基于局部氣候分區(qū)的城市熱舒適度遙感研究

［摘要］為探究城市不同空間形態(tài)特征對(duì)于城市熱舒適度的影響，借助衛(wèi)星遙感、路網(wǎng)以及建筑數(shù)據(jù)，以局地氣候分區(qū)（LCZ）為基本分析框架，融合地表溫度遙感反演、改進(jìn)溫濕指數(shù)（MTHI）、層次分析以及GIS空間分布等方法，選取上海市中心城區(qū)為研究區(qū)，開(kāi)展城市熱舒適季節(jié)變化遙感研究。結(jié)果表明：（1）不同LCZ分區(qū)下的街道微氣候地表溫度數(shù)值有明顯差異，密集型建筑區(qū)域溫度波動(dòng)小于開(kāi)闊型；（2）LCZ類(lèi)型在不同季節(jié)對(duì)MTHI的反映存在差異特征，過(guò)渡季MTHI數(shù)值明顯低于夏季和冬季；（3）各LCZ類(lèi)型在不同季節(jié)的相對(duì)舒適水平大有不同，三季綜合看來(lái)密集低層建筑和開(kāi)闊底層建筑為舒適度較高的兩種類(lèi)型，水體在冬季屬于熱舒適度較低類(lèi)型。

［關(guān)鍵詞］局部氣候分區(qū)；熱舒適；改進(jìn)溫濕指數(shù)；熱紅外遙感

快速城市化使得氣候惡化，極端氣候事件頻發(fā)，氣溫不斷再創(chuàng)新高，熱應(yīng)激危險(xiǎn)頻發(fā)。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)，在2030～2050年，每年會(huì)多出約25萬(wàn)的人口死于氣候變化所造成的營(yíng)養(yǎng)不良、瘧疾以及氣溫過(guò)高[1]。氣候是影響人體熱舒適的主要因素，城市微氣候與城市形態(tài)之間存在密不可分的關(guān)系，因此關(guān)注城市形態(tài)對(duì)熱舒適的影響研究勢(shì)在必行[2]。

為了綜合探究城市不同形態(tài)特征對(duì)于城市熱環(huán)境的影響，局地氣候分區(qū)（Local Climate Zone， LCZ）體系應(yīng)運(yùn)而生，它依據(jù)城市地表覆蓋、地表結(jié)構(gòu)以及人類(lèi)活動(dòng)將城市劃分為建成地表類(lèi)型和自然地表覆蓋類(lèi)型，并逐漸城市熱島及熱舒適度研究的重要手段。

本文以上海市建筑數(shù)據(jù)、路網(wǎng)、Landsat8遙感數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，綜合局部氣候分區(qū)制圖、地表溫度（Landsurface temperature， LST）反演、改進(jìn)的溫濕指數(shù)、GIS空間分析等方法定量分析研究區(qū)內(nèi)不同局部氣候區(qū)對(duì)城市室外熱舒適的影響，為未來(lái)城市規(guī)劃提供一定參考。

1 研究區(qū)概況

上海市（120°52′～122°12′E，30°40′～31°53′N(xiāo)）（圖1）位于中國(guó)華東地區(qū)，東瀕東海，南臨杭州灣，西接江蘇、浙江兩省，北界長(zhǎng)江入?？?，長(zhǎng)江與東海在此連接。上海亞熱帶季風(fēng)性氣候，四季分明，氣候溫和濕潤(rùn)，春秋較短，冬夏較長(zhǎng)，日照充分，雨量充沛，年均氣溫17℃左右。研究區(qū)中心城（外環(huán)線以?xún)?nèi)）面積約660 km2，總?cè)丝诩s1234萬(wàn)人。研究區(qū)內(nèi)城市形態(tài)結(jié)構(gòu)豐富多樣，有利于分析城市局地氣候分區(qū)對(duì)熱舒適度的影響，是較為理想的研究區(qū)域。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

