近30年武漢市熱環(huán)境格局演化機制及擴散模式研究

池騰龍， 曾 堅， 劉 晨

(1.天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津 300072; 2.北京師范大學(xué)人文地理與城鄉(xiāng)規(guī)劃系，北京 100875)

近30年武漢市熱環(huán)境格局演化機制及擴散模式研究

池騰龍1， 曾 堅1， 劉 晨2

(1.天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津 300072; 2.北京師范大學(xué)人文地理與城鄉(xiāng)規(guī)劃系，北京 100875)

基于1987—2015年間Landsat TM/TIRS數(shù)據(jù)反演主城區(qū)的地表溫度并進行歸一化處理，分析武漢市熱環(huán)境格局的演化機制，并探討了其擴散模式特征。研究結(jié)果表明，武漢市主城區(qū)在近30 a間城市熱環(huán)境格局發(fā)生了較大變化，隨著城市建設(shè)用地的擴張，熱環(huán)境格局的擴散模式由起初的點狀分布向條狀、帶狀和面狀分布演變； 武漢市熱環(huán)境格局的形成與演化機制與太陽輻射、大氣環(huán)流和下墊面性質(zhì)等自然因素以及城市建設(shè)與發(fā)展階段、規(guī)劃政策等人為因素密切相關(guān)。

熱環(huán)境； 演化機制； 擴散模式； 武漢市

0 引言

近年來快速城鎮(zhèn)化進程的持續(xù)推進，使得城市景觀由近自然狀態(tài)向人工景觀狀態(tài)轉(zhuǎn)換的趨勢日益加劇。在此過程中，以水泥、金屬等不透水面為主的城市建設(shè)用地持續(xù)蔓延，進而導(dǎo)致其地表熱輻射程度加強，同時隨著大量人口的涌入而產(chǎn)生局部地區(qū)人為熱環(huán)境增強，各種因素綜合作用導(dǎo)致了地表高溫區(qū)域的水平與垂直擴張，并最終對城市內(nèi)部景觀產(chǎn)生負面的生態(tài)影響[1-2]。在所有的城市生態(tài)環(huán)境效應(yīng)中，熱環(huán)境因素始終處于社會各界普遍關(guān)注的熱點方向[3-5]，它作為城市環(huán)境中重要指標(biāo)之一，現(xiàn)已成為城市規(guī)劃和城市氣候?qū)W研究的重要內(nèi)容[6-7]。

當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者多采用遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)反演出地表溫度數(shù)據(jù)來對城市熱環(huán)境效應(yīng)的時空特征及變化規(guī)律展開分析。在數(shù)據(jù)源方面，以研究大尺度下熱環(huán)境分布的1 km空間分辨率的MODIS數(shù)據(jù)和中小尺度下的120 m和60 m空間分辨率的Landsat TM/ETM數(shù)據(jù)為主，在城市熱環(huán)境研究的各領(lǐng)域均已開展了廣泛研究。劉玉安等[8]和馮奇等[9]均使用MODIS地表溫度數(shù)據(jù)對武漢市的熱島強度特征進行了分析，并分別探討了不同類型下墊面的熱島效應(yīng)規(guī)律以及對空氣質(zhì)量的影響程度，但是其空間分辨率較低，難以反映出中小尺度下的熱環(huán)境效應(yīng)及其生態(tài)環(huán)境影響； 李雪松等[10]以面積、人口和地理信息等調(diào)研數(shù)據(jù)為分析因子，對武漢主城區(qū)東南片區(qū)的建設(shè)用地擴張進行了基于城市冠層模型的WRF模擬，并定量分析了不同時段不同類型的地表溫度差異，從而證實了當(dāng)前的快速城鎮(zhèn)化進程對城市熱環(huán)境效應(yīng)的影響強度與分異； 梁益同等[11]和史超等[12]分析了武漢市主城區(qū)熱島強度在不同季節(jié)和不同年份的時空格局演變，定量揭示了城區(qū)熱島強度分布與土地利用類型和植被覆蓋率的相關(guān)關(guān)系。但是需要指出的是，針對特定時段或季節(jié)的熱環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測分析仍顯不足，且受到影像自身限制，其反演出的地表溫度數(shù)據(jù)在縱向?qū)Ρ葧r，地表溫度絕對數(shù)據(jù)并不具有可比性。

