近30年武汉市热环境格局演化机制及扩散模式研究

池腾龙， 曾 坚， 刘 晨

(1.天津大学建筑学院，天津 300072; 2.北京师范大学人文地理与城乡规划系，北京 100875)

近30年武汉市热环境格局演化机制及扩散模式研究

池腾龙1， 曾 坚1， 刘 晨2

(1.天津大学建筑学院，天津 300072; 2.北京师范大学人文地理与城乡规划系，北京 100875)

基于1987—2015年间Landsat TM/TIRS数据反演主城区的地表温度并进行归一化处理，分析武汉市热环境格局的演化机制，并探讨了其扩散模式特征。研究结果表明，武汉市主城区在近30 a间城市热环境格局发生了较大变化，随着城市建设用地的扩张，热环境格局的扩散模式由起初的点状分布向条状、带状和面状分布演变； 武汉市热环境格局的形成与演化机制与太阳辐射、大气环流和下垫面性质等自然因素以及城市建设与发展阶段、规划政策等人为因素密切相关。

热环境； 演化机制； 扩散模式； 武汉市

0 引言

近年来快速城镇化进程的持续推进，使得城市景观由近自然状态向人工景观状态转换的趋势日益加剧。在此过程中，以水泥、金属等不透水面为主的城市建设用地持续蔓延，进而导致其地表热辐射程度加强，同时随着大量人口的涌入而产生局部地区人为热环境增强，各种因素综合作用导致了地表高温区域的水平与垂直扩张，并最终对城市内部景观产生负面的生态影响[1-2]。在所有的城市生态环境效应中，热环境因素始终处于社会各界普遍关注的热点方向[3-5]，它作为城市环境中重要指标之一，现已成为城市规划和城市气候学研究的重要内容[6-7]。

当前国内外学者多采用遥感卫星影像数据反演出地表温度数据来对城市热环境效应的时空特征及变化规律展开分析。在数据源方面，以研究大尺度下热环境分布的1 km空间分辨率的MODIS数据和中小尺度下的120 m和60 m空间分辨率的Landsat TM/ETM数据为主，在城市热环境研究的各领域均已开展了广泛研究。刘玉安等[8]和冯奇等[9]均使用MODIS地表温度数据对武汉市的热岛强度特征进行了分析，并分别探讨了不同类型下垫面的热岛效应规律以及对空气质量的影响程度，但是其空间分辨率较低，难以反映出中小尺度下的热环境效应及其生态环境影响； 李雪松等[10]以面积、人口和地理信息等调研数据为分析因子，对武汉主城区东南片区的建设用地扩张进行了基于城市冠层模型的WRF模拟，并定量分析了不同时段不同类型的地表温度差异，从而证实了当前的快速城镇化进程对城市热环境效应的影响强度与分异； 梁益同等[11]和史超等[12]分析了武汉市主城区热岛强度在不同季节和不同年份的时空格局演变，定量揭示了城区热岛强度分布与土地利用类型和植被覆盖率的相关关系。但是需要指出的是，针对特定时段或季节的热环境效应监测分析仍显不足，且受到影像自身限制，其反演出的地表温度数据在纵向对比时，地表温度绝对数据并不具有可比性。

武汉市作为我国中部地区最大的城市之一，同时也是我国著名的“三大火炉”之一，自改革开放以来，大规模的城市扩张以及旧城改造工程对近年来的城市生态环境演变及空间格局特征均产生重要的影响。本文选择武汉市主城区为研究对象，对自1987年以来近30 a间的城市热环境演变机制及其扩散模式展开分析，同时将景观格局理论用于城市热环境研究，探讨武汉主城区城市热环境的扩散模式及其规律。拟通过本研究，为新一轮的城市总体规划与人居环境改善等建设提供定量化决策依据。

1 研究区概况

湖北省省会武汉市地处长江中游，其地理位置跨E113°4′～115°5′，N29°58′～31°22′，属于亚热带季风性湿润气候区，以常年湿润，夏季高温，四季分明为特点。近年来随着城市的快速发展，其经济实力已位列中部省份城市之首，但是伴随着快速的城镇化进程，主城区范围内的生态环境问题出现了日益恶化的趋势，城市内涝和城市热岛效应加剧等灾难事件时有发生，严重影响着城市人居环境质量。本文主要针对武汉市主城区的热环境开展研究。研究区涵盖了最新版武汉市主城区规划范围(主要以三环为界，同时包括西南侧的沌口街街道片区)，是近30 a来武汉市建设用地主要的扩张区域，总面积约716.2 km2。

