基于TM遙感反演和流動(dòng)監(jiān)測(cè)的居住區(qū)熱環(huán)境效應(yīng)研究

高 凱

(上海植物園，上海城市植物資源開發(fā)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，上海 200231)

城市中的熱環(huán)境問(wèn)題已成為營(yíng)造最適人居環(huán)境的主要障礙之一。自Manley于1958年首次提出城市熱島(Urban Heat Island，UHI)的概念以來(lái)，國(guó)際社會(huì)對(duì)這一由于城市化過(guò)程所引起的城市溫度明顯高于郊區(qū)的現(xiàn)象關(guān)注程度逐年增高，相關(guān)文獻(xiàn)研究近10年來(lái)更以15%的速率增加[1-2]。

熱島效應(yīng)不僅僅帶來(lái)溫度的提高，更重要的是使城區(qū)凝露量、結(jié)霜量、霜凍日數(shù)、下雪頻率和積雪時(shí)間都小于郊區(qū)，暴雨、高溫等災(zāi)害性天氣的頻度、強(qiáng)度高于往年[3]；同時(shí)城市上空的云、霧量的增加，使有害氣體、煙塵在市區(qū)上空累積，形成嚴(yán)重的大氣污染，引發(fā)城市居民心腦血管、呼吸系統(tǒng)等疾病的發(fā)病率上升，形成很大的社會(huì)性危害[4]。近年來(lái)，很多學(xué)者應(yīng)用多種方法，如氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)[5-6]、遙感解譯[7-8]、實(shí)地觀測(cè)[9]、分形分析[4,10]以及模擬分析[11-13]等，對(duì)城市熱島效應(yīng)在不同時(shí)間[14]、不同空間[15-16]上的特征、危害、緩解方法進(jìn)行研究。多數(shù)研究結(jié)果表明，緩解城市熱島效應(yīng)最好的景觀要素分別為水面與綠地斑塊。城市植被對(duì)于緩解城市熱島效應(yīng)具有顯著的作用，尤其是當(dāng)植被覆蓋率大于60%時(shí),其地面熱輻射強(qiáng)度與郊區(qū)自然下墊面相當(dāng)[17]。

前人在熱島效應(yīng)機(jī)理研究的深度和廣度方面取得了豐厚成果，但是在如何減輕熱島效應(yīng)工程方面的研究，以及在監(jiān)測(cè)方法上的對(duì)比都還相對(duì)薄弱。為此，筆者以上海中心區(qū)域同地段的獨(dú)立小區(qū)為研究對(duì)象，利用遙感技術(shù)和流動(dòng)觀測(cè)兩種方法就居住區(qū)內(nèi)影響熱環(huán)境改善方面的幾個(gè)主要關(guān)鍵因子進(jìn)行了分析模擬，以期為今后的研究在方法論上和新建居住區(qū)對(duì)熱環(huán)境的要求中提供準(zhǔn)確、有效的科學(xué)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1研究區(qū)域概況選取上海植物園周邊居住區(qū)為研究對(duì)象，地點(diǎn)位于上海徐匯區(qū)西南角。該地區(qū)氣候?qū)儆诒眮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和濕潤(rùn)，年平均溫度16 ℃左右，全年無(wú)霜期約230 d，年平均降雨量在1 200 mm左右。

1.2研究對(duì)象測(cè)試時(shí)間在2013年的7月份進(jìn)行，試驗(yàn)小區(qū)選擇在上海徐匯區(qū)和閔行區(qū)，東至龍吳路，北至漕寶路，西南分別至外環(huán)線，占地32 km2，在200個(gè)居住區(qū)內(nèi)選擇出36個(gè)居住區(qū)，居住區(qū)的類型分為3類：①容積率基本相同，綠化率呈現(xiàn)等級(jí)差異；②綠化率基本相同，容積率呈現(xiàn)等級(jí)差異；③綠化率和容積率基本相同，喬木比例呈現(xiàn)等級(jí)差異。每類選擇12個(gè)居住區(qū)。

