近30年武漢市熱環(huán)境格局演化機(jī)制及擴(kuò)散模式研究

池騰龍， 曾 堅(jiān)， 劉 晨

(1.天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津 300072; 2.北京師范大學(xué)人文地理與城鄉(xiāng)規(guī)劃系，北京 100875)

近30年武漢市熱環(huán)境格局演化機(jī)制及擴(kuò)散模式研究

池騰龍1， 曾 堅(jiān)1， 劉 晨2

(1.天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津 300072; 2.北京師范大學(xué)人文地理與城鄉(xiāng)規(guī)劃系，北京 100875)

基于1987—2015年間Landsat TM/TIRS數(shù)據(jù)反演主城區(qū)的地表溫度并進(jìn)行歸一化處理，分析武漢市熱環(huán)境格局的演化機(jī)制，并探討了其擴(kuò)散模式特征。研究結(jié)果表明，武漢市主城區(qū)在近30 a間城市熱環(huán)境格局發(fā)生了較大變化，隨著城市建設(shè)用地的擴(kuò)張，熱環(huán)境格局的擴(kuò)散模式由起初的點(diǎn)狀分布向條狀、帶狀和面狀分布演變； 武漢市熱環(huán)境格局的形成與演化機(jī)制與太陽(yáng)輻射、大氣環(huán)流和下墊面性質(zhì)等自然因素以及城市建設(shè)與發(fā)展階段、規(guī)劃政策等人為因素密切相關(guān)。

熱環(huán)境； 演化機(jī)制； 擴(kuò)散模式； 武漢市

0 引言

近年來(lái)快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)，使得城市景觀由近自然狀態(tài)向人工景觀狀態(tài)轉(zhuǎn)換的趨勢(shì)日益加劇。在此過(guò)程中，以水泥、金屬等不透水面為主的城市建設(shè)用地持續(xù)蔓延，進(jìn)而導(dǎo)致其地表熱輻射程度加強(qiáng)，同時(shí)隨著大量人口的涌入而產(chǎn)生局部地區(qū)人為熱環(huán)境增強(qiáng)，各種因素綜合作用導(dǎo)致了地表高溫區(qū)域的水平與垂直擴(kuò)張，并最終對(duì)城市內(nèi)部景觀產(chǎn)生負(fù)面的生態(tài)影響[1-2]。在所有的城市生態(tài)環(huán)境效應(yīng)中，熱環(huán)境因素始終處于社會(huì)各界普遍關(guān)注的熱點(diǎn)方向[3-5]，它作為城市環(huán)境中重要指標(biāo)之一，現(xiàn)已成為城市規(guī)劃和城市氣候?qū)W研究的重要內(nèi)容[6-7]。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者多采用遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)反演出地表溫度數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)城市熱環(huán)境效應(yīng)的時(shí)空特征及變化規(guī)律展開(kāi)分析。在數(shù)據(jù)源方面，以研究大尺度下熱環(huán)境分布的1 km空間分辨率的MODIS數(shù)據(jù)和中小尺度下的120 m和60 m空間分辨率的Landsat TM/ETM數(shù)據(jù)為主，在城市熱環(huán)境研究的各領(lǐng)域均已開(kāi)展了廣泛研究。劉玉安等[8]和馮奇等[9]均使用MODIS地表溫度數(shù)據(jù)對(duì)武漢市的熱島強(qiáng)度特征進(jìn)行了分析，并分別探討了不同類型下墊面的熱島效應(yīng)規(guī)律以及對(duì)空氣質(zhì)量的影響程度，但是其空間分辨率較低，難以反映出中小尺度下的熱環(huán)境效應(yīng)及其生態(tài)環(huán)境影響； 李雪松等[10]以面積、人口和地理信息等調(diào)研數(shù)據(jù)為分析因子，對(duì)武漢主城區(qū)東南片區(qū)的建設(shè)用地?cái)U(kuò)張進(jìn)行了基于城市冠層模型的WRF模擬，并定量分析了不同時(shí)段不同類型的地表溫度差異，從而證實(shí)了當(dāng)前的快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程對(duì)城市熱環(huán)境效應(yīng)的影響強(qiáng)度與分異； 梁益同等[11]和史超等[12]分析了武漢市主城區(qū)熱島強(qiáng)度在不同季節(jié)和不同年份的時(shí)空格局演變，定量揭示了城區(qū)熱島強(qiáng)度分布與土地利用類型和植被覆蓋率的相關(guān)關(guān)系。但是需要指出的是，針對(duì)特定時(shí)段或季節(jié)的熱環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測(cè)分析仍顯不足，且受到影像自身限制，其反演出的地表溫度數(shù)據(jù)在縱向?qū)Ρ葧r(shí)，地表溫度絕對(duì)數(shù)據(jù)并不具有可比性。

