沿海河谷盆地城市熱島時空特征及驅(qū)動機制

林榮平,祁新華,葉士琳

1 中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院, 廣州 510275 2 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 福州 350007 3 中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所, 南京 210008

沿海河谷盆地城市熱島時空特征及驅(qū)動機制

林榮平1,祁新華2,*,葉士琳3

1 中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院, 廣州 510275 2 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 福州 350007 3 中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所, 南京 210008

針對以往熱島研究中缺少自然-人文多維因子組合作用的成因分析,基于landsat TM/OLI遙感影像反演福州市1991、2000及2013年河谷盆地亮溫?zé)釄?并利用主成分多元回歸方法探討DMSP/OLS夜間燈光、交通密度、地表非滲透面、地面高程、地表植被、水體等多維因素對城市熱島的綜合影響及聯(lián)動關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)：①1991—2013年盆地?zé)釐u輻射范圍不斷蔓延,老城區(qū)成為熱島核心區(qū),呈中心向外輻射并沿江擴展態(tài)勢,盆地“溢出”現(xiàn)象顯著;②盆地內(nèi)平原-山地溫差達10—14℃,熱島面積出現(xiàn)兩極分化,23年間熱島面積共增加226.9km2,其中高溫區(qū)面積增長四倍,年增長率最大(7.50%);③夜間燈光、交通路網(wǎng)密度、地表非滲透面、地表植被、地面高程及水體每變化1個單位,溫度將分別變化0.430、0.418、0.103、-0.031、-0.469及-0.096;④人文促進作用大于自然抑制作用,綜合作用下盆地升溫0.35個單位;⑤相比地表非滲透面,夜間燈光與交通密度對熱島的增溫貢獻更為顯著;地面高程主導(dǎo)降溫作用,其次為水體與地表植被,后兩者作用之和僅為地面高程的27%。福州盆地當(dāng)前的生態(tài)環(huán)境并不足以緩解城市未來進一步發(fā)展而導(dǎo)致的熱島加劇,當(dāng)保持城市現(xiàn)有發(fā)展規(guī)模且自然作用進一步增加60%時,降溫抑制作用才會明顯。

城市熱島;多維因子;組合影響;河谷盆地;福州

全球變暖已成為當(dāng)今普遍共識,2013年聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第五次評估報告指出,1880—2012年全球海陸表面平均溫度呈線性上升趨勢,且隨氣候持續(xù)變暖,高溫?zé)崂藢⒆兊酶宇l繁[1-2]。在此背景下,城市氣候問題,尤其是城市熱島效應(yīng)愈發(fā)矚目。城市熱島是城市化氣候效應(yīng)最顯著特征之一[3-4],近年來影響范圍不斷擴大,對區(qū)域氣候變化、城市大氣環(huán)境格局、能源消耗和居民健康帶來的影響日益強烈[5]。有研究數(shù)據(jù)表明,歐洲國家夏季氣溫每上升1K,電力需求將增加1.66%[6],更有法國、美國、日本、墨西哥等國家每年因高溫造成數(shù)百上千人死亡[7-8]。

