道路建設對成都市熱島效應的影響

曾勝蘭

成都信息工程學院高原大氣與環境四川省重點實驗室，四川 成都 610225

道路建設對成都市熱島效應的影響

曾勝蘭

成都信息工程學院高原大氣與環境四川省重點實驗室，四川 成都 610225

熱島效應是城市氣候最顯著的特征之一。土地利用方式及土地覆蓋的改變，如城市化和道路建設是導致熱島現象的重要原因之一。然而目前針對道路屬性（道路密度及類型）對城市熱島效應的影響研究還較缺乏。本研究運用2012年成都市不同時次（冬夏季）的遙感數據及城市道路交通專題圖，運用3S技術探討道路密度對城市熱島效應的影響以及不同類型道路對城市熱島效應的熱貢獻。研究表明：（1）成都市熱島效應明顯，市區地表平均溫度顯著高于郊區且熱島強度呈現夏強（3～4 ℃）冬弱（2.5～3 ℃）、夜強晝弱的特征。日間城市熱島效應呈現多熱中心的分布模式，但冬夏季熱島中心位置不同。夏季日間熱中心位于城市的西南部和中東北部，最高可達32.66 ℃，而冬季日間城市的西南部地表溫度較高且熱中心主要分布于城市邊界地區，地表溫度超過16 ℃。無論冬夏，夜間城市熱島效應均呈現環狀分布特征，即從城市邊緣到中心，地表溫度逐漸升高，夏季城鄉地表溫差高達4.37 ℃而冬季達到2.82 ℃。（2）成都市區道路呈現“圈層型+輻射型”分布模式，道路密度與道路的分布有關，城市南部及西南部的道路密度高于北部區域。（3）無論冬夏，道路密度與地表溫度正相關，但兩者相關性呈現晝弱夜強的特征，其中夜間相關系數達到0.5左右。對熱效應貢獻度指數、熱單元權重指數、區域熱單元權重指數3個指標的分析都表明無論冬夏、無論晝夜，市區分布面積最廣的三級道路對城市熱島效應的熱貢獻最大，其熱效應貢獻度指數均在95%以上，其次是二級道路，各項熱效應貢獻度指數為45%～80%。本研究結果將有助于未來城市建設和道路規劃，并為緩解城市熱島效應提供理論支持。

城市熱島效應；道路密度；熱貢獻；Modis；熱島強度

城市化進程的加快在一定程度上加劇了區域性氣候變化（壽亦萱和張大林, 2012; 季崇平等, 2006）。從大量觀測事實來看，城市氣候特征可歸納為“五島”效應，其中熱島效應是城市中心溫度比郊區高的一種自然現象，它反映了城市化對區域氣候的影響（Manley, 1958; 孫天縱和周堅華, 1995）。城市熱島不僅引起城市的高溫，增加城市的能源消耗，更加劇了城市中的大氣污染，造成颶風、暴雨、暖冬等災害性天氣，城市熱島問題因而逐漸受到研究者們的關注（壽亦萱和張大林, 2012）。相關研究主要聚焦于兩個方面，一是對各城市熱島效應現狀的分析，而近年來的研究表明，各地城市熱島效應無論從強度還是范圍來看都有增強的趨勢（American, 1996; 白楊等, 2013; 但尚銘等, 2009; 申紹杰, 2003; 張保安和錢安望, 2007;張春桂等, 2011; 張建明等, 2012）；二是對熱島形成機制及影響因子的研究，相關研究結合遙感和地理信息技術探討城市各種土地利用類型對城市熱島效應的影響（何報寅, 2010; 饒勝, 2010），其結果能夠為緩解“城市熱島”以及未來城市規劃提供重要理論依據（彭少麟等, 2005）。

