單芬芬，王凌菲,2，來祺然

1. 浙江慧中地理信息技術有限公司，浙江 杭州 311121；

2. 西門子醫(yī)療系統(tǒng)有限公司，上海 200131；

3. 浙江工商大學 薩塞克斯人工智能學院，浙江 杭州 310018

0 引 言

城市熱島效應是指由于人口密集和下墊面改變等原因，使得城市中的氣溫明顯高于郊區(qū)的現(xiàn)象[1]。城市熱島效應會引起降水、風速、土壤、空氣濕度和光照等氣候因子的變化，進而對全球氣候變暖產(chǎn)生影響[2]。隨著全球城市化的高速發(fā)展，各地的城市熱島效應日益顯著，給城市，乃至全球的生態(tài)環(huán)境都帶來了許多不利影響[3]，已經(jīng)成為了城市環(huán)保工作面臨的三大新問題之一[4]。因此，如何深入分析城市熱島效應的形成與演化機理，探討城市熱環(huán)境的空間格局與過程，進而有效調(diào)節(jié)城市小氣候已經(jīng)成為了政府和學術界普遍關注的熱點問題[5]。

城市熱環(huán)境的空間格局、結構及演變過程研究是開展熱環(huán)境模擬和預測研究的基礎，也是當前熱環(huán)境遙感研究的重點。當前，基于遙感的城市熱島研究多是從面域角度開展，如城市熱島空間格局演變[6-7]，城市熱島曲面模擬[8]，城市熱場結構及其演變過程分析[9]等，而從熱剖面線角度展開的城市熱島研究還比較少[10]。但是，城市熱環(huán)境是城市中建筑物的不斷增加及人類活動、大氣狀況、地表熱量傳輸?shù)榷喾N因素綜合作用的結果，其空間結構往往也極為復雜[11]。通過城市熱剖面線的研究，可以對各方位典型地域的熱輻射特征進行對比分析[9]，揭示熱表面方向性的結構特征及其意義，進而加深對城市區(qū)域熱環(huán)境的總體空間格局及其形成機制的理解[11]，豐富城市熱環(huán)境研究的方法體系。因此，本文擬從熱剖面線的角度入手，以杭州市為例，深入分析杭州市多方位、多時序的城市熱剖面曲線特征，揭示杭州市城市熱剖面線時序演化的驅(qū)動機制，以期為緩解城市熱島，改善城市人居環(huán)境提供科學支撐。

1 研究區(qū)概況

杭州市是浙江省的政治、經(jīng)濟、文化、金融和交通中心。杭州市的中心地理坐標為東經(jīng)120°12′，北緯30°16′，位于亞熱帶季風區(qū)。夏季氣候炎熱濕潤，冬季寒冷干燥，全年平均氣溫17.5℃，平均相對濕度70.3%，年降水量1454 mm，年日照時數(shù)1765 h。

近30 年來，杭州市的平均氣溫上升明顯，每年夏季出現(xiàn)長達40 ～50 天的持續(xù)高溫，使其成為了全國夏季氣溫最高的城市之一[12-13]。如何緩解杭州市夏季的高溫熱浪天氣，努力提升城市人居環(huán)境質(zhì)量，全面建設生態(tài)休閑之都，是杭州市亟待解決的重要問題。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù) 據(jù)

選擇3 景Landsat 系列衛(wèi)星影像進行杭州市不同歷史時期地表溫度的反演。這些影像的成像時間分別為1984 年7 月3 日（Landsat 5）、2000 年6 月13 日（Landsat 5）和2018 年6 月15 日（Landsat 8），條帶號均為119，行編號為39，中心維度為30.31，中心經(jīng)度為119.95，覆蓋了整個杭州市區(qū)。其中，Landsat 5 影像的熱紅外波段（LWIR）的空間分辨率為120 m，其他波段的空間分辨率為30 m。Landsat 8 影像的熱紅外波段（TIRS）的空間分辨率為100 m，其他波段的空間分辨率為30 m。

利用Landsat 8 衛(wèi)星影像（2018 年6 月15 日）的可見光波段、熱紅外波段等，計算研究區(qū)的不透水面蓋度（NDISI）、植被指數(shù)（NDVI）和水體指數(shù)（MNDWI）等。

