城市热岛对热舒适度的景观格局影响演化分析

黄焕春，运迎霞，王世臻，刘成哲，李洪远

(1.天津大学建筑学院城市规划系，300072天津;2.南京林业大学风景园林学院城市规划系210037南京;3.淄博智达建筑设计有限公司，255000山东淄博;4.南开大学环境科学与工程学院，300071天津)

中国城镇化快速发展，各大城市建成区面积迅速增加，近30年来扩张了5.5倍［1-2］.与此相伴城市热岛效应不断加剧，2013年多地城市突破历史最高气温，同年新华网报道7月上海中暑死亡超过十余人.城市热岛强烈地改变着城市生态系统的结构与功能［3-4］，特别是夏季地表热岛使大气温度升高，对人体舒适感产生了严重影响.

近年来，卫星遥感技术，显示了其大范围监测城市温度场的巨大优势，各国学者纷纷利用卫星影像，研究地表热岛.其中有热岛反演的方法［5-6］，热岛与人体健康［7］，地表热岛与城市规模［8］、城市空间结构［9］，城市规划建设的前后热岛对比［10］，河流水体对热岛的影响［11-12］等方面研究.不乏利用景观格局指数，分析遥感反演的热岛强度文献.但目前，热岛强度分类中，尚未有确切的生态学和人体生理学等依据.而景观格局分析，恰恰需要明确分析对象所代表的物理和生态学意义等.由此可见热岛强度、热舒适度受影响等级划分标准的重要性.

本文基于人体舒适度和高温生理反应，提出了热岛强度与热舒适度的等级划分标准;划分1992—2011年天津市主城区夏季热岛对热舒适度影响等级分区;通过景观格局变化分析，得出热舒适度受影响的演化趋势规律.从而在城市规划过程中，提出有针对性的规划方案，具有缓解夏季城市热岛、提高城市环境舒适度、降低能耗和碳排放的重要意义［13］.

1 研究区概况与数据

1.1 研究区概况

研究区为天津市主城区(图 1)，面积2 080 km2，位于华北平原东北部，下辖和平、南开、河东、河西、红桥、河北、东丽、津南、西青、北辰等10区.2011年主城区人口为697万.1992年主城区城乡建设用地280 km2，2011年迅速增加至795 km2.其中，居住用地总量显著增加，居住空间逐步向外扩散，新建居住区主要集中在中环线与外环线之间;市级中心主要集中在和平区，大型商业设施在市中心区海河南岸高度聚集;高校主要集中在南开区和周边地区，已出现向中心城区外围转移的趋势.近年来，天津启动了工业东移战略，中心城区用地布局得到了调整.2005年新版总规实施后，城市空间发生了很大变化.

1.2 研究数据

根据本研究的对象和目的，以7、8月TM遥感影像为数据源.为保证数据的可靠性与可比性，所选遥感影像的云量均为0，影像拍摄前一天均未降水，48 h内平均风速小于2.3 m/s.卫星过境时间均为上午10∶30左右，这个时刻是人们工作的最佳时间.因此数据对研究夏季热岛效应对人体热舒适度影响具有很强的代表性.六景TM影像分别为:1992年7月30日10∶11、1999年8月11日10∶40、2001年7月 7日10∶28、2006年 7月21日10∶40、2009年8月30日10∶37、2011年8月20日10∶36，空间分辨率为30 m，其中热波段为120 m.同时配合2005—2020年天津城市总体规划图与现状图.

图1 研究区TM卫星影像与行政区划

数据处理过程如下:首先，将遥感影像进行配准和几何精校正，把卫星影像统一校正到1∶1万地形图，校正采用二次多项式，并用3次卷积法进行灰度插值，校正误差控制在一个像元内.然后，将数据重采样至30 m分辨率，统一投影为WGS-1984-UTM-50N，以便保持数据的一致性.最后，利用ArcGIS软件建立数据库，对不同时期的遥感影像数据进行提取分析.

2 研究方法

2.1 热舒适度受影响的等级划分

2.1.1 划分原理依据

本文研究对象突出的是地表热岛所施加的影响，而非当时气温绝对达到地表温度.本文研究数据为landsat TM影像，热波段空间分辨率为120 m(在这个尺度下，城市中有建筑、绿地、硬化地面等混合)，遥感影像的热波段大部分都存在混合像元问题.降温地物的作用会适当平抑温度较高的地物，因而就会出现反演的地表温度非常接近实际气温的现象.对比1999—2013年城郊的24个观测点实测温度与反演温度，发现:反演平均误差为0.42℃，郊区平均误差为1℃，城区内居住区、商业区附近的平均误差为0.39℃，由此证明TM影像反演结果较为可靠.