在針對土地利用改變對熱島效應的影響研究中，城市公園（綠地）、工業用地、建筑用地、住宅用地等土地利用類型因具有斑塊面積大、易于識別和易量化的優勢，因而在研究中獲得更多的關注（郭紅等, 2007; 趙紅霞和湯庚國, 2007; 周紅妹等, 2008）。近年來，在城市化和工業化的推動下，中國城市交通道路網蓬勃發展，道路亦成為城市重要的土地利用類型之一（Forman and Alexander, 1998；Forman等, 2002; Zeng等, 2011），然而目前針對道路對熱島效應的影響研究相對較缺乏，研究主要集中于驗證道路對城市熱島效應的貢獻率，但結果卻不盡相同。部分研究認為城市道路由大量的工程材料（如瀝青混凝土、水泥混凝土）構成，其具有較高的吸熱率和較小的熱容量，因而它能夠吸收大量太陽輻射并迅速升溫，同時由于路面的非滲透性，導致水分蒸發對路面的降溫作用大幅度降低，這使得路面溫度顯著高于周圍裸土，所以通常道路被認為是城市熱島效應的正貢獻群體（Bennett, 1989; Lo等, 1997; 陳玉榮, 2008; 劉睿, 2003），而有的研究認為合理布局道路不會導致城市熱島問題（王正心等, 1997）。同時研究者還指出道路對周圍環境及氣候的影響可能因道路屬性的不同而具有差異，如道路密度（布局）、道路類型（寬度、地面材料等）等，但相關研究較為缺乏（Forman and Alexander, 1998; Zeng等, 2012）。

本研究以城市化及其道路建設高速發展的西部城市成都為例，運用2012年不同時次的遙感數據及城市道路交通專題圖，運用遙感和地理信息技術探討城市道路建設對熱島效應的影響。本研究圍繞2個方面展開討論：（1）成都市熱島效應及道路交通現狀分析；（2）道路密度對城市熱島的影響以及不同類型道路（道路等級）對城市熱環境的貢獻。本研究結果將有助于未來城市建設和道路規劃，并為緩解城市熱島效應提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

成都（102°54′E～104°53′E和30°05′N～31°26′N）是四川省省會，位于中國內陸四川盆地西部，龍門山東麓，龍泉山西麓，東西最大橫距192 km，南北最大縱距166 km，幅員面積12390 km2，耕地面積4320 km2，總人口1417.8萬。全市呈現9區4市（縣級市）6縣的格局。成都中心城區包括錦江區、武侯區、成華區、青羊區、金牛區5個區。

成都地區具有“春早、夏熱、秋涼、冬濕冷”的氣候特點，年均氣溫16 ℃，年降雨量1000 mm。成都地區氣候的另一個顯著特點是多云霧、日照短、空氣潮濕，因此，雖然夏季氣溫不太高（最高氣溫一般不會超過35 ℃），但卻顯悶熱；冬季最低氣溫一般大于-3 ℃（極端最低溫-6 ℃），陰天較多，空氣相對潮濕。成都雨季集中在7月和8月，冬春兩季干旱少雨，霜雪較少。全市極端最高氣溫為35.5～-37.7 ℃，普遍出現在7月；全市極端最低氣溫為-5.1～-3.6 ℃，大部分區市縣出現在12月，少部分出現在1月。

1.2 數據來源

對于城市熱島效應的現狀分析，本研究選用MODIS數據產品MOD11作為研究數據。MODIS（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer，即中分辨率成像光譜儀）是搭載于Terra和Aqua兩顆衛星上的傳感器，其相互配合每1～2 d可獲得整個地球表面共計36個波段的觀測數據，因此具有較高的時間分辨率。MOD11產品是美國NASA通過晝夜陸地溫度產品算法，在充分利用MODIS數據多波段的基礎上反演而成的2、3級數據產品。該產品屬于陸地標準數據產品，空間分辨率較高（1 km），8天合成數據能夠表征地表溫度和輻射率，從數據上看，該產品的精度好于通過分裂窗算法反演得到的地表溫度（王麗美等，2011）。此外，MOD11數據產品在制作的時候已對影像進行過云檢測剔除的工作，因而在研究時可以直接使用影像數據而無需再做云檢測。本文選用2012年冬夏季共計2景MOD11A2數據對研究地熱島效應的時空分布進行分析。對于成都市道路交通分布的現狀分析，本研究選用中國基礎地理信息矢量圖中主要公路（shp格式）和省級行政區劃（shp格式）作為基礎數據，運用Arcgis9.2軟件建立成都市道路交通專題圖以供后續分析。

