城市局部氣候分區對地表溫度的影響
——以大連市區為例

金珊合，張育慶，楊 俊，2

(1. 遼寧師范大學自然地理與空間信息科學遼寧省重點實驗室，遼寧 大連 116029； 2. 遼寧師范大學人居環境研究中心，遼寧 大連 116029)

城市化帶來一系列城市問題[1]。城市氣溫或地表溫度高于周圍農村被稱為城市熱島(UHI)效應[2]。城市熱島使城市氣候發生改變，地表溫度升高，人類熱舒適受到挑戰[3-4]。城市熱島問題一直是全球研究熱點，中國地表平均溫度增長速度比其他國家約高出一倍，若要為緩解氣候變化作出改變，需在城市規劃及降低地表溫度升高等方面作出努力。

近幾年，國內外學者分別從城市形態[5]、土地覆蓋[6]和研究方法[7]等幾個方面研究城市熱島時空格局。文獻[8]利用MODIS衛星產品提取土地覆蓋和地表溫度信息，發現快速的城市發展改變土地利用/覆蓋，從而造成地表溫度變化。文獻[9]采用統計年鑒和Landsat 8數據結合灰色關聯度方法研究城市熱島效應影響因子。文獻[10]利用遙感影像分析城市綠化與城市熱島。文獻[11]采用支持向量機(SVM)曲面擬合算法模擬城市熱島強度。文獻[12]研究發現不同區域內存在多種類型的景觀組合，從而形成相應的生態系統，因此當地氣候背景對城市熱島研究具有很大貢獻。為完善城市熱環境敏感的地表指標體系，文獻[13]將城市分為建成環境類型和自然環境類型，這樣的分類體系被稱為“局部氣候分區(local climate zones，LCZ)”。文獻[14]采用WUDAPT技術分類城市局部氣候帶，結果表明不同局部氣候帶具有明顯溫度差異。文獻[15]利用局部氣候帶分區方法對不同局部氣候帶進行風環境模擬并對風道進行規劃。文獻[16]利用遙感圖像劃分城市局部氣候帶，通過MUKLIMO_3模型研究不同局部氣候帶內熱舒適度，通過建筑數據、土地覆蓋等數據基于GIS方法對高密度的香港城市劃分局部氣候帶，表明LCZ分類系統具有普適性。文獻[17]采用遙感與GIS結合的方法對印度進行不同尺度下局部氣候帶劃分發現，LCZ映射技術需要根據城市的類型進行調整。目前國內對城市局部氣候分區研究正處于初級階段。綜上所述，本文以大連市建筑數據、Landsat 8和SPOT 5遙感數據為基礎，結合局部氣候分類方法、地表溫度方法、GIS空間分析法、劃分大連市城市局部氣候帶，定量分析研究區內不同局部氣候帶對城市地表溫度的影響，為未來城市規劃提供一定參考。

1 研究區和數據來源

1.1 研究區概況

大連市(38°43′—40°10′N,120°58′—123°31′N)，屬于北半球的暖溫帶地區，具有海洋性特點的暖溫帶大陸性季風氣候。全市總面積12 574 km2，其中市區包括中山區、西崗區、沙河口區和甘井子區，共有39個街道。中山區建筑類型多為中高層建筑，沙河口區大多分布多層建筑和少量中高層建筑，西崗區多為低層建筑和多層建筑，甘井子作為城市邊緣區分布著低層建筑和新建高層建筑。如圖1所示。

圖1 研究區概況

1.2 數據來源與預處理

選取大連市建筑矢量數據為基礎，結合SPOT 5、Landsat 8遙感數據(見表1)。依據國家《民用建筑設計通則》(GB 50352—2005)[18]，對建筑高度進行統計(見表2)，利用SPOT 5遙感數據提取城市綠地信息，并且根據《城市綠地分類標準》(CJJ/T 85—2002)，將城市綠地分為森林綠地、公園綠地、社區綠地和附屬綠地4類。

