城市水體對熱島的緩沖性能沿河岸距離的變化規律

曾素平, 時 琢, 趙梅芳,*, 劉發林, 王光軍, 林 楊, 李沁園, 向枝遠, 陳小偉, U.S Ogbodo

1 中南林業科技大學生命科學與技術學院, 長沙 410004 2 南方林業生態應用技術國家工程實驗室, 長沙 410004 3 中南林業科技大學林學院, 長沙 410004

城市熱島效應(Urban Heat Island,UHI)是城市化導致城市地區氣溫或者地表溫度(Land Surface Temperature,LST)明顯高于城市周圍郊區的現象[1]。作為一種特殊的氣候特征,城市熱島效應的產生和發展主要受人類生產生活[2-5]和太陽輻射[6]的影響。隨著城市化進程的加快,城市下墊面改變影響地表對太陽輻射的吸收,同時自然植被遭受嚴重破壞,城市建設導致地表溫度逐年升高和熱島效應的增強[7],加劇空氣污染,嚴重影響了城市居民的生存環境和生活質量[8]。同時,城市熱島可影響植被生境狀況,進而影響城市生態系統的結構和功能[9]。因此,探究水體對熱島的緩沖性能對緩解城市熱島效應、改善居民生存環境以及城市生態可持續發展具有重要意義。

目前許多研究發現,以水體、綠地為主導的“冷島效應”是改善城市氣候、緩解城市熱島效應最有效的方式[10],植被能有效地削弱城市熱島效應[11-14],而研究城市水體對熱島效應的影響主要是因為城市水體對城市的發展有重要影響,水體作為調節生態環境的重要組成部分,在緩解城市熱環境方面具有顯著作用。水體能對熱島起緩沖作用主要是因為水體有著可以作為城市冷源的重要功能[15],其能夠大量吸收并儲存熱量,有利于緩解水體上空及附近的熱效應[16]。研究發現水體周邊的自然地形、用地區劃、離水體距離等都能影響水體對地表溫度的緩沖效應[17]。已有的研究主要探討城市熱島效應受水體[18-19]、土地利用/覆蓋類型和城市空間格局的影響[20-23]。有關水體對城市熱島效應的緩解作用,主要研究水體自身能量流動與周邊環境能量交換[24-26],一般僅將水體作為因素之一進行研究,而作專門研究的比較少見[27]。水體可在一定范圍內有效緩解城市熱島效應,但不同地區之間普遍存在差異[18]。有研究發現南京市水體對熱島效應的平均緩沖距離為300 m[18],而東莞市水體的緩沖距離為200 m[27]。緩沖距離主要受城市建設規模和布局的影響。景觀格局對城市熱島效應具有一定的緩解作用[28-29],在一定程度上影響熱島效應強度[30]。如卞子浩等[31]分析了景觀生態格局對熱島效應的緩解作用；孟丹等[32]將景觀生態學與熱環境研究結合,研究熱力景觀格局以及公園和道路景觀對熱島效應的緩解作用。謝啟姣等[33]則研究城鎮區域不透水面對熱島效應的影響過程。探究城市熱島效應特征及不同生態格局在城市熱島效應中的地位,對緩解城市熱島效應及對城市進行合理的生態規劃具有重要意義[34]。目前的研究僅探討小范圍內水體對其周邊地表的降溫作用,而且未考慮周邊用地類型、生態格局等因素的影響。本研究首次結合長沙市區湘江水體周邊生態格局及城市用地區劃,探討水體對周邊較大范圍內地表溫度的緩沖作用,為合理利用、規劃水體周邊用地和生態環境提供可行性依據。

