黃煥春，運(yùn)迎霞，王世臻，劉成哲，李洪遠(yuǎn)

(1.天津大學(xué)建筑學(xué)院城市規(guī)劃系，300072天津;2.南京林業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林學(xué)院城市規(guī)劃系210037南京;3.淄博智達(dá)建筑設(shè)計有限公司，255000山東淄博;4.南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，300071天津)

中國城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，各大城市建成區(qū)面積迅速增加，近30年來擴(kuò)張了5.5倍［1-2］.與此相伴城市熱島效應(yīng)不斷加劇，2013年多地城市突破歷史最高氣溫，同年新華網(wǎng)報道7月上海中暑死亡超過十余人.城市熱島強(qiáng)烈地改變著城市生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(chǎn)生了嚴(yán)重影響.

近年來，衛(wèi)星遙感技術(shù)，顯示了其大范圍監(jiān)測城市溫度場的巨大優(yōu)勢，各國學(xué)者紛紛利用衛(wèi)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(guī)模［8］、城市空間結(jié)構(gòu)［9］，城市規(guī)劃建設(shè)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(shù)，分析遙感反演的熱島強(qiáng)度文獻(xiàn).但目前，熱島強(qiáng)度分類中，尚未有確切的生態(tài)學(xué)和人體生理學(xué)等依據(jù).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(tài)學(xué)意義等.由此可見熱島強(qiáng)度、熱舒適度受影響等級劃分標(biāo)準(zhǔn)的重要性.

本文基于人體舒適度和高溫生理反應(yīng)，提出了熱島強(qiáng)度與熱舒適度的等級劃分標(biāo)準(zhǔn);劃分1992—2011年天津市主城區(qū)夏季熱島對熱舒適度影響等級分區(qū);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(guī)律.從而在城市規(guī)劃過程中，提出有針對性的規(guī)劃方案，具有緩解夏季城市熱島、提高城市環(huán)境舒適度、降低能耗和碳排放的重要意義［13］.

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為天津市主城區(qū)(圖 1)，面積2 080 km2，位于華北平原東北部，下轄和平、南開、河?xùn)|、河西、紅橋、河北、東麗、津南、西青、北辰等10區(qū).2011年主城區(qū)人口為697萬.1992年主城區(qū)城鄉(xiāng)建設(shè)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(kuò)散，新建居住區(qū)主要集中在中環(huán)線與外環(huán)線之間;市級中心主要集中在和平區(qū)，大型商業(yè)設(shè)施在市中心區(qū)海河南岸高度聚集;高校主要集中在南開區(qū)和周邊地區(qū)，已出現(xiàn)向中心城區(qū)外圍轉(zhuǎn)移的趨勢.近年來，天津啟動了工業(yè)東移戰(zhàn)略，中心城區(qū)用地布局得到了調(diào)整.2005年新版總規(guī)實(shí)施后，城市空間發(fā)生了很大變化.

1.2 研究數(shù)據(jù)

根據(jù)本研究的對象和目的，以7、8月TM遙感影像為數(shù)據(jù)源.為保證數(shù)據(jù)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(nèi)平均風(fēng)速小于2.3 m/s.衛(wèi)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(shù)據(jù)對研究夏季熱島效應(yīng)對人體熱舒適度影響具有很強(qiáng)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(guī)劃圖與現(xiàn)狀圖.

圖1 研究區(qū)TM衛(wèi)星影像與行政區(qū)劃

數(shù)據(jù)處理過程如下:首先，將遙感影像進(jìn)行配準(zhǔn)和幾何精校正，把衛(wèi)星影像統(tǒng)一校正到1∶1萬地形圖，校正采用二次多項(xiàng)式，并用3次卷積法進(jìn)行灰度插值，校正誤差控制在一個像元內(nèi).然后，將數(shù)據(jù)重采樣至30 m分辨率，統(tǒng)一投影為WGS-1984-UTM-50N，以便保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性.最后，利用ArcGIS軟件建立數(shù)據(jù)庫，對不同時期的遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)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(jù)

本文研究對象突出的是地表熱島所施加的影響，而非當(dāng)時氣溫絕對達(dá)到地表溫度.本文研究數(shù)據(jù)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(dāng)平抑溫度較高的地物，因而就會出現(xiàn)反演的地表溫度非常接近實(shí)際氣溫的現(xiàn)象.對比1999—2013年城郊的24個觀測點(diǎn)實(shí)測溫度與反演溫度，發(fā)現(xiàn):反演平均誤差為0.42℃，郊區(qū)平均誤差為1℃，城區(qū)內(nèi)居住區(qū)、商業(yè)區(qū)附近的平均誤差為0.39℃，由此證明TM影像反演結(jié)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(xié)同變化的規(guī)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(guān)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(dǎo)、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(jìn)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(dá)到10∶30衛(wèi)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(qiáng)度，研究熱舒適度受影響情況，具有很強(qiáng)的合理性和可行性.

