局地氣候區(qū)視角下的城市熱環(huán)境研究

耿樹豐,任嘉義,楊 俊,2,*,國安東,席建超

1 遼寧師范大學自然地理與空間信息科學遼寧省重點實驗室, 大連 116029

2 中國科學院區(qū)域可持續(xù)發(fā)展分析與模擬重點實驗室, 北京 100101

3 中國科學院地理科學與資源研究所, 北京 100101

21世紀以來,世界各國城市快速發(fā)展,人口聚集,不透水面和建筑改變了原有自然覆蓋特征[1—2]。在工業(yè)發(fā)達、經(jīng)濟發(fā)展增速較快的大城市,局部熱環(huán)境和小氣候在不同程度上發(fā)生變化,城鄉(xiāng)之間產(chǎn)生溫度差異,引發(fā)城市熱島效應(Urban Heat Island,UHI),不利于可持續(xù)發(fā)展[3—6]。UHI是城市化導致微氣候變化的總體反映,地表溫度(Land Surface Temperature, LST)能夠說明地表增溫程度,更能直接影響人類居住舒適度,近年來受到廣泛關注[7—8]。

起初,針對地表溫度的研究集中于地表覆蓋,LST與不透水面密度(正)和植被密度(負)之間存在顯著的相關性[9—10]。另外,地表覆蓋組分的空間分布及結(jié)構(gòu)對LST的影響存在差異,聚集度越大,地表溫度越高[11—15]。然而,由于建筑在水平地面和垂直空間分布具有不均勻性,城市內(nèi)部狹窄的街道和高樓對熱量和通風存在阻擋作用,建筑的幾何形態(tài)對LST的影響更加復雜[16—20]。對于發(fā)展中國家,特別是人口稠密區(qū),土地利用方式多樣化發(fā)展,傳統(tǒng)城市熱島研究已不能很好地反映當?shù)貙嶋H熱環(huán)境狀況[21]。

為了綜合考慮城市形態(tài)對熱環(huán)境的影響,Stewart將建筑物屋頂至地面的一層大氣定義為城市冠層,并按照建筑類型和地表覆蓋類型將城市劃分為17個氣候區(qū),即局地氣候分區(qū)(Local Climate Zone,LCZ),代表地物的簡單組合[22],為研究城市熱環(huán)境提供了新思路。局地氣候分區(qū)的表面溫度隨研究區(qū)域地理位置、地形、地表建筑物高度、間距、材料、透水率、幾何形狀等的改變而不同,已有研究表明溫度差異存在于大多數(shù)LCZ類別中,Hu等基于局地氣候區(qū)分析了地表溫度時空變化[23],Yang等發(fā)現(xiàn)城市建成區(qū)LCZ的LST高于自然地表LCZ,且LST與自然LCZ相關性更高[24—25]。在LCZ制圖方面,Zhao等以局地氣候區(qū)為空間背景構(gòu)建了地表自訓練分類框架[26]；Zheng等基于GIS方法對高密度城市進行了局地氣候區(qū)制圖[27]。LCZ分類體系提高了城市景觀與氣候分類的匹配程度[28—29],但目前國內(nèi)在LCZ尺度下研究LST的成果相對較少,本研究采用遙感影像與建筑數(shù)據(jù)相結(jié)合劃分LCZ,能夠改善單一影像在劃分建成區(qū)方面的不足,有利于探究局地氣候視角下的LST變化規(guī)律。

綜上所述,本文以建筑數(shù)據(jù)、Landsat 8 影像和氣象數(shù)據(jù)為基礎,運用地表溫度(LST)反演、決策樹分類、GIS空間分析等方法對京津冀劃分局地氣候區(qū),定量分析不同LCZ下城市LST的分異規(guī)律,為國土空間規(guī)劃、緩解熱島、改善城市生態(tài)環(huán)境提供參考。

1 研究區(qū)概況

京津冀地區(qū)位于中國環(huán)渤海心臟地帶,是中國北方經(jīng)濟規(guī)模最大、最具活力的地區(qū),經(jīng)濟發(fā)展帶來一定的環(huán)境問題。如圖1,北京 (39°26′—41°03′N, 115°25′—117°30′E) 地處華北平原北部,地勢西北高、東南低,氣候為暖溫帶半濕潤半干旱季風氣候,夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥；天津 (38°34′—40°15′N,116°43′—118°04′E) 位于華北平原東北部,東臨渤海,屬暖溫帶半濕潤季風性氣候,年平均氣溫約為14℃,7月最熱,1月最冷；石家莊 (37°27′—38°47′N,113°30′—115°20′E),位于河北省中南部,臨近渤海海域,溫帶季風氣候顯著,四季分明,截至2019年,建成區(qū)面積338.16 km2,城鎮(zhèn)人口676.14萬人,城鎮(zhèn)化率65.05%。本研究選擇三個城市的主城區(qū)作為研究區(qū)域,即既包含建成區(qū)也包含市中心外圍的過渡地帶,在城市氣候帶背景下探究地表溫度分異規(guī)律。

