城市水體對(duì)熱島的緩沖性能沿河岸距離的變化規(guī)律

曾素平, 時(shí) 琢, 趙梅芳,*, 劉發(fā)林, 王光軍, 林 楊, 李沁園, 向枝遠(yuǎn), 陳小偉, U.S Ogbodo

1 中南林業(yè)科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410004 2 南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)沙 410004 3 中南林業(yè)科技大學(xué)林學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410004

城市熱島效應(yīng)(Urban Heat Island,UHI)是城市化導(dǎo)致城市地區(qū)氣溫或者地表溫度(Land Surface Temperature,LST)明顯高于城市周圍郊區(qū)的現(xiàn)象[1]。作為一種特殊的氣候特征,城市熱島效應(yīng)的產(chǎn)生和發(fā)展主要受人類生產(chǎn)生活[2-5]和太陽(yáng)輻射[6]的影響。隨著城市化進(jìn)程的加快,城市下墊面改變影響地表對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收,同時(shí)自然植被遭受嚴(yán)重破壞,城市建設(shè)導(dǎo)致地表溫度逐年升高和熱島效應(yīng)的增強(qiáng)[7],加劇空氣污染,嚴(yán)重影響了城市居民的生存環(huán)境和生活質(zhì)量[8]。同時(shí),城市熱島可影響植被生境狀況,進(jìn)而影響城市生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[9]。因此,探究水體對(duì)熱島的緩沖性能對(duì)緩解城市熱島效應(yīng)、改善居民生存環(huán)境以及城市生態(tài)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

目前許多研究發(fā)現(xiàn),以水體、綠地為主導(dǎo)的“冷島效應(yīng)”是改善城市氣候、緩解城市熱島效應(yīng)最有效的方式[10],植被能有效地削弱城市熱島效應(yīng)[11-14],而研究城市水體對(duì)熱島效應(yīng)的影響主要是因?yàn)槌鞘兴w對(duì)城市的發(fā)展有重要影響,水體作為調(diào)節(jié)生態(tài)環(huán)境的重要組成部分,在緩解城市熱環(huán)境方面具有顯著作用。水體能對(duì)熱島起緩沖作用主要是因?yàn)樗w有著可以作為城市冷源的重要功能[15],其能夠大量吸收并儲(chǔ)存熱量,有利于緩解水體上空及附近的熱效應(yīng)[16]。研究發(fā)現(xiàn)水體周邊的自然地形、用地區(qū)劃、離水體距離等都能影響水體對(duì)地表溫度的緩沖效應(yīng)[17]。已有的研究主要探討城市熱島效應(yīng)受水體[18-19]、土地利用/覆蓋類型和城市空間格局的影響[20-23]。有關(guān)水體對(duì)城市熱島效應(yīng)的緩解作用,主要研究水體自身能量流動(dòng)與周邊環(huán)境能量交換[24-26],一般僅將水體作為因素之一進(jìn)行研究,而作專門研究的比較少見(jiàn)[27]。水體可在一定范圍內(nèi)有效緩解城市熱島效應(yīng),但不同地區(qū)之間普遍存在差異[18]。有研究發(fā)現(xiàn)南京市水體對(duì)熱島效應(yīng)的平均緩沖距離為300 m[18],而東莞市水體的緩沖距離為200 m[27]。緩沖距離主要受城市建設(shè)規(guī)模和布局的影響。景觀格局對(duì)城市熱島效應(yīng)具有一定的緩解作用[28-29],在一定程度上影響熱島效應(yīng)強(qiáng)度[30]。如卞子浩等[31]分析了景觀生態(tài)格局對(duì)熱島效應(yīng)的緩解作用；孟丹等[32]將景觀生態(tài)學(xué)與熱環(huán)境研究結(jié)合,研究熱力景觀格局以及公園和道路景觀對(duì)熱島效應(yīng)的緩解作用。謝啟姣等[33]則研究城鎮(zhèn)區(qū)域不透水面對(duì)熱島效應(yīng)的影響過(guò)程。探究城市熱島效應(yīng)特征及不同生態(tài)格局在城市熱島效應(yīng)中的地位,對(duì)緩解城市熱島效應(yīng)及對(duì)城市進(jìn)行合理的生態(tài)規(guī)劃具有重要意義[34]。目前的研究?jī)H探討小范圍內(nèi)水體對(duì)其周邊地表的降溫作用,而且未考慮周邊用地類型、生態(tài)格局等因素的影響。本研究首次結(jié)合長(zhǎng)沙市區(qū)湘江水體周邊生態(tài)格局及城市用地區(qū)劃,探討水體對(duì)周邊較大范圍內(nèi)地表溫度的緩沖作用,為合理利用、規(guī)劃水體周邊用地和生態(tài)環(huán)境提供可行性依據(jù)。

