城市表面溫度與建筑類型關系探討——以蘇州市和張家港市為例

2012-09-11 07:53:54WangYue伍燕南WuYannan程ChengDan

住宅科技 2012年9期

■ 王躍 Wang Yue 伍燕南 Wu Yannan程丹 Cheng Dan

0 引言

相比農田、林地與水體為主的郊區，城市建成區地面及近地面平均溫度明顯高于郊區，城市與郊區這種溫度差異稱之為熱島效應。城市中熱傳導率低、熱容量小的建筑物與硬化地面在陽光輻射下升溫迅速，再加上城市中主動散發熱量的建筑物如電廠、超市，餐館等以及眾多燃油機動車，是造成城市熱島的主要原因。隨著城市化的迅速推進，不斷增強的城市熱島效應已成為當今中國城市，特別是大、中型城市環境退化，包括霧霾天氣增多的重要原因。

1 研究目的

為了促使城市向健康、宜居與低碳方向發展，必須進行城市熱島效應成因及特點研究，在此基礎上制定改善城市熱環境的措施。若任憑熱島效應不斷增強，城市發展就可能迅速走向下坡路、走向不宜居。城市地表和近地面溫度是城市重要生態與環境指標，科學、理性的城市規劃必須包括對城市地表溫度的有效控制。探討城市產生熱島現象的原因及空間分布特點，是制定抑制熱島效應對策的基礎研究。

眾所周知，人工建筑及硬化地面是引起城市熱島效應的基本原因，但不同建筑類型對城市熱島效應的貢獻不同。確定表面溫度較高的城市建筑類型，提出改善對策；確定表面溫度較低的城市建筑物，分析其溫度不高的原因，在此基礎上才有可能制定出科學的城市熱環境治理措施。本研究以蘇州、張家港兩城市為研究區，從城市表面溫度與建筑物類型關系入手，分析不同建筑物類型在城市增溫中的作用，為這兩城市熱環境及相關環境問題治理提供決策依據。

蘇州市是一個由古老城市核心與現代快速發展的周邊城區組合的大型城市，主建成區面積618km2，優越的城市生態環境基礎，城中密集河道以及小橋、庭院的建筑風格使蘇州具有園林城市和東方威尼斯的美稱。張家港是一個近年來成長迅速的中型城市，主建成區面積74km2，該城從建城伊始就注重城市生態環境。但如今這兩城市均面臨城區溫度上升及相關生態環境問題[1,2]。

通過探討兩城市表面溫度與不同建筑物類型之間關系，提出抑制城市熱島效應的對策建議，這不僅有助于這兩城市及中國其它城市的環境質量改善，對全球氣溫上升的緩解也有一定意義。全球氣溫上升與全球城市化同步，城市是氣溫上升顯著區域，是全球氣溫上升主要熱源，若眾多城市的溫度上升得到遏制，全球增溫趨勢便會得到釜底抽薪式的改善。城市是人類耗能和碳排放主要區域，城市中溫度較高的建筑又是城市耗能和溫室氣體排放大戶[3]，所以，本研究也將有助于中國節能減排與低碳城市建設的有效推進。

2 研究方法與過程

參考尹球等人對上海、北京等城市熱環境遙感研究方法[4-6]，本研究通過獲取城市表面溫度信息，繪制城市表面溫度圖，將表面溫度劃分為高、中、低不同級別。再與城市建筑物進行對比，以此將城市建筑物分類，確定不同類型建筑物與不同地面溫度等級的對應關系。

2.1 城市地面溫度信息獲取

獲取城市地面溫度信息通常通過地面溫度多點實測，根據定點量測結果插值計算獲得溫度等值線圖。此種方法所獲溫度信息直接可靠，但如果觀測點較少，插值結果會出現很大誤差，而城市地面情況復雜，太少觀測數據反演獲得的地面溫度場過于粗糙，太多的觀測又會使采樣工作量大增，觀測實施困難。因此地面溫度實測法不適合大、中型城市地面溫度調查。如今獲取城市地表溫度信息一般采用遙感手段，在衛星或飛機上放置可獲取地面熱紅外輻射的傳感器，飛行器在飛行過程中掃描采集地表溫度信息，然后通過遙感圖像處理軟件，將遙感信息轉換為地表溫度信息并制作溫度圖。

