中國(guó)濱海城市的山水關(guān)系及熱島效應(yīng)對(duì)比研究*

蔡 智 唐 燕 江 倫

1 引言

隨著快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)，截至2019年底，我國(guó)已有近60%的人口在城市居住。而到2035年，這一基數(shù)有望達(dá)到70%。人口向城市加速集聚的同時(shí)，城市熱環(huán)境也在持續(xù)惡化。各地的氣象部門(mén)數(shù)據(jù)顯示，城市冬季變暖、夏季高溫?zé)崂颂鞌?shù)上升的趨勢(shì)愈發(fā)明顯。城市高溫不僅會(huì)導(dǎo)致因空調(diào)制冷產(chǎn)生更多的能源消耗需求[1,2]，加劇空氣污染[3]，而且會(huì)增加各類疾病爆發(fā)的幾率[4,5]，嚴(yán)重威脅老幼、疾病等脆弱人群的健康[6,7]。因此，減緩城市熱島、提升城市氣候適應(yīng)性、應(yīng)對(duì)氣候變化的挑戰(zhàn)，成為近年來(lái)城市生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。

城市熱環(huán)境受空間形態(tài)、人口活動(dòng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、氣候區(qū)等多個(gè)要素的制約影響[8,9]。由于空間形態(tài)特征與城市熱環(huán)境的關(guān)系最為緊密，是城市建成環(huán)境的最直接反映，并且受地方經(jīng)濟(jì)文化、社會(huì)風(fēng)俗等影響較小，其量化的指標(biāo)如建筑密度、綠地率、天空開(kāi)闊等因子[10]，在全球范圍內(nèi)都具有適用性及對(duì)比性。因此，城市空間形態(tài)也通常是熱環(huán)境領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。城市空間形態(tài)具體涉及城市的功能布局[11]、用地類型[12,13,14]、建筑空間形態(tài)[15,16,17]，甚至是城市的山水關(guān)系等。而由于山體和水體建設(shè)改造難度大，常成為城市中藍(lán)綠空間的主要組成部分。已有大量研究指出，藍(lán)綠空間可以有效改善城市熱環(huán)境，緩解城市熱島[18]。目前關(guān)于城市藍(lán)綠空間和熱環(huán)境之間的關(guān)系，其研究的層面包括藍(lán)綠空間自身的形態(tài)布局、降溫影響范圍以及和周邊建成區(qū)之間的關(guān)系等[19,20]。其中藍(lán)綠空間形態(tài)布局主要指面積、形狀指數(shù)等[21]，通常來(lái)說(shuō)面積越大、形狀越規(guī)則的藍(lán)綠空間，所能產(chǎn)生的泠島效應(yīng)也越強(qiáng)[22]。其對(duì)周邊區(qū)域的降溫效果可以達(dá)到好幾攝氏度，降溫范圍可以達(dá)到幾百甚至上千米[23]；雖然同樣面積大小、多個(gè)破碎不規(guī)則的藍(lán)綠空間斑塊其降溫效應(yīng)較弱，大部分只能產(chǎn)生1℃以內(nèi)的降溫效果，其降溫范圍也僅有幾十米[24]。但是城市中大量存在的微綠空間及水體，使得該種類型的藍(lán)綠空間所產(chǎn)生的降溫效果能覆蓋城市更多的區(qū)域[25]；藍(lán)綠空間和周邊城市建成區(qū)的圍合關(guān)系，包括通風(fēng)廊道、開(kāi)闊度等[24]。開(kāi)闊的空間以及順暢的通風(fēng)廊道，可以有效把藍(lán)綠空間的冷空氣導(dǎo)入城市內(nèi)部[26]。而有序起伏的城市空間形態(tài)甚至建筑空間布局，也有利于藍(lán)綠空間內(nèi)的冷空氣和城市內(nèi)部的熱空氣交換。