1.3 遙感數據處理

首先運用MODIS重投影工具（MODIS Reprojection Tool，簡稱MRT）對所選用的MOD11A2數據進行拼接、重投影等預處理，重采樣方式選擇雙線性（Bilinear），投影方式選擇Lambert。本研究將考慮城市晝夜熱島效應的差異，因而在數據處理過程中選用LST_Day_1 km、LST_Night_1 km（即日間和夜間地表溫度數據）兩個波段進行數據處理。其次，運用Arcgis 9.2軟件對經過MRT處理后的影像按照成都市行政區劃作為邊界對影像進行裁切，此時獲得的圖像即為成都市地表溫度影像，地表溫度由像元的亮度值表示。運用亮度值與地表溫度間的定量關系，按照下列公式將像元的亮度值轉化為地表溫度值，單位為攝氏度（℃）。

地表溫度=像元亮度值×0.01-273.15 （1）

1.4 研究方法

本研究運用地表溫度和熱島強度2個指標對成都市熱島效應的時空分布進行討論。研究區域主要涉及成都市中心城區（五區）。地表溫度即根據公式（1）轉化而成的地面溫度，溫度的高低可由轉化后的圖像像元亮度值直觀表現。熱島強度是度量熱島狀況的重要指標，即城市平均溫度與郊區平均溫度之間的差距。本研究利用全國縣界資料將成都市分為市區、郊區兩部分，利用ArcMap中的分類統計功能分別計算市區、郊區平均地表溫度，市郊平均地表溫度的差值即為該時次的熱島強度。

道路的密度（m·km-2）是衡量景觀中道路影響常用到的指標之一（Forman and Alexander, 1998）。本研究運用Arcgis9.2中空間分析技術中反距離加權法（inverse distance weighted插值法）建立成都市交通道路密度圖。

為探討道路密度與城市熱島效應的關系，本研究運用相關分析法。為討論不同等級道路對區域環境的熱貢獻，本研究首先將成都市區道路按照使用任務、功能和流量劃分為3個等級，即一級道路，二級道路，三級及其以上等級的道路。按照中國對道路的劃分，一級道路為汽車分向、分車道行駛，并部分控制出入、部分立體交叉的公路，主要連接重要政治、經濟中心，通往重點工礦區，是國家的干線公路，平均晝夜交通量為150000～30000輛。二級道路是連接政治、經濟中心或大工礦區等地的干線公路，或運輸繁忙的城郊公路，一般能適應各種車輛行駛，二級公路平均晝夜交通量為3000～7500輛。三級道路是溝通縣及縣以上城鎮的一般干線公路，通常能適應各種車輛行駛，平均晝夜交通量為1000～4000輛，此等級道路還包括溝通縣、鄉、村等的支線道路。其次，運用熱貢獻指數、熱單元權重指數以及區域熱單元權重指數3個指標衡量不同等級的道路對城市熱島的貢獻。所謂熱效應貢獻度（Hi）指不同溫度的道路對區域平均溫度的影響程度，即對區域熱環境的貢獻，計算公式如下：（2）式中，Tij為道路等級i中高于區域平均溫度的第j個像元的溫度，Ta0表示成像時區域的平均溫度（本研究指某年份的地表平均溫度），n0為道路等級i中溫度高于區域平均溫度的像元數量，N表示區域道路面積（用像元數表示），Hi′為初始熱效應貢獻度，為了便于比較，研究進行了標準化計算，從而得到不同等級道路的熱效應貢獻度指數。熱單元權重指數D1表示高于平均溫度的道路等級其面積在本道路等級中所占的比重，區域熱單元權重指數D2表示高于平均溫度的道路等級占區域道路總面積的比重（劉宇等，2006），計算方法如下：