長(zhǎng)沙市城區(qū)從1988年至2008年,熱島強(qiáng)度年平均變化在0.76強(qiáng)度年平均變之間；長(zhǎng)沙市熱島效應(yīng)逐年增強(qiáng),熱島的時(shí)空變化趨勢(shì)與建城區(qū)一致,隨建城區(qū)面積的增大而增大[35-36]。21世紀(jì)以來(lái),長(zhǎng)沙市城市化建設(shè)發(fā)展迅速,城區(qū)面積不斷擴(kuò)張[37],熱島強(qiáng)度城區(qū)和郊區(qū)同步上升,嚴(yán)重影響居民生產(chǎn)生活[38]。隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大,建城區(qū)土地利用類型逐漸變化,大量綠地和耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地,水體的熱島緩解作用逐漸突顯出來(lái)[36]。湘江為湖南省內(nèi)最大河流,湘江長(zhǎng)沙段作為長(zhǎng)沙市區(qū)最大水系,南北向橫穿主城區(qū),因此可以認(rèn)為湘江是長(zhǎng)沙市城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,對(duì)緩解長(zhǎng)沙市熱島效應(yīng)具有重要作用。已有研究主要對(duì)長(zhǎng)沙市熱島效應(yīng)時(shí)空演變的趨勢(shì)[35-36]及熱島成因進(jìn)行探討[39],而將水體作為研究對(duì)象,并結(jié)合土地利用類型和生態(tài)規(guī)劃格局,探討水體對(duì)城市熱島緩沖作用的研究有待深入探討。因此本研究選擇長(zhǎng)沙市湘江水體作為研究對(duì)象,并在沿江兩岸建立緩沖區(qū),重點(diǎn)研究湘江對(duì)城市熱島效應(yīng)的緩沖作用,得出不同土地利用類型對(duì)湘江緩沖能力的增強(qiáng)或抑制強(qiáng)度。通過(guò)分析長(zhǎng)沙市地表溫度分布狀況及土地利用類型,探究長(zhǎng)沙市湘江水體對(duì)城市不同規(guī)劃區(qū)熱島的緩沖效應(yīng),目的在于探索：(1)長(zhǎng)沙市地表溫度和城市熱島效應(yīng)整體分布特征；(2)湘江水體對(duì)熱島地表溫度的總體緩沖作用；(3)湘江水體對(duì)不同用地區(qū)劃間緩沖效應(yīng)的分異特征；(4)湘江水體對(duì)各類用地區(qū)劃內(nèi)不同生態(tài)規(guī)劃用地間緩沖效應(yīng)的分異特征。為提高城市土地利用率,緩解城市熱島效應(yīng),提高城市居民舒適度,以及構(gòu)建生態(tài)文明城市提供參考,為城市系統(tǒng)規(guī)劃提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

長(zhǎng)沙市位于中國(guó)湖南省東北部,是長(zhǎng)江中下游地區(qū)重要的中心城市,位于東經(jīng)111°53′—114°5′,北緯27°53′—114°5′之間,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,夏季以東南風(fēng)為主,冬季西北風(fēng)為主。長(zhǎng)沙市形狀狹長(zhǎng),東西兩側(cè)為山地,地勢(shì)相對(duì)較高,中部趨于平緩,整體地形呈馬鞍形[36]。