武漢市作為我國(guó)中部地區(qū)最大的城市之一，同時(shí)也是我國(guó)著名的“三大火爐”之一，自改革開(kāi)放以來(lái)，大規(guī)模的城市擴(kuò)張以及舊城改造工程對(duì)近年來(lái)的城市生態(tài)環(huán)境演變及空間格局特征均產(chǎn)生重要的影響。本文選擇武漢市主城區(qū)為研究對(duì)象，對(duì)自1987年以來(lái)近30 a間的城市熱環(huán)境演變機(jī)制及其擴(kuò)散模式展開(kāi)分析，同時(shí)將景觀格局理論用于城市熱環(huán)境研究，探討武漢主城區(qū)城市熱環(huán)境的擴(kuò)散模式及其規(guī)律。擬通過(guò)本研究，為新一輪的城市總體規(guī)劃與人居環(huán)境改善等建設(shè)提供定量化決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

湖北省省會(huì)武漢市地處長(zhǎng)江中游，其地理位置跨E113°4′～115°5′，N29°58′～31°22′，屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候區(qū)，以常年濕潤(rùn)，夏季高溫，四季分明為特點(diǎn)。近年來(lái)隨著城市的快速發(fā)展，其經(jīng)濟(jì)實(shí)力已位列中部省份城市之首，但是伴隨著快速的城鎮(zhèn)化進(jìn)程，主城區(qū)范圍內(nèi)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題出現(xiàn)了日益惡化的趨勢(shì)，城市內(nèi)澇和城市熱島效應(yīng)加劇等災(zāi)難事件時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響著城市人居環(huán)境質(zhì)量。本文主要針對(duì)武漢市主城區(qū)的熱環(huán)境開(kāi)展研究。研究區(qū)涵蓋了最新版武漢市主城區(qū)規(guī)劃范圍(主要以三環(huán)為界，同時(shí)包括西南側(cè)的沌口街街道片區(qū))，是近30 a來(lái)武漢市建設(shè)用地主要的擴(kuò)張區(qū)域，總面積約716.2 km2。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location map of the study area

2 數(shù)據(jù)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源及其預(yù)處理

基于對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)的可獲得性以及研究區(qū)夏季高溫季節(jié)性因素等考量，本研究主要選擇的遙感影像數(shù)據(jù)均集中在夏季的8—9月份。表1中數(shù)據(jù)獲取途徑為美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(United States Geological Survey，USGS)官方網(wǎng)站。

表1 研究所涉及的遙感影像數(shù)據(jù)Tab.1 Remote sensing images for research

數(shù)據(jù)類型中，2015年夏季為L(zhǎng)andsat8/TIRS影像(1幅)，1987—2005年間夏季為L(zhǎng)andsat5/TM影像(3幅)，這些影像的云量均小于10%，其中研究區(qū)內(nèi)無(wú)云層遮擋。基于國(guó)家免費(fèi)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中的1∶400萬(wàn)省市行政邊界，結(jié)合Google Earth高空間分辨率影像數(shù)據(jù)和武漢市城市總體規(guī)劃圖，對(duì)研究區(qū)的邊界進(jìn)行了影像配準(zhǔn)和矢量化，并基于此邊界進(jìn)行遙感影像的裁剪和熱環(huán)境空間格局的分析。

目前，地表熱環(huán)境的分析方法大多使用遙感熱紅外影像數(shù)據(jù)。本研究以4期Landsat影像作為研究的數(shù)據(jù)源，選擇TM的第6波段、TIRS的第10波段，即熱紅外波段來(lái)反演研究區(qū)的地表溫度信息，其空間分辨率分別為120 m和100 m。由于研究成果更加注重分析地表熱環(huán)境在不同時(shí)段的內(nèi)在變化機(jī)理，重在考慮兩者之間各時(shí)間段的相對(duì)差異，故忽略數(shù)據(jù)間絕對(duì)的時(shí)相差異。研究所需遙感數(shù)據(jù)處理軟件平臺(tái)為ArcGIS9.3，ENVI5.0和Fragstats3.3。

