城市化导致土地利用类型及格局发生改变,大量的绿地和农田被建设用地代替,下垫面热属性特征与格局相应改变,加上人类生活和生产排放的废热,使城市热岛效应不断加剧、恶化,城市宜居环境受到严重威胁。城市发展对区域热环境变化的影响逐渐被越来越多的人所关注,成为建设宜居、可持续生态城市的热点问题。本文以南京市及其周边区域为研究区,基于研究区的城市发展潜力和生态约束因素,对用地适宜性特征进行分析;在此基础上使用SLEUTH模型预测了 2040年不同情景城市扩展特征;使用WRF模式模拟了未来不同城市扩展情景下热环境变化特征,系统研究了不同城市发展情景下土地利用变化对城市热环境产生的影响;研究结果将为深入理解土地利用变化下城市热环境的空间特征和动态变化规律,对合理的城市发展规划、生态环境的改善与可持续发展提供科学的参考依据。本文共分为五章。第一章为绪论,系统阐述了论文的研究背景与意义,总结国内外相关研究进展,并指出目前研究存在的问题和不足,由此阐明论文的研究目的与技术路线。第二章为数据与研究方法,介绍了研究区的气候、地理位置和论文使用的研究数据以及研究方法。第三章为城市空间扩展的多情景模拟,对研究区进行用地适宜性分析,根据发展理念的差异划分为不同的城市发展情景,使用SLEUTH模型模拟研究区2040年在不同发展情景下的城市扩展特征。第四章为基于WRF模式的土地利用变化对热环境的影响分析,分别使用2013年以及SLEUTH模型预测得到的不同城市扩展情景的土地利用数据对WRF模式默认的土地利用数据进行更新和替换,并对城市热环境进行模拟,分析土地利用变化对城市热环境产生的影响。第五章为结论与讨论,总结论文的研究结论和创新点,并提出研究的不足及将来研究应完善的方向。论文主要结论如下:(1)SLEUTH模型重建结果较好地重现了现实情景下的城市范围,总体精度达到87.91%,重建结果与实际情况比较吻合,具有较好的一致性。SLEUTH模型的模拟结果中城市发展以"边缘增长"和"填充增长"为主,同时在城市的外围形成了新的城市发展中心,形成了"跳跃式"发展。三种城市预测情景中,低生态安全(情景3)下城市发展强度最大,城市范围扩展较大;中生态安全(情景2)次之,高生态安全(情景1)城市面积增长最小。随着城市范围的不断增大,建设用地在城市景观中的优势度不断增大,空间分布趋于集中。农田斑块分布趋于离散化,破碎度不断增大;研究区土地利用格局的景观多样性和异质性减小,景观斑块趋向单一化分布。通过采用不同强度的生态保护策略,有效的避免了城市无序扩张导致的生态斑块(绿地、农田和水体)的消失,兼顾了城市发展与生态保护。(2)WRF模式较好地模拟了研究区热环境的变化特征,近地面气温精度验证结果显示,土地利用修改后的平均误差为-0.2℃C,RMSE为1.24,相关系数为0.94,土地利用修改前的平均误差为-0.6℃C,RMSE为1.25,相关系数为0.95。使用最新的土地利用数据提高了气温的模拟精度,模拟结果更加接近观测值。不同城市扩展情景下的热环境模拟结果显示,城市化将导致近地面气温显著升高,新增建设用地增温明显,高温区面积随着建设用地面积增长不断扩大,城市热岛强度和持续时间也不断增大。(3)土地利用变化是改变城市热环境的重要推动因素,随着城市化进程的不断深入,研究区平均温度不断升高,建设用地平均近地面气温升高幅度较大。农田、绿地、裸地转化为建设用地后,农田的变化对温度的影响相对明显,研究区绿地和裸地的减少对热环境的影响则相对较小。高温区不断向研究区东部和南部蔓延,孤立的高温区斑块逐渐融合并相互连接形成面积较大的高温区。情景3中高温区扩张范围最大,占研究区面积的41.97%,相对2013年增长了 1456.59 km2。次高温区和高温区的范围与建设用地的扩展趋势相一致。低温区、次低温区和中温区的面积则不断减小。从热力景观格局的变化情况来看,低温区、次低温区斑块逐渐消失,空间范围不断缩小,斑块的空间聚集度下降。中温区斑块逐渐被割裂,斑块的完整性遭到破坏,斑块逐渐破碎化。高温区在景观中的优势度和聚集度不断增大,整体性不断增强。建设用地的增长使得热量过于集中,热量集聚现象愈加明显,热量空间分布失衡,城市热环境逐渐恶化。在景观水平2013年热环境格局景观蔓延度和聚集度较小,热力景观斑块分布较为细化和复杂化,景观破碎化程度较高。情景1景观多样性较大,斑块分布较为均匀。情景2和情景3中,高温区范围不断扩大,大量的次高温区斑块转化为高温区斑块,高温区成为景观的优势斑块。情景3中景观蔓延度和聚集度分别达到最大值,景观斑块连接性较好,呈聚集分布。景观的异质性较小,斑块类型相对单一。研究表明未来不同城市发展情景下的土地利用变化将会对城市热环境产生明显的差异性影响,基于城市扩展及热环境模拟与预测的城市规划与管理将为宜居、可持续健康城市的建设提供有力的参考。