城市局地氣候分類的地表熱島效應

劉 衍,慕凱凱,韓 冰,張沫巖,鮑嘉陽,楊 柳

(1.西部綠色建筑國家重點實驗室(西安建筑科技大學),西安 710055；2.西安建筑科技大學 建筑學院,西安 710055)

城市化進程引發的地表性質和空間形態變化對城市氣候產生了極大的影響[1-2]，導致熱島效應等問題的產生[3]．熱島效應嚴重危害城市熱環境和人居環境質量，由此導致的極端高溫會引起人們發病甚至死亡[4]．為實現健康舒適的人居環境，評估和緩解城市熱島的相關研究受到學者的廣泛關注[5-6]．熱島效應研究通常以空氣溫度和地表溫度(Land surface temperature，LST)為主要指標，而這兩個指標在除太陽輻射外主要受地表性質和城市形態的影響，故研究多圍繞這些因素展開．

Stewart等[7]采用統一的分類方法區分地表性質和城市形態，這種方法被稱為局地氣候分類(Local climate zone，LCZ)．國內外已有不少學者使用此方法研究城市熱島效應．部分學者通過對城市中不同類型LCZ的測試分析，得出熱島強度與建筑密度呈正相關，與綠地率、水體面積比呈負相關[8-10]．通過實測手段獲取空氣溫度數據往往存在測試站點少、難以實現較大范圍研究的缺陷，遙感技術的發展使得越來越多的遙感影像可以反演獲取LST數據[11]，能夠表征大范圍城市熱環境的空間分布狀況，因此遙感方法已經成為城市熱島研究的一個重要手段．有學者分別研究地表性質和城市形態對地表溫度的影響，指出建設用地區域地表溫度顯著高于其余類型用地，地表溫度與建筑密度呈正相關[12-13]．

遙感影像可以覆蓋較大的范圍，但部分使用遙感手段的研究往往僅針對地表性質單一因素，并未將地表性質和城市形態結合起來．LCZ方法能夠綜合地表性質和城市形態，然而目前國內通過LCZ方法研究城市熱島正處于起步階段，且多關注一些沿海城市如上海[14]、深圳[15]等，對內陸城市研究較少．本文將采用建筑矢量數據和Landsat8遙感影像，綜合考慮地表性質和城市形態，對西安市主城區進行局地氣候分類．通過Landsat8遙感影像反演夏季地表溫度，定量分析研究不同類型LCZ內地表溫度的分布特征，揭示城市形態和地表性質對地表熱島效應的影響作用．

1 研究方法

1.1 研究區域

西安是陜西省省會，陜西省政治、經濟、文化中心，中國四大古都之一．位于黃河流域中部的關中盆地[11]，東經107°40′～109°49′和北緯33°42′～34°45′之間，平均海拔424 m，土地總面積約10 108 km2．四季分明，1月最冷，平均溫度為0.8 ℃～-2.7 ℃，7月最熱，平均溫度在29 ℃以上，全年盛行東北風，年均風速1.7 m/s[16]．本文研究范圍以主城區6個行政區為主，包括未央區、新城區、碑林區、蓮湖區、雁塔區以及灞橋區(如圖1所示)，總面積約936 km2．

圖1 研究區域示意圖

1.2 數據來源與說明

本文主要使用Landsat8遙感影像和西安市主城區建筑矢量數據，遙感數據用于地表性質分類和地表溫度反演，建筑矢量數據用于城市形態分類和相關指標計算．表1為數據來源與說明．

表1 數據來源與說明

1.3 局地氣候分類

Stewart等[7]將城市局地氣候分為10種建成環境類型(LCZ 1～LCZ10)和7種自然環境類型(LCZ A～LCZ G)，定義一個LCZ為半徑最小200～500 m的范圍，同類LCZ內城市形態基本一致，在晴朗、微風、少云的天氣條件下有相似的氣候特征．基于此分類標準，LCZ分類方法同樣引人關注，目前主要有3種：人工采樣法、GIS分類法和遙感影像分類法．人工采樣法需要現場測量，費時費力且需要專家認讀，應用較少[17]．GIS分類法依靠精確的城市數據可以達到較高的精度[18]，但部分地區難以獲取完整的城市數據，因此也尚未得到廣泛應用．遙感影像分類法通過分析光譜信息將研究區域自動劃分為不同的LCZ．2015年，多位學者共同提出了世界城市數據庫和訪問門戶工具(World urban database and access portal tools，WUDAPT)，開發出利用免費遙感數據和軟件的LCZ分類方法[19]，目前遙感影像法已成為LCZ分類方法中的主流，應用廣泛．

