鄭州市熱島效應(yīng)、植被變化與林業(yè)發(fā)展對(duì)策研究

邱堯榮孫偉韜趙 磊

（1國(guó)家林業(yè)局華東林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院 浙江杭州 310019；2海軍92303部隊(duì) 山東膠南 266400）

鄭州市熱島效應(yīng)、植被變化與林業(yè)發(fā)展對(duì)策研究

邱堯榮1孫偉韜1趙 磊2

（1國(guó)家林業(yè)局華東林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院 浙江杭州 310019；2海軍92303部隊(duì) 山東膠南 266400）

利用鄭州市TM衛(wèi)星影像相并波段數(shù)據(jù)，研究鄭州市的地表亮溫和NDVI植被指數(shù)與植被蓋度情況，發(fā)現(xiàn)該市相對(duì)亮溫等級(jí)以弱熱島和中等熱島為主，綠島面積僅占16.44%,且主要分布在鄭州市防風(fēng)固沙林面積較多的東部區(qū)域、森林面積較多的西南山地及沿黃河濕地地帶，進(jìn)而提出科學(xué)合理布局城市林業(yè)，防止并減緩“熱島效應(yīng)” 的林業(yè)發(fā)展對(duì)策。

熱島效應(yīng)；植被指數(shù)；植被蓋度；城市森林

城市熱島效應(yīng)是城市景觀中既影響氣候又影響生態(tài)的城市環(huán)境問題，也是目前被研究最多的氣候現(xiàn)象。我國(guó)是目前世界上城市化進(jìn)程最快的地區(qū)之一，隨著城市化進(jìn)程的加快，城市熱島問題正變得愈發(fā)突出，尤其在夏季，已經(jīng)嚴(yán)重影響到了城市居民的生活與健康。從全球變化的趨勢(shì)上看，由于全球CO2濃度的增高導(dǎo)致溫室效應(yīng)的加劇，城市熱島效應(yīng)的影響更為嚴(yán)重，尤其對(duì)城市居民生活質(zhì)量影響更為明顯。

為研究鄭州市的熱場(chǎng)與植被的變化情況，現(xiàn)依據(jù)鄭州市2007年5月13日的TM衛(wèi)星影像，主要利用其第3、第4和第6波段數(shù)據(jù)，分別分析鄭州市的地表亮溫、熱島效應(yīng)和NDVI植被指數(shù)與植被蓋度情況，以便對(duì)鄭州城市森林建設(shè)與發(fā)展提供決策依據(jù)。

1 鄭州市熱場(chǎng)空間分布特征

城市熱島效應(yīng)是指城市中的氣溫明顯高于外圍郊區(qū)的現(xiàn)象。在近地面溫度圖上，郊區(qū)氣溫變化很小，而城區(qū)則是一個(gè)高溫區(qū)，就象突出海面的島嶼，由于這種島嶼代表高溫的城市區(qū)域，所以就被形象地稱為城市熱島。

由于地面亮溫是地面每一像元的溫度值，對(duì)于熱島的宏觀空間布局情況的掌握非常有用，通過分析，繪制了鄭州市域亮溫分布圖（略）。從亮溫分布圖中可以明顯看出，鄭州市城市熱島空間分布特點(diǎn)為:1、城市熱島主要集中分布在鄭州市的城市建成區(qū)；2、城市熱島還呈東西向分布在鞏義市回郭鎮(zhèn)、大塢溝至滎陽(yáng)市賈裕鎮(zhèn)沿線地帶的工業(yè)及人居集中區(qū)。

為進(jìn)一步進(jìn)行詳細(xì)的區(qū)域量化分析，現(xiàn)根據(jù)亮溫分布圖的數(shù)據(jù)，利用ArcGIS進(jìn)行相對(duì)亮溫面積分級(jí)分布分析。分析結(jié)果見表1。

表1 鄭州市熱島情況分析 單位:公頃、%

從表1可以看出，就全市而言:1、鄭州市相對(duì)亮溫等級(jí)以弱熱島和中等熱島為主，綠島面積僅占16.44%；2、強(qiáng)熱島面積較大，占24.47%；3、綠島與弱熱島主要分布在鄭州市防風(fēng)固沙林面積較多的東部區(qū)域、森林面積較多的西南山地及沿黃河濕地地帶。