城市地表温度与上空一定距离的大气温度有协同变化的规律［14］，地表温度与近地面1.5 m大气温度也有着更为密切的关系.夏季白天地表温度高于近地面大气温度，通过热辐射、传导、气流热交换，会有大量的热从地表传向近地面大气，造成近地面大气温度升高，进而影响人体舒适度.此外，10∶40—14∶00地表与近地面大气的温度都处于上升阶段，地表向近地面大气传热，气温很容易达到10∶30卫星拍摄的地表温度.因此，利用10∶30左右拍摄的遥感影像反演计算热岛强度，研究热舒适度受影响情况，具有很强的合理性和可行性.

2.1.2 划分结果

为了使研究更贴近实际情况，以夏季7、8月份非降雨天的平均温湿度作为基准.通过2008—2012年气象观测数据的计算，发现7、8月10∶30的平均温度为28.2℃、平均湿度为62.28%.

以28.2℃和62.28%为基准，计算叠加热岛升温后，对人体热舒适度的影响指数.笔者在分析大气舒适度［15］、人体综合舒适度［16］、PET 室外舒适度［17］等计算方法后，决定本文的热舒适度指数计算，采用Tom提出，Bosen修正后的公式［18］

式中:RH为相对湿度，T为大气温度，ⅠL为舒适度指数．

最后，参照北京市人体舒适度指数划分和人体高温生理反应情况，将地表热岛效应对热舒适度的影响分为5级(见表1).

表1 地表热岛对热舒适度影响的等级划分、人体感觉、热岛强度对照表

2.2 地表温度遥感反演方法

地表温度反演采用基于影像反演算法(IB算法)，该算法简单准确，数据易获得.首先，依据NASA的数据使用手册，进行辐射定标，把DN值转化成相应的热辐射强度.然后，计算植被指数(NDVⅠ)及植被覆盖度 PV．之后，采用覃志豪［19］、黄初冬［20］等提出的比辐射率ε计算方法，通过NDVⅠ和植被覆盖度计算出地表比辐射率．最后，通过LST计算公式，计算出地表温度，公式为

2.3 景观格局指数评价方法

对热舒适度的影响等级进行景观数量和结构的分析，选用被证明具有稳定适用性的五类景观格局指数［21］进行评价，这5类分别为:多样性指数、面积/密度/边界指数、临近度指数、离散度指数、连通性指标［22-23］.其中每类都有具体的指数(表2)，详细定义计算见文献［22-23］.景观格局指数的计算，利用由美国俄勒冈州立大学森林科学系开发的fragstats4.1软件.

表2 本文所用景观格局指数类别

3 结果与分析

3.1 温度反演与热舒适度受影响等级划分

利用IB算法，在ENVI遥感软件平台上，反演 1992、1999、2001、2006、2009、2011 年遥感影像的地表温度.首先，计算出亮度温度;然后，计算出NDVⅠ、植被覆盖度、地表比辐射率;最后，反演出地表温度.

在ArcGIS软件中，首先计算出空间上每个点的热岛强度，计算公式为

式中:ΔTij为空间位置ij上的热岛强度;Tij为空间位置ij上的地表温度;TR郊区农村平均温度．然后依据表1，对研究区热舒适度的受影响程度进行等级划分，划分结果见图2(下文将热岛对热舒适度影响区，简称为影响区)．

图 2 1992、1999、2001、2006、2009、2011 年热岛效应对热舒适度的影响空间等级

3.2 热岛对热舒适度影响的景观格局分析

3.2.1 多样性指标的影响分析

多样性指数采用斑块丰富度指标PR，对热岛景观等级进行最简单的度量，但不反映等级间的相对丰富度.景观中的斑块丰富度PR越大，热岛对热舒适度的影响程度也就越深.1992年的最大热岛强度为8.55℃，2011年增加到12.47℃，增加了近4℃;由图3可以看出相应的热舒适度受影响等级升高了两级.这说明天津市主城区的地表热岛强度不断上升，热舒适度受影响的等级平稳升高.