值得注意的是，盡管山體和水體是城市綠色空間和藍(lán)色空間的重要組成部分，但少有對(duì)城市山水格局和城市熱環(huán)境之間關(guān)系的研究。且已有研究大多聚焦在單一城市，很少有多個(gè)城市之間的對(duì)比。受城市不同山水格局及面積大小的影響，其熱環(huán)境均有可能產(chǎn)生差異性。另外，已有的各類研究成果中，研究方法眾多、研究數(shù)據(jù)多樣、研究焦點(diǎn)不一，導(dǎo)致很難在同一個(gè)維度上對(duì)多個(gè)城市進(jìn)行橫向?qū)Ρ取６鵀I海城市大多背山面海，具有豐富的山水資源，孕育出各地獨(dú)特的山、水、城空間格局及氣候環(huán)境。為此，本文以中國(guó)10個(gè)濱海城市為例，基于夏、秋季節(jié)的衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，嘗試從熱環(huán)境的視角，對(duì)比分析各地的山水關(guān)系及熱島效應(yīng)特征。以期為理性規(guī)劃設(shè)計(jì)提供支持，增強(qiáng)城市應(yīng)對(duì)熱浪風(fēng)險(xiǎn)的能力。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)

圖1 樣本研究城市圖

中國(guó)擁有長(zhǎng)達(dá)近3.2萬(wàn)公里的海岸線，濱海城市數(shù)量眾多。各城市氣候差異變化大，縱跨熱帶季風(fēng)氣候、亞熱帶季風(fēng)氣候、溫帶季風(fēng)氣候三個(gè)氣候區(qū)，冬季南北溫度差異明顯，夏季普遍高溫。便利的水運(yùn)條件，使得濱海城市具有先天的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。依托于港口及長(zhǎng)期的對(duì)外通商功能，各城市在發(fā)展過(guò)程中，積累了深厚的人文歷史底蘊(yùn)。而氣候各異、多樣的地理要素也鑄就了各地獨(dú)特的山水城市格局。為此，本文選取了10個(gè)具有代表性的濱海城市作為研究對(duì)象（圖1），其中3個(gè)為省會(huì)級(jí)城市（上海、福州、海口），7個(gè)為地市級(jí)城市（大連、秦皇島、煙臺(tái)、青島、日照、寧波、廈門(mén)），分析其山水格局特征以及熱環(huán)境特征。

2.2 數(shù)據(jù)

本次研究的數(shù)據(jù)主要包括Landsat 8衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、谷歌影像數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等。其中，衛(wèi)星遙感影像來(lái)源為美國(guó)地質(zhì)勘探局官方網(wǎng)站（https://earthexplorer.usgs.gov），選取的時(shí)間主要為夏季或秋初，具體時(shí)間見(jiàn)表1。影像獲取日，研究區(qū)上空無(wú)云，天氣晴朗。谷歌影像數(shù)據(jù)主要通過(guò)衛(wèi)星地圖影像軟件獲取得到，其精度為0.5米。地形數(shù)據(jù)主要來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn），其精度為30米。氣象數(shù)據(jù)來(lái)源為中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/），其產(chǎn)品為中國(guó)地面氣象站逐小時(shí)觀測(cè)資料。

表1 各城市的遙感影像截取時(shí)間表

2.3 方法

數(shù)據(jù)處理方法及流程主要包括城市山水識(shí)別與格局分類、地表溫度反演、城市熱島效應(yīng)計(jì)算與分析等。

2.3.1 城市山水識(shí)別與格局分類

本文主要使用地形數(shù)據(jù)和植被覆蓋信息識(shí)別城市山體，其中植被覆蓋信息使用歸一化植被指數(shù)（NDVI）進(jìn)行提取。水體信息使用歸一化差異水體指數(shù)（MNDWI）進(jìn)行提取。城市建設(shè)信息通過(guò)歸一化建筑指數(shù)（NDBI）進(jìn)行提取。NDVI、MNDWI、NDBI均在Arcgis pro 2.5 中通過(guò)Landsat 8影像數(shù)據(jù)直接計(jì)算得到。然后通過(guò)綜合對(duì)比分析，使用定性分析的方法，總結(jié)歸納各城市的山水格局類型。

2.3.2 地表溫度反演

本文基于Landsat 8 衛(wèi)星遙感影像第10波段數(shù)據(jù)，采用大氣校正方法反演地表溫度，其具體流程和原理可以參考文獻(xiàn)[27]。由于已有研究者在ENVI 5.3中將溫度反演流程進(jìn)行了模塊集成，提供了半自動(dòng)化的數(shù)據(jù)處理方式。為此，本研究使用“Landsat 8 地表溫度反演工具”執(zhí)行操作流程。

