成都市熱力景觀空間格局分析

但尚銘,但 玻,蔣 薇

(1.四川省氣候中心,成都 610072;2.四川省氣象臺(tái),成都 610072;3.成都信息工程學(xué)院,成都 610225)

1 引 言

城市化造成城市熱島效應(yīng) (簡稱熱島效應(yīng)或熱島)的出現(xiàn)和溫室氣體排放,導(dǎo)致全球溫室效應(yīng)的加劇[1]。夏季,熱島效應(yīng)往往助長高溫天氣,造成高溫災(zāi)害。國內(nèi)對熱島效應(yīng)已有不少研究。城市熱環(huán)境 (熱島效應(yīng))與城市規(guī)劃之間存在密切關(guān)系[2]。我國正處于高速城市化階段,研究熱島效應(yīng)對城市災(zāi)害、環(huán)境保護(hù)、大氣污染、防暑降溫、市政建設(shè)等領(lǐng)域,對成都市的“世界現(xiàn)代田園城市”建設(shè)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

景觀學(xué)原理、觀念和方法認(rèn)為,城市中的各類構(gòu)成要素是一個(gè)具有高度空間異質(zhì)性的系統(tǒng),在外界影響和其自身作用下動(dòng)態(tài)變化,具有景觀的特征。城市景觀是城市中由街道、廣場、建筑物、園林綠化等形成的外觀及氣氛。城市熱環(huán)境 (即溫度場或熱力場)是城市空間環(huán)境在熱力場中的綜合表現(xiàn),對城市氣候、城市生態(tài)環(huán)境、人居環(huán)境等有著深遠(yuǎn)影響。城市熱環(huán)境的空間異質(zhì)體被稱為熱力景觀。城市景觀由于 3個(gè)方面的原因影響熱力景觀[3]：城市景觀要素的物理性質(zhì)的差異,不同景觀要素的擴(kuò)散效率的差異,以及人類活動(dòng)廢熱排放的空間差異。由此可見,熱力景觀可以綜合表現(xiàn)城市的建筑、人口、能耗、污染等負(fù)荷和水體、綠地等生態(tài)結(jié)構(gòu)。景觀指數(shù)作為一種定量化指標(biāo),常被用來研究城市景觀、熱力景觀、水域景觀等的空間格局及其變化[4～6]。

成都市地處四川盆地西部,成都平原腹地,是四川省的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心。市中心緯度和經(jīng)度為 30°39.7′E和 104°3.8′N;市區(qū)西距都江堰、青城山直線距離約 55km,東距龍泉山約 25km;屬亞熱帶季風(fēng)氣候,熱量充足,雨量豐富,四季分明,氣候潮濕,多云霧、少日照;年降水量1000mm左右,主要集中在 7、8兩月;年平均氣溫 16.3℃,夏季最高溫一般不超過 35℃,但卻悶熱;冬季平均氣溫約為 5℃,由于陰天多,空氣潮濕,故顯得陰冷;具有春早、夏熱、秋涼、冬暖的氣候特色。成都市外環(huán)高速公路以內(nèi)的面積約580km2。受遙感數(shù)據(jù)所限,研究區(qū)在三環(huán)路以內(nèi),面積約 200km2。

2 數(shù)據(jù)和方法

采用 2008年 11月 23日成都地區(qū)的美國陸地資源衛(wèi)星 Landsat5/T M影像數(shù)據(jù)。T M傳感器共 7個(gè)波段,其中第 1～5和 7波段的分辨率為 30m,第6波段的分辨率為 120m。

2.1 技術(shù)路線

研究的主要技術(shù)流程見圖 1。一方面,對遙感信息進(jìn)行數(shù)據(jù)定標(biāo)、重采樣等預(yù)處理,提取行政邊界和亮溫反演,再按照溫度分級提取熱力斑塊;另一方面,借鑒并選取評價(jià)參數(shù),最后計(jì)算景觀指數(shù)和進(jìn)行結(jié)果分析。

2.2 亮溫反演

利用第 6波段采用下式反演亮溫[7]：

式中：T6為經(jīng)反演并進(jìn)行溫標(biāo)轉(zhuǎn)換后的亮溫(℃),L(λ)為輻射強(qiáng)度;K1=607.76 W·m-2· sr-1·μm-1;K2=1260.56K為衛(wèi)星發(fā)射前傳感器的校準(zhǔn)常數(shù);273.15為將開氏溫度轉(zhuǎn)換為攝氏溫度的轉(zhuǎn)換常數(shù)。

圖1 技術(shù)路線流程圖Fig.1 Technical pathway

2.3 熱力景觀類型

熱力景觀類型是指不同的溫度范圍,按照溫度值的大小將其劃分為 7種類型(見表 1)。將某類中任一連續(xù)分布的水平空間結(jié)構(gòu)體作為一個(gè)斑塊,即分類的最小單元。

表1 熱力景觀類型劃分Tab.1 Classification of ther mal landscape

2.4 熱力景觀參數(shù)

選用的景觀指數(shù)及計(jì)算式如下[8]。破碎度指數(shù)(表示景觀被分割的破碎程度)F為：

式中：ni為景觀類型 i的斑塊數(shù),Ai為景觀類型i的面積。

多樣性指數(shù)(表示景觀的異質(zhì)性)H為：

式中：m為熱力景觀總類型數(shù),Pi為類型 i在景觀中所占的比例。

優(yōu)勢度指數(shù)(描述景觀由少數(shù)幾類斑塊控制的程度)D為：

均勻度指數(shù)(表示各類景觀分布的均勻程度)E為：

3 結(jié)果和分析

3.1 景觀格局總的特點(diǎn)