2.2 研究方法

2.2.1 反演地表溫度

研究所用的4幅衛(wèi)星影像在研究區(qū)內(nèi)均無(wú)云層遮擋，且研究區(qū)地形差異較小，故本文選取對(duì)大氣影響依賴較小的輻射傳輸方程法來(lái)反演武漢主城區(qū)的地表溫度信息[13]。首先計(jì)算地表比輻射率和黑體的輻射亮度，自然與建設(shè)用地像元的比輻射率εN和εB可分別依據(jù)公式(1)和(2)計(jì)算得出，即

(1)

(2)

式中FV為植被覆蓋度指數(shù)。

進(jìn)而通過(guò)公式

B(TS) =[Lλ-L↑-τ(1-ε)L↓]/τε

(3)

得出溫度為T的黑體在熱紅外波段的輻射亮度B(TS)。其中，Lλ為熱紅外輻射亮度值；L↑和L↓為大氣向上及向下輻射亮度；ε為輻射率；τ為大氣透過(guò)率。

然后,通過(guò)普朗克公式計(jì)算地表真實(shí)溫度TS，即

TS=K2/ln[K1/B(TS)+1],

(4)

式中K1和K2在各類型遙感影像中有所不同，在TM影像中，K1=607.76 W/(m2·μm·sr)，K2=1 260.56 K； 在TIRS影像中,K1=774.89 W/(m2·μm·sr)，K2=1 321.08 K。

以往城市熱環(huán)境的研究多基于地表溫度反演真實(shí)溫度的分級(jí)展開(kāi)空間分異研究，指標(biāo)方面主要采用熱島強(qiáng)度等級(jí)及其面積來(lái)表征其熱島特征，該方法較為局限。因此，本研究中通過(guò)對(duì)地表溫度的歸一化處理，運(yùn)用相對(duì)熱環(huán)境指數(shù)(relative thermal environment index，RTI)分析。該指數(shù)對(duì)區(qū)域內(nèi)的熱環(huán)境程度進(jìn)行分級(jí)，并將其數(shù)值區(qū)間統(tǒng)一為[0，1]，進(jìn)而可對(duì)反演得到的地表熱環(huán)境格局演化進(jìn)行縱向比較和分析。

2.2.2 熱環(huán)境演化特征相關(guān)指標(biāo)

2.2.2.1 熱環(huán)境變化指數(shù)

熱環(huán)境變化方面主要包括變化速度和變化強(qiáng)度。指數(shù)方面則相應(yīng)選擇變化速度指數(shù)(change speed index，CSI)和變化強(qiáng)度指數(shù)(change intensity index，CII)來(lái)定量描述熱環(huán)境變化的時(shí)空特征。其中，CSI表示熱環(huán)境變化的速度和趨勢(shì)； CII是利用空間單元的面積對(duì)擴(kuò)張速度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，用來(lái)衡量單位面積上所能承受的最大強(qiáng)度[14]。CSI和CII值越大，表明城市熱環(huán)境效應(yīng)越強(qiáng)，其擴(kuò)張趨勢(shì)越明顯，不同時(shí)期高溫區(qū)域面積變化越大。CSI和CII的計(jì)算公式分別為

CSI=(△Aij/Ai△t)×100%,

(5)

CII=(△Aij/S△t)×100%，

(6)

式中： △Aij為城市相對(duì)高溫區(qū)域從第i年到第j年之間的變化面積；Ai為第i年的高溫區(qū)域面積； △t為所研究的各時(shí)間跨度；S為研究區(qū)的總面積。

2.2.2.2 熱力景觀格局指數(shù)

已有相關(guān)研究成果表明，城市熱環(huán)境斑塊的面積、數(shù)量、密度、破碎度和聚集度等指數(shù)不同，其最終所產(chǎn)生的熱環(huán)境效應(yīng)也會(huì)存在差異。為此，本研究在分析研究區(qū)的相對(duì)熱環(huán)境指數(shù)的基礎(chǔ)上，主要選擇了相對(duì)高溫斑塊的數(shù)量、密度、最大斑塊指數(shù)、熱力景觀面積比等單元格局指數(shù)以及破碎度、聚集度等異質(zhì)性指數(shù)來(lái)表征研究區(qū)內(nèi)熱力景觀格局特征，從熱力景觀指數(shù)方面分析研究區(qū)域熱環(huán)境格局的演化機(jī)制。

