城市熱島對熱舒適度的景觀格局影響演化分析

黃煥春，運迎霞，王世臻，劉成哲，李洪遠

(1.天津大學建筑學院城市規劃系，300072天津;2.南京林業大學風景園林學院城市規劃系210037南京;3.淄博智達建筑設計有限公司，255000山東淄博;4.南開大學環境科學與工程學院，300071天津)

中國城鎮化快速發展，各大城市建成區面積迅速增加，近30年來擴張了5.5倍［1-2］.與此相伴城市熱島效應不斷加劇，2013年多地城市突破歷史最高氣溫，同年新華網報道7月上海中暑死亡超過十余人.城市熱島強烈地改變著城市生態系統的結構與功能［3-4］，特別是夏季地表熱島使大氣溫度升高，對人體舒適感產生了嚴重影響.

近年來，衛星遙感技術，顯示了其大范圍監測城市溫度場的巨大優勢，各國學者紛紛利用衛星影像，研究地表熱島.其中有熱島反演的方法［5-6］，熱島與人體健康［7］，地表熱島與城市規模［8］、城市空間結構［9］，城市規劃建設的前后熱島對比［10］，河流水體對熱島的影響［11-12］等方面研究.不乏利用景觀格局指數，分析遙感反演的熱島強度文獻.但目前，熱島強度分類中，尚未有確切的生態學和人體生理學等依據.而景觀格局分析，恰恰需要明確分析對象所代表的物理和生態學意義等.由此可見熱島強度、熱舒適度受影響等級劃分標準的重要性.

本文基于人體舒適度和高溫生理反應，提出了熱島強度與熱舒適度的等級劃分標準;劃分1992—2011年天津市主城區夏季熱島對熱舒適度影響等級分區;通過景觀格局變化分析，得出熱舒適度受影響的演化趨勢規律.從而在城市規劃過程中，提出有針對性的規劃方案，具有緩解夏季城市熱島、提高城市環境舒適度、降低能耗和碳排放的重要意義［13］.

1 研究區概況與數據

1.1 研究區概況

研究區為天津市主城區(圖 1)，面積2 080 km2，位于華北平原東北部，下轄和平、南開、河東、河西、紅橋、河北、東麗、津南、西青、北辰等10區.2011年主城區人口為697萬.1992年主城區城鄉建設用地280 km2，2011年迅速增加至795 km2.其中，居住用地總量顯著增加，居住空間逐步向外擴散，新建居住區主要集中在中環線與外環線之間;市級中心主要集中在和平區，大型商業設施在市中心區海河南岸高度聚集;高校主要集中在南開區和周邊地區，已出現向中心城區外圍轉移的趨勢.近年來，天津啟動了工業東移戰略，中心城區用地布局得到了調整.2005年新版總規實施后，城市空間發生了很大變化.

1.2 研究數據

根據本研究的對象和目的，以7、8月TM遙感影像為數據源.為保證數據的可靠性與可比性，所選遙感影像的云量均為0，影像拍攝前一天均未降水，48 h內平均風速小于2.3 m/s.衛星過境時間均為上午10∶30左右，這個時刻是人們工作的最佳時間.因此數據對研究夏季熱島效應對人體熱舒適度影響具有很強的代表性.六景TM影像分別為:1992年7月30日10∶11、1999年8月11日10∶40、2001年7月 7日10∶28、2006年 7月21日10∶40、2009年8月30日10∶37、2011年8月20日10∶36，空間分辨率為30 m，其中熱波段為120 m.同時配合2005—2020年天津城市總體規劃圖與現狀圖.

圖1 研究區TM衛星影像與行政區劃

數據處理過程如下:首先，將遙感影像進行配準和幾何精校正，把衛星影像統一校正到1∶1萬地形圖，校正采用二次多項式，并用3次卷積法進行灰度插值，校正誤差控制在一個像元內.然后，將數據重采樣至30 m分辨率，統一投影為WGS-1984-UTM-50N，以便保持數據的一致性.最后，利用ArcGIS軟件建立數據庫，對不同時期的遙感影像數據進行提取分析.

2 研究方法

2.1 熱舒適度受影響的等級劃分

2.1.1 劃分原理依據

本文研究對象突出的是地表熱島所施加的影響，而非當時氣溫絕對達到地表溫度.本文研究數據為landsat TM影像，熱波段空間分辨率為120 m(在這個尺度下，城市中有建筑、綠地、硬化地面等混合)，遙感影像的熱波段大部分都存在混合像元問題.降溫地物的作用會適當平抑溫度較高的地物，因而就會出現反演的地表溫度非常接近實際氣溫的現象.對比1999—2013年城郊的24個觀測點實測溫度與反演溫度，發現:反演平均誤差為0.42℃，郊區平均誤差為1℃，城區內居住區、商業區附近的平均誤差為0.39℃，由此證明TM影像反演結果較為可靠.