Landsat8衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于城市熱環(huán)境研究。本研究選取上海市2017～2020年影像清晰且云量低于1%影像，成像條件滿(mǎn)足研究需求。路網(wǎng)數(shù)據(jù)來(lái)源OSM，并基于高分影像及百度地圖進(jìn)行預(yù)處理去除斷頭路等不合理數(shù)據(jù)。城市建筑數(shù)據(jù)包含建筑輪廓和樓層數(shù)用于計(jì)算局地氣候區(qū)垂直高度，來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心。為探究城市熱舒適的季節(jié)性變化特征，根據(jù)上海市氣象相關(guān)網(wǎng)站發(fā)布的常年季節(jié)更替時(shí)間，將上海市的季節(jié)分為三類(lèi)，即夏季（5月中下旬至10月上旬）、過(guò)渡季（3月中旬至5月中旬和10月上旬至12月上旬）以及冬季（12月上旬至次年3月中旬）。詳情見(jiàn)表1。

2.2 LCZ 制圖

基于道路網(wǎng)將上海市中心城區(qū)劃分成大小不同的街區(qū)；然后根據(jù)地表覆蓋和建筑數(shù)據(jù)，按照LCZ定義與參數(shù)確定每個(gè)街區(qū)類(lèi)型[3]；最后通過(guò)人機(jī)交互檢驗(yàn)方式，對(duì)整個(gè)研究區(qū)LCZ分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行核查，糾正錯(cuò)誤分類(lèi)，最終確定16個(gè)LCZ類(lèi)別[4]，包括9類(lèi)建成景觀類(lèi)型（LCZ1-9）和7類(lèi)自然覆蓋類(lèi)型（LCZ A-G），具體見(jiàn)表2。

2.3 熱舒適遙感評(píng)估方法

人體為維持自身的熱平衡機(jī)制，通過(guò)生理反應(yīng)來(lái)適應(yīng)環(huán)境的溫度變化。從人體平衡調(diào)節(jié)機(jī)能看，環(huán)境溫度高時(shí)，排汗是調(diào)節(jié)熱平衡的主要手段，而能否快速地以這種方式散失人體多余熱量則與空氣的飽和差和流經(jīng)皮膚表面的風(fēng)速成正比，其中飽和差，即空氣飽和水氣壓與水氣壓之差是主要的影響因素，因此相對(duì)濕度是影響人體熱感覺(jué)和維持熱平衡的重要因子[5]。

綜合考慮溫度和濕度對(duì)人身舒適度的影響早有研究且提出了許多基于兩個(gè)因子的指標(biāo)，其中運(yùn)用較為廣泛的指標(biāo)為溫濕指數(shù)（Temperature Humid Index，THI），溫濕指數(shù)反映了群體的人對(duì)環(huán)境的熱感受。計(jì)算公式如下[6]：

THI=1.8Ta+32-0.55×（1-RH）×（1.8Ta-26） （1）

式中，THI為溫濕指數(shù)；Ta為空氣溫度（℃）；RH為相對(duì)濕度。

本文利用地表溫度和歸一化水汽指數(shù)（Normalized Difference Moisture Index，NDMI）替換公式1中的空氣溫度和相對(duì)濕度，得到改進(jìn)后的溫濕指數(shù)（Modified temperature―humidity index， MTHI）[6]，公式如下：

MTHI=1.8LST+32-0.55×（1-NDMI） ×（1.8LST-26） （2）

其中，LST為基于大氣校正法反演得到的地表溫度[7]，基本原理是估計(jì)大氣對(duì)地表熱輻射的影響，得到地表輻射強(qiáng)度，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的地表溫度。具體計(jì)算步驟如下：

歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index， NDVI），通過(guò)測(cè)量近紅外（植被強(qiáng)烈反射）和紅光（植被吸收）之間的差異來(lái)量化植被，公式如下：