2.2.3 GIS標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析

基于GIS空間計(jì)量分析中的標(biāo)準(zhǔn)差橢圓模型對(duì)武漢主城區(qū)的熱環(huán)境強(qiáng)度分布進(jìn)行研究。標(biāo)準(zhǔn)差橢圓模型可用來(lái)測(cè)量區(qū)域熱環(huán)境差異及內(nèi)部要素的空間分布特征[15]，其重心可表征熱環(huán)境空間分布的相對(duì)位置，方位角可反映目標(biāo)分布的主趨勢(shì)方向，長(zhǎng)軸和短軸的長(zhǎng)度則分別描述熱環(huán)境信息在主趨勢(shì)方向和次要方向上的離散程度。

3 熱環(huán)境反演結(jié)果與分析

3.1 熱環(huán)境格局分布與演化

3.1.1 熱環(huán)境格局的時(shí)空演化特征

研究區(qū)4期RTI分布格局如圖2所示。

(a) 1987年 (b) 1994年

(c) 2005年 (d) 2015年

圖21987，1994，2005和2015年研究區(qū)RTI分布格局

Fig.2DistributionpatternofRTIfor1987,1994,2005and2015inthestudyarea

如圖2所示，1987年以來(lái)研究區(qū)內(nèi)RTI整體上呈現(xiàn)明顯的擴(kuò)散趨勢(shì)，且在空間分布上主要為從主城區(qū)核心區(qū)逐步向周邊地區(qū)(特別是西南片區(qū))擴(kuò)張。從高溫區(qū)面積看(以RTI≥60視為研究區(qū)的高溫區(qū))，基于GIS統(tǒng)計(jì)，1987年、1994年、2005年和2015年研究區(qū)的高溫區(qū)面積分別為84.05，100.84，115.73和118.98 km2，分別占研究區(qū)總面積的11.74%，14.08%，16.16%和16.62%； 從增長(zhǎng)速度來(lái)看，研究區(qū)的高溫區(qū)增長(zhǎng)面積為34.94 km2，年均增長(zhǎng)量為1.25 km2。這足以表明研究區(qū)內(nèi)的RTI呈現(xiàn)出快速遞增的發(fā)展態(tài)勢(shì)。

標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析方法是研究某一要素空間分布方向性特征的有效方法之一，將長(zhǎng)、短軸方向(軸線與x軸的夾角)與標(biāo)準(zhǔn)方差橢圓形狀聯(lián)系在一起，長(zhǎng)軸代表最大擴(kuò)散方向，短軸代表最小擴(kuò)散方向。為定量研究武漢市地表熱環(huán)境格局的總體演化特征，以1987—1994，1994—2005和2005—2015年間3個(gè)時(shí)間段內(nèi)研究區(qū)具有較高RTI(≥60)的增長(zhǎng)變化空間特征為基礎(chǔ)，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析，其結(jié)果如圖3所示。

(a) 1987—1994年(b) 1994—2005年(c) 2005—2015年

圖3研究區(qū)3個(gè)時(shí)間段內(nèi)溫度斑塊增長(zhǎng)趨向性特征

Fig.3Tendencyofcharacteristictemperatureofthreeperiodsinthestudyarea

通過(guò)圖3分析發(fā)現(xiàn)： 1987—1994年間武漢市主城區(qū)增溫空間的標(biāo)準(zhǔn)差橢圓扁率為0.059，長(zhǎng)軸半徑為22.04 km，增溫空間擴(kuò)散方向?yàn)镹E41°； 1994—2005年間的扁率為0.176，長(zhǎng)軸半徑仍為22.04 km，增溫空間擴(kuò)散方向?yàn)镹E8°； 2005—2015年扁率上升至0.201，長(zhǎng)軸半徑較前一階段又有所上升，增至27.12 km，此時(shí)增溫空間轉(zhuǎn)向NE22°。分析結(jié)果表明武漢市主城區(qū)的熱環(huán)境擴(kuò)散主要以WN向WS方向轉(zhuǎn)移為主。從武漢市近年來(lái)的城市發(fā)展歷史來(lái)看，1993年隨著武漢市經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)上升為國(guó)家級(jí)以后，1994—2005年間該片區(qū)的城市熱環(huán)境增溫趨勢(shì)十分明顯，東風(fēng)大道沿線高溫區(qū)域呈帶狀分布，自2005年后逐漸呈面狀蔓延。受武漢市城市規(guī)劃、新區(qū)開(kāi)發(fā)及產(chǎn)業(yè)重心轉(zhuǎn)移等相關(guān)政策因素的影響，經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)和白沙洲大道沿線等邊緣區(qū)域增溫較為顯著且呈面狀趨勢(shì)發(fā)展，其主軸方向逐漸呈逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)移。