武漢市作為我國中部地區(qū)最大的城市之一，同時也是我國著名的“三大火爐”之一，自改革開放以來，大規(guī)模的城市擴張以及舊城改造工程對近年來的城市生態(tài)環(huán)境演變及空間格局特征均產(chǎn)生重要的影響。本文選擇武漢市主城區(qū)為研究對象，對自1987年以來近30 a間的城市熱環(huán)境演變機制及其擴散模式展開分析，同時將景觀格局理論用于城市熱環(huán)境研究，探討武漢主城區(qū)城市熱環(huán)境的擴散模式及其規(guī)律。擬通過本研究，為新一輪的城市總體規(guī)劃與人居環(huán)境改善等建設(shè)提供定量化決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

湖北省省會武漢市地處長江中游，其地理位置跨E113°4′～115°5′，N29°58′～31°22′，屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū)，以常年濕潤，夏季高溫，四季分明為特點。近年來隨著城市的快速發(fā)展，其經(jīng)濟實力已位列中部省份城市之首，但是伴隨著快速的城鎮(zhèn)化進程，主城區(qū)范圍內(nèi)的生態(tài)環(huán)境問題出現(xiàn)了日益惡化的趨勢，城市內(nèi)澇和城市熱島效應(yīng)加劇等災(zāi)難事件時有發(fā)生，嚴重影響著城市人居環(huán)境質(zhì)量。本文主要針對武漢市主城區(qū)的熱環(huán)境開展研究。研究區(qū)涵蓋了最新版武漢市主城區(qū)規(guī)劃范圍(主要以三環(huán)為界，同時包括西南側(cè)的沌口街街道片區(qū))，是近30 a來武漢市建設(shè)用地主要的擴張區(qū)域，總面積約716.2 km2。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location map of the study area

2 數(shù)據(jù)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源及其預(yù)處理

基于對遙感影像數(shù)據(jù)的可獲得性以及研究區(qū)夏季高溫季節(jié)性因素等考量，本研究主要選擇的遙感影像數(shù)據(jù)均集中在夏季的8—9月份。表1中數(shù)據(jù)獲取途徑為美國地質(zhì)調(diào)查局(United States Geological Survey，USGS)官方網(wǎng)站。

表1 研究所涉及的遙感影像數(shù)據(jù)Tab.1 Remote sensing images for research

數(shù)據(jù)類型中，2015年夏季為Landsat8/TIRS影像(1幅)，1987—2005年間夏季為Landsat5/TM影像(3幅)，這些影像的云量均小于10%，其中研究區(qū)內(nèi)無云層遮擋?；趪颐赓M基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中的1∶400萬省市行政邊界，結(jié)合Google Earth高空間分辨率影像數(shù)據(jù)和武漢市城市總體規(guī)劃圖，對研究區(qū)的邊界進行了影像配準和矢量化，并基于此邊界進行遙感影像的裁剪和熱環(huán)境空間格局的分析。

目前，地表熱環(huán)境的分析方法大多使用遙感熱紅外影像數(shù)據(jù)。本研究以4期Landsat影像作為研究的數(shù)據(jù)源，選擇TM的第6波段、TIRS的第10波段，即熱紅外波段來反演研究區(qū)的地表溫度信息，其空間分辨率分別為120 m和100 m。由于研究成果更加注重分析地表熱環(huán)境在不同時段的內(nèi)在變化機理，重在考慮兩者之間各時間段的相對差異，故忽略數(shù)據(jù)間絕對的時相差異。研究所需遙感數(shù)據(jù)處理軟件平臺為ArcGIS9.3，ENVI5.0和Fragstats3.3。

