基于多源数据的青海东部城市群气候承载力评估与时空格局分析.pdf
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1、/基于多源数据的青海东部城市群气候承载力评估与时空格局分析胡亚男 李红梅 刘彩红 段丽君 金显玲(青海民族大学 政治与公共管理学院 青海 西宁 青海省土地资源勘测与规划重点实验室 青海 西宁 青藏高原生态环境研究所 青海 西宁 青海省气候中心 青海 西宁 青海省温室气体及碳中和重点实验室 青海 西宁 中国大气本底基准观象台 青海 西宁 青海省海北州牧业气象试验站 青海 海北)摘要:为探索高原地区城市化与气候变化之间的相互作用机制 从气候承载力基本内涵出发 基于气候条件与人类活动相互作用关系 同时考虑气候资源和极端气候事件双重属性 本文识别并构建了包括气候天然容量、气候极端事件压力、城市气候压力
2、以及城市协调发展能力四方面要素的气候承载力评估指标体系 以青海东部城市群为例 应用模型探讨了气候承载力的时空分布格局及变化规律 结果显示:从时间分布上来看 年青海东部城市群气候承载力整体呈下降趋势 且因受到气候天然容量和极端气候事件压力的影响 波动幅度较大 从空间分布上来看 青海东部城市群低和较低气候承载力区主要集中于民和乐都西宁湟中沿线大片区域 中气候承载力区零散分布于湟水谷地两岸区域 高承载力和较高承载力区则主要分布于该地区的西北部和东部北地区 研究结果提示本文建立的气候承载力评估指标体系对于青海东部城市群是合理可行的可以描述城市群城市气候承载力在时空上的格局演变过程 可作为气候变化风险预
3、警的依据关键词:气候承载力 多源数据 定量评估 时空格局中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.第 卷 期 年 月 西 部 林 业 科 学 收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()青海省基础研究计划()第一作者简介:胡亚男()女 高级工程师 博士 主要从事遥感技术应用研究:通信作者简介:李红梅()女 正高级工程师 硕士 主要从事气候与气候变化工作:.:近年来 气候变化对生态系统和人类社会所产生的影响日益加剧 其中人类活动强度是导致气候变化的主要原因 而城市作为人类活动高密度区 其气候变化受人类活动强度的影响程度尤为显著 随着城市化进程的推进 社会经济发展与气候变化相互影响作用逐渐凸显
4、 应对城市气候变化将是未来城市化进程中面临的重要挑战之一 城市气候承载力的概念由此提出 城市气候承载力是指在固定的时间和空间范围内 光、温、水、风等气候本底资源对区域生态、社会以及经济可持续发展的负荷 准确客观反映不同时段、不同城市的气候承载力 需要结合实际情况 构建因地制宜的评估模型 选取具有针对性的评估指标 从而更好地反映气候与城市生态社会经济综合系统的相互作用与联系目前对城市气候承载力的研究 主要是通过建立气候承载力指标体系 构建模型定量评估气候承载力 也有学者针对城市气候承载力的相关领域进行探讨 如城市化进程与气候资源的协调关系、气候本底条件可承载的人口数量等 但值得关注的是 目前大多
5、数城市气候承载力相关研究均是针对平原大型城市 对于发展相对缓慢的高原城市气候承载力研究仍为空白 此外 气候背景不仅具有资源属性 极端气候事件也会造成灾害性后果 因此 在城市气候承载力研究中极端气候事件也是重要组成部分 特别是在气候变化和城镇化双重影响下 极端气候事件发生频率不断增加 这就更需要我们关注气候的双重属性 从而为应对气候变化、支撑城市可持续发展提供科学依据青海东部城市群位于西北内陆青藏高原 是青藏高原经济发展的核心区域 随着该区域社会经济的发展 人口数量的上升 人类活动与气候系统稳定性的矛盾日益突出 已成为制约青海东部城市群可持续发展的主要因素之一 与此同时 在全球气候变化背景下 青
6、海东部城市群气候暖湿化程度加剧 极端气候事件频繁发生 如何使青海东部城市群在城市化进程中经济与气候环境协调发展 已是一个重要命题 因此 在人口、社会与经济增长背景下 评估青海东部城市群的气候承载力 探讨制约气候承载力和威胁气候系统稳定性的因素 可为青海东部城市群应对气候变化提供科学的决策依据 研究概况与数据来源 研究区概况研究区域为青海省东部城市群 包括西宁市的城东区、城中区、城西区、城北区、湟中区、湟源县、大通回族土族自治县 以及海东市的平安区、乐都区、互助土族自治县、民和回族土族自治县 个区县(图)该区域位于青藏高原东部 为黄土高原向青藏高原的过渡镶嵌地带 属于半干旱大陆性高原气候 降水少