2.2 研究方法

2.2.1 地表溫度反演

本文主要參考Jiménez-Munoz 普適性單通道算法進行地表溫度的反演，計算公式為：

式中，Ts為地表溫度（LST）；ε為地表發(fā)射率，可通過NDVI 閾值法來確定；φ1、φ2、φ3為大氣函數(shù)，可利用Jiménez-Mu?oz 給出的經(jīng)驗關系式計算得出；γ和δ為與亮溫相關的兩個參數(shù)。γ和δ計算公式如下：

式中，Tsen為亮溫；Lsen為定標后的DN 值；bγ為計算參數(shù)。各參數(shù)的詳細計算步驟參見相關文獻[14]。

2.2.2 熱環(huán)境剖面分析

杭州大廈位于杭州市武林廣場，是杭州第一個商貿(mào)旅游綜合體，也是杭州市人口密度最高，也最為繁華的中心商業(yè)區(qū)。因此，擬以杭州大廈為原點，向8 個方向設置地表溫度剖面線（圖1），分析杭州城市熱環(huán)境的方向性特征。

圖1 杭州市的遙感影像及剖面線設置Fig.1 Remote sensing image of Hangzhou and the setting of profiles

2.2.3 城市生態(tài)要素計算

為了進一步分析杭州城市熱環(huán)境方向性特征的影響因素，擬通過ENVI 和ArcGIS 軟件，利用2018 年6月15 日的Landsat 8 衛(wèi)星影像，計算研究區(qū)的不透水面蓋度（NDISI）[15-16]、植被指數(shù)（NDVI）[17]和水體指數(shù)（MNDWI）[18-19]，進而探討這些城市生態(tài)要素與地表溫度（LST）的關系。上述指數(shù)的計算公式如下：

式中，Green為綠波段，如Landsat 5 的B2 波段和Landsat 8 的B3 波段；MIR為中紅外波段,如Landsat 5 的B5 波段和Landsat 8 的B6 波段；NIR為近紅外波段，如Landsat 5 的B4 波段和Landsat 8 的B5 波段；Red為紅外波段，如Landsat 5 的B3 波段和Landsat 8的B4 波段；NIR、MIR、TIR分別為近紅外、中紅外、熱紅外波段；MNDWI為水體指數(shù)。

3 結果與討論

3.1 城市熱島剖面與土地利用

本文結合杭州市典型區(qū)域的土地利用狀況，分析8條地表溫度剖面線上的城市熱環(huán)境狀況（圖2）。

圖2 杭州市8 個方位的地表溫度剖面線Fig.2 Surface temperature profiles of 8 directions in Hangzhou

1）從市中心到周邊鄉(xiāng)村地區(qū)，杭州市的溫度剖面總體呈比較明顯的梯度下降趨勢，表明杭州市存在著顯著的城市熱島現(xiàn)象。其中，北方、東北方、南方、西方等方位表現(xiàn)的尤為突出。

2）城區(qū)內(nèi)的土地利用狀況會極大地影響城鄉(xiāng)溫度的梯度變化曲線。剖面線上的高溫點往往是因為人口或產(chǎn)業(yè)的過度集中引起的。如人口密集的商業(yè)中心（杭州大廈、四季青商貿(mào)中心等）、居住社區(qū)（古蕩社區(qū)、龍塢社區(qū)等）、工業(yè)區(qū)（下沙工業(yè)區(qū)、倉前工業(yè)區(qū)）等都是明顯的區(qū)域熱點。剖面線上的低溫點則主要由河流、綠地公園等組成。其中河流的降溫效果最為明顯，杭州大廈和距其500 m 左右的京杭大運河，地表溫度相差近15℃。錢塘江對地表溫度的影響非常明顯，LST 剖面線3 次穿越錢塘江，形成了3 個形態(tài)接近，溫度相似的冷島。另外，玉皇山、吳山等山區(qū)綠地公園也起到了一定的降溫作用，但降溫幅度遠低于錢塘江等河流。