3.1.2 熱環(huán)境格局指數(shù)的變化特征

3.1.2.1 熱環(huán)境變化指數(shù)

對(duì)表2中研究區(qū)新增高溫斑塊擴(kuò)張情況進(jìn)行分析，3個(gè)時(shí)間段內(nèi)其擴(kuò)張面積分別為55.971 km2，19.165 km2和21.424 km2，1987—1994年間擴(kuò)張面積最大，同時(shí)其CSI和CII也為各時(shí)間段最高值，分別為5.73%和0.32%。自1994年以后，無(wú)論是高溫斑塊CSI還是CII，均出現(xiàn)了下降趨勢(shì)并保持穩(wěn)定變化趨勢(shì)。

表2 研究區(qū)新增高溫斑塊CSI與CIITab.2 CSI and CII of new high temperature strength patches in the study area

同時(shí)結(jié)合圖4中研究區(qū)3個(gè)時(shí)間段新增高溫斑塊空間分布變化可知： 1987—1994年間，武漢市主城區(qū)高溫斑塊增長(zhǎng)區(qū)域主要集中在經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)； 此后至2005年，高溫斑塊的增長(zhǎng)區(qū)域仍集中在邊緣區(qū)域的經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)外圍地帶以及二環(huán)線西北常青路沿線； 2005—2015年間，隨著南湖東站和武漢西站周邊建設(shè)用地的不斷開(kāi)發(fā)，其RTI逐年提升。

(a) 1987—1994年 (b) 1994—2005年 (c) 2005—2015年

圖4研究區(qū)3個(gè)時(shí)間段新增高溫斑塊分布

Fig.4Spatialdistributionofnewhightemperatureplaquethreeperiodsinthestudyarea

3.1.2.2 地表熱力景觀指數(shù)

將基于TIRS和TM影像的地表熱環(huán)境反演結(jié)果在ArcGIS9.3中轉(zhuǎn)換為GRID格式數(shù)據(jù)，然后利用Fragstats3.3軟件計(jì)算高溫斑塊景觀的斑塊數(shù)量、斑塊密度、最大斑塊指數(shù)、斑塊景觀面積比等單元格局指數(shù)以及斑塊破碎度和聚集度等異質(zhì)性指數(shù)共計(jì)6個(gè)指數(shù)(表3)，定量探討研究區(qū)的熱力景觀格局及其變化特征。

表3 1987—2015年間4期高溫斑塊景觀指數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistical heat patches landscape indexs of four years from 1987 to 2015

分析結(jié)果表明，1987—2015年間研究區(qū)的熱力景觀格局發(fā)生了顯著變化： 斑塊數(shù)量在2005年以前逐年下降，隨后有小幅度增長(zhǎng)趨勢(shì)，表明主城區(qū)內(nèi)熱力景觀斑塊有蔓延趨勢(shì)，由點(diǎn)狀逐漸向面狀聚合，2005年以后隨著舊城改造使得主城區(qū)內(nèi)斑塊數(shù)量稍有增加； 斑塊密度則反映研究區(qū)內(nèi)熱力景觀斑塊空間分布的密集特征，整體而言密度逐年降低，其變化趨勢(shì)和斑塊數(shù)量一致； 最大斑塊指數(shù)始終處于上升趨勢(shì)，研究區(qū)高溫斑塊呈面狀趨勢(shì)發(fā)展； 異質(zhì)性指數(shù)方面，熱力景觀斑塊的破碎度與聚集度變化各有不同，自2005年以后呈小幅度增長(zhǎng)趨勢(shì)，說(shuō)明研究區(qū)高溫斑塊的分布廣泛，且在2005年以后出現(xiàn)了小幅度擴(kuò)張，高溫斑塊的聚集度增加趨勢(shì)明顯。