2.2 研究方法

2.2.1 反演地表溫度

研究所用的4幅衛(wèi)星影像在研究區(qū)內(nèi)均無云層遮擋，且研究區(qū)地形差異較小，故本文選取對大氣影響依賴較小的輻射傳輸方程法來反演武漢主城區(qū)的地表溫度信息[13]。首先計算地表比輻射率和黑體的輻射亮度，自然與建設(shè)用地像元的比輻射率εN和εB可分別依據(jù)公式(1)和(2)計算得出，即

(1)

(2)

式中FV為植被覆蓋度指數(shù)。

進而通過公式

B(TS) =[Lλ-L↑-τ(1-ε)L↓]/τε

(3)

得出溫度為T的黑體在熱紅外波段的輻射亮度B(TS)。其中，Lλ為熱紅外輻射亮度值；L↑和L↓為大氣向上及向下輻射亮度；ε為輻射率；τ為大氣透過率。

然后,通過普朗克公式計算地表真實溫度TS，即

TS=K2/ln[K1/B(TS)+1],

(4)

式中K1和K2在各類型遙感影像中有所不同，在TM影像中，K1=607.76 W/(m2·μm·sr)，K2=1 260.56 K； 在TIRS影像中,K1=774.89 W/(m2·μm·sr)，K2=1 321.08 K。

以往城市熱環(huán)境的研究多基于地表溫度反演真實溫度的分級展開空間分異研究，指標(biāo)方面主要采用熱島強度等級及其面積來表征其熱島特征，該方法較為局限。因此，本研究中通過對地表溫度的歸一化處理，運用相對熱環(huán)境指數(shù)(relative thermal environment index，RTI)分析。該指數(shù)對區(qū)域內(nèi)的熱環(huán)境程度進行分級，并將其數(shù)值區(qū)間統(tǒng)一為[0，1]，進而可對反演得到的地表熱環(huán)境格局演化進行縱向比較和分析。

2.2.2 熱環(huán)境演化特征相關(guān)指標(biāo)

2.2.2.1 熱環(huán)境變化指數(shù)

熱環(huán)境變化方面主要包括變化速度和變化強度。指數(shù)方面則相應(yīng)選擇變化速度指數(shù)(change speed index，CSI)和變化強度指數(shù)(change intensity index，CII)來定量描述熱環(huán)境變化的時空特征。其中，CSI表示熱環(huán)境變化的速度和趨勢； CII是利用空間單元的面積對擴張速度進行標(biāo)準化處理，用來衡量單位面積上所能承受的最大強度[14]。CSI和CII值越大，表明城市熱環(huán)境效應(yīng)越強，其擴張趨勢越明顯，不同時期高溫區(qū)域面積變化越大。CSI和CII的計算公式分別為

CSI=(△Aij/Ai△t)×100%,

(5)

CII=(△Aij/S△t)×100%，

(6)

式中： △Aij為城市相對高溫區(qū)域從第i年到第j年之間的變化面積；Ai為第i年的高溫區(qū)域面積； △t為所研究的各時間跨度；S為研究區(qū)的總面積。

2.2.2.2 熱力景觀格局指數(shù)

已有相關(guān)研究成果表明，城市熱環(huán)境斑塊的面積、數(shù)量、密度、破碎度和聚集度等指數(shù)不同，其最終所產(chǎn)生的熱環(huán)境效應(yīng)也會存在差異。為此，本研究在分析研究區(qū)的相對熱環(huán)境指數(shù)的基礎(chǔ)上，主要選擇了相對高溫斑塊的數(shù)量、密度、最大斑塊指數(shù)、熱力景觀面積比等單元格局指數(shù)以及破碎度、聚集度等異質(zhì)性指數(shù)來表征研究區(qū)內(nèi)熱力景觀格局特征，從熱力景觀指數(shù)方面分析研究區(qū)域熱環(huán)境格局的演化機制。

