哈爾濱市道路系統與城市熱島關系研究

張 利 ，張麗娟 ，周東穎，劉 棟 ，范懷欣

(哈爾濱師范大學地理科學學院，哈爾濱150025)

0 引言

隨著人口的增長、城市化的發展及大量人為熱的排放，城市熱島效應日益明顯，帶來的生態環境問題也日益突出。為了改善城市環境，人們對此做了大量研究以尋找原因和解決辦法。目前對城市熱島的研究多集中在對地表熱環境空間分布、熱島強度和影響因素等方面。覃志豪利用單窗算法，對以色列—埃及邊境地區進行地表溫度反演并分析二者地表溫度空間差異狀況及原因［1］;孫颯梅用相對亮溫等級來衡量熱島效應的強度，對不同城市、不同時間的熱島效應進行比較［2］;史同廣、王艷姣、祝寧等分別以濟南、重慶、哈爾濱市為研究對象，研究熱島效應的空間分布特征及其成因等［3-5］。此外，也有研究城市植被/植被覆蓋變化對城市熱島的影響［6-7］、城市下墊面的改變和類型對熱島的影響［8］、城市擴展與地表熱環境變化［9］等。目前，對于城市熱島的研究角度比較多，但研究道路系統對城市熱島效應的影響還比較少。杜義明等以北京市為例研究城市道路系統作為廊道系統對城市空間熱環境的影響［10］，劉翕等研究了夏日株洲市街道特征與溫度分布的關系［11］，徐駿等對上海市道路系統與熱場的關系和道路系統的作用進行了研究，得出道路系統對熱島效應的減弱有一定的積極作用［12］。本研究采用哈爾濱市1989，2001，2007年熱場資料，研究道路系統對熱島效應的影響，以期為削弱熱島效應影響方面提供參考，為哈爾濱市城區改造和道路規劃建設提供理論依據。

1 數據來源與研究方法

1．1 研究區概況

哈爾濱市位于黑龍江省的中南部，地處松嫩平原的東部，境內有多條河流。地貌為東部中低山丘陵和西部平原，地形和地勢東南高、西北低。氣候條件適宜發展農業生產，資源豐富，四季分明。區位條件優越，交通發達，是東北亞經濟區重要的鐵路、公路和航空運輸樞紐［13］。哈爾濱市區的范圍為北緯 45°25'～45°30'，東經126°20'～126°25'，研究區域為松花江以南的老城區，未考慮阿城區、呼蘭區及松北區等區域。

哈爾濱市因興建中東鐵路而建，鐵路將其劃分為道里、道外和南崗等區，鐵路因應地形、地勢特征而筑，與城市街道、松花江水道和南崗高地形成呼應之勢［14］。目前，哈爾濱鐵路形成貫穿全市的2條鐵路環線，同時也有多條與外界相連的線路，哈爾濱站是連接哈長、濱州、濱北、濱綏及拉濱5大干線的樞紐站。由于鐵路制約，哈爾濱市沒有貫穿全市的環向道路，目前全市公路形成“兩軸、四環、十射”環形放射式道路網結構。哈爾濱市區內的公路很少有正南、正北向的，但存在多處與鐵路線走向一致的路段。

1．2 數據來源

哈爾濱市1989，2001，2007年Landsat TM遙感影像來源于中國科學院遙感地面觀測站，反演地表溫度所需相對濕度等氣象資料來源于黑龍江省氣象臺，1990年哈爾濱市地形圖來自黑龍江省測繪局。

1．3 研究方法

1．3．1 地表溫度反演。目前，基于TM6波段反演地表溫度大體有3種算法，即大氣校正法、單窗算法和單通道算法。本研究選用覃志豪提出的適合于TM6數據反演地表溫度的單窗算法［15］。

1．3．2 統計分析方法。方差分析是檢驗2個及2個以上樣本均數顯著性差異的分析方法，是通過分析不同來源的變異對總變異貢獻大小確定可控因素對變異影響力大小的統計學方法。

1．3．3 緩沖區分析。緩沖區分析是空間信息系統中的空間分析基本功能之一，緩沖區是為了識別某地理實體或空間物體對其周圍的鄰近性或影響度而在其周圍建立的一定寬度的帶狀區。本研究的緩沖區分析是利用ArcGIS 9．2軟件的空間分析模塊來實現。