1.3研究方法每種類型12個(gè)居住區(qū)為一組，6個(gè)人每人攜帶一臺(tái)便攜式Kestrel4000NV溫濕度計(jì)，在正午溫度超過(guò)35 ℃后，開始進(jìn)行同步流動(dòng)監(jiān)測(cè)，記錄下每次測(cè)試的氣溫和濕度平均值，每人負(fù)責(zé)最鄰近的2個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)測(cè)試時(shí)間不超過(guò)15 min，2個(gè)小區(qū)測(cè)試用時(shí)不超過(guò)40 min，試驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)測(cè)試3 d。測(cè)試時(shí)，有一人騎自行車在居住區(qū)人活動(dòng)最頻繁的道路和中心綠地上迂回前行，騎車選擇的路徑要有代表性和均一性，重復(fù)測(cè)試時(shí)的路徑可以選擇不同路線。測(cè)試時(shí)的天氣狀況以晴好高溫?zé)o風(fēng)為主，測(cè)試前3 d不曾下雨。

對(duì)選擇的36個(gè)居住區(qū)進(jìn)行航片解譯和TM溫度反演。航片資料主要解譯居住區(qū)的綠化覆蓋率和喬木比例；TM資料是以陸地衛(wèi)星LANDSAT-5為數(shù)據(jù)源，反演居住區(qū)整體溫度，成像時(shí)間為2013年7月28日10:18的衛(wèi)星上海過(guò)境影像，分辨率為120 m×120 m，結(jié)合上海地區(qū)均勻分布的56個(gè)自動(dòng)氣象站點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄的氣溫?cái)?shù)據(jù)(自動(dòng)氣象站溫度計(jì)離地約1.5米高度，國(guó)際統(tǒng)一)和對(duì)應(yīng)時(shí)刻影像位置上的亮度溫度建立相關(guān)關(guān)系，用多項(xiàng)式擬合，要求R2>0.5，實(shí)現(xiàn)由亮溫到氣溫的反演，單位采用 ℃。該圖像由亮溫到氣溫的反演公式為：AT=0.400 6×TB+21.757 (R2=0.511)，其中TB為衛(wèi)星亮度溫度，AT為氣溫。

1.4數(shù)據(jù)分析全部數(shù)據(jù)由Excel 2007和SPSS 13.0結(jié)合完成分析。

2 結(jié)果與分析

2.1樣本居住區(qū)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)頻度分析為在200個(gè)居住區(qū)樣本內(nèi)尋找36個(gè)最具有代表性的居住區(qū)類型，對(duì)居住區(qū)樣本的住區(qū)面積、容積率、綠化覆蓋率和喬木比例進(jìn)行正態(tài)分布Q-Q頻度檢驗(yàn)(圖1～4)。檢驗(yàn)結(jié)果顯示，P值均小于0.01，樣區(qū)內(nèi)的200個(gè)居住區(qū)均符合正態(tài)分布的選樣要求，其中住區(qū)面積出現(xiàn)頻度最高值為4.5～5.0 hm2，容積率為1.5～2.0，綠化覆蓋率為35%左右，喬木比例為35%～40%。

考慮到TM遙感監(jiān)測(cè)資料的分辨率，所以在36個(gè)居住區(qū)選擇上面積均超過(guò)頻度峰值4.5 hm2；在容積率基本相同、綠化率呈現(xiàn)等級(jí)差異的類型中，12個(gè)居住區(qū)的容積率也選擇在1.5～2.0；在綠化率基本相同、容積率呈現(xiàn)等級(jí)差異類型中，綠化覆蓋率選擇在35%左右；在綠化率和容積率基本相同、喬木比例呈現(xiàn)等級(jí)差異類型中，綠化覆蓋率和容積率分別選擇在35%和1.5左右，喬木比例以35%～40%為中心點(diǎn)。

