基于熱剖面特征的杭州城市熱環(huán)境時(shí)空演化研究

單芬芬，王凌菲,2，來祺然

1. 浙江慧中地理信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 311121；

2. 西門子醫(yī)療系統(tǒng)有限公司，上海 200131；

3. 浙江工商大學(xué) 薩塞克斯人工智能學(xué)院，浙江 杭州 310018

0 引 言

城市熱島效應(yīng)是指由于人口密集和下墊面改變等原因，使得城市中的氣溫明顯高于郊區(qū)的現(xiàn)象[1]。城市熱島效應(yīng)會(huì)引起降水、風(fēng)速、土壤、空氣濕度和光照等氣候因子的變化，進(jìn)而對(duì)全球氣候變暖產(chǎn)生影響[2]。隨著全球城市化的高速發(fā)展，各地的城市熱島效應(yīng)日益顯著，給城市，乃至全球的生態(tài)環(huán)境都帶來了許多不利影響[3]，已經(jīng)成為了城市環(huán)保工作面臨的三大新問題之一[4]。因此，如何深入分析城市熱島效應(yīng)的形成與演化機(jī)理，探討城市熱環(huán)境的空間格局與過程，進(jìn)而有效調(diào)節(jié)城市小氣候已經(jīng)成為了政府和學(xué)術(shù)界普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問題[5]。

城市熱環(huán)境的空間格局、結(jié)構(gòu)及演變過程研究是開展熱環(huán)境模擬和預(yù)測研究的基礎(chǔ)，也是當(dāng)前熱環(huán)境遙感研究的重點(diǎn)。當(dāng)前，基于遙感的城市熱島研究多是從面域角度開展，如城市熱島空間格局演變[6-7]，城市熱島曲面模擬[8]，城市熱場結(jié)構(gòu)及其演變過程分析[9]等，而從熱剖面線角度展開的城市熱島研究還比較少[10]。但是，城市熱環(huán)境是城市中建筑物的不斷增加及人類活動(dòng)、大氣狀況、地表熱量傳輸?shù)榷喾N因素綜合作用的結(jié)果，其空間結(jié)構(gòu)往往也極為復(fù)雜[11]。通過城市熱剖面線的研究，可以對(duì)各方位典型地域的熱輻射特征進(jìn)行對(duì)比分析[9]，揭示熱表面方向性的結(jié)構(gòu)特征及其意義，進(jìn)而加深對(duì)城市區(qū)域熱環(huán)境的總體空間格局及其形成機(jī)制的理解[11]，豐富城市熱環(huán)境研究的方法體系。因此，本文擬從熱剖面線的角度入手，以杭州市為例，深入分析杭州市多方位、多時(shí)序的城市熱剖面曲線特征，揭示杭州市城市熱剖面線時(shí)序演化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，以期為緩解城市熱島，改善城市人居環(huán)境提供科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)概況

杭州市是浙江省的政治、經(jīng)濟(jì)、文化、金融和交通中心。杭州市的中心地理坐標(biāo)為東經(jīng)120°12′，北緯30°16′，位于亞熱帶季風(fēng)區(qū)。夏季氣候炎熱濕潤，冬季寒冷干燥，全年平均氣溫17.5℃，平均相對(duì)濕度70.3%，年降水量1454 mm，年日照時(shí)數(shù)1765 h。

近30 年來，杭州市的平均氣溫上升明顯，每年夏季出現(xiàn)長達(dá)40 ～50 天的持續(xù)高溫，使其成為了全國夏季氣溫最高的城市之一[12-13]。如何緩解杭州市夏季的高溫?zé)崂颂鞖?，努力提升城市人居環(huán)境質(zhì)量，全面建設(shè)生態(tài)休閑之都，是杭州市亟待解決的重要問題。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù) 據(jù)

選擇3 景Landsat 系列衛(wèi)星影像進(jìn)行杭州市不同歷史時(shí)期地表溫度的反演。這些影像的成像時(shí)間分別為1984 年7 月3 日（Landsat 5）、2000 年6 月13 日（Landsat 5）和2018 年6 月15 日（Landsat 8），條帶號(hào)均為119，行編號(hào)為39，中心維度為30.31，中心經(jīng)度為119.95，覆蓋了整個(gè)杭州市區(qū)。其中，Landsat 5 影像的熱紅外波段（LWIR）的空間分辨率為120 m，其他波段的空間分辨率為30 m。Landsat 8 影像的熱紅外波段（TIRS）的空間分辨率為100 m，其他波段的空間分辨率為30 m。