图3 1992—2011年PR指数变化曲线

3.2.2 斑块类型的面积/密度/边界影响分析

用景观百分比PLAND，来度量某一等级在整个热岛景观中的丰度．从1992—2011年PLAND指数变化表(表3)看:热舒适度不受影响区所占比例呈下降趋势;一级影响区快速增长;二级影响区比例波动上升;三级影响区逐渐增大，增加了16.42倍;四级影响区从无到有，且面积不断增加;2009年出现了五级影响区.

这说明:热舒适度受影响的面积在扩大，高强度影响区面积在不断的增加恶化;二级影响区面积虽有波动，最值得注意的是1999年达到了最低值1.85%，但1992—2011年面积仍在迅速扩大，增加了2.56倍;三级影响区的比重迅速增大，热舒适度恶化现象明显.四、五级影响区相继出现，并持续增加，说明局部热岛恶化严重.

用PD来表示单位面积(100 hm2)上的热岛斑块数量.从1992—2011年 PD指数变化曲线(图4)看:热舒适度不受影响区的斑块密度逐步升高，1999年达到一个小高峰，但又迅速回落.这说明非热岛区域与热岛区，实现了很好的交叉混合布局，形成了较好的散热格局;一级影响区斑块密度波动上升，这说明低级影响区，可作为高强度影响区的散热过度区，发挥较强的散热功能;二级影响区斑块密度上升较大，上升了4.2倍，这说明二级影响区的分散化现象不断加剧;三、四级影响区，PD指数也逐渐的上升，这说明新的高强度热岛影响斑块不断出现.

表3 1992—2011年PLAND指数变化

图4 1992—2011年PD指数变化曲线

用最大斑块指数LPⅠ来测度每个影响等级中最大斑块变化态势.从1992—2011年LPⅠ指数变化表(表4)看:主城区热舒适度不受影响区的LPⅠ快速降低;一级影响区LPⅠ指数呈现波动性增大趋势;而二级影响区，LPⅠ指数迅速降低;三级影响区LPⅠ指数虽然较小，但却增加了6倍;四级影响区(1999年后出现)LPⅠ指数较小，但持续增加．

这表明:随着城市发展，热岛影响区在扩大，引起人体不舒适的一级影响区的最大斑块面积在增加，而引起人体很不舒适的二级影响区最大斑块面积则在迅速下降;引起人体不适应、很不适应的三、四级影响区，单个最大斑块面积也在增加;2011年出现的五级影响区，因斑块面积较小，自然LPⅠ也较小．

表4 1992—2011年LPⅠ指数变化

3.2.3 临近度指数的影响分析

临近度用来度量斑块的时空联系特征，反应某影响等级的破碎化及其在景观中的散布情况．ENN-CV反映的是斑块距离的变化稳定性程度，该值变小说明斑块距离差异程度减小．ENN-MN反映了整体斑块距离的变化情况．

从1992—2011年各等级影响区的ENN-CV和ENN-MN指数变化曲线(图5)看:不受影响区ENN-CV和ENN-MN指数均略有下降;一级影响区ENN-CV指数较为稳定，而ENN-MN指数略减了141;二级影响区ENN-CV指数呈波动下降，ENN-MN指数下降了166;三级影响区ENN-CV指数迅速下降了102，而ENN-MN指数骤减了778;四级影响区，ENN-CV指数呈波动上升，而ENN-MN指数迅速下降了5 247;2011年五级影响区ENNMN指数为7 991.24．

这表明:不受影响区的平均距离在缩短，斑块间距离变化稳定，这十分有利于受影响区的散热;一级影响区平均距离在缩短，说明斑块破碎化、与其他等级影响区混合程度增加，不同类型斑块之间进行热量交换更容易，从而更有利于热岛影响区的热量向外散失;二级影响区平均距离降低说明现存斑块空间上趋于聚集，易集聚成大面积斑块，从而加剧热岛效应;三级影响区平均距离稳定下降说明引起人体不适应的热岛区，在空间上出现频率增加.ENN-CV指数下降，说明其空间呈现规律性的出现;四级影响区平均距离缩短表明引起人体很不适应的热岛区，空间上每隔1 679～2 300 m，就出现一次，这种情况值得警惕;五级影响区空间上出现频率较小，平均空间距离7 991 m.