图1 研究区位置Fig.1 Location map of the study area

2 数据源与研究方法

2.1 数据源及其预处理

基于对遥感影像数据的可获得性以及研究区夏季高温季节性因素等考量，本研究主要选择的遥感影像数据均集中在夏季的8—9月份。表1中数据获取途径为美国地质调查局(United States Geological Survey，USGS)官方网站。

表1 研究所涉及的遥感影像数据Tab.1 Remote sensing images for research

数据类型中，2015年夏季为Landsat8/TIRS影像(1幅)，1987—2005年间夏季为Landsat5/TM影像(3幅)，这些影像的云量均小于10%，其中研究区内无云层遮挡。基于国家免费基础数据库中的1∶400万省市行政边界，结合Google Earth高空间分辨率影像数据和武汉市城市总体规划图，对研究区的边界进行了影像配准和矢量化，并基于此边界进行遥感影像的裁剪和热环境空间格局的分析。

目前，地表热环境的分析方法大多使用遥感热红外影像数据。本研究以4期Landsat影像作为研究的数据源，选择TM的第6波段、TIRS的第10波段，即热红外波段来反演研究区的地表温度信息，其空间分辨率分别为120 m和100 m。由于研究成果更加注重分析地表热环境在不同时段的内在变化机理，重在考虑两者之间各时间段的相对差异，故忽略数据间绝对的时相差异。研究所需遥感数据处理软件平台为ArcGIS9.3，ENVI5.0和Fragstats3.3。

2.2 研究方法

2.2.1 反演地表温度

研究所用的4幅卫星影像在研究区内均无云层遮挡，且研究区地形差异较小，故本文选取对大气影响依赖较小的辐射传输方程法来反演武汉主城区的地表温度信息[13]。首先计算地表比辐射率和黑体的辐射亮度，自然与建设用地像元的比辐射率εN和εB可分别依据公式(1)和(2)计算得出，即

(1)

(2)

式中FV为植被覆盖度指数。

进而通过公式

B(TS) =[Lλ-L↑-τ(1-ε)L↓]/τε

(3)

得出温度为T的黑体在热红外波段的辐射亮度B(TS)。其中，Lλ为热红外辐射亮度值；L↑和L↓为大气向上及向下辐射亮度；ε为辐射率；τ为大气透过率。

然后,通过普朗克公式计算地表真实温度TS，即

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

(4)

式中K1和K2在各类型遥感影像中有所不同，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。

以往城市热环境的研究多基于地表温度反演真实温度的分级展开空间分异研究，指标方面主要采用热岛强度等级及其面积来表征其热岛特征，该方法较为局限。因此，本研究中通过对地表温度的归一化处理，运用相对热环境指数(relative thermal environment index，RTI)分析。该指数对区域内的热环境程度进行分级，并将其数值区间统一为[0，1]，进而可对反演得到的地表热环境格局演化进行纵向比较和分析。

2.2.2 热环境演化特征相关指标

2.2.2.1 热环境变化指数

热环境变化方面主要包括变化速度和变化强度。指数方面则相应选择变化速度指数(change speed index，CSI)和变化强度指数(change intensity index，CII)来定量描述热环境变化的时空特征。其中，CSI表示热环境变化的速度和趋势； CII是利用空间单元的面积对扩张速度进行标准化处理，用来衡量单位面积上所能承受的最大强度[14]。CSI和CII值越大，表明城市热环境效应越强，其扩张趋势越明显，不同时期高温区域面积变化越大。CSI和CII的计算公式分别为

CSI=(△Aij/Ai△t)×100%,

(5)

CII=(△Aij/S△t)×100%，

(6)

式中： △Aij为城市相对高温区域从第i年到第j年之间的变化面积；Ai为第i年的高温区域面积； △t为所研究的各时间跨度；S为研究区的总面积。

2.2.2.2 热力景观格局指数

已有相关研究成果表明，城市热环境斑块的面积、数量、密度、破碎度和聚集度等指数不同，其最终所产生的热环境效应也会存在差异。为此，本研究在分析研究区的相对热环境指数的基础上，主要选择了相对高温斑块的数量、密度、最大斑块指数、热力景观面积比等单元格局指数以及破碎度、聚集度等异质性指数来表征研究区内热力景观格局特征，从热力景观指数方面分析研究区域热环境格局的演化机制。