7、而且蒸发强 生态环境脆弱西 部 林 业 科 学 年图 研究区分布图注:地图基于标准地图(审图号:青 ()第 号()制作 底图无修改 下同 数据来源与处理 数据来源 年平均气温、年降水量、年平均风速以及年日照时数数据来源于中国气象科学数据共享服务网(:/)对下载的气象数据进行插值 得到分辨率为 的研究区气象数据空间分布数据集 年逐日气象数据来源于青海省国家气象观测站逐日气象观测资料 根据 内降水量记录小于 为无降水日统计研究区持续干期日数 根据日最高气温大于 分位数的日数统计研究区暖昼日数 根据日降水量大于 的日数统计研究区强降水日数 之后分别对持续干期、暖昼日数以及强降水日数进行插值 得到分辨
8、率为 的研究区极端气候指数空间分布数据集 密度空间分布数据来源于中国 空间分布公里网格数据集 分辨率为 共有、以及 年 期本文利用青海东部城市群边界矢量数据对、以及 年 期产品进行裁剪得到研究区 密度逐 空间分布数据 年人口密度空间分布数据来源于(:/)该数据集主要有 和 两种分辨率 本文选择后者 利用青海东部城市群边界矢量数据对其进行裁剪 得到研究区人口密度逐年空间分布数据 年夜间灯光数据采用/夜间灯光遥感数据 来源于美国国家地球物理数据中 心(:/)本文对其进行 投影坐标系转化后 采用最临近法重采样为 分辨率 在此基础上利用青海东部城市群边界矢量数据为掩膜提取研究区影像 之后通过栅格计算器
9、将月数据合成为年数据 从而得到研究区逐年夜间灯光影像数据地表温度资料利用 年 地表温度日产品()区域标识为 该数据为 合成数据 分辨率为 使用 平台对数据进行格式转换、拼接重投影等预处理 然后利用东部城市群边界矢量数据对其进行裁剪 得到研究区地表温度数据植被 净 初 级 生 产 力()数 据 来 源 于 年 产品数据集 利用 平台对数据进行异常值、无效值剔除、投影转换等基础操作 之后利用东部城市群边界对其进行裁剪 得到研究区逐年 数据集归一化植被指数()采用 植被指数产品 数据 来源于美国航空航天宇航局(:/)该数据分辨率为 为 合成数据 利用最大值合成法处理 年 数据 之后采用线性像元二分模
10、型计算植被覆盖度 最后利用东部城市群边界对其进行裁剪 并重采样为 分辨率 得到研究区逐年植被覆盖度数据集 数据标准化预处理不同指标数据间存在量纲不一致 需对其进行归一化处理 以消除量纲影响 对于正、负两种指标 归一化处理方法不同 正向指标归一化方法如式所示 负向指标归一化方法如式所示()()()()()()式中:为归一化后的值 为原始值()为序列最小值()为序列最大值 为数值序列 研究方法 评估模型的构建基于城市气候承载力相关理论 结合青海 第 期 胡亚男等:基于多源数据的青海东部城市群气候承载力评估与时空格局分析东部城市群的气候状况、地理环境、社会经济发展程度 构建青海东部城市群气候承载力评
11、估模型该模型主要包括气候天然容量、极端气候事件压力、城市气候压力以及城市协调发展能力 个部分 其中 气候天然容量与极端气候事件压力为气候自然影响因子 反映该区域气候资源的自然状况 而城市气候压力与城市协调能力为人为干涉因子 分别反映人类活动应对气候变化的消极和积极作用 在城市群气候承载力评估模型的基础上 从气候天然容量、极端气候事件压力、城市气候压力以及城市协调发展能力 个方面选取出具有普适性和代表性的评估指标组成评估指标体系(图)图 气候承载力评估指标体系 指标权重的确定 层次分析法层次分析法是将思维数学化的一种多准则决策方法 其基本思路是将复杂问题分解成目标层、准则层、指标层等若干层次 进
12、行两两判断确定各层次中要素的相对重要性 最后按最大权重原则综合判断各层次因素相对重要性的总顺序 具体步骤如下()将目标对象进行分层次化处理 构建递阶层次结构 该结构一般包括目标层、准则层、指标层 个层次()根据 标度方法 对不同指标进行两两比较 量化二者间的相对重要性 构建判断矩阵()计算所构造判断矩阵的特征向量和最大特征根 并对特征向量进行归一化处理 得到各指标的相对权重()计算一致性指标 并结合平均随机一致性指标 对矩阵进行一致性检验 得到一致性比例 一致性比例 则通过检验 熵权法熵权法是依据各指标变异性的大小 采用信息熵计算权重的一种客观赋权方法 其基本原理为熵是一种对不确定性的度量 仅