當(dāng)前城市熱島研究已取得一定成果,學(xué)者們對許多城市的熱島成因[9]、形態(tài)特征[10]、過程演化[11]及模擬預(yù)測[12]等方面開展了大量工作。在熱島特征方面,不少研究基于城-郊氣象站點觀測資料或遙感影像指出地區(qū)熱島發(fā)展的時空特征及年代演變過程[13- 15],原因分析上則側(cè)重將單一因子與熱島溫度回歸擬合,構(gòu)建地溫與信息指數(shù)(如NDVI、NDBI等)定量關(guān)系[16-17],由此發(fā)現(xiàn)城市化建設(shè)過程中的地表覆蓋或土地利用變化等人類活動是促成城市熱島效應(yīng)的重要原因[18-19]。例如Schlünzen等人結(jié)合德國漢堡大都市區(qū)45個氣象站點數(shù)據(jù)資料,指出市區(qū)在夏季及冬季的增溫現(xiàn)象明顯,高密度建成區(qū)均溫比外圍地區(qū)高出1.1K[20];Jong-Seong等人對韓國40座城市的站點氣溫數(shù)據(jù)與城市人口規(guī)模進行趨勢擬合,結(jié)果顯示1975—2005年人口規(guī)模每增長100萬,氣溫升高0.44℃[21];借由Landsat 7遙感影像反演印度孟買及德令哈市兩大城市地溫,Grover等人分析熱島空間分布差異并將其與歸一化植被指數(shù)進行擬合,認(rèn)為NDVI與孟買熱島效應(yīng)負(fù)相關(guān)性更為明顯[22];曹愛麗等人利用城郊站點溫差數(shù)據(jù)指出上海1951—2006年城郊溫差增溫率為0.23℃/10a,并將其分別與人口、建成區(qū)面積、房屋竣工面積等指標(biāo)進行相關(guān)分析,發(fā)現(xiàn)住宅建設(shè)是上海城市熱島最主要原因[23];徐涵秋針對不透水面與城市生態(tài)要素的關(guān)系研究表明福州市城市不透水面高比例地區(qū)升溫效應(yīng)明顯[24];水體作用同樣突出,王美雅等人通過提取遙感影像水體信息發(fā)現(xiàn)水體比例每增加 10%,地表溫度將會減少1.70℃[25]。此外,其他同類研究還發(fā)現(xiàn)地區(qū)GDP、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及能源消耗[26-27]等因素也會對城市熱島效應(yīng)產(chǎn)生不同程度影響。

實際上,熱島與影響因素并非簡單的一維線性關(guān)系,僅通過單個因素相關(guān)分析或回歸模型推斷變量與城市熱島之間的因果關(guān)系,而不考慮其他因素的互動影響,會使得相關(guān)研究成果存在缺陷,忽略各因素在自然-人文多維因子交互、組合影響下的實際作用程度。雖然現(xiàn)有研究試圖運用新因素、新方法進行實證分析,例如徐涵秋利用逐步回歸方法指出不透水面對地面溫度的影響可接近或超過植被和水體之和[28];戴曉燕等人利用決策樹挖掘土地利用程度、人口及工業(yè)區(qū)密度等多種因素與城市熱島的相互關(guān)系[29],但總體上,城市熱島多維影響關(guān)系的綜合定量認(rèn)知與組合評價仍相對較少,相應(yīng)機理性分析和案例驗證不足。

在研究對象方面,特殊生態(tài)系統(tǒng)、特殊地域?qū)θ蜃兓?特別是對氣候變化的響應(yīng)問題逐漸成為科學(xué)界熱點[30]。不同于平原地區(qū),河谷盆地因相對封閉的地形地貌和內(nèi)在多變的人類活動成為高溫?zé)崂硕喟l(fā)區(qū)域,且中國山地丘陵眾多、分布廣,面積約占國土陸地總面積的43%[31],在此基礎(chǔ)上形成的河谷型城市具有很強的典型性和區(qū)域性[32]。但在前人研究中,盆地特有地形特征(如地面高程差異)對熱島的影響并未得到詳盡闡明[15,17,33]。

綜上,本文嘗試以河谷盆地城市為研究對象,通過GIS與主成分多元回歸方法探討自然-人文多維因子與盆地?zé)釐u的聯(lián)動關(guān)系,以充分認(rèn)識主要因素對城市熱場的組合影響,深化城市熱島驅(qū)動機制研究。關(guān)注以下3個方面：①河谷盆地?zé)釐u空間如何分布及其影響輻射范圍;②定量化自然-人文多維度影響因素與熱島互動關(guān)系;③以往研究中作用突出的因素能否被其他因素取代或是在組合作用下仍否保持顯著作用。

1 研究區(qū)域概況

福州市位于中國東南沿海,為福建省會城市,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,是典型河口盆地(面積576 km2)[34],東、西和北三面為中低山,南面和東南面為丘陵,地勢自西向東傾斜,空間上為東南向開口的簸箕狀地形,城市建成區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)集鎮(zhèn)和農(nóng)村居民建設(shè)用地多集中于此,區(qū)內(nèi)有閩江南北兩支橫貫市區(qū)東流入海(圖1)。