2.1.2 劃分結(jié)果

為了使研究更貼近實(shí)際情況，以夏季7、8月份非降雨天的平均溫濕度作為基準(zhǔn).通過2008—2012年氣象觀測數(shù)據(jù)的計算，發(fā)現(xiàn)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(zhǔn)，計算疊加熱島升溫后，對人體熱舒適度的影響指數(shù).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(shù)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(shù)．

最后，參照北京市人體舒適度指數(shù)劃分和人體高溫生理反應(yīng)情況，將地表熱島效應(yīng)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(qiáng)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(zhǔn)確，數(shù)據(jù)易獲得.首先，依據(jù)NASA的數(shù)據(jù)使用手冊，進(jìn)行輻射定標(biāo)，把DN值轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的熱輻射強(qiáng)度.然后，計算植被指數(shù)(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(shù)評價方法

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

表2 本文所用景觀格局指數(shù)類別

3 結(jié)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(diǎn)的熱島強(qiáng)度，計算公式為

式中:ΔTij為空間位置ij上的熱島強(qiáng)度;Tij為空間位置ij上的地表溫度;TR郊區(qū)農(nóng)村平均溫度．然后依據(jù)表1，對研究區(qū)熱舒適度的受影響程度進(jìn)行等級劃分，劃分結(jié)果見圖2(下文將熱島對熱舒適度影響區(qū)，簡稱為影響區(qū))．

圖 2 1992、1999、2001、2006、2009、2011 年熱島效應(yīng)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(biāo)的影響分析

多樣性指數(shù)采用斑塊豐富度指標(biāo)PR，對熱島景觀等級進(jìn)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(qiáng)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(yīng)的熱舒適度受影響等級升高了兩級.這說明天津市主城區(qū)的地表熱島強(qiáng)度不斷上升，熱舒適度受影響的等級平穩(wěn)升高.

圖3 1992—2011年P(guān)R指數(shù)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P(guān)LAND指數(shù)變化表(表3)看:熱舒適度不受影響區(qū)所占比例呈下降趨勢;一級影響區(qū)快速增長;二級影響區(qū)比例波動上升;三級影響區(qū)逐漸增大，增加了16.42倍;四級影響區(qū)從無到有，且面積不斷增加;2009年出現(xiàn)了五級影響區(qū).

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

用PD來表示單位面積(100 hm2)上的熱島斑塊數(shù)量.從1992—2011年 PD指數(shù)變化曲線(圖4)看:熱舒適度不受影響區(qū)的斑塊密度逐步升高，1999年達(dá)到一個小高峰，但又迅速回落.這說明非熱島區(qū)域與熱島區(qū)，實(shí)現(xiàn)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(qū)斑塊密度波動上升，這說明低級影響區(qū)，可作為高強(qiáng)度影響區(qū)的散熱過度區(qū)，發(fā)揮較強(qiáng)的散熱功能;二級影響區(qū)斑塊密度上升較大，上升了4.2倍，這說明二級影響區(qū)的分散化現(xiàn)象不斷加劇;三、四級影響區(qū)，PD指數(shù)也逐漸的上升，這說明新的高強(qiáng)度熱島影響斑塊不斷出現(xiàn).

表3 1992—2011年P(guān)LAND指數(shù)變化

圖4 1992—2011年P(guān)D指數(shù)變化曲線

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

這表明:隨著城市發(fā)展，熱島影響區(qū)在擴(kuò)大，引起人體不舒適的一級影響區(qū)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(qū)最大斑塊面積則在迅速下降;引起人體不適應(yīng)、很不適應(yīng)的三、四級影響區(qū)，單個最大斑塊面積也在增加;2011年出現(xiàn)的五級影響區(qū)，因斑塊面積較小，自然LPⅠ也較?。?/p>

表4 1992—2011年LPⅠ指數(shù)變化

3.2.3 臨近度指數(shù)的影響分析

臨近度用來度量斑塊的時空聯(lián)系特征，反應(yīng)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(wěn)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(qū)的ENN-CV和ENN-MN指數(shù)變化曲線(圖5)看:不受影響區(qū)ENN-CV和ENN-MN指數(shù)均略有下降;一級影響區(qū)ENN-CV指數(shù)較為穩(wěn)定，而ENN-MN指數(shù)略減了141;二級影響區(qū)ENN-CV指數(shù)呈波動下降，ENN-MN指數(shù)下降了166;三級影響區(qū)ENN-CV指數(shù)迅速下降了102，而ENN-MN指數(shù)驟減了778;四級影響區(qū)，ENN-CV指數(shù)呈波動上升，而ENN-MN指數(shù)迅速下降了5 247;2011年五級影響區(qū)ENNMN指數(shù)為7 991.24．

這表明:不受影響區(qū)的平均距離在縮短，斑塊間距離變化穩(wěn)定，這十分有利于受影響區(qū)的散熱;一級影響區(qū)平均距離在縮短，說明斑塊破碎化、與其他等級影響區(qū)混合程度增加，不同類型斑塊之間進(jìn)行熱量交換更容易，從而更有利于熱島影響區(qū)的熱量向外散失;二級影響區(qū)平均距離降低說明現(xiàn)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(yīng);三級影響區(qū)平均距離穩(wěn)定下降說明引起人體不適應(yīng)的熱島區(qū)，在空間上出現(xiàn)頻率增加.ENN-CV指數(shù)下降，說明其空間呈現(xiàn)規(guī)律性的出現(xiàn);四級影響區(qū)平均距離縮短表明引起人體很不適應(yīng)的熱島區(qū)，空間上每隔1 679～2 300 m，就出現(xiàn)一次，這種情況值得警惕;五級影響區(qū)空間上出現(xiàn)頻率較小，平均空間距離7 991 m.