長沙市城區從1988年至2008年,熱島強度年平均變化在0.76強度年平均變之間；長沙市熱島效應逐年增強,熱島的時空變化趨勢與建城區一致,隨建城區面積的增大而增大[35-36]。21世紀以來,長沙市城市化建設發展迅速,城區面積不斷擴張[37],熱島強度城區和郊區同步上升,嚴重影響居民生產生活[38]。隨著城市規模的擴大,建城區土地利用類型逐漸變化,大量綠地和耕地轉變為建設用地,水體的熱島緩解作用逐漸突顯出來[36]。湘江為湖南省內最大河流,湘江長沙段作為長沙市區最大水系,南北向橫穿主城區,因此可以認為湘江是長沙市城市生態系統的重要組成部分,對緩解長沙市熱島效應具有重要作用。已有研究主要對長沙市熱島效應時空演變的趨勢[35-36]及熱島成因進行探討[39],而將水體作為研究對象,并結合土地利用類型和生態規劃格局,探討水體對城市熱島緩沖作用的研究有待深入探討。因此本研究選擇長沙市湘江水體作為研究對象,并在沿江兩岸建立緩沖區,重點研究湘江對城市熱島效應的緩沖作用,得出不同土地利用類型對湘江緩沖能力的增強或抑制強度。通過分析長沙市地表溫度分布狀況及土地利用類型,探究長沙市湘江水體對城市不同規劃區熱島的緩沖效應,目的在于探索：(1)長沙市地表溫度和城市熱島效應整體分布特征；(2)湘江水體對熱島地表溫度的總體緩沖作用；(3)湘江水體對不同用地區劃間緩沖效應的分異特征；(4)湘江水體對各類用地區劃內不同生態規劃用地間緩沖效應的分異特征。為提高城市土地利用率,緩解城市熱島效應,提高城市居民舒適度,以及構建生態文明城市提供參考,為城市系統規劃提供理論和實踐依據。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

長沙市位于中國湖南省東北部,是長江中下游地區重要的中心城市,位于東經111°53′—114°5′,北緯27°53′—114°5′之間,屬亞熱帶季風氣候,夏季以東南風為主,冬季西北風為主。長沙市形狀狹長,東西兩側為山地,地勢相對較高,中部趨于平緩,整體地形呈馬鞍形[36]。

根據衛星地圖信息并結合實際情況,本次研究的實際范圍為以長沙市區為中心的矩形區域,包括長沙市城區和長沙縣的部分地區。東西長45.72 km,南北寬21.69 km,總面積為991.67 km2,地處長沙市中間區域的平緩地帶,湘江及其四條支流(瀏陽河、撈刀河、靳江河和溈水河)構成研究區的主要水系(圖1)。

圖1 研究區域

1.2 研究方法

1.2.1數據收集與預處理

本研究的數據主要來源于Landsat 8衛星遙感影像、長沙市統計年鑒[40]和《長沙市城市總體規劃(2003—2020)(2014年修訂)》等。其中,Landsat 8衛星遙感影像數據是通過地理空間數據云網站(http://www.gscloud.cn/)下載,選取了2016年研究地夏季成像的影像數據,影像中無云霧遮擋,地物類型清晰,成像效果理想,空間分辨率為30 m。地表溫度反演采用大氣校正法,地類提取采用監督分類法。

1.2.2總體緩沖區的建立及緩沖分區的設計

本研究通過對2016年衛星數據建立總體緩沖域、緩沖分區進行分析研究,并根據所選河流兩邊地勢、海拔、經濟、建筑以及規劃等綜合特征,將緩沖域進一步分維,生成3種具有明顯影響差異的方案(圖2)：

(1)總體緩沖區(圖2a)：中心為湘江長沙段主干,兩側為長沙市主城區。緩沖帶劃分原則為河岸自然分界線[41]。利用ArcGIS 10.0軟件,在水體周邊建立總體緩沖區。然后,將緩沖區平均切成100個緩沖帶,各緩沖帶寬度為50 m,總共劃分的緩沖面積為291.858 km2,緩沖范圍為5 km(50 m×100 m)。

(2)沿江兩岸緩沖分區(圖2b)：由于湘江東西兩岸主要用地類型和地勢不同,將總體緩沖區分為河西區和河東區,并根據總緩沖域分析結果重新建立適當距離的緩沖區(850 m)。

(3)沿江四分緩沖分區(圖2c)：根據用地類型將河西區和河東區分別劃分為河西沿江休閑區、河西沿江住宅區、河東沿江休閑區和河東沿江住宅區,并根據總緩沖域分析結果重新建立適當距離的緩沖區(800 m)。河西沿江住宅區和河東沿江住宅區主要為居住用地、工業用地、公共設施用地；河西沿江休閑區主要為綠地、水體、道路廣場、公共設施用地和居住區,河東沿江休閑區主要為綠地、公共設施用地、水體、居住用地[42-43]。緩沖區內地形表現為中部較低,西、南、東相對較高,河西休閑區內綠地主要為岳麓山、桃花嶺、谷山等,水體主要為咸嘉湖、桃子湖、后湖,河東休閑區綠地主要為黑糜峰、影珠山等,水體主要為撈刀河、月湖、青竹塘水庫等,而兩岸住宅區水體及綠地占比較小[44]。