2.2.3 GIS标准差椭圆分析

基于GIS空间计量分析中的标准差椭圆模型对武汉主城区的热环境强度分布进行研究。标准差椭圆模型可用来测量区域热环境差异及内部要素的空间分布特征[15]，其重心可表征热环境空间分布的相对位置，方位角可反映目标分布的主趋势方向，长轴和短轴的长度则分别描述热环境信息在主趋势方向和次要方向上的离散程度。

3 热环境反演结果与分析

3.1 热环境格局分布与演化

3.1.1 热环境格局的时空演化特征

研究区4期RTI分布格局如图2所示。

(a) 1987年 (b) 1994年

(c) 2005年 (d) 2015年

图21987，1994，2005和2015年研究区RTI分布格局

Fig.2DistributionpatternofRTIfor1987,1994,2005and2015inthestudyarea

如图2所示，1987年以来研究区内RTI整体上呈现明显的扩散趋势，且在空间分布上主要为从主城区核心区逐步向周边地区(特别是西南片区)扩张。从高温区面积看(以RTI≥60视为研究区的高温区)，基于GIS统计，1987年、1994年、2005年和2015年研究区的高温区面积分别为84.05，100.84，115.73和118.98 km2，分别占研究区总面积的11.74%，14.08%，16.16%和16.62%； 从增长速度来看，研究区的高温区增长面积为34.94 km2，年均增长量为1.25 km2。这足以表明研究区内的RTI呈现出快速递增的发展态势。

标准差椭圆分析方法是研究某一要素空间分布方向性特征的有效方法之一，将长、短轴方向(轴线与x轴的夹角)与标准方差椭圆形状联系在一起，长轴代表最大扩散方向，短轴代表最小扩散方向。为定量研究武汉市地表热环境格局的总体演化特征，以1987—1994，1994—2005和2005—2015年间3个时间段内研究区具有较高RTI(≥60)的增长变化空间特征为基础，进行标准差椭圆分析，其结果如图3所示。

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

图3研究区3个时间段内温度斑块增长趋向性特征

Fig.3Tendencyofcharacteristictemperatureofthreeperiodsinthestudyarea

通过图3分析发现： 1987—1994年间武汉市主城区增温空间的标准差椭圆扁率为0.059，长轴半径为22.04 km，增温空间扩散方向为NE41°； 1994—2005年间的扁率为0.176，长轴半径仍为22.04 km，增温空间扩散方向为NE8°； 2005—2015年扁率上升至0.201，长轴半径较前一阶段又有所上升，增至27.12 km，此时增温空间转向NE22°。分析结果表明武汉市主城区的热环境扩散主要以WN向WS方向转移为主。从武汉市近年来的城市发展历史来看，1993年随着武汉市经济开发区上升为国家级以后，1994—2005年间该片区的城市热环境增温趋势十分明显，东风大道沿线高温区域呈带状分布，自2005年后逐渐呈面状蔓延。受武汉市城市规划、新区开发及产业重心转移等相关政策因素的影响，经济开发区和白沙洲大道沿线等边缘区域增温较为显著且呈面状趋势发展，其主轴方向逐渐呈逆时针方向转移。

3.1.2 热环境格局指数的变化特征

3.1.2.1 热环境变化指数

对表2中研究区新增高温斑块扩张情况进行分析，3个时间段内其扩张面积分别为55.971 km2，19.165 km2和21.424 km2，1987—1994年间扩张面积最大，同时其CSI和CII也为各时间段最高值，分别为5.73%和0.32%。自1994年以后，无论是高温斑块CSI还是CII，均出现了下降趋势并保持稳定变化趋势。

表2 研究区新增高温斑块CSI与CIITab.2 CSI and CII of new high temperature strength patches in the study area

同时结合图4中研究区3个时间段新增高温斑块空间分布变化可知： 1987—1994年间，武汉市主城区高温斑块增长区域主要集中在经济开发区； 此后至2005年，高温斑块的增长区域仍集中在边缘区域的经济开发区外围地带以及二环线西北常青路沿线； 2005—2015年间，随着南湖东站和武汉西站周边建设用地的不断开发，其RTI逐年提升。

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

图4研究区3个时间段新增高温斑块分布

Fig.4Spatialdistributionofnewhightemperatureplaquethreeperiodsinthestudyarea

3.1.2.2 地表热力景观指数

将基于TIRS和TM影像的地表热环境反演结果在ArcGIS9.3中转换为GRID格式数据，然后利用Fragstats3.3软件计算高温斑块景观的斑块数量、斑块密度、最大斑块指数、斑块景观面积比等单元格局指数以及斑块破碎度和聚集度等异质性指数共计6个指数(表3)，定量探讨研究区的热力景观格局及其变化特征。