NDVI=（NIR-RED）/（NIR+RED） （3）

其中NIR為近紅外波段，RED為紅波段。植被覆蓋度（Fractional Vegetation Cover，F(xiàn)VC），指植被（包括葉、莖、枝）在單位面積內(nèi)植被的垂直投影面積所占百分比。公式如下：

FVC=（NDVI-NDVISoil）/（NDVIVeg-NDVISoil ） （4）

其中，NDVI為歸一化植被指數(shù)，NDVISoil為完全是裸土或無(wú)植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，NDVIVeg則代表完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值，即純植被像元的NDVI值。利用計(jì)算得到的植被覆蓋度進(jìn)一步計(jì)算地表比輻射率，公式如下：

LSE=0.004×FVC+0.986 （5）

其中LSE為地表比輻射率；最終的LST計(jì)算如下

LST=T/（1+（λT/α）lnε） （6）

其中，T為同溫度下黑體輻射亮度，λ為波長(zhǎng)，α為常數(shù)，?為地表比輻射率。

NDMI是基于中紅外與近紅外波段的歸一化比值指數(shù)，值在0-1之間，越接近1則水汽含量越高，與NDVI相比，它能有效地提取植被冠層的水分含量；在植被冠層受水分脅迫時(shí)，NDMI指數(shù)能及時(shí)地響應(yīng)[9]，公式如下：

NDMI=（NIR-SWIRI）/（NIR+SWIRI） （7）

其中，NIR為近紅外波段，SWIRI為短波紅外波段。

為了便于不同季節(jié)的MTHI具有可比性，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差分類(lèi)法[8]將MTHI劃分為五個(gè)等級(jí)，劃分依據(jù)見(jiàn)表3。

2.4 層次分析法

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）[10]，是美國(guó)國(guó)防部在研究中提出的一種層次權(quán)重決策分析方法，是指將與決策總目標(biāo)相關(guān)的所有元素分為三個(gè)層次：目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層，逐層進(jìn)行定性分析和定量分析的一種決策方法。一般分為四個(gè)步驟：（1）構(gòu)建指標(biāo)層次體系，確定目標(biāo)層、準(zhǔn)則層以及方案層元素；（2）構(gòu)建判斷矩陣，使用“德?tīng)柗品ā贝_定各項(xiàng)元素的重要程度[11]；（3）計(jì)算各層權(quán)重；（4）對(duì)結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)[12]。

3 結(jié)果分析

3.1 LCZ 空間格局特征

研究區(qū)LCZ類(lèi)型的空間分布如圖2所示，統(tǒng)計(jì)情況如圖3所示。

上海中心城區(qū)的建成景觀類(lèi)型和自然覆蓋類(lèi)型分別占比83.2% 和16.8%，其中自然覆蓋類(lèi)型多分布于黃浦江以東，建筑類(lèi)型更多分布于黃浦江以西；建成類(lèi)型中LCZ5占比達(dá)到67.7%為最高，LCZ1和LCZ9的面積均不足1%；自然覆蓋類(lèi)型中LCZD 占比23.8% 為最高，LCZF 占比最低，僅有3.5%，其余5種自然覆蓋景觀占比較均勻。

3.2 不同LCZ 類(lèi)別的季節(jié)性地表溫度分析

圖4為上海市不同季節(jié)地表溫度的空間分布差異。通過(guò)單因素方差分析（plt;0.05）[13]，三個(gè)季節(jié)的不同LCZ之間LST存在顯著性差異。為了探究不同LCZ類(lèi)型之間的季節(jié)性地表溫度差異，繪制了三個(gè)季節(jié)不同LCZ類(lèi)別的地表溫度箱型圖，如圖5所示。從整體來(lái)看，每個(gè)季節(jié)的各LCZ類(lèi)型平均溫度之間的差別基本一致，在對(duì)各LCZ類(lèi)型地表溫度三季均值的統(tǒng)計(jì)中，建成景觀類(lèi)型的LCZ2類(lèi)型的均值最高，LCZ7最低；自然景觀類(lèi)型中，LCZF的LST最高，LCZG最低且極差大。