2.2.3 GIS標(biāo)準差橢圓分析

基于GIS空間計量分析中的標(biāo)準差橢圓模型對武漢主城區(qū)的熱環(huán)境強度分布進行研究。標(biāo)準差橢圓模型可用來測量區(qū)域熱環(huán)境差異及內(nèi)部要素的空間分布特征[15]，其重心可表征熱環(huán)境空間分布的相對位置，方位角可反映目標(biāo)分布的主趨勢方向，長軸和短軸的長度則分別描述熱環(huán)境信息在主趨勢方向和次要方向上的離散程度。

3 熱環(huán)境反演結(jié)果與分析

3.1 熱環(huán)境格局分布與演化

3.1.1 熱環(huán)境格局的時空演化特征

研究區(qū)4期RTI分布格局如圖2所示。

(a) 1987年 (b) 1994年

(c) 2005年 (d) 2015年

圖21987，1994，2005和2015年研究區(qū)RTI分布格局

Fig.2DistributionpatternofRTIfor1987,1994,2005and2015inthestudyarea

如圖2所示，1987年以來研究區(qū)內(nèi)RTI整體上呈現(xiàn)明顯的擴散趨勢，且在空間分布上主要為從主城區(qū)核心區(qū)逐步向周邊地區(qū)(特別是西南片區(qū))擴張。從高溫區(qū)面積看(以RTI≥60視為研究區(qū)的高溫區(qū))，基于GIS統(tǒng)計，1987年、1994年、2005年和2015年研究區(qū)的高溫區(qū)面積分別為84.05，100.84，115.73和118.98 km2，分別占研究區(qū)總面積的11.74%，14.08%，16.16%和16.62%； 從增長速度來看，研究區(qū)的高溫區(qū)增長面積為34.94 km2，年均增長量為1.25 km2。這足以表明研究區(qū)內(nèi)的RTI呈現(xiàn)出快速遞增的發(fā)展態(tài)勢。

標(biāo)準差橢圓分析方法是研究某一要素空間分布方向性特征的有效方法之一，將長、短軸方向(軸線與x軸的夾角)與標(biāo)準方差橢圓形狀聯(lián)系在一起，長軸代表最大擴散方向，短軸代表最小擴散方向。為定量研究武漢市地表熱環(huán)境格局的總體演化特征，以1987—1994，1994—2005和2005—2015年間3個時間段內(nèi)研究區(qū)具有較高RTI(≥60)的增長變化空間特征為基礎(chǔ)，進行標(biāo)準差橢圓分析，其結(jié)果如圖3所示。

(a) 1987—1994年(b) 1994—2005年(c) 2005—2015年

圖3研究區(qū)3個時間段內(nèi)溫度斑塊增長趨向性特征

Fig.3Tendencyofcharacteristictemperatureofthreeperiodsinthestudyarea

通過圖3分析發(fā)現(xiàn)： 1987—1994年間武漢市主城區(qū)增溫空間的標(biāo)準差橢圓扁率為0.059，長軸半徑為22.04 km，增溫空間擴散方向為NE41°； 1994—2005年間的扁率為0.176，長軸半徑仍為22.04 km，增溫空間擴散方向為NE8°； 2005—2015年扁率上升至0.201，長軸半徑較前一階段又有所上升，增至27.12 km，此時增溫空間轉(zhuǎn)向NE22°。分析結(jié)果表明武漢市主城區(qū)的熱環(huán)境擴散主要以WN向WS方向轉(zhuǎn)移為主。從武漢市近年來的城市發(fā)展歷史來看，1993年隨著武漢市經(jīng)濟開發(fā)區(qū)上升為國家級以后，1994—2005年間該片區(qū)的城市熱環(huán)境增溫趨勢十分明顯，東風(fēng)大道沿線高溫區(qū)域呈帶狀分布，自2005年后逐漸呈面狀蔓延。受武漢市城市規(guī)劃、新區(qū)開發(fā)及產(chǎn)業(yè)重心轉(zhuǎn)移等相關(guān)政策因素的影響，經(jīng)濟開發(fā)區(qū)和白沙洲大道沿線等邊緣區(qū)域增溫較為顯著且呈面狀趨勢發(fā)展，其主軸方向逐漸呈逆時針方向轉(zhuǎn)移。

