福州核心區(qū)對城市熱島效應(yīng)的影響

陳志強(qiáng)，何瑞婷，白麗月，2

（1.福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福建福州350007；2.福建省農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，福建福州350007）

福州核心區(qū)對城市熱島效應(yīng)的影響

陳志強(qiáng)1，何瑞婷1，白麗月1，2

（1.福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福建福州350007；2.福建省農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，福建福州350007）

采用定量遙感與GIS相結(jié)合的方法，利用福州市1988、2000年和2009年遙感影像，提取城市核心區(qū)，劃分城市熱島效應(yīng)區(qū)，定量分析福州市熱島效應(yīng)區(qū)強(qiáng)度變化和空間結(jié)構(gòu)變化.研究結(jié)果表明：1988、2000年和2009年，福州市城市核心區(qū)與非城市核心區(qū)的溫度平均值差值分別為3.67、3.70℃和4.34℃，溫度平均值差距增大，城市熱島效應(yīng)顯著增強(qiáng)；1988年福州市熱島效應(yīng)區(qū)呈現(xiàn)雙中心空間結(jié)構(gòu)，2000年趨于多中心空間結(jié)構(gòu)，2009年趨于集中連片分布.基于城市核心區(qū)進(jìn)行城市熱島的提取與劃分，可以顯著提高研究精度，為城市熱島研究提供新的思路與方法.

熱島；城市核心區(qū)；遙感；GIS

相關(guān)研究表明，城市熱島是城市氣候中最典型的特征之一［1-2］，是城市化對氣候影響最典型的表現(xiàn).一些極端氣候事件（如高溫、暴雨、酷熱等）頻繁出現(xiàn)，嚴(yán)重惡化了城市環(huán)境，也給經(jīng)濟(jì)社會和諧發(fā)展、居民身心健康帶來極大的負(fù)面效應(yīng)，引起了社會各界的廣泛關(guān)注.目前，各國學(xué)者從熱島的常規(guī)觀測研究、數(shù)值模擬、遙感研究［3-6］等方面對城市熱島效應(yīng)進(jìn)行了大量的觀測和理論研究.

在城市擴(kuò)展和城市化研究中，城市邊界的準(zhǔn)確確定至關(guān)重要，但是由于城鄉(xiāng)結(jié)合部的土地利用類型復(fù)雜，破碎度大，再加上變化檢測過程中其它土地利用類型的變化信息的干擾，城市邊界難以精確劃分［7］.幾乎所有較大的城市，城市化發(fā)展水平的空間分布都會形成由城市核心區(qū)、郊區(qū)（城鄉(xiāng)過渡帶地區(qū)）和農(nóng)村地區(qū)組成的三元地域結(jié)構(gòu)，并構(gòu)成顯著的城市化梯度.這種城市化梯度差異可以利用景觀組分的空間差異進(jìn)行表達(dá)，最能代表城市化梯度的景觀組分無疑是城市建設(shè)用地［8］.因此，根據(jù)各個城市實際情況，設(shè)定城市建設(shè)用地密度的閾值，可以較好地劃分城市核心區(qū)、郊區(qū)（城鄉(xiāng)過渡帶地區(qū)）和農(nóng)村地區(qū).

本研究采用TM影像反演福州市地表溫度，在前人研究的基礎(chǔ)上提取城市核心區(qū)，提出基于城市核心區(qū)劃分城市熱島效應(yīng)區(qū)的思路，分析城市熱島效應(yīng)區(qū)強(qiáng)度和空間結(jié)構(gòu)變化，以期為福州市及類似區(qū)域城市建設(shè)、土地利用安全以及相關(guān)決策提供科學(xué)參考.

1 研究方法

本研究采用1988年6月15日、2000年6月29日和2009年6月6日的TM影像作為數(shù)據(jù)源，并結(jié)合其他輔助資料（經(jīng)過幾何精校正的SPOT影像等），反演福州市地表溫度.