本研究利用美國陸地衛星(Landsat5)傳感器所獲紅外波段（band6）數據為基礎，通過遙感圖像處理軟件Idrisi提取地面亮溫輻射信息，影像成像日期為2010年5月24日。用影像灰度值反演亮溫值的算法由Landsat官方網站提供[7]，所謂亮溫是指當物體輻射的功率等于某一黑體輻射功率時，該黑體的絕對溫度。用亮溫可以推算地面的理論溫度和實際溫度，但由于計算牽涉系數較多，特別是地物的比輻射率確定困難，所以一般不用求算地面實際溫度，直接用亮溫反映地面熱力場特征，反映城市地表的相對溫度變化。研究區地形為平原且天氣晴朗無風的情況下，大氣層對亮溫干擾呈系統誤差，適合地面溫度的遙感反演研究，所獲影像亮溫場與地面溫度場有較高的正相關[8]。蘇州與張家港位于長江下游平原，地形條件和成像時的天氣條件十分適宜進行亮溫反演。用Idrisi軟件處理所獲蘇州市亮溫影像，在GIS軟件ArcGIS中與蘇州市行政邊界疊加裁剪后結果見圖1。

圖1 蘇州市亮溫圖

圖2 亮溫分級圖

為了更加直觀地表現地表溫度差異，用分級的方法將亮溫圖歸并為5個等級，獲得地表亮溫分級圖。亮溫等級的劃分是先在高分辨率的Google Earth影像上找出地表典型地物樣區，這些樣區如湖泊、植被、建筑物等，然后在圖1上獲得對應部位的亮溫取值，以此確定亮溫的5個等級（圖2），各等級的地物特征見表1。

表1 亮溫分級指標

2.2 研究區地表溫度差異

由圖2看出，蘇州市地表溫度可分為以湖泊、河流為主的低溫區，以農田、林地為主的較低溫區和以建成區為主的中、高溫區。建成區與郊區間存在明顯的地表溫度差異，若沒有城市，地表亮溫值變化區間為15K(282～297K)，有了城市，地表亮溫值變化區間達31K(282～313K)。人工建筑對地表物理性質的改變是造成城市熱島效應的根本原因。

2.3 建成區內部溫度差異

圖3 蘇州市主建成區范圍圖

圖4 蘇州市高溫區分布圖（亮溫＞305k）

圖5 各高溫地塊面積統計柱狀圖

將圖2低溫和較低溫看做是郊區，其它3個溫度較高區劃為建成區，并由GIS軟件通過地圖概括法可獲得建成區范圍[9]（圖3）。依據圖2和圖3，利用GIS可求出建成區內平均亮溫值為299K，郊區平均亮溫值是294K，建成區高于郊區5K，這便是城市熱島存在的證據。建成區內部可進一步劃分出由植被與建筑物混雜的中溫區，由密集建筑物、硬化地面形成的較高溫區以及由廠房等大型建筑與場地形成的高溫區，并可求出蘇州建成區范圍各溫度區的面積比例（表2）。蘇州建成區內占地面積最大的是植被與建筑物混雜的中溫區，這種類型和水體、植被為主的低溫與較低溫區占建成區面積的56%，由此可知蘇州市的生態環境總體還是比較好的，水體、植被以及有植被遮掩的建筑物占建成區面積50%以上。

蘇州建成區內占地面積最大的是植被與建筑物混雜的中溫區，這種類型和水體、植被為主的低溫與較低溫區占建成區面積的56%，由此可知蘇州市的生態環境總體還是比較好的，水體、植被以及有植被遮掩的建筑物占建成區面積50%以上。