圖2是成都市的熱力景觀圖,其中成華區(qū)、錦江區(qū)、武侯區(qū)、青羊區(qū)和金牛區(qū)的面積分別為64.0km2、29.2km2、47.5km2、25.7km2和 33.5km2。

研究區(qū)熱力景觀空間格局總的特點(diǎn)是,Ⅰ、Ⅱ類主要分布在東部、西北部和西南部,與這些地方主要由傳統(tǒng)工業(yè)、倉儲(chǔ)、工業(yè)開發(fā)區(qū)、家具、小商品城等區(qū)域功能特點(diǎn)相吻合;Ⅵ、Ⅶ類大多位于西部和南部,其他地方為零星分布。這些地方水體較多、植被較好、建筑密度較低。由熱力斑塊統(tǒng)計(jì)表(見表 2)可知,Ⅴ類所占面積和數(shù)量均為最多,其比例分別為 40.0%和 29.8%,斑塊的平均面積為19.72hm2;Ⅳ和Ⅴ的斑塊面積所占比例之和高達(dá)74%,為研究區(qū)的主體。Ⅳ類的平均面積最大,為34.79hm2;Ⅶ類的平均面積最小,為 1.62hm2,主要由水體或面積較大的林地構(gòu)成。

圖2 成都市熱力景觀圖Fig.2 Ther mal landscape map in Chengdu City

表2 成都市熱力斑塊統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of thermal landscape patches

3.2 景觀指數(shù)差異性分析

表3是成都市各行政區(qū)的熱力景觀格局指數(shù)。

表3 熱力景觀格局指數(shù)Tab.3 The spatial pattern indexes of thermal landscape

各行政區(qū)的各類指數(shù)明顯不同,是城市構(gòu)成要素在熱力景觀上存在差異的數(shù)量化表現(xiàn)。錦江區(qū)破碎度最大,為 0.924;其次為金牛區(qū),為 0.778;成華區(qū)最小,為 0.559。這是由于錦江區(qū)和金牛區(qū)內(nèi)繁華的商業(yè)區(qū)、科技園、企業(yè)和工廠等交錯(cuò)分布,熱力景觀斑塊分割較嚴(yán)重,致使破碎度較大;成華區(qū)是原東郊工業(yè)片區(qū)所在地,現(xiàn)仍然為較集中的熱源,高溫斑塊規(guī)模較大,因此破碎度較小。多樣性指數(shù)的值越大,景觀類型的豐富程度和復(fù)雜程度就越高。金牛區(qū)、成華區(qū)和錦江區(qū)的多樣性指數(shù)均較大且比較接近,說明類型比較豐富;青羊區(qū)的多樣性指數(shù)明顯小于其他區(qū)的原因,是因?yàn)棰?、Ⅵ和Ⅶ類的面積之和占該區(qū)面積的比例為 72.4%,相對于其他區(qū)而言占了顯著優(yōu)勢(武侯、錦江、金牛和成華區(qū)同類面積所占的比例分別為 56.8%、47.4%、41.3%和 18.5%。由于文章篇幅所限,沒有全部列出各行政區(qū)的熱力景觀格局指數(shù)表)。當(dāng)均勻度指數(shù)值趨于 1時(shí),各種景觀類型也分布得最均勻。青羊區(qū)的均勻度指數(shù)最小,為 0.499;金牛區(qū)的最大,為 0.685。優(yōu)勢度指數(shù)的含義與均勻度指數(shù)含義相反。

4 討論和結(jié)論

最近 10年以來,成都市城市擴(kuò)展非常顯著,城市景觀以及由此導(dǎo)致熱力景觀發(fā)生了根本改變。2001年城市熱島的主要特點(diǎn)是,白天熱島中心區(qū)在城市東部二、三環(huán)路之間,夜間位于城市中心區(qū);隨著城市的擴(kuò)展、東郊工業(yè)區(qū)的改造以及城市綠化的改善,到 2006年,城市熱島特點(diǎn)已經(jīng)顯著改變,白天的午后具有顯著的、幾乎閉合的環(huán)狀特征,溫度較高的熱島環(huán)位于二環(huán)路以外至三環(huán)路兩側(cè)[9]。尤為明顯的是,從市中心往西至郊外的公園、綠地較多,因此在白天的高溫時(shí)段出現(xiàn)冷區(qū),存在局部溫度相對較低的“冷島”現(xiàn)象。這些特點(diǎn)和現(xiàn)象體現(xiàn)了城市對熱力場的驅(qū)動(dòng)作用[10],與城市環(huán)境的改變相吻合。

對成都市三環(huán)路內(nèi)成華、錦江、武侯、青羊和金牛區(qū)熱力景觀指數(shù)的對比分析結(jié)果與該市人工熱源、人工構(gòu)筑物等分布的實(shí)際情況基本一致,這說明采用景觀指數(shù)的定量化分析方法能夠較好地反映區(qū)域內(nèi)不同熱力景觀空間格局的差別。

研究區(qū)內(nèi)較高溫度類型的大斑塊大多集中在成華、金牛、武侯區(qū)工業(yè)和商品交易市場等發(fā)展較快的地方,由此導(dǎo)致各景觀類型分布不均勻。各區(qū)不同的景觀類型結(jié)構(gòu),也會(huì)對大氣污染分布特點(diǎn)產(chǎn)生影響。因此,應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化城市內(nèi)部布局,尤其應(yīng)在城市規(guī)劃中注意優(yōu)化上述 3個(gè)區(qū)的建筑類型結(jié)構(gòu),提高城市綠地覆蓋率,從總體上改善成都的城市人居環(huán)境。

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