金珊合，張育慶，楊 俊，2

(1. 遼寧師范大學(xué)自然地理與空間信息科學(xué)遼寧省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116029； 2. 遼寧師范大學(xué)人居環(huán)境研究中心，遼寧 大連 116029)

城市化帶來(lái)一系列城市問(wèn)題[1]。城市氣溫或地表溫度高于周?chē)r(nóng)村被稱(chēng)為城市熱島(UHI)效應(yīng)[2]。城市熱島使城市氣候發(fā)生改變，地表溫度升高，人類(lèi)熱舒適受到挑戰(zhàn)[3-4]。城市熱島問(wèn)題一直是全球研究熱點(diǎn)，中國(guó)地表平均溫度增長(zhǎng)速度比其他國(guó)家約高出一倍，若要為緩解氣候變化作出改變，需在城市規(guī)劃及降低地表溫度升高等方面作出努力。

近幾年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別從城市形態(tài)[5]、土地覆蓋[6]和研究方法[7]等幾個(gè)方面研究城市熱島時(shí)空格局。文獻(xiàn)[8]利用MODIS衛(wèi)星產(chǎn)品提取土地覆蓋和地表溫度信息，發(fā)現(xiàn)快速的城市發(fā)展改變土地利用/覆蓋，從而造成地表溫度變化。文獻(xiàn)[9]采用統(tǒng)計(jì)年鑒和Landsat 8數(shù)據(jù)結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度方法研究城市熱島效應(yīng)影響因子。文獻(xiàn)[10]利用遙感影像分析城市綠化與城市熱島。文獻(xiàn)[11]采用支持向量機(jī)(SVM)曲面擬合算法模擬城市熱島強(qiáng)度。文獻(xiàn)[12]研究發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域內(nèi)存在多種類(lèi)型的景觀(guān)組合，從而形成相應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)，因此當(dāng)?shù)貧夂虮尘皩?duì)城市熱島研究具有很大貢獻(xiàn)。為完善城市熱環(huán)境敏感的地表指標(biāo)體系，文獻(xiàn)[13]將城市分為建成環(huán)境類(lèi)型和自然環(huán)境類(lèi)型，這樣的分類(lèi)體系被稱(chēng)為“局部氣候分區(qū)(local climate zones，LCZ)”。文獻(xiàn)[14]采用WUDAPT技術(shù)分類(lèi)城市局部氣候帶，結(jié)果表明不同局部氣候帶具有明顯溫度差異。文獻(xiàn)[15]利用局部氣候帶分區(qū)方法對(duì)不同局部氣候帶進(jìn)行風(fēng)環(huán)境模擬并對(duì)風(fēng)道進(jìn)行規(guī)劃。文獻(xiàn)[16]利用遙感圖像劃分城市局部氣候帶，通過(guò)MUKLIMO_3模型研究不同局部氣候帶內(nèi)熱舒適度，通過(guò)建筑數(shù)據(jù)、土地覆蓋等數(shù)據(jù)基于GIS方法對(duì)高密度的香港城市劃分局部氣候帶，表明LCZ分類(lèi)系統(tǒng)具有普適性。文獻(xiàn)[17]采用遙感與GIS結(jié)合的方法對(duì)印度進(jìn)行不同尺度下局部氣候帶劃分發(fā)現(xiàn)，LCZ映射技術(shù)需要根據(jù)城市的類(lèi)型進(jìn)行調(diào)整。目前國(guó)內(nèi)對(duì)城市局部氣候分區(qū)研究正處于初級(jí)階段。綜上所述，本文以大連市建筑數(shù)據(jù)、Landsat 8和SPOT 5遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合局部氣候分類(lèi)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(qū)內(nèi)不同局部氣候帶對(duì)城市地表溫度的影響，為未來(lái)城市規(guī)劃提供一定參考。

1 研究區(qū)和數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

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

圖1 研究區(qū)概況

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

選取大連市建筑矢量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合SPOT 5、Landsat 8遙感數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1)。依據(jù)國(guó)家《民用建筑設(shè)計(jì)通則》(GB 50352—2005)[18]，對(duì)建筑高度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表2)，利用SPOT 5遙感數(shù)據(jù)提取城市綠地信息，并且根據(jù)《城市綠地分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ/T 85—2002)，將城市綠地分為森林綠地、公園綠地、社區(qū)綠地和附屬綠地4類(lèi)。

表1 數(shù)據(jù)來(lái)源與說(shuō)明

表2 建筑高度分類(lèi)