圖1 研究區(qū)地理位置

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預處理

選取建筑數(shù)據(jù)及Landsat8遙感數(shù)據(jù),如表1所示。由于季節(jié)變化明顯,全年溫差較大,選取2019年夏季晴天、低云量時段的影像。在使用前利用ENVI5.3 FLAASH大氣校正模塊進行處理以消除水汽等影響,之后通過拼接、裁剪得到研究區(qū)域。建筑數(shù)據(jù)包含建筑物高度、樓層數(shù)信息,在ArcGIS 10.2中依據(jù)現(xiàn)行國家《民用建筑設計通則》(GB50352—2019)[30]將建筑高度及密度進行分類,并結(jié)合Landsat- 8影像作為LCZ制圖的支撐數(shù)據(jù)。此外氣象數(shù)據(jù)參與了天氣判斷與LST反演。

表1 數(shù)據(jù)來源與說明

2.2 局地氣候區(qū)劃分

Stewart等的局地氣候體系包括10種建筑類型和7種土地覆蓋類型,其中建筑密度分為緊密和稀疏,土地覆蓋分為高密度、低密度植被區(qū)、灌木區(qū)、低矮植被、硬化地面、沙地以及水體[31]。本研究利用ArcGIS 10.2的Create Finshnet工具對研究區(qū)構(gòu)建 30 m 格網(wǎng),劃分LCZ1-6,同時利用ENVI5.3,基于Landsat 8的藍、綠、紅、近紅外波段以及ISODATA非監(jiān)督分類結(jié)果構(gòu)建多源數(shù)據(jù)集,使用CART算法獲取LCZA-G的分類規(guī)則。由于計算量較大,先收集訓練樣本,在樣本區(qū)獲取決策樹,再得到整個研究區(qū)的土地覆蓋信息。經(jīng)精度檢驗,北京、天津、石家莊影像分類的Kappa系數(shù)分別為0.94、0.82、0.93。最后統(tǒng)計網(wǎng)格內(nèi)建筑類型和地表覆蓋類型,得到局地氣候區(qū)分類(表2)。

表2 局地氣候分區(qū)類型

2.3 地表溫度反演

地表溫度反演精度受遙感影像質(zhì)量影響。本研究選取時間段內(nèi)天氣晴朗,采用單窗算法[32]和Landsat8的TM10波段結(jié)合估算LST[33],公式如下:

(1)

C=ετ

(2)

D=(1-τ)[1+(1-ε)τ]

(3)

式中Ts為地表溫度(K),T10是傳感器上的亮度溫度(K),Ta是大氣平均溫度(K),a、b為參考系數(shù),當?shù)乇頊囟葹?—70℃時,a=-67.355351,b=0.458606,ε表示T10的地表發(fā)射率,τ表示T10的大氣透射率。

3 結(jié)果與分析

3.1 局地氣候區(qū)空間分布

如圖2所示,研究區(qū)市區(qū)幾乎被建筑LCZ填滿,建筑高度整體為低層和中層居多,高層較少,就密度而言,北京、天津、石家莊密集型建筑分別占比27.54%、21.95%、25.09%。其中北京LCZ1大多分布在東西城區(qū),LCZ2、LCZ3由中心城區(qū)向外擴張；天津LCZ1—3主要集中在中心城區(qū)；石家莊裕華區(qū)西部,橋西區(qū)東部LCZ2、LCZ3居多,LCZ1分布相對零散。另外北京西部、天津市中心外圍、石家莊北部有高密度植被或農(nóng)田覆蓋,城市公園包含了市內(nèi)主要的綠地和水體分布。