經(jīng)多年發(fā)展,福州已成為東南沿海重要現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)基地,產(chǎn)業(yè)門類發(fā)達,電子信息、機械工業(yè)等產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,2014年市轄區(qū)城鎮(zhèn)化水平超到97%*數(shù)據(jù)來源：福建省統(tǒng)計年鑒,http://www.stats-fj.gov.cn/xxgk/ndsj/?，F(xiàn)今福州是海上絲綢之路重要門戶及中國(福建)自由貿(mào)易試驗區(qū)三片區(qū)之一。隨經(jīng)濟高速發(fā)展,福州城市氣候問題愈發(fā)突出,主要表現(xiàn)為市區(qū)氣溫升高。2003年福州城區(qū)創(chuàng)下1957年以來持續(xù)高溫時間最長紀(jì)錄(連續(xù)24d最高氣溫超過36℃)[35],2007年出現(xiàn)持續(xù)高溫天數(shù)創(chuàng)百年記錄[36]。據(jù)1981—2010年年均高溫日數(shù),福州市以年均32.6d超過重慶29.6d成為“內(nèi)地大城市最熱城市”[37]。特別是20世紀(jì)末以來,福州氣溫上升趨勢明顯(圖2),1980—2012年氣溫傾向率達到0.388℃/10a(1953—2012年為0.212℃/10a)。福州市近年來高溫頻數(shù)、強度正逐漸增大。

圖1 福州市中心城區(qū)范圍Fig.1 The scope of Fuzhou center city

圖2 1953—2012年福州市年均氣溫 Fig.2 The annual average temperature of Fuzhou City from 1953—2012 數(shù)據(jù)來源：中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng),http://cdc.cma.gov.cn/

本文以福州市中心城區(qū)作為研究區(qū),相應(yīng)研究范圍依據(jù)福州市城市總體規(guī)劃(2008—2020年)劃分,主要包括福州市5區(qū)(晉安區(qū)除壽山、鼓嶺、甘溪、宦溪外),以及閩侯縣荊溪鎮(zhèn)、琯頭鎮(zhèn)、南嶼鎮(zhèn)等地,面積共1443km2,人口達306萬人[38](下文的晉安區(qū)、閩侯縣等均指中心城區(qū)范圍內(nèi)所涉區(qū)域)。

2 研究方法和數(shù)據(jù)來源

2.1 研究方法

2.1.1 亮溫反演

傳統(tǒng)溫度數(shù)據(jù)來源于氣象站點觀測資料,無法全面反映大、中空間尺度連續(xù)性地表溫度及其形態(tài)結(jié)構(gòu)與擴展態(tài)勢,故本文采用遙感影像反演地面亮溫獲取研究區(qū)范圍內(nèi)的時空熱場。地面亮溫為地表溫度、地表比輻射率、大氣溫度以及大氣透過率等因素的綜合體現(xiàn),是熱環(huán)境研究常用手段[39]。

(1) 輻射定標(biāo)

將Landsat5 TM遙感影像上B6波段(Landsat8為B10波段)DN值轉(zhuǎn)換為輻射亮度,相應(yīng)定量關(guān)系為[40]：

Lλ=Lmin(λ)+(Lmax(λ)-Lmin(λ))Qdn/Qmax

(1)

式中,Lλ為衛(wèi)星傳感器所接收的光譜輻射強度(W m-2Sr-1μm-1),Qdn為像元DN灰度值,Qmax為遙感影像上像元最大的DN灰度值,即Qmax=255,Lmax(λ)為傳感器最大輻射強度,Lmin(λ)為傳感器最小輻射強度。式中各參數(shù)可分別從影像數(shù)據(jù)頭文件獲取。

(2) 亮溫計算

(2)

式中,T為地面亮溫(℃),K1和K2為系數(shù)常量,對于Landsat5 TM影像,K1=60.776W m-2Sr-1μm-1,K2=1260.56W m-2Sr-1μm-1。對于Landsa8 OLI影像,K1=77.489W m-2Sr-1μm-1,K2=1321.08W m-2Sr-1μm-1。

2.1.2 地表信息

(1) 歸一化植被指數(shù)(NDVI)[41]

NDVI=(NIR-Red)/(NIR+Red)

(3)

式中,NIR、Red分別為B4、B3波段,為Landsat5 TM影像相應(yīng)波段DN值,Landsat8 OLI遙感影像對應(yīng)為B5、B4波段。

(2) 歸一化建筑指數(shù)(NDBI)[42]

NDBI=(MIR-NIR)/(MIR+NIR)

(4)

式中,NIR表示近紅外波段,MIR表示中紅外波段,分別為Landsat5 TM影像的B4、B5波段,Landsat8 OLI遙感影像對應(yīng)B5、B6波段。