3.1.2 熱環(huán)境格局指數(shù)的變化特征

3.1.2.1 熱環(huán)境變化指數(shù)

對表2中研究區(qū)新增高溫斑塊擴張情況進行分析，3個時間段內(nèi)其擴張面積分別為55.971 km2，19.165 km2和21.424 km2，1987—1994年間擴張面積最大，同時其CSI和CII也為各時間段最高值，分別為5.73%和0.32%。自1994年以后，無論是高溫斑塊CSI還是CII，均出現(xiàn)了下降趨勢并保持穩(wěn)定變化趨勢。

表2 研究區(qū)新增高溫斑塊CSI與CIITab.2 CSI and CII of new high temperature strength patches in the study area

同時結(jié)合圖4中研究區(qū)3個時間段新增高溫斑塊空間分布變化可知： 1987—1994年間，武漢市主城區(qū)高溫斑塊增長區(qū)域主要集中在經(jīng)濟開發(fā)區(qū)； 此后至2005年，高溫斑塊的增長區(qū)域仍集中在邊緣區(qū)域的經(jīng)濟開發(fā)區(qū)外圍地帶以及二環(huán)線西北常青路沿線； 2005—2015年間，隨著南湖東站和武漢西站周邊建設(shè)用地的不斷開發(fā)，其RTI逐年提升。

(a) 1987—1994年 (b) 1994—2005年 (c) 2005—2015年

圖4研究區(qū)3個時間段新增高溫斑塊分布

Fig.4Spatialdistributionofnewhightemperatureplaquethreeperiodsinthestudyarea

3.1.2.2 地表熱力景觀指數(shù)

將基于TIRS和TM影像的地表熱環(huán)境反演結(jié)果在ArcGIS9.3中轉(zhuǎn)換為GRID格式數(shù)據(jù)，然后利用Fragstats3.3軟件計算高溫斑塊景觀的斑塊數(shù)量、斑塊密度、最大斑塊指數(shù)、斑塊景觀面積比等單元格局指數(shù)以及斑塊破碎度和聚集度等異質(zhì)性指數(shù)共計6個指數(shù)(表3)，定量探討研究區(qū)的熱力景觀格局及其變化特征。

表3 1987—2015年間4期高溫斑塊景觀指數(shù)統(tǒng)計Tab.3 Statistical heat patches landscape indexs of four years from 1987 to 2015

分析結(jié)果表明，1987—2015年間研究區(qū)的熱力景觀格局發(fā)生了顯著變化： 斑塊數(shù)量在2005年以前逐年下降，隨后有小幅度增長趨勢，表明主城區(qū)內(nèi)熱力景觀斑塊有蔓延趨勢，由點狀逐漸向面狀聚合，2005年以后隨著舊城改造使得主城區(qū)內(nèi)斑塊數(shù)量稍有增加； 斑塊密度則反映研究區(qū)內(nèi)熱力景觀斑塊空間分布的密集特征，整體而言密度逐年降低，其變化趨勢和斑塊數(shù)量一致； 最大斑塊指數(shù)始終處于上升趨勢，研究區(qū)高溫斑塊呈面狀趨勢發(fā)展； 異質(zhì)性指數(shù)方面，熱力景觀斑塊的破碎度與聚集度變化各有不同，自2005年以后呈小幅度增長趨勢，說明研究區(qū)高溫斑塊的分布廣泛，且在2005年以后出現(xiàn)了小幅度擴張，高溫斑塊的聚集度增加趨勢明顯。