式中，n0表示道路等級i的面積。

2 結果與討論

2.1 成都市熱島效應及道路建設現狀分析（2012年）

如圖1所示，成都市晝夜地表溫度具有不同的空間分布特征。日間城市地表溫度呈現多熱中心的分布模式，但熱中心的位置具有季節性差異。夏季日間，城市地表溫度最高可達32.66 ℃，最低溫度29.46 ℃。熱中心分別處于城市的西南部和中東北部。與城市相比，城市邊界（城鄉結合部）的地表溫度相對較低（黑色），大約29 ℃。冬季日間，城市的西南部和西部都呈現較高地表溫度，而熱中心分布于城市邊界地區，地表溫度大于16 ℃。無論冬夏季，夜間城市地表溫度都呈現環狀分布模式，即從城市邊緣到城市中心，地表溫度逐漸升高。夏季夜間，城市邊界最低溫度21.02 ℃，城市中心最高可達25.74 ℃。冬季夜間，城市中心地表溫度達到8.12 ℃。

圖1 成都市夏季、冬季城市晝夜地表溫度空間分布圖Fig. 1 The comparison of day and night surface temperature of Chengdu between two seasons

據調查，地表溫度的時空分布與成都市城市規劃息息相關。日間城市熱島呈現多熱中心的分布模式與城市高產熱的工業分布有關。隨著市場經濟體制改革，城內原有工業企業向郊區遷移，使工業呈現出多點分布，快速發展的格局。成都先后在郊區建立了成都高新技術產業開發區、龍泉的成都經濟技術開發區2個開發區（曾艷林，2010）。此后，城都對116個產業園區進行整合形成了21個工業集中發展區，日間郊區的工業區耗能高，這種現象在冬季表現特別明顯。而到了夜間，部分工業停止運行。熱中心逐漸從工業熱中心轉移到中心城區。近年來隨著成都城市化進程與經濟發展水平的逐年提升，城市實體空間地域不斷向外圈層蔓延，城市空間結構逐漸形成單中心圈層式結構，這種空間結構一方面使成都市的人口和各種經濟要素不斷向城市中心區域集中，另外一方面隨著舊城及其道路交通的改造與更新，春熙路、紅星路、東大街等要重要道路使市中心區對高價值和人口具有更大的吸聚力，帶動了中心商務區逐漸形成，目前中心城區形成了中央商務區、人南科技商務區、金融城等現代服務業聚集區（曾艷林，2010）。因此，夜間，城市呈現以城市中心為熱點中心的圈層式分布特征。

表1表明無論晝夜，成都中心城區平均溫度都高于郊區，夏季差值在3～4 ℃之間，最高可達4.37 ℃，冬季差值在2.5～3 ℃之間，最高可達2.82 ℃。隨著城市的發展，成都市對城區內部進行了大規模的改造，建筑密度增大，下墊面的性質發生改變。城市建筑群、柏油路和水泥路面與郊區的土壤、植被相比，具有更大的吸熱率和更小的比熱容，因而使得城市地區升溫較快，并向四周和大氣中大量輻射，造成同一時間城區氣溫普遍高于周圍的郊區。此外城市熱島強度呈現夏強冬弱的格局。城市人造地面吸收的太陽輻射和能源利用不充分所排放的廢熱是導致熱島效應的2大因素（彭少麟等, 2005）。一年中，太陽輻射呈現夏強冬弱的特征，城市人造地面（街道、屋頂等）吸收的熱量亦隨太陽輻射強度的季節變化而變化，呈現夏強冬弱的特征（文曉航等, 2008）。另一方面，夏季成都濕熱，天氣悶熱，持續高溫，相反近年來冬季溫暖，夏季居民生活工作制冷耗能遠多于冬季采暖的能耗，因此，夏季廢熱排放亦多于冬季。綜合兩方面因素造成成都熱島效應呈現夏強冬弱的格局。此外，夜間熱島強度強于日間，這是由于城市的建筑群和柏油路面熱容量大，反射率小，因而與郊區相比，能夠有效的儲存更多的太陽輻射熱，據估算，城市日間吸收儲存的太陽能比郊區多80%（Forman and Alexander, 1998）。到了夜間，人造路面將儲存的熱量緩慢釋放，起到了保溫的作用，使得城市降溫緩慢，相反郊區降溫快，因此，城郊溫差大是造成城區內熱島強度偏大的主要原因。