2 結果與分析

2．1 道路系統溫度差異性分析

基于哈爾濱市1989，2001，2007年 LandsatTM 遙感影像，使用單窗算法，分別反演出相應的哈爾濱市地表溫度場，并與地形圖相配準，生成道路系統與熱場分布圖(以1989年為例，圖1)。

圖1 哈爾濱市道路系統與熱場分布圖Fig．1 The distribution of road system and land surface temperature in Harbin

從哈爾濱市3年的熱場可以看出，道路與周圍環境溫度存在明顯差別，公路溫度明顯低于周圍區域溫度，且鐵路與公路對周圍環境的溫度影響也具有顯著的不同。以圖1中道外區哈東站附近的區域為例，可以明顯看出上述結論(圖2)。

圖2 哈爾濱市道外區局部道路系統與熱場分布圖Fig．2 The distribution of road system and land surface tem perature of Daowai in Harbin

為了確定鐵路與公路對周圍環境溫度影響是否有顯著差異，在3年的熱場中隨機選取鐵路、公路不同路段的各6組樣本(A～F)，每組10個點，利用SPSS軟件進行方差分析(表1)。鐵路取樣路段為:A，江邊—安發街;B，濱江站—太平橋站;C，哈東路—長江路附近;D，西大直街—電塔街間;E，安通街—哈平路間;F，哈平路—哈雙公路間。公路的取樣路段:A，新陽路;B，一面街—南通大街—東直路;C，南直路;D，和興路—三大動力路;E，哈平路;F，學府路。

表1 單因素方差分析結果Tab．1 The result of one-way ANOVA

從表1中可看出，顯著性概率值 P=0．001，小于0．05和0．01，說明鐵路和公路溫度存在極顯著的差異。

2．2 鐵路溫度及對熱島效應的影響分析

2．2．1 鐵路對周圍區域溫度的影響。分別在不同的溫度區隨機各選取3條鐵路，分別為高溫區A，B，C，常溫區 D，E，F，低溫區 G，H，I，共選取 90 個點并獲取其溫度，分析鐵路與周圍區域平均溫度的對比情況(表2)。鐵路的溫度比周圍地區溫度高，距鐵路線最近的區域溫度最高，隨著距離的增加溫度有降低的趨勢，說明鐵路也會使周圍區域溫度增高。

表2 鐵路平均溫度與周圍區域平均溫度的比較 ℃Tab．2 The comparison of the average tem perature of railway and surrounding area

處于不同溫度區域的鐵路溫度的差異顯著性分析 結果(表3)顯示，其多重比較方差F=124．466，顯著性概率值P=0．000＜0．05，表明高溫區的鐵路與常溫區的鐵路、常溫區與低溫區的鐵路、高溫區的鐵路與低溫區的鐵路溫度均存在顯著差異，說明處于不同溫度區的鐵路溫度存在顯著差異。

表3 方差分析結果Tab．3 The results of ANOVA

2．2．2 鐵路升溫效應緩沖區分析。由于鐵路能使周圍區域溫度升高，為了分析鐵路對周圍環境溫度的影響程度，隨機選取11個鐵路路段為研究對象，每隔60 m建立一個緩沖帶，各5個緩沖帶，均從60 m延伸到300 m(圖3)?；贏rcGIS空間分析功能，統計各緩沖區平均溫度(圖4)。

從圖4可以看出鐵路的高溫效應對周圍區域有明顯的影響，影響效應隨距離增加而減小，影響范圍不超過300 m。0～60 m緩沖區受鐵路影響程度最大，其溫度比鐵路溫度低0．25℃，而比60～120 m緩沖區溫度高約0．59℃;鐵路對60～120 m緩沖區以外的區域溫度的影響效應逐漸減少，60～120 m緩沖區溫度比120～180 m緩沖區溫度高0．36℃，120～180 m緩沖區溫度比180～240 m緩沖區溫度高0．24℃，在240～300 m距離內已無升溫作用。

2．3 公路溫度及對城市熱島的影響分析

2．3．1 公路對周圍區域的降溫效應分析。隨機在全市范圍內選取12條公路，分析公路本身溫度與周圍(0，30］、(30，60］、(60，90］m 區域的溫度分布情況(表 4)。可以看出，公路的溫度要低于周圍區域的溫度，隨著距離的增加，這種降溫效應越來越小。