根據(jù)衛(wèi)星地圖信息并結(jié)合實(shí)際情況,本次研究的實(shí)際范圍為以長(zhǎng)沙市區(qū)為中心的矩形區(qū)域,包括長(zhǎng)沙市城區(qū)和長(zhǎng)沙縣的部分地區(qū)。東西長(zhǎng)45.72 km,南北寬21.69 km,總面積為991.67 km2,地處長(zhǎng)沙市中間區(qū)域的平緩地帶,湘江及其四條支流(瀏陽(yáng)河、撈刀河、靳江河和溈水河)構(gòu)成研究區(qū)的主要水系(圖1)。

圖1 研究區(qū)域

1.2 研究方法

1.2.1數(shù)據(jù)收集與預(yù)處理

本研究的數(shù)據(jù)主要來(lái)源于Landsat 8衛(wèi)星遙感影像、長(zhǎng)沙市統(tǒng)計(jì)年鑒[40]和《長(zhǎng)沙市城市總體規(guī)劃(2003—2020)(2014年修訂)》等。其中,Landsat 8衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)是通過(guò)地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn/)下載,選取了2016年研究地夏季成像的影像數(shù)據(jù),影像中無(wú)云霧遮擋,地物類型清晰,成像效果理想,空間分辨率為30 m。地表溫度反演采用大氣校正法,地類提取采用監(jiān)督分類法。

1.2.2總體緩沖區(qū)的建立及緩沖分區(qū)的設(shè)計(jì)

本研究通過(guò)對(duì)2016年衛(wèi)星數(shù)據(jù)建立總體緩沖域、緩沖分區(qū)進(jìn)行分析研究,并根據(jù)所選河流兩邊地勢(shì)、海拔、經(jīng)濟(jì)、建筑以及規(guī)劃等綜合特征,將緩沖域進(jìn)一步分維,生成3種具有明顯影響差異的方案(圖2)：

(1)總體緩沖區(qū)(圖2a)：中心為湘江長(zhǎng)沙段主干,兩側(cè)為長(zhǎng)沙市主城區(qū)。緩沖帶劃分原則為河岸自然分界線[41]。利用ArcGIS 10.0軟件,在水體周邊建立總體緩沖區(qū)。然后,將緩沖區(qū)平均切成100個(gè)緩沖帶,各緩沖帶寬度為50 m,總共劃分的緩沖面積為291.858 km2,緩沖范圍為5 km(50 m×100 m)。

(2)沿江兩岸緩沖分區(qū)(圖2b)：由于湘江東西兩岸主要用地類型和地勢(shì)不同,將總體緩沖區(qū)分為河西區(qū)和河?xùn)|區(qū),并根據(jù)總緩沖域分析結(jié)果重新建立適當(dāng)距離的緩沖區(qū)(850 m)。

(3)沿江四分緩沖分區(qū)(圖2c)：根據(jù)用地類型將河西區(qū)和河?xùn)|區(qū)分別劃分為河西沿江休閑區(qū)、河西沿江住宅區(qū)、河?xùn)|沿江休閑區(qū)和河?xùn)|沿江住宅區(qū),并根據(jù)總緩沖域分析結(jié)果重新建立適當(dāng)距離的緩沖區(qū)(800 m)。河西沿江住宅區(qū)和河?xùn)|沿江住宅區(qū)主要為居住用地、工業(yè)用地、公共設(shè)施用地；河西沿江休閑區(qū)主要為綠地、水體、道路廣場(chǎng)、公共設(shè)施用地和居住區(qū),河?xùn)|沿江休閑區(qū)主要為綠地、公共設(shè)施用地、水體、居住用地[42-43]。緩沖區(qū)內(nèi)地形表現(xiàn)為中部較低,西、南、東相對(duì)較高,河西休閑區(qū)內(nèi)綠地主要為岳麓山、桃花嶺、谷山等,水體主要為咸嘉湖、桃子湖、后湖,河?xùn)|休閑區(qū)綠地主要為黑糜峰、影珠山等,水體主要為撈刀河、月湖、青竹塘水庫(kù)等,而兩岸住宅區(qū)水體及綠地占比較小[44]。