注：樣本數(shù)為208。圖1 居住區(qū)容積率的正態(tài)分布直方圖

注：樣本數(shù)為209。圖2 居住區(qū)面積的正態(tài)分布直方圖

注：樣本數(shù)為209。圖3 居住區(qū)綠化覆蓋率的正態(tài)分布直方圖

注：樣本數(shù)為209。圖4 居住區(qū)喬木比例的正態(tài)分布直方圖

2.2居住區(qū)容積率基本相同、綠化覆蓋率呈現(xiàn)等級(jí)差異類型分析在200個(gè)居住區(qū)內(nèi)，篩選出面積較大、容積率在1.5左右、綠化覆蓋率在20%～60%呈遞增的12個(gè)居住區(qū)，結(jié)果見表1。

將TM衛(wèi)星反演的居住區(qū)溫度與綠化覆蓋率做線性相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)兩者之間呈顯著的負(fù)相關(guān)，其線性公式為：T=-1.9B+35.7(R2=0.481，P<0.05)，其中T為氣溫，B為綠化覆蓋率，當(dāng)氣溫在35 ℃左右時(shí)，綠化覆蓋率每增加10%，居住區(qū)的氣溫就降低0.19 ℃(圖5)。通過(guò)實(shí)地的流動(dòng)監(jiān)測(cè)的居住區(qū)溫度發(fā)現(xiàn)，溫度與綠化覆蓋率也存在顯著線性負(fù)相關(guān)，其線性公式為：T=-5.3B+39.6(R2=0.579，P<0.05)，其中T為氣溫，B為綠化覆蓋率，當(dāng)氣溫在39 ℃左右時(shí)，綠化覆蓋率每增加10%，居住區(qū)的氣溫就降低0.53 ℃(圖6)。

表1 居住區(qū)樣地的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

圖5 TM衛(wèi)星反演的居住區(qū)溫度與綠化覆蓋率線性關(guān)系

圖6 流動(dòng)實(shí)測(cè)的居住區(qū)溫度與綠化覆蓋率線性關(guān)系

2.3居住區(qū)綠化覆蓋率基本相同、容積率呈現(xiàn)等級(jí)差異類型分析在200個(gè)居住區(qū)內(nèi)，篩選出面積較大、綠化面積在35%左右、容積率在1.3～5.5呈遞增的12個(gè)居住區(qū)，結(jié)果見表2。

表2 居住區(qū)樣地的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

將TM衛(wèi)星反演和流動(dòng)性觀察的居住區(qū)溫度與容積率做相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)兩者之間的關(guān)系表現(xiàn)為：容積率在1.3～2.0時(shí)，氣溫和容積率呈正相關(guān)，即居住區(qū)容積率每上升1，氣溫分別升高0.7和2.3 ℃；容積率在2.0～5.5時(shí)，氣溫和容積率也呈正相關(guān)，但隨著居住區(qū)容積率的上升，溫度增加趨緩，即居住區(qū)容積率每上升1，氣溫才分別升高0.1和0.2 ℃。總體上，兩種方法容積率與溫度呈冪函數(shù)關(guān)系，分別為T=34.70R0.01(R2=0.663，P<0.05)和T= 32.194R0.03(R2=0.697，P<0.05)，其中T為氣溫，R為容積率(圖7、8)。

圖7 TM衛(wèi)星反演的居住區(qū)溫度與容積率關(guān)系

圖8 流動(dòng)實(shí)測(cè)的居住區(qū)溫度與容積率關(guān)系

2.4居住區(qū)綠化覆蓋率和容積率基本相同、喬木比例呈現(xiàn)等級(jí)差異類型分析在200個(gè)居住區(qū)內(nèi)，篩選出面積較大、綠化面積在35%左右、容積率在1.5左右、喬木比例呈遞增的12個(gè)居住區(qū)，結(jié)果見表3。

表3 居住區(qū)樣地的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

將TM衛(wèi)星反演的居住區(qū)溫度與喬木比例做線性相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)兩者之間無(wú)顯著相關(guān)性(圖9)。通過(guò)實(shí)地的流動(dòng)監(jiān)測(cè)的居住區(qū)溫度發(fā)現(xiàn)，溫度與喬木比例存在顯著線性負(fù)相關(guān)，其線性公式為：T=-1.23C+35.1(R2=0.719，P<0.05)，其中T為氣溫，C為喬木比例。在居住區(qū)綠化覆蓋率和容積率基本相同，以及氣溫在35 ℃的條件下，喬木比例每增加10%，居住區(qū)的氣溫就降低0.12 ℃(圖10)。