利用Landsat 8 衛(wèi)星影像（2018 年6 月15 日）的可見光波段、熱紅外波段等，計(jì)算研究區(qū)的不透水面蓋度（NDISI）、植被指數(shù)（NDVI）和水體指數(shù)（MNDWI）等。

2.2 研究方法

2.2.1 地表溫度反演

本文主要參考Jiménez-Munoz 普適性單通道算法進(jìn)行地表溫度的反演，計(jì)算公式為：

式中，Ts為地表溫度（LST）；ε為地表發(fā)射率，可通過NDVI 閾值法來確定；φ1、φ2、φ3為大氣函數(shù)，可利用Jiménez-Mu?oz 給出的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式計(jì)算得出；γ和δ為與亮溫相關(guān)的兩個(gè)參數(shù)。γ和δ計(jì)算公式如下：

式中，Tsen為亮溫；Lsen為定標(biāo)后的DN 值；bγ為計(jì)算參數(shù)。各參數(shù)的詳細(xì)計(jì)算步驟參見相關(guān)文獻(xiàn)[14]。

2.2.2 熱環(huán)境剖面分析

杭州大廈位于杭州市武林廣場，是杭州第一個(gè)商貿(mào)旅游綜合體，也是杭州市人口密度最高，也最為繁華的中心商業(yè)區(qū)。因此，擬以杭州大廈為原點(diǎn)，向8 個(gè)方向設(shè)置地表溫度剖面線（圖1），分析杭州城市熱環(huán)境的方向性特征。

圖1 杭州市的遙感影像及剖面線設(shè)置Fig.1 Remote sensing image of Hangzhou and the setting of profiles

2.2.3 城市生態(tài)要素計(jì)算

為了進(jìn)一步分析杭州城市熱環(huán)境方向性特征的影響因素，擬通過ENVI 和ArcGIS 軟件，利用2018 年6月15 日的Landsat 8 衛(wèi)星影像，計(jì)算研究區(qū)的不透水面蓋度（NDISI）[15-16]、植被指數(shù)（NDVI）[17]和水體指數(shù)（MNDWI）[18-19]，進(jìn)而探討這些城市生態(tài)要素與地表溫度（LST）的關(guān)系。上述指數(shù)的計(jì)算公式如下：

式中，Green為綠波段，如Landsat 5 的B2 波段和Landsat 8 的B3 波段；MIR為中紅外波段,如Landsat 5 的B5 波段和Landsat 8 的B6 波段；NIR為近紅外波段，如Landsat 5 的B4 波段和Landsat 8 的B5 波段；Red為紅外波段，如Landsat 5 的B3 波段和Landsat 8的B4 波段；NIR、MIR、TIR分別為近紅外、中紅外、熱紅外波段；MNDWI為水體指數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 城市熱島剖面與土地利用

本文結(jié)合杭州市典型區(qū)域的土地利用狀況，分析8條地表溫度剖面線上的城市熱環(huán)境狀況（圖2）。

圖2 杭州市8 個(gè)方位的地表溫度剖面線Fig.2 Surface temperature profiles of 8 directions in Hangzhou

1）從市中心到周邊鄉(xiāng)村地區(qū)，杭州市的溫度剖面總體呈比較明顯的梯度下降趨勢(shì)，表明杭州市存在著顯著的城市熱島現(xiàn)象。其中，北方、東北方、南方、西方等方位表現(xiàn)的尤為突出。

2）城區(qū)內(nèi)的土地利用狀況會(huì)極大地影響城鄉(xiāng)溫度的梯度變化曲線。剖面線上的高溫點(diǎn)往往是因?yàn)槿丝诨虍a(chǎn)業(yè)的過度集中引起的。如人口密集的商業(yè)中心（杭州大廈、四季青商貿(mào)中心等）、居住社區(qū)（古蕩社區(qū)、龍塢社區(qū)等）、工業(yè)區(qū)（下沙工業(yè)區(qū)、倉前工業(yè)區(qū)）等都是明顯的區(qū)域熱點(diǎn)。剖面線上的低溫點(diǎn)則主要由河流、綠地公園等組成。其中河流的降溫效果最為明顯，杭州大廈和距其500 m 左右的京杭大運(yùn)河，地表溫度相差近15℃。錢塘江對(duì)地表溫度的影響非常明顯，LST 剖面線3 次穿越錢塘江，形成了3 個(gè)形態(tài)接近，溫度相似的冷島。另外，玉皇山、吳山等山區(qū)綠地公園也起到了一定的降溫作用，但降溫幅度遠(yuǎn)低于錢塘江等河流。

3.2 時(shí)序演化軌跡分析

本文選取1984、2000、2018 年的地表溫度反演結(jié)果，計(jì)算歷年來杭州市典型方位的距平地表溫度剖面線，分析杭州市各典型熱剖面的時(shí)序演化軌跡。