2 鄭州市域植被情況分析

2.1 植被指數(shù)的市域總體特征

植被指數(shù)是利用衛(wèi)星不同波段探測(cè)數(shù)據(jù)組合而成的，該指數(shù)隨生物量的增加而迅速增大，能反映植物生長(zhǎng)狀況的指數(shù)。比值植被指數(shù)又稱為綠度，為二通道反射率之比，能較好地反映植被覆蓋度和生長(zhǎng)狀況的差異，特別適用于植被生長(zhǎng)旺盛、具有高覆蓋度的植被監(jiān)測(cè)。對(duì)于TM衛(wèi)星影像而言，它的具體計(jì)算方式如下:

其中:BAND4表示TM影像中反映植被反射中近紅外光譜信息的第四波段，BAND3表示TM影像中反映植被反射紅光光譜信息的第三波段。

利用上式計(jì)算的鄭州市域的植被指數(shù)繪制了鄭州市域NDVI分布圖（略）。進(jìn)而根據(jù)該圖數(shù)據(jù)利用arcGIS進(jìn)行植被指數(shù)面積分級(jí)分布統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表2。

表2 鄭州市植被指數(shù)面積情況 單位:公頃、%

植被指數(shù)負(fù)值表示地面覆蓋為云、水、雪等，對(duì)可見光高反射；0表示有巖石或裸土等，NIR和R近似相等；正值，表示有植被覆蓋，且隨覆蓋度增大而增大。按照鄭州市植被蓋度的區(qū)域差異，將植被指數(shù)劃分為5個(gè)等級(jí):（1）極低，植被指數(shù)-0.098～-0.06；（2）較低，植被指數(shù)-0.06～0.15；（3）一般，植被指數(shù)0.15～0.30；（4）較高，植被指數(shù)0.30～0.40；（4）高，植被指數(shù)0.40～0.70。

由表2可以看出，植被指數(shù)的區(qū)域分布差異較大。除水域外，這一分布格局與前述相對(duì)亮溫的分布格局是一致的。其中植被指數(shù)高及較高的區(qū)域面積為2607.77公頃，占鄭州市國(guó)土面積的35.02%。

2.2 植被蓋度的總體變化

植被蓋度是指一定區(qū)域內(nèi)植被的垂直投影面積所占地表面積的百分比。它既是刻畫地表植被覆蓋的一個(gè)重要參數(shù)，也是指示生態(tài)環(huán)境變化的重要指標(biāo)之一。這里我們利用基于像元二分法的植被蓋度遙感測(cè)定模型來計(jì)算不同年代鄭州市的植被蓋度。其計(jì)算公式如下: FC=（NDVI－NDVImin）/（NDVImax－NDVImin）

式中:FC為植被蓋度，NDVI為像元的植被指數(shù)，NDVImax和NDVImin分別為研究區(qū)域內(nèi)最大的NDVI值和最小的NDVI值。

按照鄭州市植被蓋度的區(qū)域差異，將植被蓋度劃分為5個(gè)等級(jí):（1）極低覆蓋度，主要是裸露地表或水體等，植被蓋度0-20%；（2）低覆蓋度，植被蓋度20%-40%；（3）中覆蓋度，植被蓋度為40%-60%；（4）較高覆蓋度，植被蓋度 60%-80%；（4）高覆蓋度，植被蓋度為80%-100%。據(jù)此繪制鄭州市植被蓋度分布情況圖（略）。進(jìn)而利用arcGIS統(tǒng)計(jì)各植被蓋度等級(jí)情況:首先是高覆蓋度面積占一定比例（為16.71%），加上較高覆蓋度的面積，其比例更可達(dá)57.59%以上；其次，全市低覆蓋度等級(jí)以下的植被面積比例很小，其面積比例在42.41%（其中極低的僅為4.20%）。這一結(jié)果表明鄭州市域的生態(tài)狀況尚可。

3 鄭州城市熱島的成因分析

（1）鄭州熱場(chǎng)受城市下墊面特性的影響。熱島區(qū)域內(nèi)有大量的人工構(gòu)筑物，如混凝土、柏油路面、各種建筑墻面等，改變了下墊面的熱力屬性，這些人工構(gòu)筑物吸熱快而熱容量小，在相同的太陽(yáng)輻射條件下，它們比自然下墊面（綠地、水面等）升溫快，因而其表面溫度明顯高于自然下墊面。

（2）鄭州熱場(chǎng)受人工熱源的影響。如工廠生產(chǎn)、交通運(yùn)輸以及居民生活都需要燃燒各種燃料，每天都在向外排放大量的熱量，表現(xiàn)為人工熱源較多區(qū)域的亮溫值較高。

（3）鄭州熱場(chǎng)分布與綠地、水體的存在呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。即熱島區(qū)域與其它區(qū)域相比，其綠地、水體較少。隨著城市化的發(fā)展，城市人口的增加，城市中的建筑、廣場(chǎng)和道路等大量增加，綠地、水體等卻相應(yīng)減少，緩解熱島效應(yīng)的能力被削弱。