城市地表溫度與上空一定距離的大氣溫度有協同變化的規律［14］，地表溫度與近地面1.5 m大氣溫度也有著更為密切的關系.夏季白天地表溫度高于近地面大氣溫度，通過熱輻射、傳導、氣流熱交換，會有大量的熱從地表傳向近地面大氣，造成近地面大氣溫度升高，進而影響人體舒適度.此外，10∶40—14∶00地表與近地面大氣的溫度都處于上升階段，地表向近地面大氣傳熱，氣溫很容易達到10∶30衛星拍攝的地表溫度.因此，利用10∶30左右拍攝的遙感影像反演計算熱島強度，研究熱舒適度受影響情況，具有很強的合理性和可行性.

2.1.2 劃分結果

為了使研究更貼近實際情況，以夏季7、8月份非降雨天的平均溫濕度作為基準.通過2008—2012年氣象觀測數據的計算，發現7、8月10∶30的平均溫度為28.2℃、平均濕度為62.28%.

以28.2℃和62.28%為基準，計算疊加熱島升溫后，對人體熱舒適度的影響指數.筆者在分析大氣舒適度［15］、人體綜合舒適度［16］、PET 室外舒適度［17］等計算方法后，決定本文的熱舒適度指數計算，采用Tom提出，Bosen修正后的公式［18］

式中:RH為相對濕度，T為大氣溫度，ⅠL為舒適度指數．

最后，參照北京市人體舒適度指數劃分和人體高溫生理反應情況，將地表熱島效應對熱舒適度的影響分為5級(見表1).

表1 地表熱島對熱舒適度影響的等級劃分、人體感覺、熱島強度對照表

2.2 地表溫度遙感反演方法

地表溫度反演采用基于影像反演算法(IB算法)，該算法簡單準確，數據易獲得.首先，依據NASA的數據使用手冊，進行輻射定標，把DN值轉化成相應的熱輻射強度.然后，計算植被指數(NDVⅠ)及植被覆蓋度 PV．之后，采用覃志豪［19］、黃初冬［20］等提出的比輻射率ε計算方法，通過NDVⅠ和植被覆蓋度計算出地表比輻射率．最后，通過LST計算公式，計算出地表溫度，公式為

2.3 景觀格局指數評價方法

對熱舒適度的影響等級進行景觀數量和結構的分析，選用被證明具有穩定適用性的五類景觀格局指數［21］進行評價，這5類分別為:多樣性指數、面積/密度/邊界指數、臨近度指數、離散度指數、連通性指標［22-23］.其中每類都有具體的指數(表2)，詳細定義計算見文獻［22-23］.景觀格局指數的計算，利用由美國俄勒岡州立大學森林科學系開發的fragstats4.1軟件.

表2 本文所用景觀格局指數類別

3 結果與分析

3.1 溫度反演與熱舒適度受影響等級劃分

利用IB算法，在ENVI遙感軟件平臺上，反演 1992、1999、2001、2006、2009、2011 年遙感影像的地表溫度.首先，計算出亮度溫度;然后，計算出NDVⅠ、植被覆蓋度、地表比輻射率;最后，反演出地表溫度.

在ArcGIS軟件中，首先計算出空間上每個點的熱島強度，計算公式為

式中:ΔTij為空間位置ij上的熱島強度;Tij為空間位置ij上的地表溫度;TR郊區農村平均溫度．然后依據表1，對研究區熱舒適度的受影響程度進行等級劃分，劃分結果見圖2(下文將熱島對熱舒適度影響區，簡稱為影響區)．

圖 2 1992、1999、2001、2006、2009、2011 年熱島效應對熱舒適度的影響空間等級

3.2 熱島對熱舒適度影響的景觀格局分析

3.2.1 多樣性指標的影響分析

多樣性指數采用斑塊豐富度指標PR，對熱島景觀等級進行最簡單的度量，但不反映等級間的相對豐富度.景觀中的斑塊豐富度PR越大，熱島對熱舒適度的影響程度也就越深.1992年的最大熱島強度為8.55℃，2011年增加到12.47℃，增加了近4℃;由圖3可以看出相應的熱舒適度受影響等級升高了兩級.這說明天津市主城區的地表熱島強度不斷上升，熱舒適度受影響的等級平穩升高.