不同LCZ地表溫度在三個(gè)季節(jié)呈現(xiàn)相對(duì)一致的變化趨勢(shì)：建筑類(lèi)型的平均溫度高于自然覆蓋類(lèi)型的平均溫度；建筑類(lèi)型中，LCZ2（密集中層建筑）的平均溫度最高，并且LCZ3和LCZ5的平均溫度與其相差不足1℃，這三種類(lèi)型的平均溫度在不同季節(jié)時(shí)均高于研究區(qū)域的平均溫度，LCZ7的平均溫度最低；自然景觀類(lèi)型中LCZF的平均溫度始終高于全區(qū)域平均溫度，并且在過(guò)渡季和冬季時(shí)，全部LCZF斑塊的地表溫度均大于區(qū)域均溫，甚至高于大部分建成景觀類(lèi)型的溫度。這是由于裸土和沙地的比熱容較小，對(duì)溫度敏感，并且陰影較少，導(dǎo)致陽(yáng)光直射，LST會(huì)高于周邊區(qū)域[14]。LCZG的溫度在三個(gè)季節(jié)中都在區(qū)域均溫以下，在過(guò)渡季與區(qū)域均溫差值最大達(dá)到4℃左右，夏冬兩季差值在2℃左右。由此可見(jiàn)，水體具有很好的降溫效果。

不同LCZ地表溫度在三個(gè)季節(jié)存在一定差異：過(guò)渡季的每類(lèi)建成景觀類(lèi)型的溫差明顯大于其他兩個(gè)季節(jié)，尤其是LCZ2-LCZ6；LCZA和LCZB類(lèi)型在夏季和過(guò)渡季中高于區(qū)域均溫的斑塊不足0.1%，冬季接近50%，高于全區(qū)域平均溫度的LCZA斑塊由于植被面積較小，所以對(duì)降低溫度的作用甚微[15]；自然景觀類(lèi)型的平均溫度在夏季和過(guò)渡季普遍低于全區(qū)域平均溫度，且自然景觀類(lèi)型普遍低于建成景觀類(lèi)型，冬季則相反，由此可見(jiàn)，自然景觀類(lèi)型在溫?zé)峒竟?jié)具有較好的降溫效果，尤其是茂密樹(shù)林，僅次于水體。

3.3 不同LCZ 類(lèi)別的季節(jié)性舒適度指數(shù)分析

三個(gè)季節(jié)不同LCZ的MTHI空間分布情況如圖6所示，從夏季過(guò)渡到冬季過(guò)程中MTHI有明顯變化。夏季全區(qū)域都在微熱及以上程度，無(wú)涼爽斑塊，且微熱的區(qū)域面積不足1%，微熱區(qū)域中不包含LCZ2、LCZ7-LCZ9、LCZA-LCZC；過(guò)渡季的MTHI明顯偏低，極熱區(qū)域面積極小，包括LCZ2、LCZ5和LCZ8；很熱的區(qū)域占全區(qū)域的0.04%，所占比例最高的是微熱，其次是熱區(qū)域，相比夏季而言，過(guò)渡季全區(qū)域內(nèi)的溫差較大；冬季MTHI各等級(jí)所占面積呈橄欖式分布，極冷和溫暖均低于0.1%，微冷占比最高。LCZ2在冬季無(wú)極冷斑塊。