表1 2012年成都市冬夏城市晝夜熱島強度Table 1 The comparison of day and night heat island intensity in Chengdu between two seasons (summer and winter) in 2012

成都市區一共包含有6個等級的道路，呈現“圈層型+輻射型”分布模式。一級道路主要指成都的繞城高速，全長85 km，雙向六車道，是成都圈層型公路網的重要組成部分，也被稱為成都的“外環”，它與成都各條高速、主要干道相互連通，按照成都市的規劃，成都繞城高速已被標識為成都市的四環路。二級道路主要指成都的三環路及與其相連的高速道路。成都三環路2002年10月正式通車，全長51 km，是成都市城區重要快速通道。全線共有互通式立交橋5座，部分互通式立交橋8座，跨線橋9座，并與成南高速、成灌高速、成雅高速、成樂高速連為一體。三級道路主要指成都的一環和二環路及成都市的主要交通干道。成都市的一環路全長19.38 km。1986年完成改擴建工程，為雙向四車道（中間無隔離帶），主輔分離。現為雙向六車道，有中央綠化隔離帶。成都市的二環路全長28.33 km，雙向四車道。4-6級道路廣泛分布于整個城市并與一級、二級、三級道路相互貫通，形成一張密集的交通網。三級以上等級的道路主要指貫穿于整個城市的各種類型的道路，包括街道及小巷等。圖2顯示，道路密度與道路的分布息息相關，道路分布密集的區域，道路密度高，成都市內道路密度較高的區域主要分布于城市中心多條道路的匯集點。此外，城市西南部和南部的道路密度較高，而城市北部道路密度較低，這與城市發展的方向有關。

2.2 道路密度對城市熱島效應的影響以及不同類型道路對城市熱環境的貢獻

圖2 成都市道路分布及密度圖Fig. 2 The spatial distribution of road in Chengdu and its density distribution

相關分析表明，道路密度與城市熱島顯著的正相關，但兩者的相關性存在晝夜差異。夏季夜間（r=0.53，t=178.49，n=450，P＜0.0001）地表溫度與道路密度的相關性高于日間（r=0.13，t=7.88，n=450，P=0.005）。對于冬季晝夜的分析亦得到了類似的結論，日間（r=0.10，t=4.37，n=450，P=0.037）地表溫度與道路密度的相關性低于夜間（r=0.47，t=124.02，n=450，P＜0.0001）。城市地表性質的改變和人工熱源都是引起熱島問題的主要原因（壽亦萱, 張大林，2012）。日間，人工熱源的作用占主導，工業排放的廢熱使得區域溫度增加，因而日間城市多熱中心的分布模式與人工熱源的源地分布有關，而夜間，工業區的廢熱大量減少，此時地表性質的改變成為誘發熱島的重要因素。夜間，道路將日間貯存的熱量緩慢釋放，從而延緩了城市中心地表溫度的降低。道路分布密集的區域，如市中心，釋放的熱量更多，從而使得城市中心成為熱島中心。從城市中心到郊區，道路密度降低，地表溫度隨之降低。