圖2 緩沖效應(yīng)域及分區(qū)示意圖

1.2.3統(tǒng)計(jì)與分析

首先,為了統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)沙市地表溫度和城市熱島效應(yīng)整體分布特征,本研究對(duì)基于影像反演和監(jiān)督分類得到的2016年整個(gè)研究區(qū)域的兩個(gè)柵格數(shù)據(jù)圖層(地表溫度和土地利用類型)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)。為了便于清晰展示地表溫度的空間分布格局,這里使用地表溫度等級(jí)法和熱島強(qiáng)度法將反演的地表溫度值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,(1)采用密度分割法[45-46]對(duì)地表絕對(duì)溫度進(jìn)行分級(jí)[47-48],得到地表溫度等級(jí)圖；(2)本文中采用地表相對(duì)溫度來(lái)表示城市熱島強(qiáng)度[41],地表相對(duì)溫度是指某點(diǎn)地表溫度與平均地表溫度之差與平均地表溫度的比,其表達(dá)式為：

其次,統(tǒng)計(jì)湘江水體對(duì)熱島地表溫度的總體緩沖表現(xiàn),并分析其對(duì)不同用地區(qū)劃間及區(qū)劃內(nèi)不同生態(tài)規(guī)劃用地間緩沖效應(yīng)的分異特征,本研究將總體緩沖區(qū)的圖層與地表溫度反演結(jié)果進(jìn)行疊加,獲取各緩沖區(qū)內(nèi)的地表溫度分布,并計(jì)算每個(gè)緩沖帶內(nèi)的地表溫度的平均值、最大值、最小值、標(biāo)準(zhǔn)偏差。以X軸代表緩沖帶距水體邊緣的距離,Y軸代表地表溫度,則100個(gè)平均地表溫度點(diǎn)最終構(gòu)成緩沖區(qū)的地表平均溫度曲線。地表最高溫度為各緩沖區(qū)內(nèi)溫度最大值,100個(gè)最高地表溫度點(diǎn)最終構(gòu)成緩沖區(qū)的地表最高溫度曲線。在LST曲線的坡面或者剖面劇烈變化的點(diǎn)之間插值,插值是在Microsoft Excel中對(duì)相鄰點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)平均,權(quán)重與給定點(diǎn)到相鄰點(diǎn)的距離成比例。

給定兩個(gè)值(x1,y1)和(x2,y2),y在x處的估計(jì)值為y1和y2的加權(quán)平均值：

插值點(diǎn)線性函數(shù)方程為：

沒(méi)有插值該區(qū)域的值,而是繪制平均LST,通過(guò)可視化和圖形分析,分析從每個(gè)緩沖區(qū)獲得的曲線,以發(fā)現(xiàn)在水體附近的溫度剖面中存在的任何代表其冷卻效果的傾角,對(duì)應(yīng)的X值即為水體緩沖距離[41, 49-50]。

分析河?xùn)|沿江兩岸緩沖分區(qū)(緩沖區(qū)共850 m,每個(gè)緩沖帶50 m,共17個(gè)緩沖帶)和沿江四分緩沖分區(qū)(緩沖距離共800 m,每個(gè)緩沖帶50 m,共16個(gè)緩沖帶)地表溫度分布特征的方法與總體緩沖區(qū)一致。

利用ArcGIS 10.0和Microsoft Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步統(tǒng)計(jì)和整理,采用IBM SPSS Statistics 21.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和模型擬合,作圖在R軟件上完成。

2 結(jié)果

2.1 長(zhǎng)沙市LST與土地利用類型空間分布格局

根據(jù)2016年長(zhǎng)沙市地表溫度空間分級(jí)圖,最高溫度為53.84℃,最低溫度為16.03℃,平均溫度為38.3℃,其中溫度33.19—53.85℃之間區(qū)域占90%(圖3,表1)。結(jié)合長(zhǎng)沙市地表溫度分布圖和土地利用類型分布圖,長(zhǎng)沙市熱島效應(yīng)的空間分布與長(zhǎng)沙市城市格局基本相符,市中心和長(zhǎng)沙縣建筑用地地表溫度較高,以湘江為代表的水體、城市周邊綠地和裸地地表溫度較低,其中水體的地表溫度最低(16.08—31.19℃)。

表1 長(zhǎng)沙市各地表溫度分級(jí)比重及其數(shù)量(像元大小：30 m×30 m)