(3) 改進歸一化差異水體指數(shù)(MNDWI)[43]

MNDWI=(Green-MIR)/(Green+MIR)

(5)

式中,Green為綠光波段,對應(yīng)Landsat5 TM影像的B2波段,MIR為中紅外波段,對應(yīng)Landsat5影像B5波段。對于Landsat8 OLI影像,兩者分別對應(yīng)B3、B6波段。

2.1.3 主成分多元回歸

本文從高溫?zé)釄鲈鰷p兩方面影響機制著手,選取與盆地?zé)釐u變化相關(guān)的人文、自然因素進行相關(guān)性分析與主成分多元回歸分析,相關(guān)方法參見文獻[44]。計算過程均基于SPSS18.0及ArcGIS10.0平臺進行。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文矢量數(shù)據(jù)來源于國家地理信息中心,部分道路數(shù)據(jù)根據(jù)電子地圖數(shù)字化;DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)來源于美國地球物理數(shù)據(jù)中心(NGDC)[45];數(shù)字地面高程來源于美國空間信息協(xié)會(CGIAR-CSI)[46];遙感影像來源于地理空間數(shù)據(jù)云[47]。出于遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量與可獲取性,選取1991年8月24日、2000年6月29日及2013年8月4日遙感影像,所有影像均在夏季成像。1991、2000年Landsat TM 影像數(shù)據(jù)B6波段分辨率為120m,2013年Landsat OLI數(shù)據(jù)B10波段分辨率為100m,為便于比較,將2013年遙感影像及其他數(shù)據(jù)重采樣成120 m。

3 結(jié)果與分析

3.1 城市熱島空間分布特征

根據(jù)前述亮溫反演計算方法(公式1—2),經(jīng)ArcGIS10.0軟件處理獲取福州市中心城區(qū)1991、2000及2013年的地面亮溫(表1、圖3)。城區(qū)相應(yīng)溫度范圍為19.34—32.73℃、21.60—38.35℃及25.30—42.06℃,平均值從1991年的26.15℃升至2000年的30.15℃,至2013年平均溫度進一步上升至32.89℃。由于1991、2000年福州老城區(qū)以外的部分山地被云層覆蓋,故對三期遙感影像進行掩膜處理以保證研究區(qū)域一致性。

表1 福州市中心城區(qū)地面亮溫統(tǒng)計(℃)

圖3 1991—2013年福州市中心城區(qū)亮溫分布Fig.3 The distribution of brightness temperature in Fuzhou center city from 1991—2013

在1991年,福州中心城區(qū)熱島輻射影響微弱,城區(qū)平均溫度為26.15℃,高溫區(qū)集中于老城區(qū)(鼓樓、臺江、倉山及晉安區(qū))以及閩侯縣與倉山區(qū)交界地帶,其中,閩侯縣與倉山區(qū)交界地帶高溫區(qū)主要為上街鎮(zhèn)至烏龍江濕地公園黃土沙地。老城內(nèi)最高溫度達到32.73℃,周邊郊區(qū)的山體、水體平均溫分別為22.5℃與24.25℃,與城區(qū)最高溫度差異分別為10.23℃及8.49℃。2000年,高溫范圍在1991年基礎(chǔ)上擴大,均溫較1991年增長4℃。老城區(qū)的臺江、鼓樓區(qū)大部分、晉安區(qū)南部及與倉山區(qū)中部地區(qū)成為熱島覆蓋區(qū),研究區(qū)平均溫度超過30℃,部分地區(qū)最高增至38.35℃,盆地內(nèi)的山地丘陵與水體溫度增至27.13℃與25.12℃,馬尾區(qū)至臺江區(qū)沿閩江一帶還出現(xiàn)明顯的條帶狀高溫集聚區(qū)。至2013年,中心城區(qū)熱島效應(yīng)進一步加劇,均溫上升至32.88℃。除鼓樓區(qū)金牛山、西湖公園,倉山區(qū)高蓋山等地,以及晉安區(qū)金雞山至寨頂山一帶的公園、山地外,老城區(qū)已成為福州市熱島核心區(qū)。在其周圍,西起閩侯荊溪鎮(zhèn)、上街鎮(zhèn)(大學(xué)城),南至南嶼鎮(zhèn)、南通鎮(zhèn)等地,東抵馬尾區(qū)及閩江出?？趦砂?均出現(xiàn)密集高溫覆蓋區(qū),最高溫達42.06℃,郊區(qū)山地、水體均溫亦出現(xiàn)小幅度上升,增至29.96℃、27.24℃,與城內(nèi)最高溫差分別為12.1℃及14.82℃。