為了直觀反映不同LCZ類(lèi)型在不同季節(jié)的舒適情況，繪制了三個(gè)季節(jié)的MTHI箱型圖（圖7）和百分比堆積（圖8）。各LCZ類(lèi)型在不同季節(jié)對(duì)MTHI的反映有明顯特征：LCZ1類(lèi)型的MTHI極差一直較小，在夏季無(wú)極熱和涼爽斑塊，過(guò)渡季無(wú)極熱和很熱的斑塊，冬季無(wú)溫暖斑塊，故LCZ1類(lèi)型在全年整體MTHI體感偏涼；LCZ2-6類(lèi)型的MTHI值與地表溫度表現(xiàn)相似的特征，極差較大，且LCZ2在夏季無(wú)涼爽斑塊，在冬季無(wú)極冷斑塊，過(guò)渡季大部分斑塊MTHI集中在中間程度，說(shuō)明LCZ2的MTHI全年偏熱；LCZ3在夏季和過(guò)渡季的總體MTHI偏低，冬季偏高；LCZ7-9類(lèi)型的MTHI在三個(gè)季節(jié)呈現(xiàn)的規(guī)律相似，夏季無(wú)涼爽斑塊，過(guò)渡季無(wú)極熱斑塊，冬季無(wú)溫暖斑塊，全年看來(lái)LCZ7-9在過(guò)渡季最舒適；自然景觀類(lèi)型在過(guò)渡季和冬季的MTHI的分布特征相似，LCZF類(lèi)型的MTHI最高，LCZG最低，相對(duì)夏季而言，水體（LCZG）的降溫效果更明顯，遠(yuǎn)大于其他自然景觀類(lèi)型，裸土和沙地（LCZF）3個(gè)季節(jié)的MTHI的變化和LST相似，始終大于其他自然景觀類(lèi)型。

3.4 不同LCZ 類(lèi)型的相對(duì)熱舒適水平

為了反映各LCZ類(lèi)型在單季和全年角度上的相對(duì)舒適水平，利用綜合評(píng)價(jià)法[16]進(jìn)行表征，利用層次分析法獲得不同季節(jié)以及各季節(jié)中MTHI的值對(duì)相對(duì)舒適水平的貢獻(xiàn)度，結(jié)合各等級(jí)該LCZ類(lèi)型占其總面積的比例，得到不同LCZ類(lèi)型在單季節(jié)和三季節(jié)的相對(duì)舒適水平指數(shù)，其中指數(shù)數(shù)值越低表明舒適度越高。

為了直觀反映不同LCZ類(lèi)型的舒適情況，繪制了3個(gè)季節(jié)的季舒適指數(shù)柱狀圖及年舒適指數(shù)柱狀圖，如圖9所示。不同季節(jié)各LCZ類(lèi)型之間舒適水平存在差異：夏季各LCZ類(lèi)型的舒適水平相近，LCZ8和LCZ2最低；過(guò)渡季LCZ2舒適水平最高，LCZ9舒適水平最低，與夏季明顯不同；冬季LCZ5舒適水平最高，LCZ7最低。從年熱舒適水平來(lái)看，LCZ3的舒適水平最高，LCZ7最低；自然景觀類(lèi)型中，LCZF給人的舒適體驗(yàn)最好，LCZG舒適水平最低。

4 結(jié)論

本文以上海市Landsat8遙感影像為基礎(chǔ)，繪制基于街區(qū)的LCZ分類(lèi)圖，研究不同季節(jié)、不同LCZ類(lèi)別的地表溫度及溫濕指數(shù)分布特征，分析不同LCZ類(lèi)別對(duì)地表溫度和舒適度的影響。研究結(jié)果表明：（1）地表溫度對(duì)于LCZ類(lèi)別的響應(yīng)有季節(jié)性差異，主要體現(xiàn)在過(guò)渡季不同LCZ之間溫差最大，冬季最??；（2）水體和茂密樹(shù)林在夏季和過(guò)渡季的溫度可低于全區(qū)域的平均溫度，具有良好的降溫效果；（3）裸土和沙地全年溫度都高于區(qū)域均溫，減少裸土和沙地面積對(duì)城市熱舒適有一定改善；（4）LCZ3的年舒適水平最高，說(shuō)明低層建筑較為適合常年居住。

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