圖3 長(zhǎng)沙市2016年地表溫度(LST)分級(jí)及土地覆蓋特征

2.2 長(zhǎng)沙市UHI的空間分布

由圖4可知,長(zhǎng)沙市熱島效應(yīng)嚴(yán)重,形成了河西住宅區(qū)、河?xùn)|住宅區(qū)和長(zhǎng)沙縣三個(gè)主要熱島區(qū)域。熱島效應(yīng)高強(qiáng)度地區(qū)主要分布在河?xùn)|住宅區(qū)和長(zhǎng)沙縣,除少量綠地和水體外,上述地區(qū)大部分范圍具有強(qiáng)熱島效應(yīng),長(zhǎng)沙縣更是出現(xiàn)0.65的極高熱島強(qiáng)度像元。但以湘江為代表的城市水體以及城市附近的綠地及裸地大多具有負(fù)熱島效應(yīng),表明這些區(qū)域具有降低城市溫度、緩解城市熱島效應(yīng)的功能；尤其是城市內(nèi)部的河流,在建筑密集區(qū)可有效降溫通風(fēng)。

圖4 長(zhǎng)沙市2016年熱島強(qiáng)度分布圖

2.3 湘江水體對(duì)熱島的LST及UHI緩沖效應(yīng)特征

城市內(nèi)部綠地和水體附近區(qū)域溫度低于周邊環(huán)境的現(xiàn)象稱為城市冷島效應(yīng)(UCI)。UCI效應(yīng)被認(rèn)為是由城市綠地與水體的遮蔭效應(yīng)或蒸散效應(yīng)造成的。由緩沖分析結(jié)果可知(圖5),湘江作為城市內(nèi)河的確產(chǎn)生了UCI效應(yīng),湘江明顯降低了水體周邊的地表溫度,通過(guò)建立精度更高的小尺度緩沖區(qū)(50 m × 17 m),最終確定湘江對(duì)最高溫度的緩沖距離達(dá)到400 m,對(duì)平均溫度的緩沖距離達(dá)到450 m。

圖5 湘江周邊緩沖域的LST分布特征

2.4 緩沖效應(yīng)在河西區(qū)和河?xùn)|區(qū)的分異特征

湘江對(duì)東西兩岸的平均緩沖距離為400—450 m,因此對(duì)河西區(qū)和河?xùn)|區(qū)分別建立規(guī)格為850 m(50 m × 17 m)的緩沖區(qū),提取緩沖區(qū)內(nèi)的最高溫度和平均溫度,結(jié)果表明：湘江對(duì)河西區(qū)最高溫度的緩沖距離為250 m,平均溫度的緩沖距離為350 m(圖6)；對(duì)河?xùn)|區(qū)最高溫度的緩沖距離為450 m,平均溫度的緩沖距離為400 m(圖7)。

圖6 湘江西岸緩沖域的LST分布特征

湘江對(duì)河西區(qū)的緩沖距離較短,但隨距離變大,該區(qū)域的最高溫度和平均溫度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。相比之下,河?xùn)|區(qū)大部分面積為建設(shè)用地,但并無(wú)高熱排放源,且沿江區(qū)域有大面積水體、綠地作為緩沖帶(圖3 b),增加湘江對(duì)河?xùn)|區(qū)的緩沖效應(yīng)；100—200 m的區(qū)域內(nèi),由于建筑用地的影響湘江的緩沖作用降低,但隨著距離增大,該區(qū)熱島效應(yīng)得到緩解。在緩沖距離650 m處,平均溫度和最高溫度都急劇下降,隨后又逐漸上升(圖7)。

圖7 湘江東岸緩沖域的LST分布特征

2.5 緩沖效應(yīng)在河西區(qū)和河?xùn)|區(qū)不同用地區(qū)劃間的分異特征

湘江對(duì)河?xùn)|區(qū)緩沖效應(yīng)比河西區(qū)弱；而與住宅區(qū)相比,湘江對(duì)河?xùn)|和河西休閑區(qū)的緩沖效應(yīng)更強(qiáng)(圖8—圖11)。