也有學者針對特定研究區域，對分類標準和方法加以改進，取得較好的成果[20-21]．總體來看，目前研究中分類標準以Stewart等[7]提出的17種類型為主，分類方法則以GIS和遙感影像為主．

本文將基于Landsat8遙感數據和建筑矢量數據，采用UTM/WGS1984投影坐標系，結合GIS和遙感影像分類方法對西安市主城區進行LCZ劃分，共分為地表性質LCZ和建成區LCZ兩大類[7,21]．

1.3.1 建成區LCZ分類

使用Gis10.2軟件分析建筑矢量數據，GB50352—2005《民用建筑設計通則》[22]規定: 建筑高度可分為低層、多層、中高層、高層和超高層5類，因西安超高層建筑數量較少且分布較散，故將超高層與高層建筑合并，得到4種建筑高度分類．隨后計算建筑密度，結合Stewart等[7]提出一個LCZ的范圍，在研究區域內劃分200 m×200 m網格計算建筑密度．組合建筑高度和密度，得到8種建筑形態類型，分別歸類為一種建成區LCZ，表2為各類建筑形態和相對應的建成區LCZ類型．

表2 建筑形態分類及對應的LCZ類型

1.3.2 地表性質LCZ分類

在ENVI 5.3軟件中采用監督分類法對遙感影像進行分類，將地表性質分為草地、農田、林地、水體、裸地以及不透水面6類，分別歸類為一種地表性質LCZ，表3為各類地表性質和相對應的地表性質LCZ類型．地表性質分類所用遙感數據成像時間為2017年4月1日11時19分，云量為0.18%．

表3 地表性質分類及對應的LCZ類型

1.4 地表溫度反演

目前使用遙感數據反演地表溫度的方法主要有以下幾種：單窗算法、分裂窗算法以及大氣校正法，不同的方法適用于不同類型的遙感數據．對于Landsat8數據，單窗算法和大氣校正法的反演精度得到研究者們的一致認可[23-24]．本文通過ENVI5.3軟件使用大氣校正法反演地表溫度，圖2為該算法的流程圖[24]．地表溫度反演所用遙感數據成像時間為2016年6月17日11時19分，云量為0.03%．

圖2 大氣校正法反演地表溫度流程[24]

2 結果與分析

2.1 局地氣候分類結果

將兩大類LCZ合并得到14種小類LCZ(如圖3所示)，結果表明建成區集中分布于中部，裸地多分布于西部和北部．建成區內植被多為草地，建成區外北部多為草地和農田，南部農田居多，林地主要分布于東部和東南部．灞橋區和未央區建筑多為低層和中高層，蓮湖區、新城區以及碑林區由于處于老城區風貌保護范圍內，故多為中高層建筑，雁塔區高層和中高層建筑較多．

圖3 西安市主城區LCZ分布圖

2.2 地表溫度反演結果

地表溫度反演結果如圖4所示，總體來看地表溫度北高南低．建成區溫度整體偏高，建成區外，裸地及不透水面地表溫度較高，北部和西南有部分裸地出現極端高溫，水體溫度最低．

圖4 西安市主城區LST分布圖

統計分析各類LCZ的地表溫度，結果表明LCZ之間溫度存在較大差異，建成區LCZ溫度整體高于地表性質LCZ(42.2 ℃>39.9 ℃)，但溫度變化更穩定(如圖5所示)．

2.2.1 建成區LCZ地表溫度分布特征

建成區LCZ內，建筑高度相近的區域，建筑密度越大地表溫度越高(如圖5所示)，即LCZ 1(41.9 ℃)>LCZ 5(40.1 ℃)、LCZ 2(43.1 ℃)>LCZ 6(41.4 ℃)、LCZ 3(43.4 ℃)>LCZ 7(41.7 ℃)、LCZ 4(44.0 ℃)>LCZ 8(41.9 ℃)．高建筑密度意味著更密集的硬質鋪裝表面和人為放熱，同時減少了通風散熱空間，因此地表溫度較高．

同密度的建筑區域內，建筑越高，地表溫度越低(如圖5所示)，即LCZ 1(41.9 ℃)