圖2 緩沖效應域及分區示意圖

1.2.3統計與分析

首先,為了統計長沙市地表溫度和城市熱島效應整體分布特征,本研究對基于影像反演和監督分類得到的2016年整個研究區域的兩個柵格數據圖層(地表溫度和土地利用類型)進行分類統計。為了便于清晰展示地表溫度的空間分布格局,這里使用地表溫度等級法和熱島強度法將反演的地表溫度值進行標準化處理,(1)采用密度分割法[45-46]對地表絕對溫度進行分級[47-48],得到地表溫度等級圖；(2)本文中采用地表相對溫度來表示城市熱島強度[41],地表相對溫度是指某點地表溫度與平均地表溫度之差與平均地表溫度的比,其表達式為：

其次,統計湘江水體對熱島地表溫度的總體緩沖表現,并分析其對不同用地區劃間及區劃內不同生態規劃用地間緩沖效應的分異特征,本研究將總體緩沖區的圖層與地表溫度反演結果進行疊加,獲取各緩沖區內的地表溫度分布,并計算每個緩沖帶內的地表溫度的平均值、最大值、最小值、標準偏差。以X軸代表緩沖帶距水體邊緣的距離,Y軸代表地表溫度,則100個平均地表溫度點最終構成緩沖區的地表平均溫度曲線。地表最高溫度為各緩沖區內溫度最大值,100個最高地表溫度點最終構成緩沖區的地表最高溫度曲線。在LST曲線的坡面或者剖面劇烈變化的點之間插值,插值是在Microsoft Excel中對相鄰點進行加權平均,權重與給定點到相鄰點的距離成比例。

給定兩個值(x1,y1)和(x2,y2),y在x處的估計值為y1和y2的加權平均值：

插值點線性函數方程為：

沒有插值該區域的值,而是繪制平均LST,通過可視化和圖形分析,分析從每個緩沖區獲得的曲線,以發現在水體附近的溫度剖面中存在的任何代表其冷卻效果的傾角,對應的X值即為水體緩沖距離[41, 49-50]。

分析河東沿江兩岸緩沖分區(緩沖區共850 m,每個緩沖帶50 m,共17個緩沖帶)和沿江四分緩沖分區(緩沖距離共800 m,每個緩沖帶50 m,共16個緩沖帶)地表溫度分布特征的方法與總體緩沖區一致。

利用ArcGIS 10.0和Microsoft Excel 2010對數據進行初步統計和整理,采用IBM SPSS Statistics 21.0進行數據分析和模型擬合,作圖在R軟件上完成。

2 結果

2.1 長沙市LST與土地利用類型空間分布格局

根據2016年長沙市地表溫度空間分級圖,最高溫度為53.84℃,最低溫度為16.03℃,平均溫度為38.3℃,其中溫度33.19—53.85℃之間區域占90%(圖3,表1)。結合長沙市地表溫度分布圖和土地利用類型分布圖,長沙市熱島效應的空間分布與長沙市城市格局基本相符,市中心和長沙縣建筑用地地表溫度較高,以湘江為代表的水體、城市周邊綠地和裸地地表溫度較低,其中水體的地表溫度最低(16.08—31.19℃)。

表1 長沙市各地表溫度分級比重及其數量(像元大小：30 m×30 m)

圖3 長沙市2016年地表溫度(LST)分級及土地覆蓋特征

2.2 長沙市UHI的空間分布

由圖4可知,長沙市熱島效應嚴重,形成了河西住宅區、河東住宅區和長沙縣三個主要熱島區域。熱島效應高強度地區主要分布在河東住宅區和長沙縣,除少量綠地和水體外,上述地區大部分范圍具有強熱島效應,長沙縣更是出現0.65的極高熱島強度像元。但以湘江為代表的城市水體以及城市附近的綠地及裸地大多具有負熱島效應,表明這些區域具有降低城市溫度、緩解城市熱島效應的功能；尤其是城市內部的河流,在建筑密集區可有效降溫通風。