整體上,1990—2013年福州城區(qū)平均溫度及其與地勢較高的郊區(qū)溫差達到10—14℃。熱島現(xiàn)象呈中心向外及沿江蔓延態(tài)勢,高溫擴展范圍與盆地內(nèi)近年來建設(shè)用地擴張方向保持同步性,盆地內(nèi)建設(shè)用地率先成為熱島覆蓋區(qū),其余地表類型也出現(xiàn)不同程度升溫。未來熱島范圍連片發(fā)展及“溢出”盆地態(tài)勢顯著。

3.2 城市熱島時間演變特征

為消除時間影響,對各年份亮溫進行標(biāo)準(zhǔn)化處理,并采用自然斷點分級法劃分為低溫區(qū)、次中溫區(qū)、中溫區(qū)、次高溫區(qū)及高溫區(qū)五級。不同年份、等級的亮溫面積統(tǒng)計見表2。

表2 1991—2013年福州主城區(qū)亮溫等級面積統(tǒng)計/km2

圖4 1991—2013年福州主城區(qū)亮溫等級面積 Fig.4 The statistics of level area of brightness temperature in Fuzhou center city from 1992—2013

由表2及圖4可知,城區(qū)熱場由中溫區(qū)、次中溫區(qū)不斷向低溫區(qū)與高溫區(qū)轉(zhuǎn)變,出現(xiàn)兩極分化。低溫區(qū)面積比由1991年的8.24%上升至2013年的23.48%。次高溫區(qū)與高溫區(qū)面積比分別由1991年的2.16%、8.17%增至2013年的10.60%與17.09%。而中溫區(qū)與次中溫區(qū)所占比例表現(xiàn)出遞減趨勢,分別由1991年的41.55%、39.89%降至2013年的19.12%及29.71%,減幅明顯。

在1991—2013年的22a間,熱島面積(次高溫區(qū)、高溫區(qū))由1991年的134.9km2增加至2013年的361.8 km2,占盆地面積的62.81%,熱島面積共增加226.9km2。其中,高溫區(qū)變化最快,2013年約為1991年的4倍(增長391.13%),年均增長7.50%,低溫區(qū)、次中溫區(qū)、中溫區(qū)及次高溫區(qū)面積增長率則分別為4.87%、-1.33%、-3.47%及3.41%。福州盆地?zé)釐u效應(yīng)影響差異愈發(fā)明顯。

3.3 城市高溫驅(qū)動機制

3.3.1 影響因素

結(jié)合上述盆地?zé)岘h(huán)境的空間分布特征分析,自然地貌環(huán)境和城市發(fā)展建設(shè)等均會形成不同高溫?zé)釄?。鑒于數(shù)據(jù)可量化性及對比高溫環(huán)境增、減機制影響程度,本文將福州市盆地高溫環(huán)境的影響因素分為人文、自然兩方面,具體指標(biāo)見表3與圖5。其中人文因素包括人口規(guī)模、地表非滲透面、交通密度,自然因素為生態(tài)環(huán)境(植被、水體)與地形地貌。人口規(guī)模主要反應(yīng)人類活動強度及其空間分布對熱島影響,由夜間燈光強度表示;交通密度主要測度機動車二氧化碳排放影響;地表非滲透面為能源輻射和熱傳導(dǎo),由NDBI指數(shù)表征;植被指數(shù)、水體指數(shù)及DEM主要反應(yīng)盆地自然生態(tài)環(huán)境的降溫作用。

表3 福州市中心城區(qū)高溫環(huán)境影響因素指標(biāo)

圖5 福州市中心城區(qū)高溫環(huán)境影響因素的空間分布Fig.5 The distribution of factors for heat environment in Fuzhou center city

3.3.2 主成分分析

經(jīng)主成分分析計算,各因素主成分貢獻率見表4。其中第一主成分貢獻率達到70.988%,第二、三主成分貢獻率分別為12.530%及7.404%,累積貢獻率達到90.922%,取前3個主成分作為促成盆地高溫環(huán)境的主要因素變量。

