寧波城市熱島隨城市化演變的多指標綜合分析

趙顏創，趙小鋒*，曠達

1. 中國科學院城市環境與健康重點實驗室，中國科學院城市環境研究所，福建 廈門 361021；2. 中國科學院寧波城市環境觀測研究站，浙江 寧波 315800

寧波城市熱島隨城市化演變的多指標綜合分析

趙顏創1,2，趙小鋒1,2*，曠達1,2

1. 中國科學院城市環境與健康重點實驗室，中國科學院城市環境研究所，福建 廈門 361021；2. 中國科學院寧波城市環境觀測研究站，浙江 寧波 315800

以寧波市為研究對象，利用1984─2010年間冬、夏各5景Landsat TM/ETM+遙感影像數據進行地表溫度反演，在此基礎上使用熱島強度、熱島面積、景觀格局指數綜合分析了寧波城市化進程中城市熱島在冬、夏兩季的演變趨勢，得出如下結果,（1）強度方面，冬季平均熱島強度為1.57 ℃，夏季為8.67 ℃，夏季明顯強于冬季；熱島強度在夏季呈增強趨勢，在冬季呈變弱趨勢。（2）熱島面積方面，在冬季，平均89%的建成區受熱島效應的影響，而在夏季，該比例為98%。無論冬夏，熱島面積均隨城市化的發展持續增加。（3）數量方面，熱島景觀在冬季以低等級熱島斑塊為主，占熱島面積的96%左右，夏季以中、高等級熱島斑塊為主，比例約為熱島面積的92%。無論冬夏高等級熱島斑塊個數均隨著城市化進程顯著增加。（4）形態方面，無論冬夏主要熱島景觀類型乃至整個熱島的斑塊形狀均變得更加復雜。（5）結構方面，熱島景觀在冬季總體上逐漸破碎化，各類景觀趨向均勻，多樣性增加。在夏季則逐漸聚集，逐步向以高等級斑塊為主導的格局方向發展，多樣性降低。（6）空間分布方面，隨著城市化進展，冬夏兩季熱島景觀斑塊都經歷了數量增加、等級升高的變化。冬季在北侖的寧波經濟技術開發區形成了兩個熱點區，夏季在三江口周邊、甬江口兩岸以及經濟技術開發區形成了三大高溫片區。利用多指標綜合分析可以更加全面的反映城市熱島的演變規律，為減緩城市熱島效應提供理論依據。

城市熱島；多指標分析；城市化；時空變化；寧波

城市熱島效應是指城區溫度明顯高于外圍郊區的現象，其產生及變化與城市化過程中城市地表覆被改變以及人類社會經濟活動密切相關，是城市生態環境狀況的綜合體現（黃聚聰等，2012）。研究城市熱島效應的時空演變機制，并提出有效的控制和緩解措施對改善城市微氣候、城市人居環境、促進城市可持續發展有重要意義。城市熱島分為大氣城市熱島和地表城市熱島。隨著遙感技術的快速發展和廣泛應用，其宏觀、綜合、快速、動態、準確的優勢為地表城市熱島提供了先進的探測與研究手段，眾多學者對于地表城市熱島的相關問題展開了大量研究。但在分析城市熱島的特征時，通常采用熱島面積、熱島強度等單一指數（孫颯梅和盧昌義，2002；王建凱等，2007；韓貴鋒等，2012；姚玉龍等，2013），無法深入了解城市熱島的特征。陳云浩等借鑒景觀生態學的原理和方法，提出熱力景觀觀點用以研究城市熱島空間格局（陳云浩等，2002a；陳云浩等，2002b）。隨后，許多學者在此基礎上展開了大量深入的研究（胡姝婧等，2009；江學頂和夏北成，2007；貢璐和呂光輝，2009；孟丹等，2010；Zhao等，2010；黃聚聰等，2011；黃聚聰等，2012；白楊，2013；李海峰，2013）。雖然景觀格局指數多樣（陳利頂等，2008），能夠從斑塊、類型和景觀三個層次對熱島格局進行更為全面的表征，可以更深入的研究城市熱島效應及其演變特征。但景觀格局指數也存在局限性，比如在反映格局-過程關系的作用時受到質疑（Tischendorf，2001；Harbin和Wu，2004）。由此可見，使用單一類型的指標很難全面反映城市熱島的基本特征，使用多種指標進行綜合分析則將成為城市熱島效應監測與評價的發展方向。