2.3.3 城市熱島效應(yīng)計(jì)算與分析

大量研究指出，城市熱環(huán)境統(tǒng)計(jì)與計(jì)算具有較大的空間尺度相關(guān)性，并且在300米左右具有較好的結(jié)果[28]。為此，本文在Arcgis Pro中使用300米的矩形格網(wǎng)，提取各類歸一化指數(shù)及地表溫度數(shù)據(jù)。使用城市熱島強(qiáng)度來(lái)比較城市和附近鄉(xiāng)村之間的溫度差異，其計(jì)算公式為城市熱島強(qiáng)度 = 城市地表溫度-鄉(xiāng)村地表溫度。

3 研究結(jié)果

3.1 城市山水格局

圖2 城市山水格局類型及面積、海岸線長(zhǎng)度大小圖

通過(guò)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)各濱海城市的規(guī)模大小不一、形態(tài)各異，其海岸線長(zhǎng)度也從無(wú)到長(zhǎng)達(dá)上百千米(圖2)。其中面積最大的城市為上海，其規(guī)模達(dá)1892平方公里。面積最小的城市為海口，其規(guī)模僅158平方公里。海岸線最長(zhǎng)的城市為大連，最短的城市為福州。大連為半島城市，城市兩側(cè)坐擁美麗海港，為此其海岸線長(zhǎng)達(dá)114千米。福州雖同為濱海城市，但受城市周邊山體環(huán)繞的影響，城市邊界沒(méi)有與海直接相連，其海岸線長(zhǎng)度為零。其他城市大多與海相傍，其海岸線長(zhǎng)度從20千米到90千米不等。

城市山水格局可以概括總結(jié)為山水環(huán)繞型、依山傍水型、眾山環(huán)繞型和平原面水型四種（圖 2）。其中，大連、青島、廈門(mén)三城，海港深入至城市，城市地形起伏變化大，水、山、城相融關(guān)系明顯，形成獨(dú)特的山水環(huán)繞城市格局。秦皇島、煙臺(tái)、日照三城，背靠山脈、面朝大海，大山大水特征明顯，屬于依山傍水型城市。寧波、福州二城，城市周邊被山體環(huán)繞，僅有一面通向大海，整體開(kāi)闊程度較低，屬于眾山環(huán)繞型濱海城市。上海、海口二城，地處河流與海洋交匯的三角洲區(qū)域，城市位于沖積平原之上，周邊并沒(méi)有明顯起伏的山脈，屬于平原面水型城市。

3.2 城市熱環(huán)境

3.2.1 城市用地類型的溫度差異

圖3 城市各類用地類型的地表溫度及夏季平均氣溫分布圖

由于衛(wèi)星遙感影像獲取時(shí)間不一，且各城市空間形態(tài)各異，城市以及各類用地之間的溫度差異變化均較大（圖3）。但總體上，各類用地地表溫度均表現(xiàn)出城市用地溫度＞附近鄉(xiāng)村＞山體綠地＞海洋水體的趨勢(shì)，并且鄉(xiāng)村和山體綠地之間的溫度差異較小。其主要原因在于，城市區(qū)域內(nèi)，人工建設(shè)強(qiáng)度大、綠地覆蓋稀少。大量存在的水泥硬質(zhì)不透水地表對(duì)太陽(yáng)輻射具有很強(qiáng)的吸收能力，高密度的人口活動(dòng)及能量消耗也使得城市成為熱量的釋放源，導(dǎo)致城市地表溫度顯著高于其他類型地表溫度。鄉(xiāng)村地區(qū)除部分點(diǎn)狀集聚的村莊外，其他地方建設(shè)量較少，大面積的地表被綠地所覆蓋，其綠地率和山體差異甚小。這就導(dǎo)致鄉(xiāng)村和山體綠地之間的地表溫度差異較小。而水體比熱容較大，在同等的太陽(yáng)輻射量下，其溫度上升顯著比地表慢。這就導(dǎo)致水體通常在夏季成為“冷島”。同時(shí)，水體的溫度最低也說(shuō)明了水體可能比綠地產(chǎn)生更強(qiáng)的降溫效應(yīng)。