表2 蘇州主建成區內部各級地表溫度面積百分比T

占建成區面積44%的高溫和較高溫區是形成蘇州城市熱島的主要原因，若能將它們的面積減少，并向其它3類區域轉化，蘇州城市熱島效應就能得到明顯抑制，城市熱環境質量就能得到有效改善。

3 城市表面溫度與建筑物類型關系

由于地面較高溫度區和高溫區對城市熱島效應作用最大，所以探討這兩類區域的地物特征就成為本研究的重點。

3.1 高溫區地物特征

高溫區是地表亮溫高于305K的區域，通過GIS可以很容易將這些區域提取出來（圖4），圖5是這些區域的面積柱狀圖，它們分布零星，總體所占建成區面積比例很小。由亮溫圖像上看不出它們的地物特征，通過與Google Earth影像疊置（圖6），地物類型就可確定。表3是蘇州市各行政區內的高溫地塊數、面積及主要地物，其中面積最大的一塊地物（圖5）是位于吳中區的蘇州市垃圾填埋場，其它主要建筑物有工廠、大型辦公樓、大型超市及火車站。這些地物出現高溫的原因是：垃圾填埋場自然發熱；工廠生產過程熱能耗散；大型辦公樓與超市、火車站等建筑物能耗散發。用同樣方法對張家港市的高溫地物進行分析，結果見表4，主要地物均是規模大的工廠廠房。

圖6 灰白色為高溫區，背景為Google Earth影像

3.2 較高溫區地物特征

用上述方法提取蘇州市較高溫區（299～305K）分布圖（圖7），此類面積較大，占建成區面積43.6%。與Google Earth影像比較和實地調查可知，這些地物主要為密集的中小型建筑組成的建筑群，其間被河流、湖泊和帶狀綠地所分割。此類以蘇州護城河內的古城區連續性最好，建筑物最為密集且主要為住宅建筑。由此可知缺少綠地、近地面空氣流通性不好的蘇州市建筑物密集區是形成較高溫度區的主要原因，從面積考慮，它們是造成蘇州市熱島效應的主要推手。在張家港市，此類建筑占建成區面積47.3%。

3.3 其它亮溫等級地物特征

蘇州市亮溫中溫區占地面積45.3%，由圖8可見它們的分布較分散，是建筑物與綠地、水體混雜的區域。如古城區中的拙政園等園林，沿護城河兩側的帶狀綠地、工業園區金雞湖旁的高爾夫球場以及市內眾多道路沿線的綠化帶等，一些綠化較好的住宅區也在此類。它們在熱紅外影像上以綠地、水體和建筑物、硬化地面混合像元的形式被記錄，所以亮溫值處于中等水平。

表3 蘇州各區亮溫高于305k的主要地物

表4 張家港市高溫區主要地物特征

較低溫和低溫區都是較大面積的單純綠地（農田、林地）和水體，占地面積10.74%，是蘇州市最重要的生態保障區（圖9）。

4 城市地面溫度調控建議

由上述分析可知，若不考慮機動車因素，蘇州市地表溫度升高，主要是工廠、垃圾場、大型建筑物以及密集住宅建筑物群起的作用，張家港市由于城市規模相對較小，大型建筑物較少，工廠的熱源作用非常突出。從蘇州和張家港的亮溫等級圖可知，并不是城區內所有工廠和超市等大型建筑物都是高亮溫，不少工廠或超市的亮溫等級處于較高溫或者中溫，由此判斷主動散熱是形成工廠、超市高溫的主要原因。耗能少或者碳排放低的工廠、倉庫與超市處于較高溫和中溫等級，建筑物吸收太陽輻射是它們升溫的主要原因。

要抑制城市熱島效應對城市生態環境的不良影響，優化城市氣候，改善城市生態條件和宜居條件，首先應從高溫建筑物著手，其次應該關注較高溫的建筑物。GIS模擬顯示，若將蘇州市建成區內所有高溫區和較高溫區調控至中溫區，建成區平均亮溫值將會由目前的299K降至297.6K，下降1K多，而高溫和較高溫區將會有更大幅度下降，城市整體環境就會得到明顯改善。