圖3 1992—2011年PR指數變化曲線

3.2.2 斑塊類型的面積/密度/邊界影響分析

用景觀百分比PLAND，來度量某一等級在整個熱島景觀中的豐度．從1992—2011年PLAND指數變化表(表3)看:熱舒適度不受影響區所占比例呈下降趨勢;一級影響區快速增長;二級影響區比例波動上升;三級影響區逐漸增大，增加了16.42倍;四級影響區從無到有，且面積不斷增加;2009年出現了五級影響區.

這說明:熱舒適度受影響的面積在擴大，高強度影響區面積在不斷的增加惡化;二級影響區面積雖有波動，最值得注意的是1999年達到了最低值1.85%，但1992—2011年面積仍在迅速擴大，增加了2.56倍;三級影響區的比重迅速增大，熱舒適度惡化現象明顯.四、五級影響區相繼出現，并持續增加，說明局部熱島惡化嚴重.

用PD來表示單位面積(100 hm2)上的熱島斑塊數量.從1992—2011年 PD指數變化曲線(圖4)看:熱舒適度不受影響區的斑塊密度逐步升高，1999年達到一個小高峰，但又迅速回落.這說明非熱島區域與熱島區，實現了很好的交叉混合布局，形成了較好的散熱格局;一級影響區斑塊密度波動上升，這說明低級影響區，可作為高強度影響區的散熱過度區，發揮較強的散熱功能;二級影響區斑塊密度上升較大，上升了4.2倍，這說明二級影響區的分散化現象不斷加劇;三、四級影響區，PD指數也逐漸的上升，這說明新的高強度熱島影響斑塊不斷出現.

表3 1992—2011年PLAND指數變化

圖4 1992—2011年PD指數變化曲線

用最大斑塊指數LPⅠ來測度每個影響等級中最大斑塊變化態勢.從1992—2011年LPⅠ指數變化表(表4)看:主城區熱舒適度不受影響區的LPⅠ快速降低;一級影響區LPⅠ指數呈現波動性增大趨勢;而二級影響區，LPⅠ指數迅速降低;三級影響區LPⅠ指數雖然較小，但卻增加了6倍;四級影響區(1999年后出現)LPⅠ指數較小，但持續增加．

這表明:隨著城市發展，熱島影響區在擴大，引起人體不舒適的一級影響區的最大斑塊面積在增加，而引起人體很不舒適的二級影響區最大斑塊面積則在迅速下降;引起人體不適應、很不適應的三、四級影響區，單個最大斑塊面積也在增加;2011年出現的五級影響區，因斑塊面積較小，自然LPⅠ也較小．

表4 1992—2011年LPⅠ指數變化

3.2.3 臨近度指數的影響分析

臨近度用來度量斑塊的時空聯系特征，反應某影響等級的破碎化及其在景觀中的散布情況．ENN-CV反映的是斑塊距離的變化穩定性程度，該值變小說明斑塊距離差異程度減小．ENN-MN反映了整體斑塊距離的變化情況．

從1992—2011年各等級影響區的ENN-CV和ENN-MN指數變化曲線(圖5)看:不受影響區ENN-CV和ENN-MN指數均略有下降;一級影響區ENN-CV指數較為穩定，而ENN-MN指數略減了141;二級影響區ENN-CV指數呈波動下降，ENN-MN指數下降了166;三級影響區ENN-CV指數迅速下降了102，而ENN-MN指數驟減了778;四級影響區，ENN-CV指數呈波動上升，而ENN-MN指數迅速下降了5 247;2011年五級影響區ENNMN指數為7 991.24．

這表明:不受影響區的平均距離在縮短，斑塊間距離變化穩定，這十分有利于受影響區的散熱;一級影響區平均距離在縮短，說明斑塊破碎化、與其他等級影響區混合程度增加，不同類型斑塊之間進行熱量交換更容易，從而更有利于熱島影響區的熱量向外散失;二級影響區平均距離降低說明現存斑塊空間上趨于聚集，易集聚成大面積斑塊，從而加劇熱島效應;三級影響區平均距離穩定下降說明引起人體不適應的熱島區，在空間上出現頻率增加.ENN-CV指數下降，說明其空間呈現規律性的出現;四級影響區平均距離縮短表明引起人體很不適應的熱島區，空間上每隔1 679～2 300 m，就出現一次，這種情況值得警惕;五級影響區空間上出現頻率較小，平均空間距離7 991 m.