（4）城市中的大氣污染產(chǎn)生溫室效應(yīng)。城市中的機(jī)動(dòng)車、工業(yè)生產(chǎn)以及居民生活，產(chǎn)生了大量的氮氧化物、二氧化碳和粉塵等排放物。這些物質(zhì)會(huì)吸收下墊面熱輻射，產(chǎn)生溫室效應(yīng)，從而引起大氣進(jìn)一步升溫。

4 防止并減緩“熱島效應(yīng)” ，建設(shè)城市森林的對(duì)策

鄭州熱場(chǎng)分析對(duì)森林城市建設(shè)的啟示在于:如何科學(xué)合理地布局，以防止并減緩“熱島效應(yīng)”。

（1）要保護(hù)并增大城區(qū)這一熱島區(qū)域的綠地、水體面積，并選擇高效美觀的綠化形式。包括街心公園、屋頂綠化和墻壁垂直綠化及水景設(shè)置，可有效地降低熱島效應(yīng)，獲得清新宜人的室內(nèi)外環(huán)境。有研究表明:城市綠化覆蓋率與熱島強(qiáng)度成反比，綠化覆蓋率越高，則熱島強(qiáng)度越低，當(dāng)覆蓋率大于30%后，熱島效應(yīng)得到明顯的削弱；覆蓋率大于50%，綠地對(duì)熱島的削減作用極其明顯。規(guī)模大于3公頃且綠化覆蓋率達(dá)到60%以上的集中綠地，基本上與郊區(qū)自然下墊面的溫度相當(dāng)，即消除了熱島現(xiàn)象，在城市中形成了以綠地為中心的低溫區(qū)域，成為人們戶外游憩活動(dòng)的優(yōu)良環(huán)境。

（2）在城市發(fā)展時(shí)要盡可能少占郊區(qū)的林地和水體，并控制人口與建筑物密度。居住區(qū)的綠化管理要建立綠化與環(huán)境相結(jié)合的管理機(jī)制并且制訂相關(guān)的地方性行政法規(guī)，以保證綠化用地，努力提高鄭州市域的林木綠化率和綠地率。

（3）營(yíng)造綠色通風(fēng)系統(tǒng)減緩“熱島效應(yīng)”。鄭州盛行南、北轉(zhuǎn)換的風(fēng)向。夜間多偏北風(fēng)，白天多偏南風(fēng)。因此，城市森林建設(shè)應(yīng)結(jié)合城市建設(shè)，統(tǒng)籌規(guī)劃公路、高空走廊和街道這些溫室氣體排放較為密集的地區(qū)的綠化，營(yíng)造綠色通風(fēng)系統(tǒng)，把市外新鮮空氣引進(jìn)市內(nèi)，以改善小氣候。適當(dāng)增加南北走向森林廊道的數(shù)量、寬度與質(zhì)量，并建設(shè)若干條骨干林蔭大道，使其構(gòu)成城區(qū)的帶狀綠色通道，逐步形成以綠色為隔離帶的城區(qū)組團(tuán)布局，以加強(qiáng)城市通風(fēng)，減弱熱島效應(yīng)。

（4）通過建設(shè)城市森林，努力減少裸地和空氣塵埃。應(yīng)把消除裸地、消滅揚(yáng)塵作為城市管理的重要內(nèi)容。除建筑物、硬路面外，全部地表應(yīng)為綠化所覆蓋，甚至在樹冠投影處草坪難以生長(zhǎng)的地方，也應(yīng)用植物材料加以遮蔽。

[1] 靜文.由“熱島效應(yīng)”想到“綠島效應(yīng)” .城市開發(fā)，1994，12.

[2] 竇建奇.關(guān)于城市“熱島效應(yīng)”的思考.土木工程與管理學(xué)報(bào)，2001，Z1.

[3] 冉桂平等.濟(jì)南市城市熱島效應(yīng)分析.氣象科技，2010，S1.

The brightness temperature data,whose reliability is verified by the observed air temperature,and NDVI data of Zhengzhou urban was acquired from TM image.The result shows that the city's most area is in weak heat island and medium heat island. The total land area of 16.44% is green island,which is mainly distributed in the eastern region of Zhengzhou City .There are a large number of forests and Hanghe revier wetlands in the eastern region. The article provides the construction of city forest plan to reduce heat island countermeasures.

heat island; NDVI; vegetation fractional coverage ; city forest

S731.1

A

1004-7743（2012）03-0056-03

2012-04-15