本文以寧波市為例，利用Landsat TM/ETM+遙感影像，使用熱島強度、熱島面積、景觀格局指數綜合分析城市化進程中城市熱島在冬、夏兩季的時空演變特征，以期為緩解城市熱島、改善城市生態環境、促進城市可持續發展提供科技支撐。

1 研究區概況

寧波市位于東經120°55’～122°16’，北緯28°51’～30°33’之間，地處我國海岸線中段，屬于亞熱帶季風氣候，溫和濕潤，四季分明。冬季受蒙古高壓控制，盛行偏北風，夏季受太平洋副熱帶高壓的影響，盛行東南風。冬夏平均降水量分別為191和548 mm。冬季最高、最低與平均氣溫分別為12.0 ℃、1.8 ℃和6.0 ℃，夏季分別為32.6 ℃、21.0 ℃和26.6 ℃。寧波市作為我國華東地區重要工業城市和對外貿易口岸，是長三角南翼以及浙江省的經濟中心。隨著經濟的迅速發展，寧波城市化進程加快，城市擴張迅猛，建成區面積由1984年的23 km2增加到2013年更是達到290 km2（中國城市統計年鑒，2014），市區空間由河口向濱海演進，形成了三江（主城區）、鎮海、北侖三片臨江、濱海發展的格局。熱島現象日益嚴重（丁燁毅等，2008；姚一舟等，2013）。因此有必要對寧波熱島效應進行全面的監測與研究。為避免郊野熱異常對城市熱島效應分析的干擾，本文在具體分析時以寧波市當年的建成區作為熱島分析的范圍。以2010年為例，寧波市建成區的如圖1所示。

圖1 研究區范圍示意圖Fig. 1 Studied area

2 研究方法

2.1 數據源與圖像預處理

根據研究目的和影像質量，在1984─2010年期間的冬、夏季節各選5景Landsat TM/ETM+影像（見表1），軌道號為118/39。所選用的10景影像數據天氣晴朗、大氣可見度高、成像較好。所有影像均采用WGS-84橢球和基準面，精糾正到UTM投影坐標系（N51帶），并通過重采樣統一分辨率。

2.2 溫度反演

使用TM和ETM+熱紅外波段反演地表溫度。對于TM，熱波段是6波段；對于有兩個熱波段的ETM+，這里使用的是62波段，該波段適用于沿海等低反射率地區（Xian和Crane，2006）。首先使用公式（1）將DN值轉化為云頂輻射亮度，然后利用公式（2）對影像進行大氣校正和發射率糾正，將云頂輻射亮度轉換為地表輻射亮度（Barsi等，2005)。公式（3）將地表輻射亮度轉化為地表溫度sT（Chander和Markham，2003）：

表1 本研究所用影像Table 1 Images used in this study

式中，λL是云頂輻射亮度（單位為W/(m2sr μm），λinGa和λBias分別是轉換函數的斜率系數和截距系數，兩者均可在TM/ETM+影像自帶的元數據中獲得。TL是地表輻射亮度（單位為W/(m2sr μm），在進行大氣校正時，大氣上行輻射亮度μL、大氣下行輻射亮度λL、和大氣透過率τ均來自于NASA網站的大氣參數數值查詢(National Aeronautics and Space Administration，2014)。發射率ε的確定則基于土地覆蓋分類結果進行賦值（Snyder等，1998)。sT是地表溫度（單位為K），K1是定標常數1，對于TM取值607.76，對于ETM+取值666.09；K2是定標常數2，對于TM取值為1260.56，對于ETM+取值為1282.71（Landsat Project Science Office，2009）。

