從熱島效應(yīng)看重工業(yè)城市的空間發(fā)展——以太原市為例

侯志華，馬義娟

（太原師范學(xué)院 地理科學(xué)學(xué)院，山西 太原030012）

近年來，盛夏高溫成為城市的一種重要災(zāi)害性天氣，已經(jīng)嚴(yán)重威脅到了人類健康[1].城市化進(jìn)程中，人口的高度集聚、礦物燃料的大量消耗、地表覆被類型的巨大變化，導(dǎo)致城市區(qū)域的熱環(huán)境發(fā)生了顯著變化，形成了城市區(qū)域的特殊氣候——城市熱島效應(yīng).在全球增暖和高速城市化的背景下，城市熱島效應(yīng)成為主導(dǎo)城市氣候和環(huán)境的要素之一[2－3].因此，研究城市熱島的空間分布特征及發(fā)展趨勢(shì)，及其與城市建設(shè)之間的關(guān)系，把高溫酷暑對(duì)人類生產(chǎn)、生活的影響降低到最低限度，是城市建設(shè)健康、持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要課題[4].眾多專家學(xué)者從城市發(fā)展指數(shù)、城市發(fā)展強(qiáng)度指標(biāo)、城市人口、城市空間發(fā)展等方面探討城市化進(jìn)程與熱島效應(yīng)之間的關(guān)系[5－8].

太原市，作為山西省省會(huì)，是中國最重要的能源，重工業(yè)基地之一.2000年以來，隨著太原市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市規(guī)模的擴(kuò)張十分顯著，熱島效應(yīng)也日益突出，而有關(guān)太原市城市熱島效應(yīng)的研究較少.本文利用較為成熟的遙感技術(shù)，借助GIS軟件，以城市用地?cái)U(kuò)張作為切入點(diǎn)，研究太原城市建設(shè)與城市熱島效應(yīng)之間的關(guān)系，為改善城市氣候和環(huán)境，制定城市規(guī)劃、城市發(fā)展決策提供一定的依據(jù).

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)源

本文的主要數(shù)據(jù)有:太原市區(qū)2000年7月1日 的ETM＋影像，2006年6月24日和2010年9月28日的TM影像，太原市區(qū)2005年土地利用現(xiàn)狀圖，太原市行政區(qū)劃圖，太原市近10年相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料.

1.2 研究方法

1.2.1 亮溫反演

亮溫是傳感器在衛(wèi)星高度所觀測(cè)到的熱輻射強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的溫度，它受到大氣和地面等諸多因素的干擾，不是真正意義上的地表溫度或者大氣溫度.但城市熱島效應(yīng)研究主要注重的是溫度相對(duì)強(qiáng)弱的空間分布特征，大氣輻射和地表性質(zhì)對(duì)溫度的相對(duì)分布不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響，因此可以用和真實(shí)溫度的強(qiáng)弱趨勢(shì)一致的亮度溫度來表征一個(gè)區(qū)域熱強(qiáng)度的空間分布變化，研究其熱島效應(yīng)[8].

國內(nèi)外眾多學(xué)者研究Landsat衛(wèi)星的熱紅外波段反演亮度溫度的計(jì)算模式[9－10]，并通過多次實(shí)驗(yàn)，得到了第6波段的圖像灰度值和下墊面像元亮溫之間的定量關(guān)系，即:

式中:Tb為指地面亮溫K；Lb為地6波段的光譜輻射強(qiáng)度；DN6指6波段的圖像灰度值；Lmax指傳感器可探測(cè)到的最大輻射亮度；Lmin指傳感器可探測(cè)到的最小輻射亮度；k1，k2為反演系數(shù).Lmax，Lmin以及k1，k2對(duì)于不同的傳感器，取值不同.對(duì)于Landsat 5TM 傳感器Lmax＝1.560 0（W·m－2·sr－1·μm－1），Lmin＝0.123 8（W·m－2·sr－1·μm－1），k1＝60.776（W·m－2·sr－1·μm－1），k2＝1 260.56K；對(duì)于Landsat7ETM＋傳感器Lmax＝17.04（W·m－2·sr－1·μm－1），Lmin＝0.0（W·m－2·sr－1·μm－1），k＝666.09（W·m－2·sr－1·μm－1），k2＝1 282.71K.