表4 公路平均溫度與周圍區域平均溫度的比較 ℃Tab．4 The com parison of average tem perature of highway and its surrounding area

為了更具體分析公路在不同溫度區所產生的降溫效應，分別在高溫區、常溫區、低溫區各選擇4個樣本點統計其結果(表5)?？梢?，處于不同溫度區的公路，其本身的溫度低于周圍區域的溫度，即不論周圍環境如何，公路均起到了降溫、阻隔熱島的作用。同時也可以看到，處于不同溫度區域的公路對周圍降溫的速度并不均勻，但在不同溫度區差異規律性不強。

表5 不同溫度區公路的降溫效應分析 ℃Tab．5 The analysis of highway cooling effect in different tem perature zones

為了分析公路對周圍區域溫度的影響范圍及程度，對以上隨機選取的12條公路進行較大范圍的緩沖區分析(圖5，表6)?？梢姡穼嗥?20 m之內周圍環境具有降溫作用，超過120 m基本就沒有降溫效應了。

2．3．2 綠化率不同的公路對城市熱島的影響。根據哈爾濱市主干道路綠化覆蓋率(R:道路綠化覆蓋率 /%)的分類資料［16］，選取3條綠化率好的道路(R≥35)及綠化率較差的道路(R＜15)，對比分析公路及其周圍區域的溫度情況(表7)。

圖5 公路對周圍環境降溫效果統計圖Fig．5 The statistics of highway cooling effect on the surrounding environment

可見，綠化好的公路溫度明顯低于綠化差的公路溫度，在(0，30］m區域，綠化對周圍環境溫度有影響，超過30 m影響差異不明顯。

采用T檢驗，分析不同綠化率公路的溫度差異，其方差檢驗結果為F=17．226，概率值為0．00，為小概率事件;平均數檢驗 t=-5．548，概率值為0．00，為小概率事件?？梢娋G化率不同的公路，其平均溫度及溫度分散情況均存在顯著差異。

2．4 公路降溫效應設計

哈爾濱市市區熱島效應明顯，存在大面積的高溫區及高溫斑塊。由于公路具有降溫作用，可以在一定區域尤其是明顯高溫的區域修建公路來調節局部溫度環境。

表6 公路對周圍區域降溫效應影響分析 ℃Tab．6 The analysis of highway cooling effect on the surrounding area

表7 不同綠化程度的公路溫度與周圍區域溫度的比較 ℃Tab．7 The com parison of the average tem perature of different greening highway and surrounding area

根據哈爾濱市“十一五”城市建設發展規劃，城市路網建設需打通20余條主次干道，建設道路87．2萬m2，改造道路及建設道路面積1 070萬m2。

選取哈爾濱市南崗區及香坊區的一個局部小區為研究案例，此區域為高溫斑塊且路網稀疏?！笆晃濉逼陂g已在此區域建成了長江路、珠江路2條主干道，建成閩江路和贛水路2條次干道，分析新增公路對局部區域溫度效應的影響。

計算建成公路后整個區域的平均溫度，所用公式如下:

要得到建成道路后的區域平均溫度，需估算要建成道路的溫度，其方法為:根據周圍區域的溫度及公路周圍120m內的降溫效應進行估算，按2．3．1的計算結果，每隔30 m劃分4個緩沖帶，降溫幅度值分別為0．09，0．25，0．23，0．06℃，計算出所研究小區周圍區域及主要干道及次要干道的溫度及面積(表8)。

表8 預建不同等級道路及緩沖區面積和溫度情況Tab．8 The situation of the buffer zones and temperature of different grade pre-built highway

將表8中的數據分別代入后，可分別得到主干道、次干道和主次干道建成后的區域溫度情況(表9)。

由表9可看出在所研究小區域內，主干道、次干道和主次干道建成后的區域溫度分別下降了0．06，0．02，0．05℃，且建設主干道即高等級公路對周圍區域的降溫效應更明顯?？梢?，在高溫斑塊的區域建設公路，會使局部區域的平均溫度下降，從而在一定程度上削弱了城市熱島效應。從城市道路建設的角度，修建道路以及道路的拓寬都可降低溫度，改善城市溫度環境。

表9 建成公路前后溫度對比情況 ℃Tab．9 The contrast of the temperature before and after comp letion of highway