3.2.1 北方剖面線

北方剖面線如圖3 所示，1984-2018 年，以杭州大廈為中心的老城商貿(mào)區(qū)一直都是杭州市的熱島地區(qū)，但是隨著時(shí)間的推移，城市熱島效應(yīng)不斷增強(qiáng)，杭州大廈附近的京杭大運(yùn)河的冷島效應(yīng)亦明顯增強(qiáng)。1984 年，距市中心2.5 ～5 km 處仍然屬于冷島的范圍（低于區(qū)域平均溫度）。到了2018 年，隨著城市的擴(kuò)張，這一帶已經(jīng)發(fā)展成為了熱島區(qū)域，距市中心15 ～21 km 處，總體上仍然保留了河網(wǎng)農(nóng)區(qū)的原貌，由于周圍地區(qū)的城市化，也使得冷島效應(yīng)日益凸顯；距市中心21 ～22 km處，是塘棲鎮(zhèn)新的城市擴(kuò)展區(qū)，建設(shè)了較多的生產(chǎn)企業(yè)，土地利用類型的變化使得熱島效應(yīng)顯著增強(qiáng)。

圖3 杭州市北方主要年份的距平地表溫度剖面線Fig.3 The anomaly surface temperature profiles of northern Hangzhou in 1984，2000 and 2018

3.2.2 東方剖面線

東方剖面線如圖4 所示，與杭州北部剖面線比較類似。距市中心2 ～6 km 處，1984 年屬于冷島的范圍，隨著城市的擴(kuò)張，這一帶已經(jīng)變?yōu)榱顺鞘懈邷貐^(qū)；距市中心6.5 km、15 km、20 km 處，LST 剖面線穿越了錢塘江，可以很明顯地看出，隨著城市的擴(kuò)張和城市熱島的增強(qiáng)，錢塘江與周邊區(qū)域的溫差日益增大，冷島效應(yīng)也日益明顯；距市中心約18 km 處為下沙，直至2000 年仍是低溫區(qū)，但隨著下沙高教園區(qū)的建設(shè)，城市化進(jìn)程大大加快，直接造成了下沙地區(qū)LST 的快速上升。

圖4 杭州市東方主要年份的距平地表溫度剖面線Fig.4 The anomaly surface temperature profiles of eastern Hangzhou in 1984，2000 and 2018

3.2.3 南方剖面線

南方剖面線如圖5 所示。距市中心約4 km 處，LST剖面線穿越了吳山公園、玉皇山等公園綠地，從各期LST 剖面線形態(tài)的時(shí)序變化上可明顯看出，隨著城市的擴(kuò)張和城市熱島的增強(qiáng)，這些公園綠地與周邊區(qū)域的溫差日益增大，冷島效應(yīng)也日益明顯。與公園綠地效應(yīng)相似的是，在南方剖面線3 次穿越錢塘江的過程中，也可以清楚地發(fā)現(xiàn)錢塘江與周邊區(qū)域的溫差日益增大，冷島效應(yīng)也日益明顯。距市中心約29 ～38 km 區(qū)間，LST 剖面線穿過了蕭山區(qū)戴村鎮(zhèn)、河上鎮(zhèn)等多個(gè)城郊小鎮(zhèn)，從圖中可見，新鎮(zhèn)區(qū)的建設(shè)對(duì)區(qū)域地表溫度具有顯著影響，引起了LST 剖面線的明顯變化。

圖5 杭州市南方主要年份的距平地表溫度剖面線Fig.5 The anomaly surface temperature profiles of southern Hangzhou in 1984，2000 and 2018

3.2.4 西方剖面線

西方剖面線如圖6 所示。1984 年，距市中心4 ～11 km處均屬于原西溪濕地范圍，表現(xiàn)為明顯的冷島，但隨著時(shí)間的推移，在距市中心7 ～11 km 處建立了西溪濕地公園，而公園東部的濕地則全部變?yōu)榱顺鞘薪ㄔO(shè)用地，LST 不斷升高，與之相反的是西溪濕地公園的冷島效應(yīng)不斷增強(qiáng)。距市中心17 km 處為倉前鎮(zhèn)，2000 年以前，這一帶多是農(nóng)村地區(qū)，由于距離市中心的距離比西溪濕地更遠(yuǎn)，LST 甚至比西溪濕地更低，但隨著未來科技城、海創(chuàng)園、淘寶城建設(shè)，城市化進(jìn)程日益加快，使得倉前鎮(zhèn)的LST 不斷上升，至2018 年倉前鎮(zhèn)的LST 已經(jīng)超過了古老的居住區(qū)余杭鎮(zhèn)。由于距離市區(qū)較遠(yuǎn)，且發(fā)展較為緩慢，26 年來余杭鎮(zhèn)的LST 變化比較小，這與附近發(fā)展迅速的倉前鎮(zhèn)形成了鮮明的對(duì)比。