13、依赖于数据本身的离散性 某指标离散程度越大 其熵值越小 携带的信息越多 对综合评价的影响程度就越大 利用熵权法计算指标权重的主要步骤如下:()构建指标矩阵 计算指标特征比重 见式 式中:表示经过标准化处理后的第 个评价指标下的第 个样本值()计算第 个指标的信息效用值 计算过程如式所示 式中:为第 项指标的熵值 为评价指标数量 为矩阵 行 列的元素 为自然对数函数()根据上式得到的信息效用值计算对应指标的权重 公式如下 式中:为指标的熵 为评价指标数量为指标的熵权 评估指标的计算 气候天然容量指数气候天然容量指数主要通过计算气候本底资源现状偏离基准值的程度 反映研究区气候资源的波动幅度 气候天
14、然容量偏离基准值的程度越高 气西 部 林 业 科 学 年候资源的波动幅度越大 本文选取 年青海东部城市群年降水量、年平均气温、年平均风速、年日照时数 个气象要素分别与基 准 期(年)平均值进行对比 评估该区域气候资源的逐年波动情况 气候天然容量指数计算公式如下:式中:为第 年的气候天然容量指数 为第 年第 气象要素的标准化值 为研究时段年份数 为气象要素总数 为研究时段各气象要素距平值 为各研究时段各气象要素标准差 极端气候事件压力指数极端气候事件压力指数作为气候本底资源的补充评价 主要衡量研究区域极端气候事件对气候系统负荷造成的压力 本文选取 年青海东部城市群持续干期、暖昼日数以及强降水日数
15、 个极端气候事件指数作为极端气候事件压力指数的评价指标采用归一化法对各极端气候事件压力指数的评价指标进行标准化处理 之后利用熵权法确定各评价指标的权重 最后对各评价指标进行加权综合得到极端气候事件压力指数 具体计算公式如下 式中:为极端气候事件压力指数 为研究区研究时段内各评价指标标准化值 为各评价指标的权重 为评价指标 即极端气候事件指数 城市气候压力指数城市气候压力指数主要反映经济建设活动、社会发展程度以及人类活动强度等对气候系统所产生的消极影响程度 本文选取 年 密度、人口密度、夜光数据、城市热岛强度以及建筑用地面积逐年数据作为城市气候压力指数的评价指标采用归一化法对各城市气候压力指数的
16、评价指标进行标准化处理 之后利用层次分析法确定各评价指标的权重 最后对各评价指标进行加权综合得到城市气候压力指数 具体计算公式与极端气候事件压力指数计算方法相同 城市协调发展能力指数城市协调能力发展指数客观衡量在可持续发展前提下 城市复合系统对改善气候系统产生正向影响的程度 本文选取 年青海东部城市群植被覆盖度、年生产总值、植被净初级生产力以及人均绿地面积逐年数据作为城市协调能力发展指数评价指标 城市协调能力发展指数计算方法与城市气候压力指数计算方法相同 气候承载力指数利用气候天然容量指数、极端气候事件压力指数、城市气候压力指数以及城市协调发展能力指数计算青海东部城市群气候承载力指数 计算公式
17、如下式中:为城市气候承载力指数 为气候天然容量指数 为极端气候事件压力指数 为城市气候压力指数 为城市协调发展能力指数 结果分析 气候天然容量指数时空分布特征气候天然容量指数是评价某一地区气候本底条件的动态指标 具有一定的年际波动性 气候天然容量指数波动越小 表明区域气候本底条件越稳定越能承载自然资源、人口和经济社会的发展 反之则表明区域气候资源出现异常 图 为 年青海东部城市群气候天然容量指数年际变化趋势从图 中可以看出 近 来青海东部城市群气候天然容量指数呈现年际波动状态 数值为 之间 大多年份的气候天然容量指数小于 仅 年气候天然容量指数为 表明青海东部城市群的气候本底条件处于一个较为稳
18、定的状态 年的高值与当年偏多的降水量相关 年降水量为近 内最多 比基准期(年)偏多 此外 青海东部城市群气候天然容量指数在 年呈缓慢上升趋势 反映该区域气候本底条件向异常状态缓慢发展 气候变化风险呈现逐渐增长的可能为进一步分析青海东部城市群气候天然容量指数空间分布特征 绘制气候天然容量指数空间分布(图)从图 中可以看出 气候天然容量指数低值区主要集中于青海东部城市群东部大部分地区以及西部全部地区 说明这些区域气候状态较为平稳 而气候天然容量指数高值区在青海东部城市群中部地区呈现由北向南带状分布 通过对气候天然 第 期 胡亚男等:基于多源数据的青海东部城市群气候承载力评估与时空格局分析容量指数的
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