與河西住宅區(qū)相比,河西休閑區(qū)的最高溫度呈顯著上升趨勢(shì)。湘江對(duì)河西休閑區(qū)最高溫度和平均溫度的緩沖距離均為350 m(圖8)；在緩沖區(qū)650 m處,最高溫度和平均溫度均呈下降趨勢(shì)。湘江對(duì)河西住宅區(qū)最高溫度的緩沖距離為250 m,對(duì)平均溫度的緩沖距離僅為150 m(圖9)。

圖8 河西沿江休閑區(qū)緩沖域的LST分布特征

圖9 河西沿江住宅區(qū)緩沖域的LST分布特征

湘江對(duì)河?xùn)|休閑區(qū)最高溫度的緩沖距離為250 m,對(duì)平均溫度的緩沖距離僅為200 m(圖10)；對(duì)河?xùn)|住宅區(qū)最高溫度和平均溫度的緩沖距離均為150 m(圖11)。河?xùn)|休閑區(qū)綠地面積占比在四個(gè)分區(qū)中最高,但該區(qū)地表最高溫度前期上升迅速,且緩沖距離未達(dá)到平均水平。河?xùn)|住宅區(qū)為長(zhǎng)沙市中心城區(qū),以居住用地和工業(yè)用地為主,城市熱島效應(yīng)相對(duì)顯著,湘江緩沖效應(yīng)較小。

圖10 河?xùn)|沿江休閑區(qū)緩沖域的LST分布特征

圖11 河?xùn)|沿江住宅區(qū)緩沖域的LST分布特征

3 討論

3.1 城市LST及UHI分布特征

城市LST變化引起城市熱島效應(yīng),LST是影響UHI效應(yīng)的主要因素[51],地表溫度越高熱島效應(yīng)越強(qiáng),但城市規(guī)模和用地類型對(duì)其具有一定影響,研究認(rèn)為城市內(nèi)公園、綠地、濕地顯著影響城市熱島效應(yīng)[52],城市水體可通過(guò)蒸發(fā)緩解熱島效應(yīng)[42]。目前有許多關(guān)于長(zhǎng)沙市城市熱島效應(yīng)時(shí)空分布的研究,大部分認(rèn)為長(zhǎng)沙市的溫度逐年增加且城市熱島空間分布與城市建成區(qū)的范圍相吻合[35]。例如,研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)沙市城區(qū)和郊區(qū)的氣溫同步增高,同時(shí)熱島強(qiáng)度越來(lái)越大[38]。葉鈺等[36]發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)沙城區(qū)年平均氣溫從本世紀(jì)初的17.2℃,猛增到2008年的18.1℃,夏季極端高溫近年達(dá)到39.8—40.6℃,城區(qū)地表溫度明顯高于周邊郊區(qū),長(zhǎng)沙市熱島空間范圍逐年增加,并且熱島的演變規(guī)律與城區(qū)范圍擴(kuò)大的趨勢(shì)相同,這是因?yàn)槌鞘袛U(kuò)展引起下墊面的性質(zhì)發(fā)生變化,如地表反照率和熱容性等地表第一性物理參數(shù)[53],城區(qū)地表溫度高于郊區(qū)與本研究結(jié)果一致,本研究利用2016年數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)市中心和長(zhǎng)沙縣建筑用地地表溫度高于水體、城市周邊綠地和裸地,研究近年熱島趨勢(shì)且范圍更為明確。而由于小水體(如年嘉湖、躍進(jìn)湖等)的存在以及較好的綠化植被,城市中部的烈士公園熱島強(qiáng)度較弱[35]。對(duì)于其他城市熱島效應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn),大部分城市熱島效應(yīng)增強(qiáng),如福州地表溫度逐年升高[54]；南京市熱島效應(yīng)強(qiáng)度和范圍也在增長(zhǎng),城鎮(zhèn)居民點(diǎn)及工礦用地與城市熱島效應(yīng)變化范圍基本吻合[7]；武漢市的城市熱島分布規(guī)律也與城市空間格局相似,主要是因?yàn)槿丝谠龃?、建筑物增多[55],這與長(zhǎng)沙市LST及UHI分布特征部分一致。研究也發(fā)現(xiàn),隨著鄭州市建成區(qū)的不斷擴(kuò)大,城市熱島效應(yīng)不斷加劇,市區(qū)高溫區(qū)變化趨勢(shì)與低植被覆蓋區(qū)和城鎮(zhèn)居民用地變化趨勢(shì)基本相同[56],這與本研究中河?xùn)|、河西住宅區(qū)熱島效應(yīng)較強(qiáng)一致,因?yàn)閰^(qū)域內(nèi)主要為居住用地和工業(yè)用地,植被覆蓋率低。而通過(guò)對(duì)西安市熱島效應(yīng)研究則發(fā)現(xiàn),熱島效應(yīng)先由主城區(qū)擴(kuò)張,但之后主城區(qū)熱島效應(yīng)減弱,周圍區(qū)(縣)則明顯增強(qiáng),這與本研究不同是因?yàn)槲靼彩谐菂^(qū)熱島效應(yīng)受景觀格局影響顯著[57]。本研究發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)沙市熱島強(qiáng)度整體表現(xiàn)為建筑用地最強(qiáng),以湘江為主的水體最弱,綠地和裸地居中。大部分研究與本研究趨勢(shì)一致,大都表現(xiàn)為建筑用地?zé)釐u效應(yīng)最強(qiáng)[58]。例如,白麗月[59]發(fā)現(xiàn)福州市區(qū)不同用地類型熱島強(qiáng)度特征與本研究一致,其發(fā)現(xiàn)熱島強(qiáng)度表現(xiàn)為水體<林草地<耕地<建設(shè)用地。有研究則發(fā)現(xiàn)熱島強(qiáng)度的差異與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度相關(guān),表現(xiàn)為森林熱島強(qiáng)度小于農(nóng)田,這是因?yàn)樯值恼趄v作用顯著大于農(nóng)田的蒸散[60]。而有研究則發(fā)現(xiàn)土地類型的分布與地表溫度分布的空間格局基本吻合,城市用地、裸地或無(wú)植被區(qū)域的熱島強(qiáng)度高于其他下墊面[15],這與本研究結(jié)果城區(qū)內(nèi)部分水體與綠地?zé)釐u效應(yīng)較弱一致,但研究未對(duì)小范圍內(nèi)的用地進(jìn)行劃分,本研究則對(duì)湘江兩岸的城市用地類型進(jìn)行細(xì)分(住宅區(qū)、休閑區(qū))。