表4 主成分分析主要結(jié)果

結(jié)合主成分特征向量值(表4),第一主成分z1主要為夜間燈光強度,其次為交通路網(wǎng)密度等。第二主成分z2與地表植被關(guān)系最為明顯,第三主成分z3則主要表現(xiàn)為地面高程,故將福州中心城區(qū)高溫環(huán)境的影響因素歸結(jié)為人類活動因子(z1)、地表植被因子(z1)以及地面高程因子(z3)。3個主成分同各指標(biāo)間的線性關(guān)系為：

z1=0.754x1+0.384x2+0.214x3-0.354x4-0.323x5+0.092x6

(6)

z2=0.389x1+0.286x2-0.280x3+0.722x4+0.164x5-0.376x6

(7)

z3=0.405x1-0.305x2-0.045x3-0.175x4+0.809x5+0.236x6

(8)

3.3.3 盆地?zé)釐u與影響因素關(guān)系

對研究區(qū)平均分布3092(有效采樣點3082)個采樣點進行3個主成分?jǐn)?shù)值提取,并與上述城區(qū)亮溫進行回歸擬合(表5)。

表5 回歸系數(shù)及檢驗結(jié)果

R2=0.705,F=1573.549,Sig.<0.001

由回歸后的關(guān)系模型結(jié)果,福州盆地高溫與上述自然-人文影響因素的回歸方程擬合度較好,模型總體F值為1573.549,各變量均通過1%顯著性水平檢驗,說明上述三類主成分均是影響城市熱島的重要因子,且各變量方差膨脹因子(VIF)遠小于10,模型不存在多重共線性問題。為比較自然-人文不同量綱指標(biāo)間的作用程度,本文采用標(biāo)準(zhǔn)化回歸模型：

T′=0.661z1+0.195z2-0.355z3

(9)

該模型表明人類活動因子(z1)對該盆地溫度的影響程度更為顯著,其次為地面高程因子(z3)、地表植被因子(z2)。將上述主成分公式(公式6—8)代入,模型進一步轉(zhuǎn)化為：

T′=0.430x1+0.418x2+0.103x3-0.0310x4-0.469x5-0.0963x6

(10)

由公式10,以上人文、自然因素每變化1個單位,福州盆地溫度將分別變化0.430、0.418、0.103、-0.031、-0.469及-0.096。由此表明,當(dāng)?shù)厝宋囊蛩赝苿?、促進盆地?zé)釐u的蔓延擴張,其中夜間燈光x1、交通密度x2的正向影響較為突出,貢獻度分別為0.430、0.418,地表非滲透面x3的作用程度為0.103,分別約為前兩者的25%。而自然因素對盆地?zé)釐u的發(fā)展起負(fù)向作用,其中地面高程x5的抑制作用最為明顯(-0.469),其次為水體x6(-0.096)與地表植被x4(-0.031),水體與地表植被制作用作用之和明顯低于地面高程,僅相當(dāng)于地面高程作用的27%。

結(jié)合以上各因子作用程度,人文、自然因素每增加1個單位,將使得溫度變化0.951及-0.596個單位,綜合作用下地區(qū)將升溫0.355個單位,即人文因素對于當(dāng)前熱島形成蔓延的促進作用明顯大于自然抑制作用?？紤]自然、人文兩方面相互作用程度,假設(shè)將人文促進作用縮小一定比例,同時擴大相同比例自然抑制作用規(guī)模,則當(dāng)人文促進作用程度縮小至70%,自然因素作用在原基礎(chǔ)增加30%時,地區(qū)才會出現(xiàn)明顯降溫(表6)。

表6 不同作用等級下的城市溫度

實際上,城市隨經(jīng)濟社會發(fā)展很難將現(xiàn)有人文因素對熱島的促進作用縮小一定等級比例,在自然環(huán)境方面發(fā)揮、強化城市當(dāng)?shù)氐纳剿厣攀菧p緩城市熱島效應(yīng)的重要舉措。對比人文、自然兩方面作用程度(0.951與-0.596),在保持現(xiàn)有人類活動規(guī)模下,只有進一步增加自然因素作用60%時,自然環(huán)境的升溫抑制作用才會明顯。