圖5 各類LCZ的地表溫度

2.2.2 地表性質LCZ地表溫度分布特征

除裸地和不透水面外，地表性質LCZ地表溫度顯著低于建成區LCZ．總體呈現出LCZ E(42.2 ℃)=LCZ B(42.2 ℃)>LCZ F(41.4 ℃)>LCZ A(40.2 ℃)>LCZ C(39.1 ℃)>LCZ D(34.5 ℃)．裸地能接收大量的太陽輻射，同時土壤和不透水面有較高的蓄熱能力，使得地表溫度較高．植被型LCZ地表溫度較低，主要是由于植物葉片的蒸騰作用帶走熱量而降溫．3種植被型LCZ中，LCZ C地表溫度最低，這是因為林地的植被高度高于其余兩類，同時葉面積指數較大，在有效遮擋太陽輻射的同時通過蒸騰作用帶走更多的熱量．LCZ B地表溫度較高的原因與西安市農作物種植模式有關，此景遙感影像成像于2016年6月17日，此時區域內多數種植小麥的農田剛經歷收割而無植被生長，這些農田在此時可歸類為裸地(LCZ E)，同時農田區域會受到較多的人為放熱影響，因此地表溫度較高．

2.3 地塊分析結果

統計分析發現各類LCZ的地表溫度變化范圍較大，為進一步研究不同LCZ城市形態和地表性質對地表溫度的影響，在研究區域內選取地塊進行分析：每一類LCZ中選取直徑為500 m的地塊，共得14個，統計各地塊地表溫度，并計算建成區LCZ地塊內的城市形態參數．采用的參數包括：建筑密度(Building surface fraction, BSF)、綠地率(Ratio of green space, GSP)和下墊面粗糙度(Height of roughness elements, HRE)，采用地塊內的建筑平均高度代表該地塊的HRE，表4為各類LCZ所選地塊．在此基礎上，以涇河國家基準氣候站為中心選取直徑500 m的地塊，統計該地塊地表溫度，用以計算各地塊的地表熱島強度．

表4 所選LCZ地塊的影像和形態特征

2.3.1 各地塊地表溫度分布特征

統計各地塊的地表溫度，結果表明各地塊溫度與相應的LCZ地表溫度有大致相同的分布趨勢，但溫度變化范圍較小(如圖6所示)．涇河站地塊地表溫度均值為41.2 ℃，溫度變化范圍較大，是受該區域內多樣的地表性質所致．分析建成區LCZ地塊地表溫度與城市形態參數的關系，根據圖7(a)、圖7(b)所示，建筑密度高的地塊地表溫度高于低密度地塊，建筑密度越大，地表溫度越高．根據圖7(c)、圖7(d)所示，綠化率越高的地塊，地表溫度越低．根據圖7(e)、圖7(f)所示，在高密度的地塊中，建筑高度越高，地表溫度越低，這說明對于高密度的建成區域，建筑越高，越有利于遮擋太陽輻射而降低地表溫度．此外，對于建成區而言，綠化能產生一定的降溫作用，且這種降溫作用在低密度建成區內更明顯．

圖6 各地塊的地表溫度

圖7 地表溫度與城市形態參數的關系

2.3.2 各地塊地表熱島強度分布特征

傳統研究中，城市熱島強度是指城區平均氣溫與周圍郊區平均氣溫的差值，本文以城區各地塊的平均地表溫度與涇河氣候站地塊平均地表溫度的差值代表各地塊的地表熱島強度，計算所得各地塊熱島強度如圖8所示．建成區LCZ地塊內，地塊1、5、6、7、8熱島強度較低．地塊1和5熱島強度較低的原因是這兩個地塊為高層建筑區域，建筑對太陽輻射有顯著的遮擋作用，因此緩解熱島效應．地塊6、7、8均為低密度建筑區域，熱島強度低于高密度建筑區域，其中地塊7和8熱島強度均為負值，即產生“冷島效應”，這是因為這兩個地塊綠地率較高，通過植物的蒸騰作用降溫而緩解熱島強度．地表性質LCZ地塊內，地塊9、10和13熱島強度較高，其中地塊9為開敞的草地，能夠接收較多的太陽輻射，雖然植被能夠通過蒸騰作用帶走熱量，但是低矮植被較弱的蒸騰作用難以彌補開敞地塊接收到的太陽輻射，因此熱島強度較高．地塊10所在區域為尚無植被生長的農田，此時該地塊如同地塊13均為裸地，土壤較高的蓄熱能力使得這兩個地塊熱島強度較高．地塊11和12熱島強度均為負值，分別為-6.6 ℃、-10.6 ℃，這是因為地塊11為林地，植被的遮陽和蒸騰作用顯著降低熱島強度．地塊12為水體，水的比熱容較高，在接收太陽輻射后升溫較慢，同時通過潛熱交換而降低溫度，因此緩解熱島效應．地塊11和12產生的“冷島效應”說明水體和植被能夠對城市熱島效應起到顯著的緩解作用．