3.2 熱環(huán)境擴散模式分析

關(guān)于熱環(huán)境擴散模式的分析主要運用圖形拓撲分析法。在模式分類上，如果新增斑塊與原有圖斑不具有公共邊界則歸類為飛地式擴散模式； 如果存在公共邊且其新增斑塊呈條狀分布則歸類為延伸式擴散模式； 如果公共邊超過一半的則可歸類為填充式(外部)擴散模式； 如果公共邊尚未超過一半的則可歸類為填充式(內(nèi)部)擴散模式。各種擴散模式及其特征如表4所示。

表4 4種熱環(huán)境擴散模式及其特征Tab.4 Four kinds of diffusion models and the characteristics of thermal environment

基于表4中熱環(huán)境擴散模式分類，對1987—2015年間的高溫斑塊增長格局進行疊置分析，進而得出3個時間段各種擴散模式下的高溫斑塊增長幅度和差異(圖5)。

圖5 研究區(qū)3個時間段各增長模式面積統(tǒng)計Fig.5 Area statistics of each growth model three periods in the study area

自1987年以來，延伸式和飛地式擴散模式是武漢市主城區(qū)高溫斑塊擴散的主導(dǎo)模式，這2種模式的貢獻比例占60%。填充式(內(nèi)部)擴散模式在2005年以前的2個時段增長面積均超過2 km2，自2005年以后其增幅顯著下降。從3個時間段來看，武漢市主城區(qū)的道路牽引(如東風(fēng)大道和白沙洲大道等)對于區(qū)域高溫斑塊增長的貢獻始終處于較高的位置，其主導(dǎo)作用顯著，填充式(內(nèi)部和外部)擴散模式自2005年以后均處于劣勢位置，飛地式和延伸式增幅與填充式持平，這一結(jié)果表明武漢市主城區(qū)高溫斑塊擴散特征逐漸轉(zhuǎn)為從核心區(qū)過渡到邊緣區(qū)一帶，在面狀不斷填充的同時，高溫斑塊逐漸向道路沿線和重要節(jié)點(如火車站、新城行政中心)周邊地帶延伸。

3.3 熱環(huán)境擴散影響機制分析

為了分析熱環(huán)境擴散的影響機制，分別從太陽輻射、大氣環(huán)流和下墊面性質(zhì)等自然因素以及城市建設(shè)與發(fā)展階段和規(guī)劃政策等人為因素展開分析。

1)自然因素方面。①武漢市的太陽直接輻射值在7月份達到最高值，其輻射量可直接穿透大氣中的二氧化碳和污染物覆蓋區(qū)域，由于城區(qū)本身產(chǎn)生大量的熱量，在反射的過程中以逆輻射的方式導(dǎo)致熱量返回地表，使得城市熱島不斷擴散并加?。?②大氣環(huán)流方面，副熱帶高壓是武漢市夏季的主要天氣系統(tǒng),該系統(tǒng)使得區(qū)域內(nèi)少雨少云，氣流下沉增溫，云量稀少，并且市內(nèi)江河湖泊眾多，水汽大量蒸發(fā)，區(qū)域內(nèi)濕度較高并且不易擴散，從而使得人體熱舒適度不高，這也是武漢比同緯度的上海等特大城市溫度偏高的原因之一； ③從中微觀尺度來看，城市內(nèi)部下墊面介質(zhì)的熱特性也使得熱環(huán)境格局存在差異，不透水面熱容量大,白天吸熱快，夜間散熱也快，使近地表空氣顯著增溫，故在相同的太陽輻射下，比綠地、水域等升溫快，白天表面溫度遠高于后者。此外，參差不齊的高層建筑以及街道分布也會在一定程度上影響熱環(huán)境擴散格局，城區(qū)內(nèi)部受上述因素影響使得其通風(fēng)效果(熱擴散速度)減慢，從而引起局地?zé)岘h(huán)境強度的蔓延。