3.2.2 不同形態(tài)類型城市的熱環(huán)境差異

歷年地面氣象站數(shù)據(jù)資料表明，夏季平均氣溫最高的城市為寧波（31℃），平均氣溫最低的城市為煙臺(tái)（25℃）（圖3）。各類型城市夏季平均氣溫依次上升為依山傍水型（26℃），山水環(huán)繞型（27.3℃），平原面水型（28℃）以及眾山環(huán)繞型（30.25℃）。其主要原因在于，在依山傍水型城市里，城市同時(shí)受背后山脈下沉冷空氣和迎面而來(lái)的海洋風(fēng)影響。山體風(fēng)和海洋風(fēng)的綜合作用可以有效降低城市溫度；在山水環(huán)繞型的城市里，幾乎很少有較大規(guī)模的山脈存在，更多的是城市內(nèi)部及周邊的山頭綠地，山體所能產(chǎn)生的冷卻效應(yīng)有限，而部分存在的山體甚至?xí)谝欢ǔ潭壬献璧K海洋風(fēng)進(jìn)入城市。城市空氣在海洋風(fēng)的主導(dǎo)下，在山、水、城之間形成微循環(huán)；對(duì)于平原面水型城市而言，城市冷空氣主要來(lái)源于海洋風(fēng)。當(dāng)城市規(guī)模較大時(shí)，單側(cè)進(jìn)入城市的海洋風(fēng)所能產(chǎn)生的降溫效果較為有限；而在眾山環(huán)繞型的城市里，從海面而來(lái)的海風(fēng)受山脈阻隔，不能順暢到達(dá)城市。城市內(nèi)部的冷空氣主要來(lái)源于周邊的山體，而城市產(chǎn)生的熱空氣又不能快速與外界進(jìn)行交換，導(dǎo)致熱量在城市積聚，使得城市內(nèi)部極易出現(xiàn)高溫的天氣。

通過(guò)進(jìn)一步使用地表溫度對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)熱島效應(yīng)最強(qiáng)的城市為上海（5.93℃），最弱的城市為秦皇島（0.82℃）（圖5）。各類型城市熱島強(qiáng)度依次為依山傍水型（0.97 ℃）、山水環(huán)繞型（2.32 ℃）、眾山環(huán)繞型（3.37 ℃）以及平原面水型（4.58 ℃）。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因在于，本次研究的三個(gè)依山傍水型城市（秦皇島、煙臺(tái)、日照），均位于溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏秋季節(jié)干旱少雨，城市附近的鄉(xiāng)村區(qū)域大多為農(nóng)業(yè)用地所覆蓋，自然綠地覆蓋稀少，這就導(dǎo)致城市和鄉(xiāng)村的綠地覆蓋比例差異變化小。此外，如圖4所示，海洋風(fēng)、山體風(fēng)可以便捷進(jìn)入城市，城鄉(xiāng)熱量交換強(qiáng)度大，進(jìn)而導(dǎo)致城鄉(xiāng)地表溫度差異較小；而在山水環(huán)繞及眾山環(huán)繞的城市類型當(dāng)中，山、城、水關(guān)系密切，不同用地之間的熱量交換程度較高，這使得城市周邊的綠地和水體，可以對(duì)城市產(chǎn)生有效的降溫效應(yīng)。進(jìn)而導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)強(qiáng)度較弱。但多山的地形、山水交互加之濕熱的氣候條件，催生了大量大面積自然山體綠地。城市與其周邊的鄉(xiāng)村地區(qū)，其綠地覆蓋比率差異懸殊。這也就導(dǎo)致了城鄉(xiāng)之間的地表溫差有一定程度的上升，尤其是對(duì)于城在山中、村在綠地中的眾山環(huán)繞型城市而言，其城鄉(xiāng)地表溫差更大；對(duì)于平原面水型的城市而言（上海），城市面積巨大、海岸線較短、周邊無(wú)大體量山脈存在，山、城、水之間的關(guān)系有限，熱量很容易在城市區(qū)域聚集，從而產(chǎn)生顯著的熱島效應(yīng)。城市熱島強(qiáng)度與城市面積之間的顯著的正相關(guān)關(guān)系（0.652*，P＜0.05），也證實(shí)了城市面積越大其熱島效應(yīng)越顯著。