3.2.4 離散度指數的影響分析

離散度反映某一影響等級與其他等級的混雜程度，反映了不同斑塊之間的鄰接狀況，采用DⅠVⅠSⅠON指數度量，其取值范圍為0 ≤DⅠVⅠSⅠON＜1．當整個景觀由一個斑塊組成，DⅠVⅠSⅠON=0;當該等級在面積中比重和斑塊尺寸出現下降時，DⅠVⅠSⅠON就接近 1．對于熱島效應而言，隨著斑塊離散化程度的提高，會使高溫熱島區能量不斷向外傳遞，進而使高溫熱島區域減少，甚至使某個等級的高溫熱島區消失．DⅠVⅠSⅠON指標，就反應了各影響等級在空間分布的集聚情況．

圖5 1992—2011年ENN_CV和ENN_MN指數變化曲線

從 1992—2011 年DⅠVⅠSⅠON指數變化表(表 5)看:熱舒適度不受影響區DⅠVⅠSⅠON指數增加了1.18倍;一級影響區DⅠVⅠSⅠON指數略有下降;三、四級熱舒適度受影響區均沒有變化．

這表明:不受熱島影響區的斑塊在空間分布呈離散化，接收影響區傳熱變得更近更容易;斑塊與其他受影響等級混合，在降熱方面發揮著越來越重要的作用;一級影響區斑塊離散化略有降低，這與城市形態的快速擴張密切相關，這也有利于高等級受影響區的散熱.

表5 1992—2011 年 DⅠVⅠSⅠON 指數變化

3.2.5 連通性指數影響分析

連通性是指景觀對能量流的促進或障礙程度，采用COHESⅠON指數表示熱島影響區斑塊類型間的連通性．COHESⅠON取值范圍為 0≤COHESⅠON＜100．當景觀中某斑塊類型的比例降低，并不斷碎化和連通性降低，COHESⅠON值就接近0．隨著景觀中該類組成比例的提高，在分布上變得越來越集聚，自然連通度也提高了，COHESⅠON值就增加．

從1992—2011年COHESⅠON指數變化曲線(圖 6)看:不受影響區和一級影響區的COHESⅠON指數呈穩定趨勢;二級影響區的COHESⅠON指數呈波動下降趨勢，但略有反彈;三、四級影響區COHESⅠON指數均呈上升趨勢，由1992年的72.81和76.7，分別上升到2011年的82.74和81.44．

圖6 1992—2011年COHESⅠON指數變化曲線

這表明:二級影響區斑塊的自然連通度降低，在空間上內部聯系不暢，斑塊被其他斑塊類型分割加劇;二級影響區屬引起人體很不舒適區域，地表熱島強度分別高達3.1～6.9℃，其連接度下降表明斑塊內部的能量聚集減少，不同等級間的斑塊熱量交換也更加便捷迅速，進而有助于高溫熱島區熱量散失，達到降低熱島強度和減弱熱島對熱舒適度的影響;三級和四級COHESⅠON指數上升，說明高等級斑塊大面積集聚增強，無法實現斑塊內部的快速散熱，從而不斷地增加斑塊內部熱量的集聚和溫度的升高．

4 結論

1)基于人體舒適度和高溫生理反應，構建了地表熱島對熱舒適度的影響等級劃分標準.這使得對地表熱島強度劃分，獲得了一個科學的依據.為降低夏季熱島對熱舒適度的影響，提供了一個分級分區調節的參考標準.

2)天津市熱舒適度受影響區面積不斷擴大，影響強度不斷增強，高強度影響區不斷集聚擴大.二級影響區，表現出破碎化趨勢，被分割為許多小的斑塊，但所占面積比例不斷上升.

3)三、四級影響區，面積不斷擴大，斑塊數量與斑塊密度不斷增高，最大斑塊面積也在迅速增加.2009年出現了五級影響區，2011年并出現了較大的增加，表明局部讓人無法忍受熱島區應引起相關部門足夠重視.

4)1999年的景觀格局特點，呈現出地表熱島對熱舒適度的影響最弱.原因是格調春天、水西園等多層居住小區的改造建設，增加了綠地、打通了通風廊道.通過進一步分析發現:景觀斑塊的破碎化、斑塊類型的混合、強熱島區的斑塊連通度降低，對促進熱量傳遞與高低壓區的大氣流動、減弱對熱舒適度的影響、降低熱島有著重要的作用.

5)通過對2001年前后的二級影響區分析，盡管斑塊破碎化，帶來了平均斑塊面積巨大降低，但并未改善熱島，反而增強了熱島影響.這說明高層小區的建設，雖然節約了用地，但是熱舒適環境卻大面積惡化，并使局部熱舒適等級嚴重升高.而多層小區的建設，卻增加了人體舒適度.

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