圖4 長沙市2016年熱島強度分布圖

2.3 湘江水體對熱島的LST及UHI緩沖效應特征

城市內部綠地和水體附近區域溫度低于周邊環境的現象稱為城市冷島效應(UCI)。UCI效應被認為是由城市綠地與水體的遮蔭效應或蒸散效應造成的。由緩沖分析結果可知(圖5),湘江作為城市內河的確產生了UCI效應,湘江明顯降低了水體周邊的地表溫度,通過建立精度更高的小尺度緩沖區(50 m × 17 m),最終確定湘江對最高溫度的緩沖距離達到400 m,對平均溫度的緩沖距離達到450 m。

圖5 湘江周邊緩沖域的LST分布特征

2.4 緩沖效應在河西區和河東區的分異特征

湘江對東西兩岸的平均緩沖距離為400—450 m,因此對河西區和河東區分別建立規格為850 m(50 m × 17 m)的緩沖區,提取緩沖區內的最高溫度和平均溫度,結果表明：湘江對河西區最高溫度的緩沖距離為250 m,平均溫度的緩沖距離為350 m(圖6)；對河東區最高溫度的緩沖距離為450 m,平均溫度的緩沖距離為400 m(圖7)。

圖6 湘江西岸緩沖域的LST分布特征

湘江對河西區的緩沖距離較短,但隨距離變大,該區域的最高溫度和平均溫度均呈現下降趨勢。相比之下,河東區大部分面積為建設用地,但并無高熱排放源,且沿江區域有大面積水體、綠地作為緩沖帶(圖3 b),增加湘江對河東區的緩沖效應；100—200 m的區域內,由于建筑用地的影響湘江的緩沖作用降低,但隨著距離增大,該區熱島效應得到緩解。在緩沖距離650 m處,平均溫度和最高溫度都急劇下降,隨后又逐漸上升(圖7)。

圖7 湘江東岸緩沖域的LST分布特征

2.5 緩沖效應在河西區和河東區不同用地區劃間的分異特征

湘江對河東區緩沖效應比河西區弱；而與住宅區相比,湘江對河東和河西休閑區的緩沖效應更強(圖8—圖11)。

與河西住宅區相比,河西休閑區的最高溫度呈顯著上升趨勢。湘江對河西休閑區最高溫度和平均溫度的緩沖距離均為350 m(圖8)；在緩沖區650 m處,最高溫度和平均溫度均呈下降趨勢。湘江對河西住宅區最高溫度的緩沖距離為250 m,對平均溫度的緩沖距離僅為150 m(圖9)。

圖8 河西沿江休閑區緩沖域的LST分布特征

圖9 河西沿江住宅區緩沖域的LST分布特征

湘江對河東休閑區最高溫度的緩沖距離為250 m,對平均溫度的緩沖距離僅為200 m(圖10)；對河東住宅區最高溫度和平均溫度的緩沖距離均為150 m(圖11)。河東休閑區綠地面積占比在四個分區中最高,但該區地表最高溫度前期上升迅速,且緩沖距離未達到平均水平。河東住宅區為長沙市中心城區,以居住用地和工業用地為主,城市熱島效應相對顯著,湘江緩沖效應較小。