3.2 熱環(huán)境擴(kuò)散模式分析

關(guān)于熱環(huán)境擴(kuò)散模式的分析主要運(yùn)用圖形拓?fù)浞治龇āＴ谀Ｊ椒诸惿希绻略霭邏K與原有圖斑不具有公共邊界則歸類為飛地式擴(kuò)散模式； 如果存在公共邊且其新增斑塊呈條狀分布則歸類為延伸式擴(kuò)散模式； 如果公共邊超過(guò)一半的則可歸類為填充式(外部)擴(kuò)散模式； 如果公共邊尚未超過(guò)一半的則可歸類為填充式(內(nèi)部)擴(kuò)散模式。各種擴(kuò)散模式及其特征如表4所示。

表4 4種熱環(huán)境擴(kuò)散模式及其特征Tab.4 Four kinds of diffusion models and the characteristics of thermal environment

基于表4中熱環(huán)境擴(kuò)散模式分類，對(duì)1987—2015年間的高溫斑塊增長(zhǎng)格局進(jìn)行疊置分析，進(jìn)而得出3個(gè)時(shí)間段各種擴(kuò)散模式下的高溫斑塊增長(zhǎng)幅度和差異(圖5)。

圖5 研究區(qū)3個(gè)時(shí)間段各增長(zhǎng)模式面積統(tǒng)計(jì)Fig.5 Area statistics of each growth model three periods in the study area

自1987年以來(lái)，延伸式和飛地式擴(kuò)散模式是武漢市主城區(qū)高溫斑塊擴(kuò)散的主導(dǎo)模式，這2種模式的貢獻(xiàn)比例占60%。填充式(內(nèi)部)擴(kuò)散模式在2005年以前的2個(gè)時(shí)段增長(zhǎng)面積均超過(guò)2 km2，自2005年以后其增幅顯著下降。從3個(gè)時(shí)間段來(lái)看，武漢市主城區(qū)的道路牽引(如東風(fēng)大道和白沙洲大道等)對(duì)于區(qū)域高溫斑塊增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)始終處于較高的位置，其主導(dǎo)作用顯著，填充式(內(nèi)部和外部)擴(kuò)散模式自2005年以后均處于劣勢(shì)位置，飛地式和延伸式增幅與填充式持平，這一結(jié)果表明武漢市主城區(qū)高溫斑塊擴(kuò)散特征逐漸轉(zhuǎn)為從核心區(qū)過(guò)渡到邊緣區(qū)一帶，在面狀不斷填充的同時(shí)，高溫斑塊逐漸向道路沿線和重要節(jié)點(diǎn)(如火車站、新城行政中心)周邊地帶延伸。

3.3 熱環(huán)境擴(kuò)散影響機(jī)制分析

為了分析熱環(huán)境擴(kuò)散的影響機(jī)制，分別從太陽(yáng)輻射、大氣環(huán)流和下墊面性質(zhì)等自然因素以及城市建設(shè)與發(fā)展階段和規(guī)劃政策等人為因素展開(kāi)分析。

1)自然因素方面。①武漢市的太陽(yáng)直接輻射值在7月份達(dá)到最高值，其輻射量可直接穿透大氣中的二氧化碳和污染物覆蓋區(qū)域，由于城區(qū)本身產(chǎn)生大量的熱量，在反射的過(guò)程中以逆輻射的方式導(dǎo)致熱量返回地表，使得城市熱島不斷擴(kuò)散并加劇； ②大氣環(huán)流方面，副熱帶高壓是武漢市夏季的主要天氣系統(tǒng),該系統(tǒng)使得區(qū)域內(nèi)少雨少云，氣流下沉增溫，云量稀少，并且市內(nèi)江河湖泊眾多，水汽大量蒸發(fā)，區(qū)域內(nèi)濕度較高并且不易擴(kuò)散，從而使得人體熱舒適度不高，這也是武漢比同緯度的上海等特大城市溫度偏高的原因之一； ③從中微觀尺度來(lái)看，城市內(nèi)部下墊面介質(zhì)的熱特性也使得熱環(huán)境格局存在差異，不透水面熱容量大,白天吸熱快，夜間散熱也快，使近地表空氣顯著增溫，故在相同的太陽(yáng)輻射下，比綠地、水域等升溫快，白天表面溫度遠(yuǎn)高于后者。此外，參差不齊的高層建筑以及街道分布也會(huì)在一定程度上影響熱環(huán)境擴(kuò)散格局，城區(qū)內(nèi)部受上述因素影響使得其通風(fēng)效果(熱擴(kuò)散速度)減慢，從而引起局地?zé)岘h(huán)境強(qiáng)度的蔓延。