3.3.4 盆地?zé)釐u成因分析

福州盆地?zé)釐u的蔓延與其建設(shè)用地制約及城市發(fā)展模式有關(guān)。福州市中心城區(qū)群山環(huán)抱,背山面海,山地區(qū)和丘陵區(qū)包圍盆地中心,城市發(fā)展用地局限于盆地內(nèi)的河谷平原及低丘。河谷盆地中部的主要城區(qū)內(nèi),城市下墊面建筑密集,政府機關(guān)、企事業(yè)單位集中,大量人口及經(jīng)濟社會活動(包括科研文教、醫(yī)療衛(wèi)生、企業(yè)生產(chǎn)等)集聚,許多低容積率但高建筑密度的建筑樓群、棚戶區(qū)充斥于城區(qū),人類活動能源消耗及熱量排放大。加之盆地特殊的地形特征,空氣流動較差,不利于建筑物、水泥地和混凝土吸收貯存的能量向外擴散,造成城區(qū)氣溫升溫明顯,城-郊、平原-山地氣溫差異擴大。

在空間發(fā)展上,福州市老城區(qū)內(nèi)屏山、烏山和于山已近全部開發(fā)利用,老城邊緣的平原、低丘繼而成為城市未來發(fā)展建設(shè)的主要地貌類型。受盆地周圍高丘、山地制約,中心城區(qū)布局的晉安、馬尾、青口、亭江、荊溪及上街南嶼南通等多個產(chǎn)業(yè)集聚區(qū),及荊溪組團、上街南嶼南通組團與青口組團等均環(huán)繞盆地內(nèi)的老城區(qū),使得逐漸興起并連片分布的居住區(qū)、工業(yè)用地與不透水路面向老城區(qū)外圍組團、新城蔓延,并逐漸占據(jù)老城區(qū)周邊原有自然植被、農(nóng)田,已有超過45%耕地資源成為福州市增加的建筑用地[48]。盆地地形用地緊約束下的城區(qū)高強度開發(fā),以及植被水體等天然生態(tài)環(huán)境的取代等均推動了城區(qū)高溫?zé)釄龅男纬?并將進一步對福州市目前及其未來的城市生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生極大的負(fù)面影響。

4 結(jié)論與討論

針對以往熱島驅(qū)動研究中缺少自然-人文多維因子組合作用的成因分析,本文利用landsat TM/OLI遙感影像反演福州市1991—2013年河谷盆地高溫?zé)釄?探究DMSP/OLS夜間燈光、地面高程、地表植被指數(shù)及其他地表信息對熱島的組合影響及相互關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)1991—2013年福州盆地?zé)釐u呈現(xiàn)出中心向外輻射并沿江擴展態(tài)勢,平原與山地溫差擴大(10—14℃),且熱島面積出現(xiàn)兩極分化,高溫區(qū)平均年增長率最高。其次,人文促進作用大于自然抑制作用,夜間燈光、交通路網(wǎng)密度、地表非滲透面、地表植被、地面高程及水體均對地區(qū)溫度產(chǎn)生不同程度影響,其中夜間燈光、交通密度與地面高程作用顯著。在綜合作用下中心城區(qū)將升溫0.35個單位。

值得注意的是,在夜間燈光、交通密度等因素作用下,地表非滲透面對熱島的貢獻作用并不突出,這可能是夜間燈光及交通密度間接代表的人口規(guī)模、能源利用強度及熱量釋放過程比地表非滲透面的熱量傳導(dǎo)及能量輻射作用更為強烈。其次,地表植被與水體對于減緩熱島的抑制作用較弱,作用之和明顯低于地面高程。雖然本文研究結(jié)果表明人類活動是促成城市熱島的重要原因,與多數(shù)研究成果相一致,但對比前人利用福州地表植被、水體等回歸擬合結(jié)果[24-25],這些因素在本研究中均未表現(xiàn)突出(即使采用非標(biāo)準(zhǔn)化模型)。表明,除本文采樣點數(shù)量及指標(biāo)因素影響外,利用單個影響因子與熱島進行關(guān)系分析很有可能忽略了綜合作用下該因子實際貢獻程度,即單因素回歸分析下該因素作用程度偏高。

