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1 ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 31 No. 14 Jul Xu H Q. Analysis on urban heat island effect based on the dynamics of urban surface biophysical descriptors. Acta Ecologica Sinica * Landsat a Analysis on urban heat island effect based on the dynamics of urban surface biophysical descriptors XU Hanqiu * College of Environment and Resources Fuzhou University Institute of Remote Sensing Information Engineering Fuzhou University Fuzhou China Abstract The dynamics of urban biophysical descriptors represented mainly by impervious surface vegetation and open water can affect the quality of urban thermal environment UTE. With the progress of urbanization Fuzhou City located in the coastal area of southeastern China has witnessed a significant UTE change which led the city to have been reputed by media as the top of the three new furnace cities in China in To investigate the process of the city from a nonfurnace city to a top furnace city in China the dynamics of urban biophysical components of Fuzhou and the associated UTE change between 1976 and 2006 have been analyzed. The study focuses on the quantitative relationship between impervious surface and land surface temperature LST because the impervious surface has for many years been recognized as an indicator of the intensity of the UTE and with the advent of urban sprawl become a key issue in urban habitat health. The city's biophysical properties e. g. impervious surface vegetation and water along with LST in and 2006 were retrieved from the Landsat MSS / TM images of the corresponding years. Three thematic indices Normalized Difference Impervious Surface Index NDISI Normalized Difference Vegetation Index NDVI and Modified Normalized Difference Water Index MNDWI were employed to extract features of impervious surface vegetation and open water respectively from the satellite images. The spatial overlay and correlation analysis of these land surface features were then carried out. The results reveal the dynamics of the urban biophysical properties of the city in the 30 study years and their quantitative relationship to the UTE change. The area of urban impervious surface has significantly increased by 329% over the 30 years which was only km 2 in 1976 but remarkably increased to km 2 in The cost of the increase in urban impervious surfaces is the considerable reduction of vegetation and open water coverage in the city area. The JK * Corresponding author. fdy@ public. fz. fj. cn
2 vegetation coverage in the urban area has decreased from 25% in 1976 to 9. 8% in The replacement of the natural vegetation-dominated land surfaces by the impervious materials would have an impact on thermal environment of the city due to modification of heat energy balance. The study shows that the impervious surface has a positive exponential relationship with LST rather than a simple linear one which suggests that the area with high percent impervious surface could accelerate LST rise and thus the urban heat island development. The study also found that the contribution of impervious surface to LST could equal or even exceed that of the sum of vegetation and water. On the whole the significant urban biophysicalcomponent changes of Fuzhou City during the study period have induced the strong urban heat island effect to the city which led the city to have become the hottest one in China. The analysis shows that the increase and amalgamation of impervious surface patches reduction and fragmentation of vegetation and water covers and poor urban ventilation are the main factors contributing to the formation of the furnace city of Fuzhou. Key Words urban expansion impervious surface urban heat island remote sensing Fuzhou City 50% 100a 15% 100a 40% % % d 35 10a d 30a Owen Centre 5 Weng TM K Nichol ASTER ETM + 9 Hardin LAI ASTER Terre Haute LAI NDVI Xu 19a 1 12
3 a m km km Fig. 1 3D-perspective view of the Fuzhou Basin a a Landsat 1976 MSS TM NLCD Chander 13 Chavez 14 DN bit RMSE a NDISI NDISI TIR - NDISI = VIS 1 + NIR + MIR1 /3 TIR + VIS 1 + NIR + MIR1 /3 NIR MIR1 TIR TM4 TM5 TM6 VIS MSS 1 Carlson NDVI NDVI NIR - RED NDVI = NIR + Red 1 2
4 Red Xu MNDWI 18 McFeeters NDWI MNDWI Green - MIR1 MNDWI = Green + MIR1 Green USGS Ji 19 Soti MNDWI MSS McFeeters NDWI NASA Landsat 21 L 6 = gain DN + bias L 6 TM 6 DN gain bias 6 K2 T = ln K1 /L T K1 K2 TM 6 K1 = W / m 2 ster μm K2 = K 7 5 T 10 LST T LST = 1 + λt /ρ lnε λ TM μm ρ = h c / σ = m K - σ = J /K h = J s c = m /s ε MSS NDVI URI 8 URI 12 LST' = LST - LST min LST max - LST min URI = 1 100mi n w i p i = 1 LST' min LST max m n i i w i p i URI 0 1 URI 1 0 URI
5 SPOT-Pan 10m % 96. 7% a 1 2 Item 1976 Area /km 2 % 1 Table 1 Various thematic information of biophysical components /km Area /km 2 % 1996 Area /km 2 % 2006 Area /km 2 % /% /% Increase Increase rate rate /% Increase rate Study area Impervious surface Vegetation Water URI Urban area Study area Urban area Study area Urban area Study area Urban area / UHI intensity Urban area /km Study area /km a km km km km a 994km 2 822km % 74. 1% 61. 3% % % a 6. 3km % %
6 Fig. 2 2 Spatiotemporal distribution of main urban biophysical components in Fuzhou's main urban area DUM URI
7 Veldkamp R 25 R = N2 - N1 N1-1 T N1 N2 T a 10a a 9 Fig. 3 3 Digital UHI Model of the study area a 49% 17% 2 30a 4a 4b d a a a 10a 5 4d a b 5c d 4d 4d 30a 4b 4d 4d 1986
8 e f 4b d Fig. 4 4 Difference image of UHI in Fuzhou main urban area LST Table 2 LST level variations between 1976 and 2006 Level Area /km 2 /% Percentage /% Total percentage Lowering Constant Raising Total Fig. 5 Typical UHI change areas 2. 3
9 Table 3 3 Regression models between impervious surface vegetation water and LST Univariate regression 1976 LST = e NDISI LST = NDVI LST = NDWI R 2 = R = R = R = LST = e NDISI LST = NDVI LST = MNDWI R 2 = R = R = R = LST = e NDISI LST = NDVI LST = MNDWI R 2 = R = R = R = Multivariate stepwise regression LST = NDISI NDVI MNDWI LST = NDISI NDVI MNDWI LST = NDISI NDVI MNDWI LST = e NDISI LST = NDVI LST = MNDWI LST = NDISI NDVI MNDWI R 2 = R = R = R = % Table 4 Impervious surface level and its corresponding LST in 2006 NDISI LST / Increased LST / Fig. 6 6 LST Exponential relationship between impervious surface and
10 a 64. 5% 73. 4% 25% 9. 8% 8. 7% 2. 6% a Imperviousness UHI Vegetation Water Table 5 5 Characteristics of urban biophysical components in the main urban area Patch number Mean area /km % Percentage of urban area Fragmentation degree Patch number Mean area /km URI Fragmentation degree Patch number Mean area /km Percentage of urban area Fragmentation degree Patch number Mean area /km Percentage of urban area /% Fragmentation degree F i = n i / a i n i i a i i d
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