全球变暖和持续城市化会加剧城市热岛效应，特别是近年来极端热浪频发，使得热岛效应的综合影响作用更加显著。热岛效应会降低城市宜居性，增加城市系统的脆弱性。在我国，适应气候变化已成为国家发展战略，《中国应对气候变化的政策与行动》及“十四五”规划纲要均强调要提升城乡建设适应气候变化的能力，而缓解城市热岛效应则是气候适应型规划的重要目标。 本文以城市空间单元为基本分析单位，基于WRF/SLUCM模式开展西安城市热岛精准模拟，尝试从机理层面揭示城市热岛效应的形成原因，并建立城市空间形态对热岛效应的影响机制。研究可应用于气候适应型的城市规划和管理，提升西安城市热岛预警能力和可持续发展水平。 本文主要研究内容及结论如下： 第一，基于西安城市气候观测网络的多年夏季数据，构建逐日最大热岛强度诊断扩展方程（EDE_UHImax）。独立数据验证表明，其热岛强度计算值的均方根误差（RMSE）为1.4K，绝对误差中位值（MEAE）为1.0K，计算精度良好。据此，可初步建立西安城市空间形态和热岛效应之间的数理联系，并确认城市空间形态对热岛的两个影响维度是地表覆盖状况和城市三维街谷结构。 第二，建立一套具有热岛响应性的城市空间形态表征方法，涵括表征维度、表征指标和主因子三层体系；并根据西安复杂多样的城市空间特征，划分出高度开发、混合、主体、绿地和旷地五类城市空间单元，验证了其识别方法和合理性。 第三，依据城市空间形态表征维度，设计具有不同城市冠层参数设定精度的WRF/SLUCM模拟方案，并通过实测数据验证各方案效果。结果表明，“NU”方案通过构建城市建筑信息集，运用“网格赋值路径”进行精准参数设置，使76%的城市站点模拟精度得以提高，获得了准确度最佳的典型热浪期热岛模拟结果，此结果也应用于西安热岛演化过程和影响机制分析。 第四，本文发现热岛演化呈现日夜双时段分异特征，热岛形成的物理机制可通过城市空间单元的能量平衡进行解释，但热岛强度的准确计算还需考虑空间邻近性的显著影响。应用空间权重矩阵求算空间滞后项，可精确量化周边单元能量活动对中心单元热岛强度的影响，从而构建日夜双时段的西安热岛空间回归模型，其对热岛强度的解释性能显著提升：相比OLS模型，“日落前温度”空间杜宾模型的对数似然值由-607上升至1299；“夜间降温速率”空间误差模型的对数似然值由2334上升至3201。 第五，本文将全维度城市空间形态信息凝炼为四个独立主因子（“绿化率”、“建筑覆盖”、“建筑高度”、“建筑密度”），并确认城市空间形态对城市热岛的作用机制链条为“城市空间形态主因子→能量项→日夜双时段表征指标→夜间热岛均值”。其中，“绿化率”对热岛强度的抑制作用和“建筑覆盖”对热岛强度的促进作用是两条关键作用路径；城市空间形态对热岛效应的影响表现出“中心—外围”圈层结构和空间协同效应。 本文创新点在于：1）突破类型化限制，采用基于建筑数据集的网格赋值策略，实现复杂城市空间形态的精准表征，显著优化WRF/SLUCM模式的城市热岛模拟效果；2）探索性引入空间邻近性解析城市冠层热岛成因，据此建立的空间回归模型可显著提升城市空间单元能量平衡对热岛强度的解释性能；3）完整表征城市空间形态全要素和热岛效应全过程，构建以作用机制链条为核心的城市空间形态对热岛效应的综合影响解析框架。 |
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