3.2 時序演化軌跡分析

本文選取1984、2000、2018 年的地表溫度反演結果，計算歷年來杭州市典型方位的距平地表溫度剖面線，分析杭州市各典型熱剖面的時序演化軌跡。

3.2.1 北方剖面線

北方剖面線如圖3 所示，1984-2018 年，以杭州大廈為中心的老城商貿(mào)區(qū)一直都是杭州市的熱島地區(qū)，但是隨著時間的推移，城市熱島效應不斷增強，杭州大廈附近的京杭大運河的冷島效應亦明顯增強。1984 年，距市中心2.5 ～5 km 處仍然屬于冷島的范圍（低于區(qū)域平均溫度）。到了2018 年，隨著城市的擴張，這一帶已經(jīng)發(fā)展成為了熱島區(qū)域，距市中心15 ～21 km 處，總體上仍然保留了河網(wǎng)農(nóng)區(qū)的原貌，由于周圍地區(qū)的城市化，也使得冷島效應日益凸顯；距市中心21 ～22 km處，是塘棲鎮(zhèn)新的城市擴展區(qū)，建設了較多的生產(chǎn)企業(yè)，土地利用類型的變化使得熱島效應顯著增強。

圖3 杭州市北方主要年份的距平地表溫度剖面線Fig.3 The anomaly surface temperature profiles of northern Hangzhou in 1984，2000 and 2018

3.2.2 東方剖面線

東方剖面線如圖4 所示，與杭州北部剖面線比較類似。距市中心2 ～6 km 處，1984 年屬于冷島的范圍，隨著城市的擴張，這一帶已經(jīng)變?yōu)榱顺鞘懈邷貐^(qū)；距市中心6.5 km、15 km、20 km 處，LST 剖面線穿越了錢塘江，可以很明顯地看出，隨著城市的擴張和城市熱島的增強，錢塘江與周邊區(qū)域的溫差日益增大，冷島效應也日益明顯；距市中心約18 km 處為下沙，直至2000 年仍是低溫區(qū)，但隨著下沙高教園區(qū)的建設，城市化進程大大加快，直接造成了下沙地區(qū)LST 的快速上升。

圖4 杭州市東方主要年份的距平地表溫度剖面線Fig.4 The anomaly surface temperature profiles of eastern Hangzhou in 1984，2000 and 2018

3.2.3 南方剖面線

南方剖面線如圖5 所示。距市中心約4 km 處，LST剖面線穿越了吳山公園、玉皇山等公園綠地，從各期LST 剖面線形態(tài)的時序變化上可明顯看出，隨著城市的擴張和城市熱島的增強，這些公園綠地與周邊區(qū)域的溫差日益增大，冷島效應也日益明顯。與公園綠地效應相似的是，在南方剖面線3 次穿越錢塘江的過程中，也可以清楚地發(fā)現(xiàn)錢塘江與周邊區(qū)域的溫差日益增大，冷島效應也日益明顯。距市中心約29 ～38 km 區(qū)間，LST 剖面線穿過了蕭山區(qū)戴村鎮(zhèn)、河上鎮(zhèn)等多個城郊小鎮(zhèn)，從圖中可見，新鎮(zhèn)區(qū)的建設對區(qū)域地表溫度具有顯著影響，引起了LST 剖面線的明顯變化。

圖5 杭州市南方主要年份的距平地表溫度剖面線Fig.5 The anomaly surface temperature profiles of southern Hangzhou in 1984，2000 and 2018

3.2.4 西方剖面線

西方剖面線如圖6 所示。1984 年，距市中心4 ～11 km處均屬于原西溪濕地范圍，表現(xiàn)為明顯的冷島，但隨著時間的推移，在距市中心7 ～11 km 處建立了西溪濕地公園，而公園東部的濕地則全部變?yōu)榱顺鞘薪ㄔO用地，LST 不斷升高，與之相反的是西溪濕地公園的冷島效應不斷增強。距市中心17 km 處為倉前鎮(zhèn)，2000 年以前，這一帶多是農(nóng)村地區(qū)，由于距離市中心的距離比西溪濕地更遠，LST 甚至比西溪濕地更低，但隨著未來科技城、海創(chuàng)園、淘寶城建設，城市化進程日益加快，使得倉前鎮(zhèn)的LST 不斷上升，至2018 年倉前鎮(zhèn)的LST 已經(jīng)超過了古老的居住區(qū)余杭鎮(zhèn)。由于距離市區(qū)較遠，且發(fā)展較為緩慢，26 年來余杭鎮(zhèn)的LST 變化比較小，這與附近發(fā)展迅速的倉前鎮(zhèn)形成了鮮明的對比。