Jimenez-Munoz和Sobrino對普朗克函數(shù)在某個溫度值附近做一階泰勒級數(shù)展開得到普適單窗算法［11］：

其中

式中，λ是波段有效波長，對于Landsat TM6有效波長為11.457μm，c1和c2為輻射常數(shù).

ψ1、ψ2、ψ3為大氣參數(shù)，可按下式計算得到：

式中，w為大氣水汽含量.

通過氣象數(shù)據(jù)換算得到大氣水汽含量約為1.5 g／cm2；利用經(jīng)FLAASH校正的TM影像的波段4和波段3提取研究區(qū)的歸一化差值植被指數(shù)（normalize difference vegetation index，NDVI），利用分類所得土地利用數(shù)據(jù)將研究區(qū)NDVI影像劃分成3部分：自然地表、城市建設(shè)用地和水域；根據(jù)文獻(xiàn)［12-13］中的方法，設(shè)置地表比輻射率.

以亮溫、大氣水汽含量和地表比輻射率影像為輸入數(shù)據(jù)，采用Jimenez-Munoz和Sobrino算法在IDL平臺上實現(xiàn)了基于TM的地表溫度反演.

2 結(jié)果分析

2.1 城市核心區(qū)提取

本研究根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，采用單位面積內(nèi)城市建設(shè)用地面積比重提取城市核心區(qū).首先，從3個年份福州市土地利用圖中提取出城市建設(shè)用地，并將其轉(zhuǎn)成GRID格式，在ArcGIS中對GRID圖層進(jìn)行運算，求取每個單元內(nèi)建設(shè)用地的密度.其次，對求得的城市建設(shè)用地密度圖進(jìn)行運算，除去細(xì)碎斑塊，消除噪聲干擾.最后，運用RECLASSIFY進(jìn)行重新分類，生成下一步統(tǒng)計和分析的圖形切割模板.經(jīng)實地調(diào)查分析后確定，單元值在0.5～1.0區(qū)間的區(qū)域為城市核心區(qū)，低于0.5的地區(qū)為非城市核心區(qū)，即郊區(qū)（城鄉(xiāng)過渡帶地區(qū)）和農(nóng)村地區(qū)［8］.

2.2 城市熱島效應(yīng)區(qū)強(qiáng)度變化

為了反映城市熱島效應(yīng)的變化，分別求取1988、2000年和2009年城市核心區(qū)和非城市核心區(qū)的溫度平均值.以非城市核心區(qū)溫度平均值為準(zhǔn)，對城市核心區(qū)的溫度進(jìn)行分級，分級標(biāo)準(zhǔn)如下：第1級：Tj≤Tc；第2級：Tj＜Tc≤Tj＋2.5；第3級：Tj＋2.5＜Tc≤Tj＋5；第4級：T＞Tj＋5.其中Tc為城市核心區(qū)溫度平均值；Tj為非城市核心區(qū)溫度平均值.第1級為非熱島效應(yīng)區(qū)，第2級為弱熱島效應(yīng)區(qū)，第3級為中等熱島效應(yīng)區(qū)，第4級為強(qiáng)熱島效應(yīng)區(qū)（圖1）［9］.

表1 城市核心區(qū)與非城市核心區(qū)溫度對比 ℃

表2 各類城市熱島效應(yīng)區(qū)的面積及其比例

由表1和表2可知，1988、2000年和2009年，城市核心區(qū)與非城市核心區(qū)的溫度平均值差值分別為3.67、3.70℃和4.34℃，可見隨著城市的發(fā)展，城市核心區(qū)與非城市核心區(qū)溫度平均值差距增大，城市熱島效應(yīng)顯著增強(qiáng).1988年至2009年福州市強(qiáng)熱島效應(yīng)區(qū)和中等熱島效應(yīng)區(qū)面積逐年增加.強(qiáng)熱島效應(yīng)區(qū)從1988年至2000年增加的面積為763.18 hm2，2000年至2009年增加的面積為5 112.02 hm2，范圍增加有明顯的加快趨勢；中等熱島效應(yīng)區(qū)從1988年至2000年增加的面積為3 918.97 hm2，2000年至2009年增加的面積為2 478.68 hm2；與之相反，非熱島效應(yīng)區(qū)和弱熱島效應(yīng)區(qū)的面積逐年下降.非熱島效應(yīng)區(qū)從1988年至2000年減少的面積為461.48 hm2，2000年至2009年減少的面積為1 687.63 hm2；弱熱島效應(yīng)區(qū)從1988年至2000年減少的面積為4 220.38 hm2，2000年至2009年減少的面積為5 903.36 hm2.