表3 1987—2015年间4期高温斑块景观指数统计Tab.3 Statistical heat patches landscape indexs of four years from 1987 to 2015

分析结果表明，1987—2015年间研究区的热力景观格局发生了显著变化： 斑块数量在2005年以前逐年下降，随后有小幅度增长趋势，表明主城区内热力景观斑块有蔓延趋势，由点状逐渐向面状聚合，2005年以后随着旧城改造使得主城区内斑块数量稍有增加； 斑块密度则反映研究区内热力景观斑块空间分布的密集特征，整体而言密度逐年降低，其变化趋势和斑块数量一致； 最大斑块指数始终处于上升趋势，研究区高温斑块呈面状趋势发展； 异质性指数方面，热力景观斑块的破碎度与聚集度变化各有不同，自2005年以后呈小幅度增长趋势，说明研究区高温斑块的分布广泛，且在2005年以后出现了小幅度扩张，高温斑块的聚集度增加趋势明显。

3.2 热环境扩散模式分析

关于热环境扩散模式的分析主要运用图形拓扑分析法。在模式分类上，如果新增斑块与原有图斑不具有公共边界则归类为飞地式扩散模式； 如果存在公共边且其新增斑块呈条状分布则归类为延伸式扩散模式； 如果公共边超过一半的则可归类为填充式(外部)扩散模式； 如果公共边尚未超过一半的则可归类为填充式(内部)扩散模式。各种扩散模式及其特征如表4所示。

表4 4种热环境扩散模式及其特征Tab.4 Four kinds of diffusion models and the characteristics of thermal environment

基于表4中热环境扩散模式分类，对1987—2015年间的高温斑块增长格局进行叠置分析，进而得出3个时间段各种扩散模式下的高温斑块增长幅度和差异(图5)。

图5 研究区3个时间段各增长模式面积统计Fig.5 Area statistics of each growth model three periods in the study area

自1987年以来，延伸式和飞地式扩散模式是武汉市主城区高温斑块扩散的主导模式，这2种模式的贡献比例占60%。填充式(内部)扩散模式在2005年以前的2个时段增长面积均超过2 km2，自2005年以后其增幅显著下降。从3个时间段来看，武汉市主城区的道路牵引(如东风大道和白沙洲大道等)对于区域高温斑块增长的贡献始终处于较高的位置，其主导作用显著，填充式(内部和外部)扩散模式自2005年以后均处于劣势位置，飞地式和延伸式增幅与填充式持平，这一结果表明武汉市主城区高温斑块扩散特征逐渐转为从核心区过渡到边缘区一带，在面状不断填充的同时，高温斑块逐渐向道路沿线和重要节点(如火车站、新城行政中心)周边地带延伸。

3.3 热环境扩散影响机制分析

为了分析热环境扩散的影响机制，分别从太阳辐射、大气环流和下垫面性质等自然因素以及城市建设与发展阶段和规划政策等人为因素展开分析。

1)自然因素方面。①武汉市的太阳直接辐射值在7月份达到最高值，其辐射量可直接穿透大气中的二氧化碳和污染物覆盖区域，由于城区本身产生大量的热量，在反射的过程中以逆辐射的方式导致热量返回地表，使得城市热岛不断扩散并加剧； ②大气环流方面，副热带高压是武汉市夏季的主要天气系统,该系统使得区域内少雨少云，气流下沉增温，云量稀少，并且市内江河湖泊众多，水汽大量蒸发，区域内湿度较高并且不易扩散，从而使得人体热舒适度不高，这也是武汉比同纬度的上海等特大城市温度偏高的原因之一； ③从中微观尺度来看，城市内部下垫面介质的热特性也使得热环境格局存在差异，不透水面热容量大,白天吸热快，夜间散热也快，使近地表空气显著增温，故在相同的太阳辐射下，比绿地、水域等升温快，白天表面温度远高于后者。此外，参差不齐的高层建筑以及街道分布也会在一定程度上影响热环境扩散格局，城区内部受上述因素影响使得其通风效果(热扩散速度)减慢，从而引起局地热环境强度的蔓延。