1.2.2 城市用地提取

首先，參照2005年土地利用現(xiàn)狀圖，利用2000，2006，2010年遙感影像，通過目視解譯提取3期的城市建設(shè)用地；然后利用ArcGIS軟件的空間疊加技術(shù)，統(tǒng)計(jì)新增的城市建設(shè)用地，并通過野外調(diào)查確定其具體的性質(zhì)和用途.

2 結(jié)果分析

2.1 城市熱島效應(yīng)時(shí)空變化特征分析

2.1.1 熱島范圍提取

利用ERDAS IMAGINE 9.2軟件，按照上述的亮度溫度反演公式，對(duì)太原市區(qū)2000年、2006年和2010年三期熱紅外波段影像進(jìn)行溫度反演，得到地面亮溫.并利用密度分割等技術(shù)對(duì)地面亮溫進(jìn)行等級(jí)劃分，根據(jù)研究需要，本文將反演結(jié)果分為6個(gè)等級(jí)，即低溫區(qū)（＜20℃）、較低溫區(qū)（＜25℃）、中溫區(qū)（＜30℃）、次高溫區(qū)（＜35℃）、較高溫區(qū)（＜40℃）和高溫區(qū)（＜56℃），如圖1所示.

對(duì)于熱島效應(yīng)的范圍確定問題，不同學(xué)者有不同見地，本文參考前人意見，并根據(jù)實(shí)際情況，將亮溫在35℃及以上的范圍確定為熱島效應(yīng)范圍，即較高溫區(qū)（35～40℃）及高溫區(qū)（40～56℃）.

2.1.2 熱島范圍面積分析

統(tǒng)計(jì)2000，2006和2010年三期太原市區(qū)熱島范圍，結(jié)果表明:2000年，太原市區(qū)熱島面積僅169.01 km2，到2006年增加至205.13km2，2010年繼續(xù)擴(kuò)大，面積達(dá)到223.31km2；2000－2006年，熱島范圍擴(kuò)大了36.12km2，增長幅度為21.37%；2006－2010年，熱島范圍擴(kuò)大了18.18km2，增長幅度為8.86%.由此可見，前期熱島效應(yīng)的擴(kuò)張趨勢(shì)明顯高于后期.

2.1.3 熱島范圍空間分布特征分析

從空間分布上看，2000－2006年太原市區(qū)熱島效應(yīng)的范圍向北、西、南三面都有明顯的擴(kuò)展.北面表現(xiàn)在尖草坪區(qū)新城附近，高溫區(qū)范圍增長明顯；西面是汾河以西萬柏林區(qū)的工業(yè)區(qū)，熱島效應(yīng)大范圍向西增加，并擴(kuò)展到市郊一帶；南面晉陽湖西金勝鎮(zhèn)以西及西南的京昆高速一帶和汾河?xùn)|面老城區(qū)以南至小店區(qū)一帶，高溫區(qū)及較高溫區(qū)也大范圍增加.此外，汾河以東的老城區(qū)的熱島效應(yīng)明顯改善，較高溫及高溫區(qū)域面積減少，且高溫斑塊稀疏許多；尖草坪區(qū)北部和萬柏林區(qū)西北部的山上，熱島范圍及強(qiáng)度也明顯減縮.

2006－2010年，總體上看熱島范圍擴(kuò)展幅度較小，具體表現(xiàn)在:一是北面，尖草坪區(qū)森林公園、動(dòng)物園以北的太鋼工業(yè)區(qū)一帶，高溫區(qū)、較高溫區(qū)增加明顯，斑塊密集成片；二是南面，汾河以西晉陽湖附近的工業(yè)區(qū)，較高溫區(qū)繼續(xù)向南延伸.