2)人為因素方面。①近年來(lái)快速的城鎮(zhèn)化進(jìn)程使得城市不透水面面積迅速擴(kuò)張，進(jìn)而促使其熱環(huán)境效應(yīng)逐漸加強(qiáng)。城市不斷向外擴(kuò)張使得武漢市主城區(qū)的建筑及道路工程等水泥硬化鋪裝不斷蔓延，城市高溫斑塊也隨之逐漸向外圍郊區(qū)蔓延。相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2015年武漢市主城區(qū)的建設(shè)用地面積已高達(dá)556.13 km2，是1994年建設(shè)用地面積的2.76倍，其快速擴(kuò)張的城市不透水面積勢(shì)必導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)環(huán)境的惡化，其中熱島效應(yīng)現(xiàn)象日益嚴(yán)重是當(dāng)前面臨的重要議題之一； ②城市規(guī)劃直接影響城市熱環(huán)境格局的分布。城市規(guī)劃及有關(guān)政策的制定直接導(dǎo)致了城市擴(kuò)張的特征與變化趨勢(shì)。自1987年以后，武漢市人口規(guī)模迅速擴(kuò)大，隨后于1995年編制的武漢市城市總體規(guī)劃中，正式提出了多中心組團(tuán)式布局的規(guī)劃構(gòu)想，城市內(nèi)部的用地類型也逐漸得以優(yōu)化，2011年以后，武漢市提出構(gòu)建“1+6”的城市空間格局，主城區(qū)核心區(qū)的人口逐漸疏散至周邊區(qū)域，工業(yè)布局也開(kāi)始外遷。此時(shí)核心區(qū)內(nèi)的城市熱環(huán)境有了一定的改善，高溫斑塊逐漸向外圍區(qū)域轉(zhuǎn)移； ③城市發(fā)展的階段影響了城市熱環(huán)境格局的變化模式。對(duì)于武漢市主城區(qū)而言，其熱環(huán)境格局的變化特征整體上遵循著城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的規(guī)律，即從點(diǎn)狀增長(zhǎng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫€軸式延伸，最后演變?yōu)槊鏍罹奂淖兓^(guò)程。由于武漢市近年來(lái)快速的城鎮(zhèn)化進(jìn)程，其熱環(huán)境格局增長(zhǎng)在1987—2005年間多以線軸式和面狀蔓延的方式擴(kuò)展，隨著2005年以后武漢市主城區(qū)城市規(guī)劃政策更趨完善，城市熱環(huán)境格局蔓延的趨勢(shì)得以有效遏制，其主導(dǎo)擴(kuò)散模式也在發(fā)生轉(zhuǎn)變。

4 結(jié)論與展望

本文基于遙感影像數(shù)據(jù), 運(yùn)用景觀生態(tài)學(xué)、空間統(tǒng)計(jì)學(xué)以及GIS空間分析相關(guān)方法，探討了武漢市主城區(qū)近30 a來(lái)的熱環(huán)境效應(yīng)及其擴(kuò)展模式，得到如下結(jié)論：

1) 1987年以來(lái)武漢市主城區(qū)內(nèi)的熱環(huán)境指數(shù)呈現(xiàn)出快速遞增的發(fā)展態(tài)勢(shì)，RTI呈現(xiàn)明顯的擴(kuò)散趨勢(shì)，且在空間分布上從核心區(qū)逐步向周邊(特別是西南片區(qū))擴(kuò)張。

2)熱環(huán)境指數(shù)方面，1987—1994年間擴(kuò)張面積最大，CSI和CII也為各時(shí)段最高。2005年，高溫斑塊增長(zhǎng)區(qū)域仍集中在經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)外圍及二環(huán)線西北常青路沿線； 2005年以后，隨著東站和武漢西站周邊建設(shè)用地的不斷開(kāi)發(fā)，相對(duì)熱環(huán)境指數(shù)逐年提升。熱力景觀指數(shù)方面，斑塊數(shù)量在2005年以前逐年下降，熱力景觀斑塊由點(diǎn)狀逐漸向面狀聚合，最大斑塊指數(shù)始終處于上升趨勢(shì)，高溫斑塊呈面狀趨勢(shì)發(fā)展； 異質(zhì)性指數(shù)方面，破碎度在2005年以后呈小幅增長(zhǎng)趨勢(shì)，說(shuō)明研究區(qū)高溫斑塊的分布廣泛，其聚集度增幅明顯。