圖9 TM衛(wèi)星反演的居住區(qū)溫度與喬木比例線性關(guān)系

圖10 流動(dòng)實(shí)測(cè)的居住區(qū)溫度與喬木比例線性關(guān)系

3 結(jié)論與討論

(1)將兩種測(cè)試方案進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，居住區(qū)溫度與綠化覆蓋率都存在顯著的負(fù)相關(guān)，不同點(diǎn)在于兩者的環(huán)境溫度不同，實(shí)測(cè)時(shí)的溫度要高于TM衛(wèi)星反演溫度4.0 ℃，同時(shí)綠化覆蓋率每增加10%，衛(wèi)星反演的氣溫降低值要小于流動(dòng)實(shí)測(cè)值0.34 ℃。分析表明，兩種方案由于測(cè)試手段和時(shí)間節(jié)點(diǎn)的不同導(dǎo)致環(huán)境溫度相差4.0 ℃，而溫度隨綠化覆蓋率變化程度不同。但總體上，夏季高溫期居住區(qū)綠化覆蓋率的提高，無(wú)疑可以降低環(huán)境溫度，且50%綠化覆蓋率的小區(qū)溫度要比20%綠化覆蓋率的小區(qū)低0.57～1.56 ℃。

(2)將兩種測(cè)試方案進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，居住區(qū)溫度與容積率都存在正相關(guān)，而且也同時(shí)表現(xiàn)為：容積率在1.3～2.0時(shí)，氣溫上升較快；容積率在2.0～5.5時(shí)，溫度增加趨緩。拐點(diǎn)均出現(xiàn)在容積率達(dá)2.0左右時(shí)，而2.0也正是居住區(qū)由低層向高層轉(zhuǎn)變的小高層類型，其建造布局趨于疏散，較為通風(fēng)，減緩了容積率升高對(duì)居住區(qū)溫度升高的影響。但總體上，實(shí)測(cè)的居住區(qū)容積率變化對(duì)溫度的影響要大于TM遙感監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，其原因應(yīng)該是遙感手段無(wú)法監(jiān)測(cè)到居住區(qū)空調(diào)廚房排熱，以及墻體對(duì)空間環(huán)境的熱輻射造成的影響。綜合兩種監(jiān)測(cè)手段，容積率5.5的居住區(qū)溫度要比容積率為1.5的居住區(qū)高出0.7～1.5 ℃。

(3) TM衛(wèi)星反演技術(shù)對(duì)居住區(qū)喬木比例變化無(wú)響應(yīng)。原因可能是衛(wèi)星反演是基于下墊面屬性和氣象站的數(shù)據(jù)結(jié)合模擬形成的氣溫?cái)?shù)據(jù)，對(duì)于同一屬性類型的綠化，無(wú)論是

草本、灌木還是喬木，沒(méi)有區(qū)分能力，所以導(dǎo)致了兩者之間無(wú)顯著相關(guān)性?？傮w上，夏季高溫期居住區(qū)綠化喬木比例的提高無(wú)疑可以降低環(huán)境溫度，且70%綠化喬木比例的小區(qū)溫度要比20%綠化喬木比例的小區(qū)低0.5 ℃左右。

由此可見，TM衛(wèi)星反演技術(shù)在對(duì)居住區(qū)較大尺度上的測(cè)試分析上，有一定的便捷性和準(zhǔn)確性，但在一些復(fù)雜的小區(qū)域類型中，會(huì)出現(xiàn)不同程度的偏差；而流動(dòng)性觀察雖然較能反映真實(shí)情況，但受到人員、時(shí)間和環(huán)境限制，不利于在較大尺度上做好同步測(cè)試工作。因此，兩種方法可以從不同方向和層次上共同揭示城市人居環(huán)境中的熱環(huán)境效應(yīng)，有機(jī)結(jié)合數(shù)值模型和實(shí)地監(jiān)測(cè)將會(huì)受到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。

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