2 研究方法與實(shí)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(lèi)，建筑類(lèi)型為10個(gè)分類(lèi)，土地覆蓋類(lèi)型為7個(gè)分類(lèi)，同時(shí)列出局部氣候帶的10個(gè)參數(shù)，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(shù)木區(qū)、灌木叢區(qū)、低植被區(qū)、硬化地面、沙地和水體；局部氣候參數(shù)分別為天空開(kāi)闊度、街道高寬比、平均建筑高度、地表粗糙等級(jí)和建筑密度等[13]。本文研究局部氣候?qū)Φ乇頊囟扔绊?，更關(guān)注建筑高度、建筑密度和綠地類(lèi)型。結(jié)合我國(guó)城市發(fā)展現(xiàn)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(lèi)(見(jiàn)表2)；城市中多為低植被區(qū)，郊區(qū)土地覆蓋為樹(shù)木區(qū)，因此本文將土地覆蓋類(lèi)型分為森林綠地、公園綠地、社區(qū)綠地和附屬綠地4類(lèi)綠地，最后將建筑類(lèi)型與土地覆蓋進(jìn)行合并共有19類(lèi)(如圖2所示)。

通過(guò)對(duì)研究區(qū)劃分30 m格網(wǎng)，共有671 031個(gè)，統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格內(nèi)建筑類(lèi)型和綠地類(lèi)型，劃分局部氣候帶。

依據(jù)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(qū)和中山區(qū)分布少量超高建筑，中山區(qū)、甘井子區(qū)東部和其他行政區(qū)沿海區(qū)域分布一些高層建筑,沙河口區(qū)和西崗區(qū)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(qū)具有大量森林綠地覆蓋，中山區(qū)多為公園綠地覆蓋。

2.2 地表溫度反演分析

文獻(xiàn)[19]的單窗算法演算地表溫度適用于只有一個(gè)熱紅外波段的TM6數(shù)據(jù)，本文將單窗算法和landsat 8中的TM10波段結(jié)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(jù)熱輻射強(qiáng)度和亮溫的關(guān)系擬合出來(lái)的系數(shù)。當(dāng)亮度溫度在10～40℃時(shí),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T(mén)10的地表發(fā)射率；τ為T(mén)10的大氣透過(guò)率。

地表溫度能夠反應(yīng)大連市UHI整體格局，本文將整體地表溫度整體分為9類(lèi)，均勻間隔為2℃。根據(jù)圖3可以看出地表溫度空間分布。整體來(lái)看，地表溫度呈現(xiàn)東高西低的趨勢(shì)，城市中心區(qū)溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于郊區(qū)，建筑覆蓋地區(qū)地表溫度整體偏高，并且由于東部沿海區(qū)域具有一些工業(yè)區(qū)，因此地表溫度高，而甘井子區(qū)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(shí)，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(shuō)明出現(xiàn)極端高溫現(xiàn)象。

圖3 地表溫度空間分布

2.3 局部氣候帶對(duì)地表溫度貢獻(xiàn)

利用疊加分析，統(tǒng)計(jì)不同類(lèi)型局部氣候帶地表溫度范圍，定量分析局部氣候帶對(duì)城市地表溫度影響(如圖4所示)。

圖4 不同類(lèi)型局部氣候帶地表溫度范圍

根據(jù)圖4，看出多層高密度建筑覆蓋區(qū)地表溫度最高。在相同建筑高度上，密度越大建筑區(qū)域，地表溫度越高；相同建筑密度，多層建筑覆蓋區(qū)地表溫度較高。建筑密度大區(qū)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(qū)綠地地表溫度幾乎一致。

3 結(jié) 論

本文以大連市區(qū)為研究對(duì)象，通過(guò)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(lèi)型局部氣候帶對(duì)城市地表溫度的影響，研究表明：

(1) 城市內(nèi)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(qū)具有大量森林綠地覆蓋，中山區(qū)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(xiàn)東高西低的趨勢(shì)，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(qū)具有植被覆蓋，因此地表溫度相對(duì)低。定量分析地表溫度值的分布，其中28℃～31℃占比例最多達(dá)到50%，并且地表溫度大于38℃占比例1%，該區(qū)域出現(xiàn)極端高溫。

(3) 在相同的建筑高度上，密度越大的建筑區(qū)域，地表溫度越高；相同密度建筑，多層建筑高度覆蓋區(qū)地表溫度較高。建筑密度大區(qū)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(qū)綠地地表溫度幾乎一致。