3)熱環(huán)境擴(kuò)散模式方面，近30 a來(lái)，延伸式和飛地式擴(kuò)散模式是武漢市主城區(qū)高溫斑塊擴(kuò)散的主導(dǎo)模式。填充式(內(nèi)部)擴(kuò)散模式在2005年以前2個(gè)時(shí)段增長(zhǎng)面積均超過(guò)2 km2，自2005年以后其增幅顯著下降。武漢市主城區(qū)高溫斑塊擴(kuò)散特征逐漸轉(zhuǎn)為從核心區(qū)過(guò)渡到邊緣區(qū)一帶，在面狀不斷填充的同時(shí)，高溫斑塊逐漸向道路沿線和重要節(jié)點(diǎn)周邊地帶延伸。

4)熱環(huán)境擴(kuò)散影響機(jī)制有2個(gè)方面： ①自然因素方面。武漢市的太陽(yáng)直接輻射使得城市熱島不斷擴(kuò)散并加劇； 副熱帶高壓使得區(qū)域內(nèi)少雨少云，氣流下沉增溫，云量稀少，并且市內(nèi)江河湖泊眾多，水汽大量蒸發(fā)，區(qū)域內(nèi)濕度較高并且不易擴(kuò)散； 城市內(nèi)部下墊面介質(zhì)的熱特性也使得熱環(huán)境格局存在差異。此外，參差不齊的高層建筑及街道分布也會(huì)在一定程度上影響熱環(huán)境擴(kuò)散格局。②人為因素方面。近年來(lái)快速的城鎮(zhèn)化進(jìn)程使得城市不透水面面積迅速擴(kuò)張，進(jìn)而促使其熱環(huán)境效應(yīng)逐漸加強(qiáng)； 城市規(guī)劃政策直接影響城市熱環(huán)境格局的分布； 城市發(fā)展的不同階段直接影響了城市熱環(huán)境格局的變化模式。

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AstudyofevolutionmechanismanddiffusionmodepatternofthermalenvironmentforWuhanCityinthepast30years

CHI Tenglong1， ZENG Jian1， LIU Chen2

(1.SchoolofArchitecture,TianjinUniversity,Tianjin300072,China； 2.DepartmentofHumanGeographyandUrbanPlanning，BeijingNormalUniversity，Beijing100875,China)

This paper, based on Landsat TM/TIRS between 1987 and 2015, deduced the surface temperature of the main city, conducted the normalized treatment of the land surface temperature, analyzed the evolution mechanism of the thermal environment in Wuhan City and discussed the characteristics of its diffusion model. The results show that the urban thermal environment has changed greatly in Wuhan City during the past 30 years. With the expansion of urban construction land, the diffusion pattern of the thermal environment pattern has evolved from the initial point-distribution to the stripe shape and zonal-distribution. The formation and evolution mechanism of the thermal environment in Wuhan City is closely related to the natural factors, such as solar radiation, atmospheric circulation and underlying surface properties, as well as the human factors, including the urban construction and development stage, planning policy, and so on.

thermal environment; evolution mechanism; diffusion model; Wuhan City

10.6046/gtzyyg.2017.04.30

池騰龍,曾堅(jiān),劉晨.近30年武漢市熱環(huán)境格局演化機(jī)制及擴(kuò)散模式研究[J].國(guó)土資源遙感,2017,29(4):197-204.(Chi T L,Zeng J,Liu C.A study of evolution mechanism and diffusion mode pattern of thermal environment for Wuhan City in the past 30 years[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(4):197-204.)

TP 79

A

1001-070X(2017)04-0197-08

2016-06-03；

2016-08-12

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“快速城鎮(zhèn)化典型衍生災(zāi)害防治的規(guī)劃設(shè)計(jì)原理與方法”(編號(hào)： 51438009)資助。

池騰龍(1986-)，男，博士研究生，主要從事低碳城市規(guī)劃相關(guān)研究。Email： tju1895@qq.com。

曾 堅(jiān)(1957-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事城市防災(zāi)減災(zāi)相關(guān)研究。Email： zengjian1957@qq.com。

(責(zé)任編輯：張仙)