3.2.4 离散度指数的影响分析

离散度反映某一影响等级与其他等级的混杂程度，反映了不同斑块之间的邻接状况，采用DⅠVⅠSⅠON指数度量，其取值范围为0 ≤DⅠVⅠSⅠON＜1．当整个景观由一个斑块组成，DⅠVⅠSⅠON=0;当该等级在面积中比重和斑块尺寸出现下降时，DⅠVⅠSⅠON就接近 1．对于热岛效应而言，随着斑块离散化程度的提高，会使高温热岛区能量不断向外传递，进而使高温热岛区域减少，甚至使某个等级的高温热岛区消失．DⅠVⅠSⅠON指标，就反应了各影响等级在空间分布的集聚情况．

图5 1992—2011年ENN_CV和ENN_MN指数变化曲线

从 1992—2011 年DⅠVⅠSⅠON指数变化表(表 5)看:热舒适度不受影响区DⅠVⅠSⅠON指数增加了1.18倍;一级影响区DⅠVⅠSⅠON指数略有下降;三、四级热舒适度受影响区均没有变化．

这表明:不受热岛影响区的斑块在空间分布呈离散化，接收影响区传热变得更近更容易;斑块与其他受影响等级混合，在降热方面发挥着越来越重要的作用;一级影响区斑块离散化略有降低，这与城市形态的快速扩张密切相关，这也有利于高等级受影响区的散热.

表5 1992—2011 年 DⅠVⅠSⅠON 指数变化

3.2.5 连通性指数影响分析

连通性是指景观对能量流的促进或障碍程度，采用COHESⅠON指数表示热岛影响区斑块类型间的连通性．COHESⅠON取值范围为 0≤COHESⅠON＜100．当景观中某斑块类型的比例降低，并不断碎化和连通性降低，COHESⅠON值就接近0．随着景观中该类组成比例的提高，在分布上变得越来越集聚，自然连通度也提高了，COHESⅠON值就增加．

从1992—2011年COHESⅠON指数变化曲线(图 6)看:不受影响区和一级影响区的COHESⅠON指数呈稳定趋势;二级影响区的COHESⅠON指数呈波动下降趋势，但略有反弹;三、四级影响区COHESⅠON指数均呈上升趋势，由1992年的72.81和76.7，分别上升到2011年的82.74和81.44．

图6 1992—2011年COHESⅠON指数变化曲线

这表明:二级影响区斑块的自然连通度降低，在空间上内部联系不畅，斑块被其他斑块类型分割加剧;二级影响区属引起人体很不舒适区域，地表热岛强度分别高达3.1～6.9℃，其连接度下降表明斑块内部的能量聚集减少，不同等级间的斑块热量交换也更加便捷迅速，进而有助于高温热岛区热量散失，达到降低热岛强度和减弱热岛对热舒适度的影响;三级和四级COHESⅠON指数上升，说明高等级斑块大面积集聚增强，无法实现斑块内部的快速散热，从而不断地增加斑块内部热量的集聚和温度的升高．

4 结论

1)基于人体舒适度和高温生理反应，构建了地表热岛对热舒适度的影响等级划分标准.这使得对地表热岛强度划分，获得了一个科学的依据.为降低夏季热岛对热舒适度的影响，提供了一个分级分区调节的参考标准.

2)天津市热舒适度受影响区面积不断扩大，影响强度不断增强，高强度影响区不断集聚扩大.二级影响区，表现出破碎化趋势，被分割为许多小的斑块，但所占面积比例不断上升.

3)三、四级影响区，面积不断扩大，斑块数量与斑块密度不断增高，最大斑块面积也在迅速增加.2009年出现了五级影响区，2011年并出现了较大的增加，表明局部让人无法忍受热岛区应引起相关部门足够重视.

4)1999年的景观格局特点，呈现出地表热岛对热舒适度的影响最弱.原因是格调春天、水西园等多层居住小区的改造建设，增加了绿地、打通了通风廊道.通过进一步分析发现:景观斑块的破碎化、斑块类型的混合、强热岛区的斑块连通度降低，对促进热量传递与高低压区的大气流动、减弱对热舒适度的影响、降低热岛有着重要的作用.

5)通过对2001年前后的二级影响区分析，尽管斑块破碎化，带来了平均斑块面积巨大降低，但并未改善热岛，反而增强了热岛影响.这说明高层小区的建设，虽然节约了用地，但是热舒适环境却大面积恶化，并使局部热舒适等级严重升高.而多层小区的建设，却增加了人体舒适度.

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