2.2 城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張分析

2.2.1 擴(kuò)張面積分析

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2000年太原市區(qū)建設(shè)用地面積218.09km2，2006年增加到253.57km2，2010年增加到320.04km2；2000－2006年，建設(shè)用地增加了35.47km2，增幅16.26%，2006－2010年建設(shè)用地增加了66.48km2，增幅26.22%.由此可見，太原市區(qū)建設(shè)用地面積在不斷增加，且后期的增長幅度明顯高于前期.

2.2.2 擴(kuò)張空間特征分析

從空間特征上看，2000－2006年，太原市區(qū)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張主要以向西和西南為主:向西是萬柏林區(qū)環(huán)城高速路以西的西銘鄉(xiāng)一帶，以工業(yè)用地的增加為主，包括西山煤電集團(tuán)機(jī)電總廠、西山礦區(qū)、太原重型機(jī)械廠等；向西南是晉陽湖西面的金勝鎮(zhèn)一帶，工業(yè)用地面積陡增，其中包括太原第一熱電廠、三九企業(yè)集團(tuán)、太原洗滌劑廠、太原化肥廠催化劑分廠、山西永興化工有限公司等.

2006－2010年，發(fā)展方向最突出的是向南.具體是:東南的小店區(qū)高新開發(fā)區(qū)一帶發(fā)展迅速，西南的晉源區(qū)晉祠一帶建設(shè)用地面積陡增，老城區(qū)南部至環(huán)城高速的汾河兩岸也發(fā)展迅猛.

2.3 城市化進(jìn)程與熱島效應(yīng)變化對(duì)比分析

比較2000，2006，2010年太原市區(qū)的熱島效應(yīng)擴(kuò)張和建設(shè)用地?cái)U(kuò)張，宏觀來講，兩者的面積均呈現(xiàn)出增加的發(fā)展趨勢(shì)，且都有明顯的向西和向南的擴(kuò)張.但二者也有顯著的不同，2000－2006年，建設(shè)用地以環(huán)城高速以西的西山煤礦、晉陽湖以西及西南面的太原第一熱電廠、化肥廠等工業(yè)用地發(fā)展為主，擴(kuò)張范圍較后期小，而這些高耗能的產(chǎn)業(yè)造成熱島范圍的大面積擴(kuò)張，進(jìn)一步加劇了城市熱島效應(yīng)；2006－2010年，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張主要表現(xiàn)在南部小店區(qū)的高薪開發(fā)區(qū)、西南部的晉源區(qū)以及環(huán)城高速以南的飛機(jī)場一帶，擴(kuò)張范圍較前期大，但以房地產(chǎn)、高新產(chǎn)業(yè)等為主，熱島效應(yīng)受到了一定程度的控制，擴(kuò)張幅度較前期有所收斂如圖2、圖3.

圖2 2000，2006，2010年太原市區(qū)熱島擴(kuò)張圖

圖3 2000，2006，2010年太原市區(qū)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張圖

3 結(jié)論

對(duì)于城市熱島效應(yīng)，利用Landsat熱紅外圖像反演亮度溫度，是一種行之有效的的研究方法，資料便于獲取，技術(shù)易于掌握，且結(jié)果貼切實(shí)際.2000－2010年，太原市區(qū)建設(shè)用地不斷擴(kuò)張，熱島范圍也不斷增大，但二者的步調(diào)并不一致，前期建設(shè)用地?cái)U(kuò)張不大而熱島范圍增長迅速，后期建設(shè)用地大規(guī)模擴(kuò)張而熱島范圍擴(kuò)張的幅度較小.城市的熱中心主要集中在城區(qū)和工業(yè)區(qū)內(nèi)，而有植被、水體的區(qū)域，地面亮溫較低，因此在城市化進(jìn)程中要合理規(guī)劃，保持和維護(hù)湖泊、河流、水庫等水體的面積，適當(dāng)增加城市植被覆蓋度，合理布局強(qiáng)熱污染工廠，對(duì)于緩解城市熱島效應(yīng)具有重要的意義.

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