土地覆盖。
b）公园和花园：这些是主要以区域公园Hauz Khas为代表的短草和灌木植被的栽培绿地。
3）开放地区：这些地区是没有任何重要建筑结构或任何类型的广泛的自然或绿色覆盖的开放土地。
4）河滨地区：流淌的亚马逊河通过城市预计会影响到邻近地区的温度。 因此，两个河边地区（航行俱乐部和Majnu ka Tila）也被选为分析河流的影响。
表1详细列出了根据以上给定组分类后的所有站点。
表1.实验地点的分类（站号在方括号中给出）。
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- 实验说明
所有27个气象站的温度（干湿球）和湿度测量仪均固定在图1中。空气温度通过无线数据记录仪测量和记录相对湿度水平数据[T＆D Corporation（Japan）Wireless Thermo Recorder Models：RTR-52和RTR-72]。仪器由用于测量空气温度的thermister传感器和测量相对湿度的聚合物湿度传感器组成，它们由自然通风的辐射屏蔽保护。
仪器在实验阶段之前已经通过标准化的读数与标准物理测量仪（Assmaan Psychrometer）进行了校准。校准过程进行连续延伸24小时。 温度校正系数通过对标准物理测量仪和所有测量值进行的测量的回归分析得到在活动期间使用的温度数据记录器随后对该测量进行了校正。实地测量仪器安装在一个高度距离南面的地面约1.5米方向，至少在周围环境距离仪器高达10米是开放的，不被任何树木或建筑物遮挡。测量是于2008年5月25日（上午） - 2008年5月28日（晚上延至5月29日）间隔1分钟进行的，并按小时平均分析。这27个地点的气象站提供了在城市获得UHI位置的温度。 此外，还有3个气象站（戴维斯无线Vantage Pro2 Plus风扇吸气式防辐射罩），安装在15米高处，在建筑物的屋顶上提供了各种其他气象参数如风速度和方向，干球温度，大气压压力和太阳辐射等有关信息。没有基础设施和安全支持，这样基于测量的试验场的测量可能不会持续很长时间。因此实地测量的结果研究也与卫星数据进行了比较。
- 实地观测中的天气条件
实验在2008年5月份进行，2008年在德里，这是一个典型的夏季。按照德里气候法则[25]，五月份的平均最高气温约为39.6˚C，而平均最低气温约为25.9℃。在本研究中，最低温度范围从20˚C到22˚C，而最高温度范围为33˚C至37˚C。 主风方向被看作是西北，西方和西南。 实验期间的风速达到3.6米/秒。 最大的太阳辐射观测值为936W·m -2。
- 德里城市热岛强度（UHI）
随着许多卫星图片中城镇和城市临近已建立城市的周边地区，城乡界定随不同地区有所不同。根据UHI的经典定义[26]，它的不同在于在市中心之间和附近的一个农村的环境空气表面温度。然而，德里被周边城镇所包围，因此，很难找到在德里内或附近的没有被城市影响的农村地区。尽管如此，德里也有各种各样LULC提供许多未开发/植被的地区可以替代农村地区。 因此，绿色城市地区被观察到的最低温度被认为是农村/非城市温度。
Stewart和Oke [22]指出，对传统上“城市”或“农村”进行分类特别困难，在这些地区，是城市和乡村人口稠密，土地利用强烈混乱的地区。但是，城市热岛问题的核心就是这样，在这里人口多，建成区存在，温度较高，城市热岛效应也较高。因此，为了估计城市热岛强度，一个已经混合土地使用的地区可能不需要“乡村”地带。在本研究中，大多是绿色的城市的区域（公园和中等密集的森林）观察到具有最低的温度。因此，在其他站这些绿色地区被认为是评估UHI的基准。城市热岛强度（UHI）为计算在给定时间内研究区域的所有微气象站之间观测到的最高温度和最低温度的差。
这些站点包括LULC的所有可能类别，这可能导致最低温度（例如森林和其他绿色地区，开放区域和河滨）以及最高温度（例如，密集建筑结构，商业化地区等）。
为了研究UHI在整个监控网格中的分布情况，构建了UHI等值线，所有四天的实验阶段具体（当地）时间是0300，0900，1500和2100小时。这些根据所有站点的最低和最高气温的大致时间分别选择上午和下午和傍晚的短暂时间。 计算给定小时的每个站的UHI作为该站的温度差，在该气象网络的所有站点之间的该小时的最低观测温度。 然后将所有站的UHI值用于生成UHI轮廓的空间分布。因此，每个站点（站点号码标示图）由其各自的UHI值表示，通过使用Kriging技术在32times;32公里的研究区域空间插值27个站点的UHI值，构建了UHI等位基因。表2总结了所有天数的最大热岛强度以及相应的气象参数。 总体而言，UHI观察范围在0300时从4.1˚C〜5.6˚C，0900时从4.6˚C〜6.4˚C，1500时从3.8〜7.6℃，2100时从2.8〜8.3℃。因此，白天（1500，0900）也可以随着夜间时间（0300和2100小时）显示出显著的UHI。目前研究的趋势符合在中国[27]和以色列[28]进行的一些研究，其中观察到UHI白天和傍晚显着的过渡。此外，在其他一些研究中也观察到白天显著的UHI，例如在香港[29,30]，伦敦[31]和西班牙萨拉曼卡[32]。主要的UHI区域包括商业中心和人烟密集的住宅诸如Sitaram Bazar，Connaught Place（CP），Bhikaji Cama和Noida [33]。
表2特定观测时段的城市热岛强度（UHI）和气象条件
在实地测量的所有天数
里，2008年5月28日显示出最大日照，环境空气温度和UHI，因此在这一天的UHI等值线在上午3:00如图2（a） - （d）所示，下午3:00，上午9:00和晚上9:00分别作为代表性案件进行讨论。
最低温度始终观测绿色区域如Sanjay Van区和Hauz Khas公园区。其他一贯的凉爽的地区是围绕Buddha Jay
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