2.3 城市熱島分析指標

本研究使用熱島強度、熱島面積以及景觀指數三類指標來分析寧波城市熱島隨城市化的演變規律，具體如下：

2.3.1 熱島強度

熱島強度用來衡量熱島效應的強弱，對于大氣城市熱島，熱島強度是指城區氣溫與郊區氣溫的差（Lin and Yu, 2005）。而對于遙感監測的地表城市熱島，熱島強度還沒有一個通用的定義（Zhao等，2010）。在此，我們定義城市熱島強度是為建成區平均地表溫度與郊區平均地表溫度之差，如公式（4）所示。

式中，I指熱島強度，Tu為寧波市建成區平均地表溫度，Ta為寧波市郊區平均地表溫度。

2.3.2 熱島面積

熱島面積是指研究區內存在熱島效應的區域面積，即寧波市建成區內地表溫度大于寧波郊區平均地表溫度的像元面積的總和。

2.3.3 熱島景觀指數

首先將研究區劃分為不同等級的熱島景觀斑塊。具體過程是：使用反演得到的地表溫度根據公式（5）計算相對溫度，然后根據相對溫度的統計分布進行閾值分割，劃分熱島景觀斑塊等級，其中所使用的閾值如表2所示。其中第1等級的斑塊未列入分析。

表2 熱島斑塊劃分中所使用的閾值Table 2 Thresholds used in the segmentation of thermal patches

式中，Tui為研究區第i個像元的地表溫度，Ta為寧波市郊區平均地表溫度。

然后選取景觀指數描述寧波城市熱島斑塊空間格局的特征與變化。本研究從類型水平和景觀水平兩方面選取景觀指數，類型水平的指數有類型面積（CA）、斑塊數量（NP）、斑塊密度（PD）、面積加權平均形狀指數（SHAPE_AM）、景觀水平的指數有斑塊數量（NP）、斑塊密度（PD）、面積加權形狀指數（SHAPE_AM）、多樣性指數（SHDI）、均勻度指數（SHEI）。各指數的含義如下：

（1）數量特征。類型面積（CA）和斑塊數量（NP）分別描述了熱島景觀斑塊類型面積和斑塊個數。

（2）形態特征。面積加權平均形狀指數（SHAPE_AM）反映了斑塊形狀的復雜程度，其值為1說明斑塊是正方形，其值越大說明斑塊形狀越復雜。

（3）結構特征。斑塊密度（PD）描述熱島景觀的破碎度。多樣性（SHDI）和均勻度（SHEI）指數分別描述斑塊類型的豐富程度和均勻分布程度。景觀種類越多，SHDI越大；斑塊大小越均勻，SHEI越大。

研究采用的軟件包括ArcGIS 10.0、ENVI 4.5和Fragstats 4.2。

3 結果與分析

3.1 熱島強度與熱島面積

寧波城市化過程中熱島強度與熱島面積在冬、夏兩季的變化情況如圖2所示。熱島強度在夏季明顯強于冬季，夏季5個時相平均熱島強度大約是冬季的5.5倍；在冬季熱島強度波動下降，城市化進程前期（2000年之前）平均值為1.9 ℃，隨著城市化的發展（2000年之后）平均值為1.1 ℃；在夏季熱島強度波動上升，2000年之前的平均值為8.0 ℃，2000年之后的平均值為9.1 ℃。熱島面積在冬夏均持續上升，上世紀80年代，熱島面積在冬、夏兩季分別是23.20 km2、27.42 km2，而到2010年左右，分別為300.14 km2、339.51 km2。在冬、夏兩季，熱島面積占建成區比例5個時相的平均值分別為89%和98%。綜合以上分析說明，無論是冬季還是夏季，寧波市建成區大部分都發生了熱島效應；夏季熱島效應顯著，強度與面積均隨著城市化進程不斷增加；而在冬季，雖然熱島面積也隨城市化進程增加，但強度呈變弱趨勢。