圖6 杭州市西方主要年份的距平地表溫度剖面線Fig.6 The anomaly surface temperature profiles of western Hangzhou in 1984，2000 and 2018

3.3 驅(qū)動力分析

從前文的分析中，已經(jīng)可以清楚地看到土地利用狀況極大地影響地表溫度。為了量化土地利用對于城市地表溫度的影響，本文選取NDISI、NDVI、MNDWI 這3 個與城市土地利用狀況密切相關的指數(shù)，分析它們與地表溫度（LST）之間的關系。

3.3.1 單因素分析

圖7 展示了西—東熱剖面線各因素與LST 的關系。NDISI 和LST 具有比較明顯的正相關關系，通過SPSS 計算可知，二者的Pearson 相關系數(shù)為0.763，在置信度（雙側）為0.01 時，相關性是顯著的。另外，NDVI、MNDWI則和LST 具有比較明顯的負相關關系，Pearson 相關系數(shù)分別為-0.651 和-0.264，在置信度（雙側）為0.01 時，相關性是顯著的。

圖7 西—東熱剖面線地表溫度LST 與NDVI、NDISI、MNDWI 的關系Fig.7 The relationships between LST and NDVI，NDISI and MNDWI on the west-east urban thermal profiles

3.3.2 多元回歸分析

通過回歸分析，可以定量分析3 個指數(shù)對城市地表溫度的綜合影響。利用SPSS 軟件，采用普通最小二乘法（OLS）進行多元回歸分析，最終建立如下計量模型：

式中，Y為地表溫度LST；X1為水體指數(shù)MNDWI；X2為植被指數(shù)NDVI；X3為不透水面指數(shù)NDISI。

由表1 可知，模型擬合度較好，各指數(shù)均通過了F檢驗和t 檢驗。模型運行結果表明，MNDWI 和NDVI 對地表溫度有負影響，即水體和植被所占比例越大，地表溫度越低；NDISI 對地表溫度有正影響，即不透水面蓋度越高，地表溫度越高。從標準系數(shù)的絕對值大小來看，NDISI 的標準系數(shù)絕對值為0.56，甚至比MNDWI 和NDVI的標準系數(shù)之和都要高。這表明城市擴張，自然土地表面不斷轉化為水泥鋪裝路面是城市地表溫度升高的最主要原因。通過保留和增加城市中的植被、水域也能夠在一定程度上緩解城市熱島的強度。

表1 多元回歸的運行結果Tab.1 Operating results of multiple regression

4 結 論

1）杭州城市熱剖面的分析結果表明，熱剖面曲線呈現(xiàn)出明顯的城鄉(xiāng)梯度變化，說明杭州市存在比較明顯的城市熱島現(xiàn)象。城市土地利用狀況顯著影響著熱剖面線的形態(tài)。人口或產(chǎn)業(yè)的顯著集中區(qū)往往會形成比較明顯的熱島區(qū)，而河流、公園綠地等區(qū)域往往會形成明顯的熱島區(qū)，但河流的冷島效應最為明顯。

2）杭州城市熱剖面的時序演化分析結果表明，隨著杭州城市社會經(jīng)濟的發(fā)展和城市建成區(qū)的擴張，城市熱島效應的范圍和幅度不斷增加，同時，城市濕地和公園綠地的冷島效應呈不斷增強的趨勢。在城市的發(fā)展過程中，盡量保留濕地和公園綠地是緩解城市熱島效應最有效的措施。

3）驅(qū)動力分析的結果表明，水體指數(shù)MNDWI，植被指數(shù)NDVI，不透水面指數(shù)NDISI 與城市熱剖面曲線的形成有密切的關系。其中，較高的MNDWI 和NDVI 對地表溫度有明顯的緩解作用，而NDISI 的增加則是地表溫度升高的最主要原因。