2)人為因素方面。①近年來快速的城鎮(zhèn)化進程使得城市不透水面面積迅速擴張，進而促使其熱環(huán)境效應(yīng)逐漸加強。城市不斷向外擴張使得武漢市主城區(qū)的建筑及道路工程等水泥硬化鋪裝不斷蔓延，城市高溫斑塊也隨之逐漸向外圍郊區(qū)蔓延。相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，2015年武漢市主城區(qū)的建設(shè)用地面積已高達556.13 km2，是1994年建設(shè)用地面積的2.76倍，其快速擴張的城市不透水面積勢必導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)環(huán)境的惡化，其中熱島效應(yīng)現(xiàn)象日益嚴重是當(dāng)前面臨的重要議題之一； ②城市規(guī)劃直接影響城市熱環(huán)境格局的分布。城市規(guī)劃及有關(guān)政策的制定直接導(dǎo)致了城市擴張的特征與變化趨勢。自1987年以后，武漢市人口規(guī)模迅速擴大，隨后于1995年編制的武漢市城市總體規(guī)劃中，正式提出了多中心組團式布局的規(guī)劃構(gòu)想，城市內(nèi)部的用地類型也逐漸得以優(yōu)化，2011年以后，武漢市提出構(gòu)建“1+6”的城市空間格局，主城區(qū)核心區(qū)的人口逐漸疏散至周邊區(qū)域，工業(yè)布局也開始外遷。此時核心區(qū)內(nèi)的城市熱環(huán)境有了一定的改善，高溫斑塊逐漸向外圍區(qū)域轉(zhuǎn)移； ③城市發(fā)展的階段影響了城市熱環(huán)境格局的變化模式。對于武漢市主城區(qū)而言，其熱環(huán)境格局的變化特征整體上遵循著城市建設(shè)用地擴張的規(guī)律，即從點狀增長逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫€軸式延伸，最后演變?yōu)槊鏍罹奂淖兓^程。由于武漢市近年來快速的城鎮(zhèn)化進程，其熱環(huán)境格局增長在1987—2005年間多以線軸式和面狀蔓延的方式擴展，隨著2005年以后武漢市主城區(qū)城市規(guī)劃政策更趨完善，城市熱環(huán)境格局蔓延的趨勢得以有效遏制，其主導(dǎo)擴散模式也在發(fā)生轉(zhuǎn)變。

4 結(jié)論與展望

本文基于遙感影像數(shù)據(jù), 運用景觀生態(tài)學(xué)、空間統(tǒng)計學(xué)以及GIS空間分析相關(guān)方法，探討了武漢市主城區(qū)近30 a來的熱環(huán)境效應(yīng)及其擴展模式，得到如下結(jié)論：

1) 1987年以來武漢市主城區(qū)內(nèi)的熱環(huán)境指數(shù)呈現(xiàn)出快速遞增的發(fā)展態(tài)勢，RTI呈現(xiàn)明顯的擴散趨勢，且在空間分布上從核心區(qū)逐步向周邊(特別是西南片區(qū))擴張。

2)熱環(huán)境指數(shù)方面，1987—1994年間擴張面積最大，CSI和CII也為各時段最高。2005年，高溫斑塊增長區(qū)域仍集中在經(jīng)濟開發(fā)區(qū)外圍及二環(huán)線西北常青路沿線； 2005年以后，隨著東站和武漢西站周邊建設(shè)用地的不斷開發(fā)，相對熱環(huán)境指數(shù)逐年提升。熱力景觀指數(shù)方面，斑塊數(shù)量在2005年以前逐年下降，熱力景觀斑塊由點狀逐漸向面狀聚合，最大斑塊指數(shù)始終處于上升趨勢，高溫斑塊呈面狀趨勢發(fā)展； 異質(zhì)性指數(shù)方面，破碎度在2005年以后呈小幅增長趨勢，說明研究區(qū)高溫斑塊的分布廣泛，其聚集度增幅明顯。