圖2 冬、夏兩季熱島面積與熱島強度的變化Fig. 2 Changes of UHI intensity and extent in winter and summer

3.2 類型水平熱島景觀格局演變特征分析

圖3顯示了寧波城市化過程中熱島景觀指數在類型水平上的演變趨勢。在冬季，以低等級的2類熱島斑塊為主，未出現6級熱島斑塊。各類熱島斑塊面積總體呈明顯上升趨勢，其中2、3級熱島斑塊面積分別從1984年的22.26 km2、0.94 km2增加到2010年的275.77 km2、23.20 km2；4級熱島斑塊自2000年開始出現，面積為0.06 km2，到2010年增加到1.04 km2；5級熱島斑塊在2010年出現，面積為0.13 km2；說明在冬季，隨著寧波城市化的發展，各級熱島景觀面積均逐漸增大，高等級熱島斑塊逐漸出現，但中、高等級熱島斑塊的面積遠小于低等級熱島斑塊的面積，低等級熱島斑塊對冬季熱島現象起決定作用。在斑塊數量（NP）方面，各級熱島均呈明顯上升趨勢。在斑塊密度（PD）方面，高等級的4、5類顯著增加，中低級的2、3類上下震蕩，無明顯規律，說明新生成的高等級斑塊之間不斷接近，呈集聚成簇的形態發展。對于形狀指數（SHAPE_AM），各級熱島斑塊均呈上升趨勢，說明隨著城市化的發展，熱島斑塊邊界形狀的復雜性在逐漸增加。

圖3 冬、夏兩季類型水平景觀指數的變化Fig. 3 Changes of UHI landscape metrics at the class level in winter and summer

在夏季，以中高等級的3、4、5類斑塊為主。2、3級熱島斑塊面積從1986的1.85 km2、7.05 km2持續上升至2007年的24.04 km2、98.49 km2，至2009年又下降至15.24 km2、57.50 km2；4、5、6級熱島斑塊面積明顯逐年遞增，分別從1986年的14.37 km2、4.14 km2、0.0009 km2增加到2009年的157.75 km2、103.04 km2、5.98 km2。說明在夏季，各級熱島斑塊面積均隨著城市化的進程而增大，而當城市化發展到一定階段，中、低等級的熱島面積開始降低，熱島景觀明顯朝著高等級熱島斑塊主導的方向發展。在斑塊數量（NP）方面，3、6級熱島斑塊數量（NP）均呈明顯逐年遞增趨勢，2、4、5級熱島斑塊數量（NP）自1986至2007年持續增加，到2009年均有所減少。在斑塊密度（PD）方面，最高等級的6級熱島斑塊密度隨城市化過程呈現明顯上升趨勢，其他各級呈振動變化無顯著趨勢，說明在城市化過程中不斷有極強等級的斑塊生成，并不斷接近，呈集聚成簇的形態發展。對于形狀指數（SHAPE_AM），高等級的4、5、6級熱島斑塊呈上升趨勢，而2、3級熱島斑塊均無明顯規律；說明高等級熱島斑塊邊界形狀的復雜性在逐漸增加。

3.3 景觀水平熱島景觀格局演變特征分析

對寧波城市化過程中熱島景觀指數在景觀水平上的變化趨勢進行分析，結果如圖4所示。在冬季，斑塊數量（NP）、斑塊密度（PD）、均勻度指數（SHEI）和多樣性指數（SHDI），均呈階段性增加。主要原因是冬季以低等級熱島斑塊為主導，而隨著城市化的發展，高等級逐漸出現使得整個景觀破碎化，斑塊數量和密度增加，各類景觀有均勻發展的趨勢，景觀多樣性整體上按階段增加。在熱島景觀斑塊的形狀方面，形狀指數（SHAPE_AM）呈明顯上升趨勢，說明斑塊形狀隨著城市化進程趨向復雜。