2.3 城市熱島效應(yīng)區(qū)空間結(jié)構(gòu)變化

1988年城市熱島分布比較集中，幾乎所有的城市核心區(qū)都對應(yīng)強(qiáng)熱島效應(yīng)區(qū)和中等熱島效應(yīng)區(qū).其中，鼓樓區(qū)和臺江區(qū)是熱島分布最集中區(qū)，也是兩大強(qiáng)熱島效應(yīng)區(qū)分布的集中區(qū).這2個區(qū)域多為較密集的商業(yè)區(qū)和住宅區(qū)，人為熱排放較多，同時處在城市中心區(qū)，建筑物比較密集，植被覆蓋度較低，容易形成高溫.除此之外，在中等熱島效應(yīng)區(qū)內(nèi)部還可以看到零星分布的強(qiáng)熱島效應(yīng)區(qū)，主要對應(yīng)一些工廠或是人口聚集地方如火車站等.非熱島效應(yīng)區(qū)和弱熱島效應(yīng)區(qū)主要分布在水體、耕地和林地等區(qū)域［10］.因而，1988年城市熱島效應(yīng)區(qū)的分布格局呈現(xiàn)雙中心空間結(jié)構(gòu).

2000年，鼓樓區(qū)強(qiáng)熱島效應(yīng)區(qū)面積萎縮，臺江區(qū)強(qiáng)熱島效應(yīng)區(qū)也略有縮小，這主要是因為老城區(qū)工廠不斷遷出，使老城區(qū)部分地區(qū)熱島現(xiàn)象得以緩和［10］；晉安區(qū)的鼓山鎮(zhèn)熱島面積大幅度增加，這與城市東擴(kuò)和廠區(qū)建設(shè)密切相關(guān)，熱中心區(qū)主要沿著福新路、福馬路兩側(cè)延伸；倉山區(qū)的熱島面積比1988年有較大增加，主要沿著上渡路、上山路、六一路、則徐大道兩側(cè)延伸，絕大部分為中等熱島效應(yīng)區(qū)，強(qiáng)熱島效應(yīng)區(qū)的面積較??；馬尾經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)的熱島面積得到了大幅度的增加，幾乎整個城市都位于熱島，其中強(qiáng)熱島效應(yīng)區(qū)面積占有一定的比例.隨著城市發(fā)展，上述多個地區(qū)分別形成熱島中心，呈現(xiàn)多中心趨勢.

2009年強(qiáng)熱島效應(yīng)區(qū)隨城市擴(kuò)展而進(jìn)一步擴(kuò)大，在老城區(qū)、南臺島和馬尾區(qū)三地都有較大輻度的增長，由原來的多個小面積中心不斷擴(kuò)大、合并，形成集中連片的態(tài)勢.

3 討論

已有學(xué)者在探討城市熱島問題時指出：造成城市熱島的原因除了天氣條件、地理條件，城市生產(chǎn)生活中消耗能源，產(chǎn)生直接加熱大氣的人為熱及溫室效應(yīng)外，主要是受城市下墊面性質(zhì)的影響.城市熱島指城市中心地區(qū)與城市周邊地區(qū)的氣溫差異.理論上，常以城市平均氣溫與郊區(qū)平均氣溫之差作為熱島強(qiáng)度指標(biāo)［11］.但多個學(xué)者研究結(jié)果指出，廈門、上海和北京等城市熱島效應(yīng)的研究表明，研究區(qū)城市熱島的空間分布與城市主城區(qū)的輪廓線較為一致，城市建設(shè)區(qū)域的擴(kuò)大將會導(dǎo)致城市熱島范圍的面積增大，城市擴(kuò)展與熱島擴(kuò)展趨勢具有空間一致性和同步性［12-16］，城市擴(kuò)展是城市熱島范圍擴(kuò)大，強(qiáng)度加大的最直接，也是最根本的原因之一［17］.因此，城市和農(nóng)村區(qū)域的選擇成為分析熱島強(qiáng)度大小的一個關(guān)鍵因素.