由表2可知，無論是夏季還是冬季，無論晝夜，三級及其以上等級的道路對區域熱環境的貢獻最大，其熱效應貢獻度指數均在95%以上，其次是二級道路。從熱單元權重指數來看，三級道路以及二級道路的權重指數相當，在大部分情況下，二級道路的熱單元權重指數略高。三級道路的區域熱單元權重指數最高，其次是二級道路，最后是一級道路。由表2可知，日間和夜間，不同等級道路對區域熱效應的貢獻大小的高低排序不變，但數值上略有降低。

表2 2012年成都市區冬夏城市晝夜不同等級道路的熱貢獻Table 2 The thermal contribution of different type of roads in day and night in two seasons (winter and summer)

3 結論

（1）成都市不同季節城市晝夜地表溫度的空間分布特征不同。日間地表溫度呈現多中心的分布，且冬夏季熱中心位置不同，夜間兩個季節地表溫度都呈現環狀分布，從城市邊緣到城市中心，地表溫度逐漸升高。成都市區熱島效應明顯，城市平均溫度高于郊區，且熱島強度呈現夏強冬弱，夜強晝弱的特征。成都市區道路呈現“圈層型+輻射型”分布模式，道路密度與道路的分布息息相關，道路分布密集的區域，道路密度高。

（2）無論冬夏，道路密度與地表溫度正相關，但夜間兩者相關性高于日間。熱效應貢獻度指數、熱單元權重指數、區域熱單元權重指數3個指標的分析都顯示無論冬夏與晝夜，三級道路對城市熱島效應的熱貢獻最大，其次是二級道路。

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The Effect of Road Construction on Urban Heat Island Effect in Chengdu

ZENG Shenglan

Plateau Atmosphere and Environment Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu Univesity of Information Technology, Chengdu 610225, China

The heat island effect is often one of the most evident characteristics of urban climates. Land use/cover changes such as urbanization and road building, are some of the most important factors that induce heat islands. Road properties, including road density and road type, may determine the magnitude of urban heat islands, but such effects have not previously been explored. In this study, we evaluated the effect of road density and the contribution of different road types on urban heat islands using multi-time (winter and summer) Modis data and city transportation maps with 3S technology. The results showed that: (1) The urban heat island effect in Chengdu was very apparent and of high intensity in summer (3～4 ℃) but weak in winter (2.5～3 ℃). During daytime, there was a polycentric pattern of heat island, and the central of heat island varied between summer and winter. In summer, the areas with the highest land surface temperature (32.66 ℃) was in the southwest and the central northeast part of the city. In winter, the land surface temperature in the southwest section of the city and at the city boundary was higher, oftern over 16 ℃. At night, there was a ring distribution pattern of the urban heat island both in summer and winter, and the land surface temperature decreased from the central of the city to the suburbs. The difference of the land surface temperature between the city and suburbs was 4.37 ℃ in summer and 2.82 ℃ in winter；（2）The road system in Chengdu showed a “ring and radiative” distribution pattern, and road density was closely related to the road distribution. The road density in the south and southwest part of the city was higher than that in the northern part；（3）Both in winter and summer, the land surface temperature was significantly correlated with road density, and the coefficient correlation was higher at night (r=0.5) than that in daytime. Thermal contribution index, thermal unit weight index and thermal unit weight index indicated that the third-class roads contributed the most to the urban heat island effect (＞95%), much greater than secondary road (45%～80%). These results are expected to provide critical information for decision makers and land managers for management of urbanization and road building, which may mitigate the urban heat island effect.

urban heat island effect; road density; thermal contrubution; Modis; heat island intensity

X16

A

1674-5906（2014）10-1622-06

曾勝蘭. 道路建設對成都市熱島效應的影響[J]. 生態環境學報, 2014, 23(10): 1622-1627.

ZENG Shenglan. The effect of road construction on urban heat island effect in Chengdu [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(10): 1622-1627.

四川省教育廳科研項目（13ZB0075）；高原大氣與環境四川省重點實驗室開放課題（PAEKL-2013-Y1）

曾勝蘭（1983年生），女，講師，博士，主要從事城市氣象研究。E-mail：denlan1228@163.com

2014-08-29