在夏季，熱島景觀斑塊數量（NP）呈明顯上升趨勢變化，斑塊密度（PD）、多樣性指數（SHDI）、均勻度指數（SHEI）在1986─2001年間均呈增加趨勢，但2001年以后均持續下降。主要原因是夏季以高等級熱島斑塊為主導，并隨著城市化的發展，不斷有中、低等級斑塊升級為高等級斑塊，使高等級斑塊個數增加，當發展到一定階段開始逐漸聚集，連接成片，從而導致斑塊密度降低、景觀多樣性減少，朝著以高等級熱島斑塊為主導的方向發展。在熱島景觀斑塊的形狀方面，形狀指數（SHAPE_AM）呈明顯上升趨勢，說明在夏季斑塊形狀隨著城市化進程也趨向復雜。

3.4 熱島景觀格局演變的空間對比分析

通過遙感信息分析，結合歷史資料和地面調查，對熱島景觀指數變化分析的結果進行實證分析。圖5給出了這冬、夏兩季10個時相的熱島景觀等級分類圖。從圖5上可以看出，在冬季，寧波建成區基本上處于低等級熱島，并隨著城市化的發展范圍不斷擴大。至2010年，在北侖的經濟技術開發區形成了兩個熱點區。在夏季，寧波建成區基本處于中、高等級熱島，主城區的熱島面積隨著城市化的發展不斷擴大，而熱島等級除了2007年有所降低外，整體上呈增加的趨勢；在鎮海和北侖，熱島面積不斷增加，等級逐漸升高；至2009年，分別在三江口周邊、甬江口兩岸以及經濟技術開發區形成了三大高溫片區。

這樣的格局與寧波城市化、工業化的發展密不可分。三江口附近的江北和海曙老城區建筑密度很高，并分布有大片高層建筑，使得居民生活和商業活動消耗能源所排放的廢熱難以及時擴散；同時周邊緊鄰的江北工業區、鎮海莊市工業區和江北汽車城等集聚著很多高能耗的塑機、模具和汽配等生產企業。甬江口西岸是鎮海再生金屬資源加工園區，分布有大量高能耗的廢金屬加工處理廠。東岸的寧波經濟技術開發區，是華東地區重要制造業基地、物流、航運中心，分布有大量的裝備制造業。這些地區快速的城市化、工業化，使能源不充分利用所排放的廢熱和人造地面吸收的太陽輻射大量增加，從而導致熱島效應比周邊其他地區更為強烈，成為寧波城市熱環境中的高溫熱點區域。

4 結論

多種指標綜合分析比使用單一類型的指標更能全面的反映城市熱島的全貌。本文以Landsat TM/ETM+時間序列遙感影像為數據源，在地表溫度反演的基礎上，使用熱島強度、熱島面積、景觀格局指數綜合分析了寧波城市化進程中城市熱島在冬、夏兩季的演變規律，得出如下結論：

（1）強度方面：熱島強度在夏季明顯強于冬季，變化趨勢相反，在夏季呈增強趨勢，在冬季呈變弱趨勢。

（2）熱島面積方面：無論是冬季還是夏季，寧波建成區大部分都處于熱島效應影響下，隨城市化的發展，熱島面積均持續增加。

（3）數量方面：熱島景觀在冬季以低等級熱島斑塊為主，夏季以中、高等級熱島斑塊為主，無論冬夏，高等級熱島斑塊個數均隨著城市化進程顯著增加。

（4）形態方面：無論是冬季還是夏季，主要熱島景觀類型乃至整個熱島的斑塊形狀均變得更加復雜。

圖4 冬、夏兩季類型水平景觀指數的變化Fig. 4 Changes of UHI landscape metrics at the landscape level in winter and summer