3.2 水體對(duì)熱島的緩沖效應(yīng)特征

本研究發(fā)現(xiàn)湘江對(duì)長(zhǎng)沙熱島效應(yīng)具有緩沖作用,河道周邊土地利用類型和緩沖范圍內(nèi)的自然地形等是影響緩沖距離的主要因素。有研究發(fā)現(xiàn)離水體距離增大,降溫效果逐漸減弱[61],這與本研究中水體對(duì)周邊環(huán)境地表溫度在一定距離內(nèi)具有緩沖作用相同,本研究發(fā)現(xiàn)湘江對(duì)長(zhǎng)沙市熱島效應(yīng)的平均緩沖距離為400 m。通過(guò)與眾多研究結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)(表2),本研究區(qū)域內(nèi)的平均緩沖距離與其他研究區(qū)域的結(jié)果處于同一數(shù)量級(jí),說(shuō)明本研究在水體兩岸建立大范圍及小尺度的緩沖區(qū)具有一定的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。與其他研究結(jié)果相比,湘江長(zhǎng)沙段主干對(duì)城市熱島效應(yīng)的緩沖能力更強(qiáng),甚至是韓國(guó)首爾[64]的兩倍,這主要是由湘江自身的性質(zhì)決定的,湘江作為湖南省境內(nèi)最大河流、長(zhǎng)江的主要支流,江面廣闊,水流量大,而且湘江南北向縱貫長(zhǎng)沙市中心城區(qū),是優(yōu)良的溝通城區(qū)與郊區(qū)的天然通風(fēng)廊道。盡管南京市的研究主體是長(zhǎng)江南京段,但是城市水體僅在300 m范圍內(nèi)可以顯著消減城市熱島效應(yīng)[18],這是因?yàn)槟暇┦械某鞘幸?guī)模更大[62],熱島效應(yīng)的程度更高,長(zhǎng)江對(duì)南京市熱島效應(yīng)的緩沖能力被弱化,反而使得緩沖距離不如湘江。李東海等[27]發(fā)現(xiàn)東莞市河流對(duì)城市熱環(huán)境有一定的緩解作用,有效范圍約200 m左右,研究發(fā)現(xiàn)河流寬度是影響緩沖距離的主要因素,河流越寬,緩沖作用相對(duì)越強(qiáng),這與本研究不同是因?yàn)槠渲饕骄亢恿鲗挾扰c緩沖距離的關(guān)系。劉勇洪等[65]發(fā)現(xiàn)北京市區(qū)水體對(duì)周邊最大300 m范圍內(nèi)的建筑區(qū)地表溫度具有降溫效應(yīng),其發(fā)現(xiàn)大面積的水體是緩解城市熱島效應(yīng)的主要來(lái)源,說(shuō)明湘江水體面積較大是緩沖距離較大的主要原因。同時(shí)王琳等[66]研究發(fā)現(xiàn)綠地、水體和高大建筑及其陰影都會(huì)影響地表溫度,從而影響水體溫度調(diào)節(jié)作用與緩沖距離的相關(guān)性。