3 結論與討論

基于哈爾濱市熱場空間分布情況，運用統計學原理對鐵路和公路的溫度情況及道路對城市熱島效應的影響進行了分析。

(1)哈爾濱市鐵路和公路路網結構復雜，方向多樣，通過統計分析得出鐵路和公路的溫度存在顯著差異，且處于不同溫度區的鐵路溫度也存在明顯的差異。

(2)鐵路和公路對周圍區域溫度的作用效果和影響程度不同。鐵路的溫度比周圍地區溫度高，鐵路會使周圍區域溫度增高，距鐵路線最近的區域溫度最高，隨著距離的增加溫度有降低的趨勢，影響范圍不超過300 m;公路的溫度低于周圍區域的溫度，在一定程度上分割了城市熱島，具有降溫作用，降溫最大值不超過0．4℃，距離大于120 m時降低作用很小或沒有，說明公路系統對城市熱島的阻隔作用有限，這與陳玉榮對北京市二環內道路系統的研究［8］得出的結論一致。

(3)綠化率不同的公路對周圍區域溫度影響不同，綠化好的公路溫度明顯低于綠化差的公路，且在0～30 m范圍對周圍環境溫度有影響，超過30 m影響差異不明顯;綠化率不同的公路，其平均溫度及溫度分散情況均存在顯著差異。

(4)在有高溫區域或有高溫斑塊的區域修建公路會使局部區域的溫度降低，降低程度比較小;同時修建主干道路的溫度降低值大于修建次干道路的溫度降低值。

［1］ 覃志豪，Zhang Minghua，Arnon Karnieli，等．用陸地衛星TM6數據演算地表溫度的單窗算法［J］．地理學報，2001，56(4):456-466．

［2］ 孫颯梅，盧昌義．遙感監測城市熱島強度及其作為生態監測指標的探討［J］．廈門大學學報，2002，41(1):66-70．

［3］ 史同廣，王麗娟，孟飛．濟南市城市熱島遙感反演［J］．山東建筑大學學報，2008，23(6):482-485．

［4］ 王艷姣，張培群，董文杰，等．基于MODIS數據的重慶市地表熱環境效應研究［J］．環境科學研究，2008，21(3):98-301．

［5］ 祝寧，王成，周洪澤，等．哈爾濱市瞬時熱力場空間格局分析［J］．應用生態學報，2003，14(1):1955-1958．

［6］ 黃金海．杭州市熱島效應與植被覆蓋關系的研究［D］．杭州:浙江大學，2006．

［7］ 邱賈，劉強，王勇．基于遙感的青島市熱島與綠地的空間相關性［J］．西南交通大學學報，2008，43(4):427-433．

［8］ 陳玉榮．城市下墊面熱特性與城市熱島關系研究［D］．北京:北京建筑工程學院，2007．

［9］ 李文亮，張麗娟，陳紅，等．哈爾濱市城市擴展與地表熱環境變化關系研究［J］．地域研究與開發，2010，29(2):49-52．

［10］ 杜明義，陳玉榮，孫維先，等．廊道結構對北京市空間熱環境的影響分析［J］．遼寧工程技術大學學報，2007，26(2):194-197．

［11］ 劉翕，劉克旺．株洲城市街區夏日溫度分布與街道特征關系的研究［J］．湖南林業科技，2005，32(2):11-13．

［12］ 徐駿，周堅華，李先華．利用熱紅外遙感研究上海市道路系統對城市熱場的影響［J］．遙感信息，2003(3):31-34．

［13］ 郭紅，龔文峰，李雁，等．哈爾濱市熱島效應與植被的關系——基于RS和GIS的定量研究［J］．自然災害學報，2007，16(2):22-26．

［14］ 孫娜．哈爾濱歷史名城的特色與保護［J］．經濟研究導刊，2009(8):126-127．

［15］ Qin Z，Karnieli A，Berliner P．A Mono-window Algorithm for Retrieving Land Surface Temperature from Landsat TM Data and Its Application to the Israel-Egypt Border Region［J］．International Journal of Remote Sensing，2001，22(18):3917-3746．

［16］ 張錚，李佰林，劉玉丹．哈爾濱市主干道路綠化現狀分析［J］．黑龍江生態工程職業學院學報，2006，19(4):16-18．