3.3 水體降溫效應(yīng)的對(duì)比分析

圖4 不同類型的濱海城市空氣交換示意圖

由于海風(fēng)在濱海城市熱環(huán)境中扮演著至關(guān)重要的角色。為進(jìn)一步探究海洋水體在不同山水城市格局中的降溫范圍差異，通過(guò)使用已有研究中的三次函數(shù)擬合求解方法[10],獲得了海洋水體在各城市的降溫距離。其結(jié)果表明，海水對(duì)城市的降溫范圍在日照最遠(yuǎn)（1652 逐漸向內(nèi)陸起伏的地形，也使得大量地表與海風(fēng)直接接觸。從而在統(tǒng)計(jì)層面上，海風(fēng)所能影響的范圍更廣。m），在廈門(mén)最小 (701 m)。各類型海水的降溫范圍依次上升為眾山環(huán)繞型（1008 m）、平原面水型（1045 m）、山水環(huán)繞型（1129 m）和依山傍水型（1618 m）。在眾山環(huán)繞型城市，受山體阻隔，海風(fēng)并不能順暢到達(dá)城市。城市中心區(qū)遠(yuǎn)離海岸線，并且海岸線長(zhǎng)度較短。這就導(dǎo)致海水所能影響的城市范圍極為有限；而在平原面水型城市，由于用地充裕，城市建設(shè)受地形限制較小，其斑塊形狀較為規(guī)整。海風(fēng)需要經(jīng)過(guò)城市中心區(qū)才能影響城市內(nèi)陸區(qū)域，而在此之前，海風(fēng)便已被城市加熱，海洋所能影響的城市范圍基本上位于近海岸區(qū)域；在山水環(huán)繞型城市，海岸線長(zhǎng)度較長(zhǎng)，城市與海洋接觸面積有所上升。海風(fēng)可以從多個(gè)方向上影響城市內(nèi)部區(qū)域，而部分因建設(shè)不便所保留下來(lái)的小山頭綠地又在城市區(qū)域的尺度上構(gòu)成了通風(fēng)廊道，這也在一定程度上擴(kuò)大了海風(fēng)的影響范圍；而在依山傍水型城市，受地形限制，城市大多呈狹長(zhǎng)型。這一方面使得城市具有與海洋有較大的接觸面，有利于熱量的交換。另一方面，

4 討論與結(jié)論

本文以中國(guó)10個(gè)濱海城市為例，分析了其山水格局特征和熱環(huán)境的差異。其結(jié)果表明，濱海城市可以分為山水環(huán)繞型、依山傍水型、眾山環(huán)繞型和平原面水型四種。熱環(huán)境在各城市也表現(xiàn)出一定的特質(zhì)性，總體上，依山傍水型熱環(huán)境最優(yōu)，是夏季避暑的理想場(chǎng)所；山水環(huán)繞型熱環(huán)境次之，但該類型城市擁有多變而綿長(zhǎng)的海岸線，城市、海洋、山體相互作用，極易形成微循環(huán)的氣候環(huán)境；平原面水型城市布局規(guī)整，山水關(guān)系差，海風(fēng)對(duì)城市的冷卻效果也較為有限，進(jìn)而導(dǎo)致較差的城市熱環(huán)境；眾山環(huán)繞型城市因山脈圍繞阻隔，城市熱量不能及時(shí)散發(fā)出去，外界涼爽海風(fēng)不能有效進(jìn)入城市。這類城市極易在夏季產(chǎn)生高溫?zé)釐u及熱浪天氣。

圖5 各城市的熱島強(qiáng)度及海洋降溫距離圖

通過(guò)對(duì)比山體綠地和海洋水體的地表溫度以及其降溫范圍，可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于濱海城市而言，海洋水體可更有效地改善城市熱環(huán)境，而通風(fēng)廊道是影響其降溫范圍的關(guān)鍵。因此，在城市規(guī)劃設(shè)計(jì)中，尤其要注意通風(fēng)廊道的設(shè)計(jì)，將涼爽海風(fēng)導(dǎo)入城市內(nèi)陸。對(duì)于受地形限制的山地型濱海城市而言，可以基于城市周邊的山頭綠地，設(shè)計(jì)通風(fēng)廊道，將下沉的山體冷風(fēng)引入城市，改善城市熱環(huán)境。