圖10 河東沿江休閑區緩沖域的LST分布特征

圖11 河東沿江住宅區緩沖域的LST分布特征

3 討論

3.1 城市LST及UHI分布特征

城市LST變化引起城市熱島效應,LST是影響UHI效應的主要因素[51],地表溫度越高熱島效應越強,但城市規模和用地類型對其具有一定影響,研究認為城市內公園、綠地、濕地顯著影響城市熱島效應[52],城市水體可通過蒸發緩解熱島效應[42]。目前有許多關于長沙市城市熱島效應時空分布的研究,大部分認為長沙市的溫度逐年增加且城市熱島空間分布與城市建成區的范圍相吻合[35]。例如,研究發現長沙市城區和郊區的氣溫同步增高,同時熱島強度越來越大[38]。葉鈺等[36]發現長沙城區年平均氣溫從本世紀初的17.2℃,猛增到2008年的18.1℃,夏季極端高溫近年達到39.8—40.6℃,城區地表溫度明顯高于周邊郊區,長沙市熱島空間范圍逐年增加,并且熱島的演變規律與城區范圍擴大的趨勢相同,這是因為城市擴展引起下墊面的性質發生變化,如地表反照率和熱容性等地表第一性物理參數[53],城區地表溫度高于郊區與本研究結果一致,本研究利用2016年數據發現市中心和長沙縣建筑用地地表溫度高于水體、城市周邊綠地和裸地,研究近年熱島趨勢且范圍更為明確。而由于小水體(如年嘉湖、躍進湖等)的存在以及較好的綠化植被,城市中部的烈士公園熱島強度較弱[35]。對于其他城市熱島效應的研究發現,大部分城市熱島效應增強,如福州地表溫度逐年升高[54]；南京市熱島效應強度和范圍也在增長,城鎮居民點及工礦用地與城市熱島效應變化范圍基本吻合[7]；武漢市的城市熱島分布規律也與城市空間格局相似,主要是因為人口增大、建筑物增多[55],這與長沙市LST及UHI分布特征部分一致。研究也發現,隨著鄭州市建成區的不斷擴大,城市熱島效應不斷加劇,市區高溫區變化趨勢與低植被覆蓋區和城鎮居民用地變化趨勢基本相同[56],這與本研究中河東、河西住宅區熱島效應較強一致,因為區域內主要為居住用地和工業用地,植被覆蓋率低。而通過對西安市熱島效應研究則發現,熱島效應先由主城區擴張,但之后主城區熱島效應減弱,周圍區(縣)則明顯增強,這與本研究不同是因為西安市城區熱島效應受景觀格局影響顯著[57]。本研究發現,長沙市熱島強度整體表現為建筑用地最強,以湘江為主的水體最弱,綠地和裸地居中。大部分研究與本研究趨勢一致,大都表現為建筑用地熱島效應最強[58]。例如,白麗月[59]發現福州市區不同用地類型熱島強度特征與本研究一致,其發現熱島強度表現為水體<林草地<耕地<建設用地。有研究則發現熱島強度的差異與太陽輻射強度相關,表現為森林熱島強度小于農田,這是因為森林的蒸騰作用顯著大于農田的蒸散[60]。而有研究則發現土地類型的分布與地表溫度分布的空間格局基本吻合,城市用地、裸地或無植被區域的熱島強度高于其他下墊面[15],這與本研究結果城區內部分水體與綠地熱島效應較弱一致,但研究未對小范圍內的用地進行劃分,本研究則對湘江兩岸的城市用地類型進行細分(住宅區、休閑區)。

3.2 水體對熱島的緩沖效應特征

本研究發現湘江對長沙熱島效應具有緩沖作用,河道周邊土地利用類型和緩沖范圍內的自然地形等是影響緩沖距離的主要因素。有研究發現離水體距離增大,降溫效果逐漸減弱[61],這與本研究中水體對周邊環境地表溫度在一定距離內具有緩沖作用相同,本研究發現湘江對長沙市熱島效應的平均緩沖距離為400 m。通過與眾多研究結果對比發現(表2),本研究區域內的平均緩沖距離與其他研究區域的結果處于同一數量級,說明本研究在水體兩岸建立大范圍及小尺度的緩沖區具有一定的科學性和準確性。與其他研究結果相比,湘江長沙段主干對城市熱島效應的緩沖能力更強,甚至是韓國首爾[64]的兩倍,這主要是由湘江自身的性質決定的,湘江作為湖南省境內最大河流、長江的主要支流,江面廣闊,水流量大,而且湘江南北向縱貫長沙市中心城區,是優良的溝通城區與郊區的天然通風廊道。盡管南京市的研究主體是長江南京段,但是城市水體僅在300 m范圍內可以顯著消減城市熱島效應[18],這是因為南京市的城市規模更大[62],熱島效應的程度更高,長江對南京市熱島效應的緩沖能力被弱化,反而使得緩沖距離不如湘江。李東海等[27]發現東莞市河流對城市熱環境有一定的緩解作用,有效范圍約200 m左右,研究發現河流寬度是影響緩沖距離的主要因素,河流越寬,緩沖作用相對越強,這與本研究不同是因為其主要探究河流寬度與緩沖距離的關系。劉勇洪等[65]發現北京市區水體對周邊最大300 m范圍內的建筑區地表溫度具有降溫效應,其發現大面積的水體是緩解城市熱島效應的主要來源,說明湘江水體面積較大是緩沖距離較大的主要原因。同時王琳等[66]研究發現綠地、水體和高大建筑及其陰影都會影響地表溫度,從而影響水體溫度調節作用與緩沖距離的相關性。