圖6 杭州市西方主要年份的距平地表溫度剖面線Fig.6 The anomaly surface temperature profiles of western Hangzhou in 1984，2000 and 2018

3.3 驅(qū)動(dòng)力分析

從前文的分析中，已經(jīng)可以清楚地看到土地利用狀況極大地影響地表溫度。為了量化土地利用對(duì)于城市地表溫度的影響，本文選取NDISI、NDVI、MNDWI 這3 個(gè)與城市土地利用狀況密切相關(guān)的指數(shù)，分析它們與地表溫度（LST）之間的關(guān)系。

3.3.1 單因素分析

圖7 展示了西—東熱剖面線各因素與LST 的關(guān)系。NDISI 和LST 具有比較明顯的正相關(guān)關(guān)系，通過SPSS 計(jì)算可知，二者的Pearson 相關(guān)系數(shù)為0.763，在置信度（雙側(cè)）為0.01 時(shí)，相關(guān)性是顯著的。另外，NDVI、MNDWI則和LST 具有比較明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，Pearson 相關(guān)系數(shù)分別為-0.651 和-0.264，在置信度（雙側(cè)）為0.01 時(shí)，相關(guān)性是顯著的。

圖7 西—東熱剖面線地表溫度LST 與NDVI、NDISI、MNDWI 的關(guān)系Fig.7 The relationships between LST and NDVI，NDISI and MNDWI on the west-east urban thermal profiles

3.3.2 多元回歸分析

通過回歸分析，可以定量分析3 個(gè)指數(shù)對(duì)城市地表溫度的綜合影響。利用SPSS 軟件，采用普通最小二乘法（OLS）進(jìn)行多元回歸分析，最終建立如下計(jì)量模型：

式中，Y為地表溫度LST；X1為水體指數(shù)MNDWI；X2為植被指數(shù)NDVI；X3為不透水面指數(shù)NDISI。

由表1 可知，模型擬合度較好，各指數(shù)均通過了F檢驗(yàn)和t 檢驗(yàn)。模型運(yùn)行結(jié)果表明，MNDWI 和NDVI 對(duì)地表溫度有負(fù)影響，即水體和植被所占比例越大，地表溫度越低；NDISI 對(duì)地表溫度有正影響，即不透水面蓋度越高，地表溫度越高。從標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)的絕對(duì)值大小來看，NDISI 的標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)絕對(duì)值為0.56，甚至比MNDWI 和NDVI的標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)之和都要高。這表明城市擴(kuò)張，自然土地表面不斷轉(zhuǎn)化為水泥鋪裝路面是城市地表溫度升高的最主要原因。通過保留和增加城市中的植被、水域也能夠在一定程度上緩解城市熱島的強(qiáng)度。

表1 多元回歸的運(yùn)行結(jié)果Tab.1 Operating results of multiple regression

4 結(jié) 論

1）杭州城市熱剖面的分析結(jié)果表明，熱剖面曲線呈現(xiàn)出明顯的城鄉(xiāng)梯度變化，說明杭州市存在比較明顯的城市熱島現(xiàn)象。城市土地利用狀況顯著影響著熱剖面線的形態(tài)。人口或產(chǎn)業(yè)的顯著集中區(qū)往往會(huì)形成比較明顯的熱島區(qū)，而河流、公園綠地等區(qū)域往往會(huì)形成明顯的熱島區(qū)，但河流的冷島效應(yīng)最為明顯。

2）杭州城市熱剖面的時(shí)序演化分析結(jié)果表明，隨著杭州城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市建成區(qū)的擴(kuò)張，城市熱島效應(yīng)的范圍和幅度不斷增加，同時(shí)，城市濕地和公園綠地的冷島效應(yīng)呈不斷增強(qiáng)的趨勢(shì)。在城市的發(fā)展過程中，盡量保留濕地和公園綠地是緩解城市熱島效應(yīng)最有效的措施。

3）驅(qū)動(dòng)力分析的結(jié)果表明，水體指數(shù)MNDWI，植被指數(shù)NDVI，不透水面指數(shù)NDISI 與城市熱剖面曲線的形成有密切的關(guān)系。其中，較高的MNDWI 和NDVI 對(duì)地表溫度有明顯的緩解作用，而NDISI 的增加則是地表溫度升高的最主要原因。