2)人为因素方面。①近年来快速的城镇化进程使得城市不透水面面积迅速扩张，进而促使其热环境效应逐渐加强。城市不断向外扩张使得武汉市主城区的建筑及道路工程等水泥硬化铺装不断蔓延，城市高温斑块也随之逐渐向外围郊区蔓延。相关统计数据表明，2015年武汉市主城区的建设用地面积已高达556.13 km2，是1994年建设用地面积的2.76倍，其快速扩张的城市不透水面积势必导致区域生态环境的恶化，其中热岛效应现象日益严重是当前面临的重要议题之一； ②城市规划直接影响城市热环境格局的分布。城市规划及有关政策的制定直接导致了城市扩张的特征与变化趋势。自1987年以后，武汉市人口规模迅速扩大，随后于1995年编制的武汉市城市总体规划中，正式提出了多中心组团式布局的规划构想，城市内部的用地类型也逐渐得以优化，2011年以后，武汉市提出构建“1+6”的城市空间格局，主城区核心区的人口逐渐疏散至周边区域，工业布局也开始外迁。此时核心区内的城市热环境有了一定的改善，高温斑块逐渐向外围区域转移； ③城市发展的阶段影响了城市热环境格局的变化模式。对于武汉市主城区而言，其热环境格局的变化特征整体上遵循着城市建设用地扩张的规律，即从点状增长逐渐转变为线轴式延伸，最后演变为面状聚集的变化过程。由于武汉市近年来快速的城镇化进程，其热环境格局增长在1987—2005年间多以线轴式和面状蔓延的方式扩展，随着2005年以后武汉市主城区城市规划政策更趋完善，城市热环境格局蔓延的趋势得以有效遏制，其主导扩散模式也在发生转变。

4 结论与展望

本文基于遥感影像数据, 运用景观生态学、空间统计学以及GIS空间分析相关方法，探讨了武汉市主城区近30 a来的热环境效应及其扩展模式，得到如下结论：

1) 1987年以来武汉市主城区内的热环境指数呈现出快速递增的发展态势，RTI呈现明显的扩散趋势，且在空间分布上从核心区逐步向周边(特别是西南片区)扩张。

2)热环境指数方面，1987—1994年间扩张面积最大，CSI和CII也为各时段最高。2005年，高温斑块增长区域仍集中在经济开发区外围及二环线西北常青路沿线； 2005年以后，随着东站和武汉西站周边建设用地的不断开发，相对热环境指数逐年提升。热力景观指数方面，斑块数量在2005年以前逐年下降，热力景观斑块由点状逐渐向面状聚合，最大斑块指数始终处于上升趋势，高温斑块呈面状趋势发展； 异质性指数方面，破碎度在2005年以后呈小幅增长趋势，说明研究区高温斑块的分布广泛，其聚集度增幅明显。

3)热环境扩散模式方面，近30 a来，延伸式和飞地式扩散模式是武汉市主城区高温斑块扩散的主导模式。填充式(内部)扩散模式在2005年以前2个时段增长面积均超过2 km2，自2005年以后其增幅显著下降。武汉市主城区高温斑块扩散特征逐渐转为从核心区过渡到边缘区一带，在面状不断填充的同时，高温斑块逐渐向道路沿线和重要节点周边地带延伸。

4)热环境扩散影响机制有2个方面： ①自然因素方面。武汉市的太阳直接辐射使得城市热岛不断扩散并加剧； 副热带高压使得区域内少雨少云，气流下沉增温，云量稀少，并且市内江河湖泊众多，水汽大量蒸发，区域内湿度较高并且不易扩散； 城市内部下垫面介质的热特性也使得热环境格局存在差异。此外，参差不齐的高层建筑及街道分布也会在一定程度上影响热环境扩散格局。②人为因素方面。近年来快速的城镇化进程使得城市不透水面面积迅速扩张，进而促使其热环境效应逐渐加强； 城市规划政策直接影响城市热环境格局的分布； 城市发展的不同阶段直接影响了城市热环境格局的变化模式。

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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

池腾龙,曾坚,刘晨.近30年武汉市热环境格局演化机制及扩散模式研究[J].国土资源遥感,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

国家自然科学基金项目“快速城镇化典型衍生灾害防治的规划设计原理与方法”(编号： 51438009)资助。

池腾龙(1986-)，男，博士研究生，主要从事低碳城市规划相关研究。Email： tju1895@qq.com。

曾 坚(1957-)，男，教授，博士生导师，主要从事城市防灾减灾相关研究。Email： zengjian1957@qq.com。

(责任编辑：张仙)