3.2.4 離散度指數(shù)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(shù)度量，其取值范圍為0 ≤DⅠVⅠSⅠON＜1．當(dāng)整個景觀由一個斑塊組成，DⅠVⅠSⅠON=0;當(dāng)該等級在面積中比重和斑塊尺寸出現(xiàn)下降時，DⅠVⅠSⅠON就接近 1．對于熱島效應(yīng)而言，隨著斑塊離散化程度的提高，會使高溫?zé)釐u區(qū)能量不斷向外傳遞，進(jìn)而使高溫?zé)釐u區(qū)域減少，甚至使某個等級的高溫?zé)釐u區(qū)消失．DⅠVⅠSⅠON指標(biāo)，就反應(yīng)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(shù)變化曲線

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

這表明:不受熱島影響區(qū)的斑塊在空間分布呈離散化，接收影響區(qū)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(fā)揮著越來越重要的作用;一級影響區(qū)斑塊離散化略有降低，這與城市形態(tài)的快速擴(kuò)張密切相關(guān)，這也有利于高等級受影響區(qū)的散熱.

表5 1992—2011 年 DⅠVⅠSⅠON 指數(shù)變化

3.2.5 連通性指數(shù)影響分析

連通性是指景觀對能量流的促進(jìn)或障礙程度，采用COHESⅠON指數(shù)表示熱島影響區(qū)斑塊類型間的連通性．COHESⅠON取值范圍為 0≤COHESⅠON＜100．當(dāng)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(shù)變化曲線(圖 6)看:不受影響區(qū)和一級影響區(qū)的COHESⅠON指數(shù)呈穩(wěn)定趨勢;二級影響區(qū)的COHESⅠON指數(shù)呈波動下降趨勢，但略有反彈;三、四級影響區(qū)COHESⅠON指數(shù)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(shù)變化曲線

這表明:二級影響區(qū)斑塊的自然連通度降低，在空間上內(nèi)部聯(lián)系不暢，斑塊被其他斑塊類型分割加劇;二級影響區(qū)屬引起人體很不舒適區(qū)域，地表熱島強(qiáng)度分別高達(dá)3.1～6.9℃，其連接度下降表明斑塊內(nèi)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(jìn)而有助于高溫?zé)釐u區(qū)熱量散失，達(dá)到降低熱島強(qiáng)度和減弱熱島對熱舒適度的影響;三級和四級COHESⅠON指數(shù)上升，說明高等級斑塊大面積集聚增強(qiáng)，無法實(shí)現(xiàn)斑塊內(nèi)部的快速散熱，從而不斷地增加斑塊內(nèi)部熱量的集聚和溫度的升高．

4 結(jié)論

1)基于人體舒適度和高溫生理反應(yīng)，構(gòu)建了地表熱島對熱舒適度的影響等級劃分標(biāo)準(zhǔn).這使得對地表熱島強(qiáng)度劃分，獲得了一個科學(xué)的依據(jù).為降低夏季熱島對熱舒適度的影響，提供了一個分級分區(qū)調(diào)節(jié)的參考標(biāo)準(zhǔn).

2)天津市熱舒適度受影響區(qū)面積不斷擴(kuò)大，影響強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，高強(qiáng)度影響區(qū)不斷集聚擴(kuò)大.二級影響區(qū)，表現(xiàn)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(qū)，面積不斷擴(kuò)大，斑塊數(shù)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(xiàn)了五級影響區(qū)，2011年并出現(xiàn)了較大的增加，表明局部讓人無法忍受熱島區(qū)應(yīng)引起相關(guān)部門足夠重視.

4)1999年的景觀格局特點(diǎn)，呈現(xiàn)出地表熱島對熱舒適度的影響最弱.原因是格調(diào)春天、水西園等多層居住小區(qū)的改造建設(shè)，增加了綠地、打通了通風(fēng)廊道.通過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn):景觀斑塊的破碎化、斑塊類型的混合、強(qiáng)熱島區(qū)的斑塊連通度降低，對促進(jìn)熱量傳遞與高低壓區(qū)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(qū)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(qiáng)了熱島影響.這說明高層小區(qū)的建設(shè)，雖然節(jié)約了用地，但是熱舒適環(huán)境卻大面積惡化，并使局部熱舒適等級嚴(yán)重升高.而多層小區(qū)的建設(shè)，卻增加了人體舒適度.

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