圖2 北京、天津、石家莊局地氣候區(qū)分布

3.2 地表溫度反演結(jié)果

地表溫度能夠反應城市熱環(huán)境格局(圖3)。整體來看,研究區(qū)市中心溫度高于郊區(qū),建筑覆蓋區(qū)地表溫度較高,工業(yè)區(qū)往往出現(xiàn)明顯的高溫,森林、河流是主要低溫區(qū)域。北京市西部有大量植被覆蓋,地表溫度較低,有20.41%的地區(qū)地表溫度處在24℃以下,地表溫度在24—30℃的區(qū)域占73.81%,高于30℃的地區(qū)主要分布在東南部,占比5.78%；天津市地表溫度表現(xiàn)為中心高、四周低的特點,所選時間段溫度高于北京,僅有0.51%的區(qū)域溫度低于30℃,高于40℃占比達到55.56%,熱島效應顯著；石家莊大部分區(qū)域地表溫度在26—32℃,占比77.92%,有0.06%的地區(qū)溫度高于38℃,說明出現(xiàn)極端高溫現(xiàn)象。

圖3 北京、天津、石家莊地表溫度空間分布

3.3 基于局地氣候區(qū)的地表溫度差異性

圖4表明不同氣候帶的地表溫度存在差異,建筑類型LCZ總體高于自然地表LCZ。在城市三維結(jié)構(gòu)中,建筑在水平方向按不同密度分布,在垂直方向上表現(xiàn)為高度不同,對地表溫度造成不同的影響。當建筑高度相同時,建筑密集區(qū)域地表溫度高于建筑稀疏區(qū)域。對于建成區(qū)LCZ,北京、天津、石家莊LCZ3(緊密型低層)覆蓋區(qū)的平均地表溫度表現(xiàn)為最高,分別為26.33℃、45.27℃、29.27℃；城市內(nèi)部的熱量易被分散水平低、表面復雜的中高層建筑阻擋,但高度達到一定程度反而會遮擋部分太陽輻射,因此LCZ4(稀疏型高層)地表溫度普遍最低,分別為24.80℃、42.97℃、27.05℃。另外,植被和水體能夠降低地表溫度,裸土和鋪設路面的地表溫度始終較高。

圖4 北京、天津、石家莊局地氣候分區(qū)LST

4 結(jié)論與討論

當前,極端氣候、熱島效應、溫室效應等環(huán)境問題嚴重影響城市人居環(huán)境與安全,我國致力于發(fā)展綠色低碳循環(huán)經(jīng)濟體系,以實現(xiàn)碳達峰、碳中和[34—36]。減碳控排與生態(tài)文明建設越來越引起人們的關注,局地氣候區(qū)下的城市熱環(huán)境研究能夠為國土空間規(guī)劃提供參考。本文以北京、天津、石家莊為研究區(qū)域,通過劃分局地氣候區(qū),利用Landsat 8影像反演地表溫度,定量分析了不同類型局地氣候的地表溫度分異規(guī)律,研究表明:

(1)北京、天津、石家莊市區(qū)幾乎被建筑LCZ填滿,密集型建筑分別占比27.54%、21.95%、25.09%,自然LCZ主要位于郊區(qū),城市公園包含了主要的綠地和水體分布。

(2)在空間分布上,建筑覆蓋區(qū)地表溫度較高,熱島效應顯著,森林、河流是主要低溫區(qū)域。

(3)不同氣候帶的地表溫度存在差異,建筑類型LCZ總體高于自然地表LCZ。其中建筑區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)為LCZ3(緊密型低層)平均地表溫度最高,北京、天津、石家莊分別為26.33℃、45.27℃、29.27℃；LCZ4(稀疏型高層)地表溫度普遍最低,分別為24.80℃、42.97℃、27.05℃。植被和水體能夠降低地表溫度,裸土和鋪設路面的地表溫度始終較高。

綜上所述, 2019年夏季研究區(qū)城市內(nèi)部存在熱島效應,局地氣候區(qū)視角下的地表溫度差異性明顯。合理的城市設施布局能夠改善通風,緩解城市內(nèi)部熱量聚集,因此,在空間規(guī)劃與建設中應考慮建筑分布,充分利用植被和水域等降溫作用,因地制宜,從而保證區(qū)域氣候與社會經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展。

本文的局限性在于以土地覆蓋類型為基礎的LCZ劃分可能會由于尺度問題而出現(xiàn)一定的誤差,不能很好地與實際情況相匹配。另外,LCZ對LST的影響可能因為城市規(guī)模大小而不同,希望在后續(xù)研究中能夠深入分析LST的時空分布及變化趨勢,使結(jié)論更具普遍性。此外,氣候背景、數(shù)據(jù)處理、影像精度等也會對結(jié)果造成一定影響。