表1 數據來源與說明

表2 建筑高度分類

2 研究方法與實例分析

2.1 局部氣候帶分析

Stewart和Oke將城市局部氣候共分為17類，建筑類型為10個分類，土地覆蓋類型為7個分類，同時列出局部氣候帶的10個參數，其中建筑高度分為高、中、低3種，建筑密度分為緊湊和稀疏；土地覆蓋分為高密度、低密度樹木區、灌木叢區、低植被區、硬化地面、沙地和水體；局部氣候參數分別為天空開闊度、街道高寬比、平均建筑高度、地表粗糙等級和建筑密度等[13]。本文研究局部氣候對地表溫度影響，更關注建筑高度、建筑密度和綠地類型。結合我國城市發展現狀，建筑具有高大和密集的特征，因此本文將建筑高度分為5類(見表2)；城市中多為低植被區，郊區土地覆蓋為樹木區，因此本文將土地覆蓋類型分為森林綠地、公園綠地、社區綠地和附屬綠地4類綠地，最后將建筑類型與土地覆蓋進行合并共有19類(如圖2所示)。

通過對研究區劃分30 m格網，共有671 031個，統計網格內建筑類型和綠地類型，劃分局部氣候帶。

依據圖2，表明大連市整體建筑高度為低層建筑和多層建筑，僅沙河口區和中山區分布少量超高建筑，中山區、甘井子區東部和其他行政區沿海區域分布一些高層建筑,沙河口區和西崗區分布中高層建筑；就建筑密度而言，大連市主要建筑密度是中密度和較高密度，另外甘井子區具有大量森林綠地覆蓋，中山區多為公園綠地覆蓋。

2.2 地表溫度反演分析

文獻[19]的單窗算法演算地表溫度適用于只有一個熱紅外波段的TM6數據，本文將單窗算法和landsat 8中的TM10波段結合，估算地表溫度。具體公式為

(1)

式中，TS即為所求的地表溫度，單位為K；a和b為根據熱輻射強度和亮溫的關系擬合出來的系數。當亮度溫度在10～40℃時,a的取值為-67.355 351,b的取值為0.458 606；T10為傳感器的亮度；Ta為大氣平均作用溫度，單位為K；ε為T10的地表發射率；τ為T10的大氣透過率。

地表溫度能夠反應大連市UHI整體格局，本文將整體地表溫度整體分為9類，均勻間隔為2℃。根據圖3可以看出地表溫度空間分布。整體來看，地表溫度呈現東高西低的趨勢，城市中心區溫度遠遠高于郊區，建筑覆蓋地區地表溫度整體偏高，并且由于東部沿海區域具有一些工業區，因此地表溫度高，而甘井子區西南部有大量植被覆蓋，地表溫度較低。具體而言，地表溫度是28℃～30℃和30℃～32℃的比例分別為25%和27%，占整體的一半以上；同時，地表溫度是26℃～28℃和34℃～36℃的比例分別為15%和14%，地表溫度大于38℃的比例為1%，說明出現極端高溫現象。

圖3 地表溫度空間分布

2.3 局部氣候帶對地表溫度貢獻

利用疊加分析，統計不同類型局部氣候帶地表溫度范圍，定量分析局部氣候帶對城市地表溫度影響(如圖4所示)。

圖4 不同類型局部氣候帶地表溫度范圍

根據圖4，看出多層高密度建筑覆蓋區地表溫度最高。在相同建筑高度上，密度越大建筑區域，地表溫度越高；相同建筑密度，多層建筑覆蓋區地表溫度較高。建筑密度大區域植被較少，人為釋放一定熱量。綠地能夠降低地表溫度，森林綠地覆蓋面積最大，地表溫度最低，附屬綠地地表溫度最高，公園綠地和社區綠地地表溫度幾乎一致。

3 結 論

本文以大連市區為研究對象，通過劃分城市局部氣候帶，利用單窗算法反演地表溫度，定量分析了不同類型局部氣候帶對城市地表溫度的影響，研究表明：

(1) 城市內整體建筑平均高度為低層建筑、多層建筑和中高層建筑，建筑密度為中密度和較高密度。甘井子區具有大量森林綠地覆蓋，中山區多為公園綠地覆蓋。

(2) 大連市地表溫度整體偏高，在空間分布上，溫度呈現東高西低的趨勢，由于東部具有大量的建筑覆蓋，因此地表溫度較高；西部的甘井子區具有植被覆蓋，因此地表溫度相對低。定量分析地表溫度值的分布，其中28℃～31℃占比例最多達到50%，并且地表溫度大于38℃占比例1%，該區域出現極端高溫。

(3) 在相同的建筑高度上，密度越大的建筑區域，地表溫度越高；相同密度建筑，多層建筑高度覆蓋區地表溫度較高。建筑密度大區域植被較少，人為釋放一定熱量。森林綠地覆蓋面積最大，地表溫度最低，附屬綠地地表溫度最高，公園綠地和社區綠地地表溫度幾乎一致。