3)熱環(huán)境擴散模式方面，近30 a來，延伸式和飛地式擴散模式是武漢市主城區(qū)高溫斑塊擴散的主導(dǎo)模式。填充式(內(nèi)部)擴散模式在2005年以前2個時段增長面積均超過2 km2，自2005年以后其增幅顯著下降。武漢市主城區(qū)高溫斑塊擴散特征逐漸轉(zhuǎn)為從核心區(qū)過渡到邊緣區(qū)一帶，在面狀不斷填充的同時，高溫斑塊逐漸向道路沿線和重要節(jié)點周邊地帶延伸。

4)熱環(huán)境擴散影響機制有2個方面： ①自然因素方面。武漢市的太陽直接輻射使得城市熱島不斷擴散并加??； 副熱帶高壓使得區(qū)域內(nèi)少雨少云，氣流下沉增溫，云量稀少，并且市內(nèi)江河湖泊眾多，水汽大量蒸發(fā)，區(qū)域內(nèi)濕度較高并且不易擴散； 城市內(nèi)部下墊面介質(zhì)的熱特性也使得熱環(huán)境格局存在差異。此外，參差不齊的高層建筑及街道分布也會在一定程度上影響熱環(huán)境擴散格局。②人為因素方面。近年來快速的城鎮(zhèn)化進程使得城市不透水面面積迅速擴張，進而促使其熱環(huán)境效應(yīng)逐漸加強； 城市規(guī)劃政策直接影響城市熱環(huán)境格局的分布； 城市發(fā)展的不同階段直接影響了城市熱環(huán)境格局的變化模式。

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AstudyofevolutionmechanismanddiffusionmodepatternofthermalenvironmentforWuhanCityinthepast30years

CHI Tenglong1， ZENG Jian1， LIU Chen2

(1.SchoolofArchitecture,TianjinUniversity,Tianjin300072,China； 2.DepartmentofHumanGeographyandUrbanPlanning，BeijingNormalUniversity，Beijing100875,China)

This paper, based on Landsat TM/TIRS between 1987 and 2015, deduced the surface temperature of the main city, conducted the normalized treatment of the land surface temperature, analyzed the evolution mechanism of the thermal environment in Wuhan City and discussed the characteristics of its diffusion model. The results show that the urban thermal environment has changed greatly in Wuhan City during the past 30 years. With the expansion of urban construction land, the diffusion pattern of the thermal environment pattern has evolved from the initial point-distribution to the stripe shape and zonal-distribution. The formation and evolution mechanism of the thermal environment in Wuhan City is closely related to the natural factors, such as solar radiation, atmospheric circulation and underlying surface properties, as well as the human factors, including the urban construction and development stage, planning policy, and so on.

thermal environment; evolution mechanism; diffusion model; Wuhan City

10.6046/gtzyyg.2017.04.30

池騰龍,曾堅,劉晨.近30年武漢市熱環(huán)境格局演化機制及擴散模式研究[J].國土資源遙感,2017,29(4):197-204.(Chi T L,Zeng J,Liu C.A study of evolution mechanism and diffusion mode pattern of thermal environment for Wuhan City in the past 30 years[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(4):197-204.)

TP 79

A

1001-070X(2017)04-0197-08

2016-06-03；

2016-08-12

國家自然科學(xué)基金項目“快速城鎮(zhèn)化典型衍生災(zāi)害防治的規(guī)劃設(shè)計原理與方法”(編號： 51438009)資助。

池騰龍(1986-)，男，博士研究生，主要從事低碳城市規(guī)劃相關(guān)研究。Email： tju1895@qq.com。

曾 堅(1957-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事城市防災(zāi)減災(zāi)相關(guān)研究。Email： zengjian1957@qq.com。

(責(zé)任編輯：張仙)