（5）結構方面：在冬季，熱島景觀總體上逐漸破碎化，各類景觀趨向均勻，景觀多樣性增加。在夏季，熱島景觀總體上呈逐漸聚集，逐步向以高等級斑塊為主導的格局方向發展，多樣性降低。

（6）空間分布方面：隨著城市化進展，無論冬夏，熱島景觀斑塊都經歷了數量增加、等級升高的變化。冬季在北侖的寧波經濟技術開發區形成了兩個熱點區，夏季在三江口周邊、甬江口兩岸以及經濟技術開發區形成了三大高溫片區，主要是建筑密集的居民、商業區和分布有高耗能企業的工業區。

圖5 城市化進程中冬、夏兩季熱島景觀斑塊等級分類Fig. 5 UHI landscape patch grade maps in winter and summer

利用多指標綜合分析可以更加全面的反映城市熱島的演變規律，從而為減緩城市熱島效應，改善城市生態環境，促進城市可持續發展提供理論依據。

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Multi-index Analysis of Heat Island Dynamics with the Process of Urbanisation in Ningbo City

ZHAO Yanchuang1,2, ZHAO Xiaofeng1,2,*, KUANG Da1,2

1. Key Lab of Urban Environment and Health, Institute of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences, Xiamen 361021, China; 2. Ningbo Urban Environment Observation and Research Station, Chinese Academy of Sciences, Ningbo 315800, China

Urban Heat Island (UHI) is one of the most significant environmental issues along with the process of urbanization. It is an effect way to mitigate UHI when considering the dynamic characters of UHI. It is a useful tool to unfold the inherent characters of UHI when using the multi-index analysis. Taking Ningbo as a case study, we use TM/ETM+ imageries to invert thermal maps both in summer and winter seasons from 1984 to 2010. UHI intensity, UHI extent and landscape metrics within the same period, thereafter, are calculated based on the thermal maps. The results show that: (1) The average UHI intensity is 1.57 ℃ in winter, which rises to 8.67 ℃ in summer. The UHI effect is more significant in summer than that in winter. And this effect tends to increase during the summer but decreases during the winter. (2) The share of the built-up areas which is affected by the UHI in winter is 89% and that in summer was 98%. UHI extent kept increasing with urbanization in both winter and summer. (3) In winter, the low – grade UHI patches are the dominant patches, which contain 96% of the total UHI areas, while the dominant patches changes to middle / high –grade patches in summer, containing 92% of the total UHI areas. (4) The patch shape of main UHI classes became more complex with urbanization in both seasons, as well as the patch shape at landscape level. (5) The UHI landscape became more fragmented in winter yet more aggregation in summer. In winter patch areas of different grades turned evener and the whole landscape became more diverse, which was opposite in summer. (6) Both the number and grades of UHI patches increased with urbanization. Two hot –spots emerge in Ningbo Economic and Technological zone during the winter season. And three areas with high temperature place at Sanjiangkou, Yong River estuary and Ningbo Economic and Technological Zone. Those results provide some policy implications for urban management.

urban heat island; multi-index analysis; urbanization; spatiotemporal change; Ningbo

X16

A

1674-5906（2014）10-1628-08

趙顏創，趙小鋒，曠達. 寧波城市熱島隨城市化演變的多指標綜合分析[J]. 生態環境學報, 2014, 23(10): 1628-1635.

ZHAO Yanchuang, ZHAO Xiaofeng, KUANG Da. Multi-index analysis of heat island dynamics with the process of urbanisation in Ningbo city [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(10): 1628-1635.

寧波市自然科學基金項目（201301A6107021）；中國科學院青年人才領域前沿項目（IUEQN-2012-01）

趙顏創（1988年生），男，碩士，研究方向為城市熱環境。E-mail: yczhao@iue.ac.cn

*通信作者：E-mail: xfzhao@iue.ac.cn

2014-07-07