表 2 不同研究區緩沖分析結果的差異比較

本研究發現湘江水體對河西區的緩沖效應大于河東區,對沿江休閑區的緩沖效應大于住宅區。有研究發現熱島效應的作用強度主要與城市內水體面積和分布相關,城市濕地的形狀及主導風向顯著影響城市熱島效應[34,67],這與本研究相似,主要是因為河西區水體(咸嘉湖、桃子湖、后湖)較多,且地勢相對河東地區較為平坦,主導風向對其作用顯著。有研究發現水體周邊非建筑用地占比增加會擴大水體降溫影響范圍[41,65],張元等[68]發現綠地和水體可有效緩解城市熱島效應,而城市不透水面是造成城市熱島效應的主要影響因子,王美雅和徐涵秋[22]也認為城市空間格局影響熱島效應,而減少城市不透水建筑的數量,增加綠化面積、保留水體可大幅度緩解城市熱島效應[69],這與本研究中水體對河西區及休閑區緩沖距離較大一致,說明湘江對該區緩沖作用強主要是因為此區域主要為非建筑用地(綠地、水體),而住宅區主要是不透水面的建筑用地(居住用地、工業用地)。

3.3 展望

綜合目前已有研究,當前城市熱島效應研究在各個方面均有大量的研究成果已見報道,普遍采用遙感技術獲取城市熱島效應分布及變化趨勢,但缺乏對小尺度地物溫度特征的定量分析,致使現有研究結果不夠精準,未來研究需加強小區域內熱島特征分析,提高數量級精度,探究地物提取的最適合起點面積。已有研究發現用地類型及城市生態格局對城市熱島具有重要影響,大部分研究小范圍內的綠地或者水體對周邊區域的降溫作用,現代城市內部除了面積較大的自然河流,也存在一定面積的人工水體,但其對周邊環境的降溫作用研究還比較缺乏。未來研究需結合水體周邊建立大范圍的緩沖區,同時將多個相鄰水體綜合探究,研究其相關性及總體緩沖效應?，F有研究未從多尺度、多空間等方面綜合分析熱島緩沖作用,很多具有現實意義的科學問題尚未解決。例如,水體周邊建筑高度對降溫的效應有何影響；如何合理規劃城市空間格局降低熱島效應、增強水體熱島緩沖作用需進一步探討。因而,未來的研究還需綜合當前成果,通過高技術手段獲取精準城市地物溫度及長時間系列數據,為城市區域尺度的城市格局規劃提供切實可行的依據和對策。

4 結論

本研究分析長沙市2016年中心城區熱島強度,對湘江長沙段主干進行多尺度的緩沖分析,得出結論如下：

(1)長沙市地表溫度和熱島強度的空間分布與城市建筑用地分布密切相關,長沙市中心城區熱島效應極強,周邊綠地、水體、裸地等較弱。

(2)水體周邊地表溫度均隨距離的增大而增大,在一定距離趨于穩定,湘江水體對長沙市熱島效應的緩沖距離為400 m,緩沖效應較強。

(3)湘江對河西區的緩沖效應大于河東區,對休閑區的緩沖效應大于住宅區。說明城市水體在一定范圍內對周邊地區地表溫度具有緩沖作用,影響緩沖距離的因素包括河道周邊土地利用類型和緩沖范圍內的自然地形等。

近年來,生態學研究受到了廣泛的關注,與人類日常生產生活息息相關的城市生態學更是得到高度重視。然而,城市作為人工建造物和人類聚集地,大規模的改造重建是不現實的。因此,只有發掘城市內生態規劃的合理性,同時適當對城市內部進行小規模的改造,才能在保持城市現狀的前提下最大程度的緩解城市熱島效應。研究長沙市湘江水體對城市熱島的緩沖效應可為其他城市進行生態規劃和改善居住地生態環境提供理論指導。