有別于地表植被與水體,地面高程差異并非城市建設(shè)過程中人類活動可控資源,福州盆地目前的自然地表覆被情況對于規(guī)模逐漸擴大的城市活動而言,作用收效較低,并不足以緩解城市進一步發(fā)展而導(dǎo)致的熱島加劇。研究表明,城市保持現(xiàn)有發(fā)展規(guī)模且自然因素發(fā)揮原有1.6倍作用程度時,盆地?zé)釐u將出現(xiàn)明顯降溫現(xiàn)象,但地面高程為其中降溫抑制主體,這意味著原本作用收效較低的植被、水體成為今后城市降溫主要實施對象,須進一步合理布局與擴大規(guī)模以強化生態(tài)因子的降溫作用。

長時間序列的成因分析更有助于反映上述影響因子對熱島空間分布及蔓延擴張的貢獻價值。本研究有助于深化對城市熱島效應(yīng)成因分析認(rèn)知,明確自然-人文多維影響因素間相關(guān)關(guān)系和相關(guān)程度。如何最大化發(fā)揮、利用福州市現(xiàn)有山水特色,并在此基礎(chǔ)上合理調(diào)整城市開發(fā)密度,以及建設(shè)城市風(fēng)廊與海綿城市等,是當(dāng)前解決福州城市熱島問題的突破點。

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Spatial-temporal characteristics of urban heat islands and driving mechanisms in a coastal valley-basin city: a case study of Fuzhou City

LIN Rongping1,QI Xinhua2,*,YE Shilin3

1SchoolofGeographyandPlanning,SunYat-senUniversity,Guangzhou510275,China2SchoolofGeographicalScience,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China3NanjingInstituteofGeographyandLimnology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China

Previous literature on cause analyses of urban heat islands (UHI) lacks perspective from the combined effects of natural and humanity factors. With this prerequisite, the present study used Landsat TM/OLI remote sensing images to extract urban thermal fields of Fuzhou city, a typical valley basin in China, during 1991, 2000, and 2013. The combined effect and linkage relationship between the multidimensional factor and UHI was also explored using DMSP/OLS, traffic density, and land surface information indexes, including normalized difference building index (NDBI), digital elevation model (DEM), normalized difference vegetation index (NDVI), and modified normalized difference water index (MNDWI), based on GIS and principal component multiple regression. The results revealed that (1) the UHI of the Fuzhou valley basin has spread outward along the Minjiang River while the inner-city has become the core area of the UHI, commencing its significant overflow heat phenomenon from the center to outer edge from 1991; (2) the temperature difference between the plain and mountainous areas in the basin reached 10—14 ℃, and the UHI area displayed a polarization appearance indicating that both the low and high temperature areas have tendency to increase. Moreover, the high temperature area increased four times to 138.5 km2between 1991 and 2013, with an average annual growth rate of 7.5%; 3) according to the coefficient simulation, the basin temperature changed 0.430, 0.418, 0.103, -0.0310, -0.469, and -0.0963 as the night light intensity, NDBI, traffic density, NDVI, DEM, and MNDWI increased every 1 unit respectively; (4) the human promoting effect was greater than the natural inhibition on the UHI, resulting in the basin warming by 0.35 units; and (5) in comparison to the NDBI, night light intensity and traffic density contributed more significantly to the warming of the UHI, and the cooling effect of surface elevation is prominent, followed by water and surface vegetation, with these accounting for only 27% of the surface elevation effect. In addition, the cooling effect was obvious when the natural effect further increased by 60% and Fuzhou city simultaneously remains at the existing developmental scale. This also reveals that the current ecological environment of the Fuzhou basin is not enough to alleviate the UHI caused by future development of the city.

urban heat island; multidimensional factor; combined effect; valley basin; Fuzhou

國家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)資助項目(J1210067);福建師范大學(xué)優(yōu)秀青年骨干教師培養(yǎng)基金資助項目(fjsdjk2012071)

2016- 07- 25;

2016- 10- 27

10.5846/stxb201607251516

*通訊作者Corresponding author.E-mail: fjqxh74@163.com

林榮平,祁新華,葉士琳.沿海河谷盆地城市熱島時空特征及驅(qū)動機制.生態(tài)學(xué)報,2017,37(1):294- 304.

Lin R P,Qi X H,Ye S L.Spatial-temporal characteristics of urban heat islands and driving mechanisms in a coastal valley-basin city: a case study of Fuzhou City.Acta Ecologica Sinica,2017,37(1):294- 304.