已有研究結(jié)果顯示，選擇不同鄉(xiāng)村區(qū)域，不僅城市熱島強(qiáng)度有較大變化，而且熱島強(qiáng)度的季節(jié)變化也有較大差異.但采用遙感影像進(jìn)行多時相城市熱島強(qiáng)度的研究中，多數(shù)研究忽略城市化進(jìn)程中新城區(qū)對城市熱島的影響，并假設(shè)城市建設(shè)用地擴(kuò)張導(dǎo)致的農(nóng)田減少僅在早期農(nóng)田區(qū)域上產(chǎn)生［18-19］.目前，不同時期的城市熱島效應(yīng)計算中，準(zhǔn)確確定不同時期城市邊界的相關(guān)研究鮮見報道.本研究以單位面積內(nèi)城市建設(shè)用地面積比重提取城市核心區(qū)，發(fā)現(xiàn)不同年份福州市城市核心區(qū)的面積存在較大差別，因而城市熱島提取不能忽視城市核心區(qū)的變化.根據(jù)不同年份城市核心區(qū)與非城市核心區(qū)的溫度差異劃分城市熱島效應(yīng)區(qū)，可顯著提高研究精度，為城市熱島研究提供新的思路與方法.

4 結(jié)語

1）隨著福州市的城市發(fā)展，1988、2000年和2009年，城市核心區(qū)與非城市核心區(qū)的溫度平均值差值分別為3.67、3.70℃和4.34℃，溫度平均值差距增大，城市熱島效應(yīng)顯著增強(qiáng).

2）1988年福州市城市熱島效應(yīng)區(qū)呈現(xiàn)雙中心空間結(jié)構(gòu)，2000年趨于多中心空間結(jié)構(gòu)，2009年趨于集中連片分布.

3）采用單位面積內(nèi)城市建設(shè)用地面積比重提取城市核心區(qū)，并據(jù)此劃分城市熱島效應(yīng)區(qū)，可顯著提高研究精度，為城市熱島研究提供新的思路與方法.

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（責(zé)任編輯 王 琳）

Influence of the urban core on urban heat island effects in Fuzhou city

CHEN Zhi-qiang1，HE Rui-ting1，BAI Li-yue1，2
（1.College of Geographical Sciences，F(xiàn)ujian Normal University，F(xiàn)uzhou 350007，China；2.Institute of Regional Agro-planning of Fujian Province，F(xiàn)uzhou 350007，China）

Urban heat island effects have received more attention than ever because environmental problems caused by such effects have affected people’s daily life.In this paper，RS and GIS have been used to study the surface temperatures in Fuzhou City in 1988，2000 and 2009 respectively.The strength and spatial distribution of urban heat island have been analyzed.The results have showed that with the city expansion，the difference values of the average temperature between the urban core and the suburb area were 3.67，3.70℃and 4.34℃in 1988，2000 and 2009 respectively which meant that the difference value of the average temperature increased and urban heat island effects enhanced.A double-nuclear spatial structure of the urban heat island existed in 1988，a multi-nuclear one appeared in 2000，and the concentration one developed in 2009.This research has much significance to the reasonable urban ecological planning and land use.

heat island；urban core；remote sensing；GIS

X53

：A

：1672-8513（2014）01-0028-04

2013-07-01.

國家自然科學(xué)基金（41001170）.

陳志強(qiáng)（1978-），男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師.主要研究方向：資源、環(huán)境與水土保持.