圖8 各地塊的地表熱島強度

3 討 論

局地氣候分類方法用以研究城市氣候已有成熟的體系，但是在分類時仍會存在一些問題，如采用遙感影像法分類，部分地區會受不同季節植物的生長狀況影響而導致分類結果出現偏差，同時冬季降雪影響的地表和光譜變化也會影響分類結果．此外，采用GIS分類法，計算城市形態指標需要設置網格，而網格尺寸的選取目前尚未有統一的標準，研究者需要針對特定情況，選取合適的網格尺寸[25]．此外，目前城市化造成的多元地表性質使得局地氣候分類在合適的范圍內[7]較難區分出單一地表性質如不透水面(廣場、道路)等，建成區也不只有單獨的建筑，往往是多種地表性質綜合出現，因此未來的研究中需要采用更精確和多樣的城市形態參數來定義城市局地氣候分類，從而使得分類結果更精確[19]．

城市氣候問題已成為人們關注的熱點，城市規劃師應當具備一定的城市氣候知識，在做出城市規劃設計時考慮對城市氣候的影響，從而在根源避免一些氣候問題的發生．本文的研究結果表明，地塊的建筑密度越大，熱島強度越高，綠化率較高的地塊和水體熱島強度較低．例如高密度建成區LCZ(1-4)地表溫度高于低密度建成區LCZ(5-8)；建成區地塊中，高密度地塊(1-4)的熱島強度為-0.5 ℃～3.6 ℃，低密度地塊(5-8)則為-3.4 ℃～0 ℃；綠化率較高且建筑密度較低的地塊(7-8)熱島強度分別為-1.2 ℃和-3.4 ℃；地表性質LCZ地塊中，水體和林地的熱島強度均為負值，產生了冷島效應．這說明可以通過增加綠化和水體以及降低建筑密度來緩解城市熱島，在未來城市規劃中對于一些建成區的更新改造，可以通過增加綠化以及白天利用水的蒸發潛熱來緩解高溫，新的規劃地塊則可以通過控制建筑密度，綜合考慮綠化和水體的布置來緩解城市熱島[26]．此外，地塊1的熱島強度為-0.5 ℃，同樣產生冷島效應，這也可以為城市規劃提供啟示，即在考慮綠化及水體的同時在室外人流密集的區域設置遮陽設施，通過減少太陽輻射直射來緩解高溫，為人們提供舒適的環境．

本文存在一定的局限性，如僅使用地表溫度這一指標來研究城市熱島，若再加入氣象數據如空氣溫度[8-10]等可能獲得更好的效果．相比使用遙感數據反演得到的地表溫度，氣象站實測得到的空氣溫度數據能夠更好的表征城市熱島效應，一是地表溫度反演自身存在一定誤差，二是反演結果僅能表征某一時刻的地表溫度在空間上的分布，不能體現時間上的變化，有學者指出，城市熱島效應在季節、晝夜不同時呈現截然不同的狀況[27-28]．因此未來的研究中若能在本文的基礎上結合氣象站實測數據實現熱島效應在時空變化的分布特征，將能為熱島效應的緩解、人居環境質量的提升提供更多的幫助．

4 結 論

1)建成區LCZ地表溫度(42.2 ℃)整體高于地表性質LCZ(39.9 ℃)，但溫度變化更穩定．建成區LCZ中，高密度的LCZ地表溫度高于低密度LCZ．地表性質LCZ中，水體區域地表溫度最低，植被型LCZ溫度低于裸地和不透水面LCZ．

2)建成區LCZ地塊中，綠化有顯著的降溫作用，其中地塊7(40.0 ℃)和地塊8(37.8 ℃)均低于其余地塊．高密度高層建筑的遮陽作用也能降低地表溫度，其中地塊1溫度為40.7 ℃．地表性質LCZ地塊中，裸地和不透水面的地表溫度較高．

3)不同類型LCZ地塊的地表熱島強度有顯著差異．建筑密度和不透水面比例越高的地塊熱島效應越強，水體和綠地率較高的地塊熱島強度較低．其中地塊4和地塊13熱島強度較高，地塊7、8、11、12熱島強度均為負值，產生了“冷島效應”，說明水體和綠化能有效緩解城市熱島效應，地塊1同樣產生“冷島效應”，在城市規劃中綜合考慮綠化和水體的布置，降低建筑密度同時在室外人流密集的區域設置遮陽設施將有利于緩解熱島效應，提高人居環境質量．