表 2 不同研究區(qū)緩沖分析結(jié)果的差異比較

本研究發(fā)現(xiàn)湘江水體對(duì)河西區(qū)的緩沖效應(yīng)大于河?xùn)|區(qū),對(duì)沿江休閑區(qū)的緩沖效應(yīng)大于住宅區(qū)。有研究發(fā)現(xiàn)熱島效應(yīng)的作用強(qiáng)度主要與城市內(nèi)水體面積和分布相關(guān),城市濕地的形狀及主導(dǎo)風(fēng)向顯著影響城市熱島效應(yīng)[34,67],這與本研究相似,主要是因?yàn)楹游鲄^(qū)水體(咸嘉湖、桃子湖、后湖)較多,且地勢(shì)相對(duì)河?xùn)|地區(qū)較為平坦,主導(dǎo)風(fēng)向?qū)ζ渥饔蔑@著。有研究發(fā)現(xiàn)水體周邊非建筑用地占比增加會(huì)擴(kuò)大水體降溫影響范圍[41,65],張?jiān)萚68]發(fā)現(xiàn)綠地和水體可有效緩解城市熱島效應(yīng),而城市不透水面是造成城市熱島效應(yīng)的主要影響因子,王美雅和徐涵秋[22]也認(rèn)為城市空間格局影響熱島效應(yīng),而減少城市不透水建筑的數(shù)量,增加綠化面積、保留水體可大幅度緩解城市熱島效應(yīng)[69],這與本研究中水體對(duì)河西區(qū)及休閑區(qū)緩沖距離較大一致,說(shuō)明湘江對(duì)該區(qū)緩沖作用強(qiáng)主要是因?yàn)榇藚^(qū)域主要為非建筑用地(綠地、水體),而住宅區(qū)主要是不透水面的建筑用地(居住用地、工業(yè)用地)。

3.3 展望

綜合目前已有研究,當(dāng)前城市熱島效應(yīng)研究在各個(gè)方面均有大量的研究成果已見(jiàn)報(bào)道,普遍采用遙感技術(shù)獲取城市熱島效應(yīng)分布及變化趨勢(shì),但缺乏對(duì)小尺度地物溫度特征的定量分析,致使現(xiàn)有研究結(jié)果不夠精準(zhǔn),未來(lái)研究需加強(qiáng)小區(qū)域內(nèi)熱島特征分析,提高數(shù)量級(jí)精度,探究地物提取的最適合起點(diǎn)面積。已有研究發(fā)現(xiàn)用地類型及城市生態(tài)格局對(duì)城市熱島具有重要影響,大部分研究小范圍內(nèi)的綠地或者水體對(duì)周邊區(qū)域的降溫作用,現(xiàn)代城市內(nèi)部除了面積較大的自然河流,也存在一定面積的人工水體,但其對(duì)周邊環(huán)境的降溫作用研究還比較缺乏。未來(lái)研究需結(jié)合水體周邊建立大范圍的緩沖區(qū),同時(shí)將多個(gè)相鄰水體綜合探究,研究其相關(guān)性及總體緩沖效應(yīng)。現(xiàn)有研究未從多尺度、多空間等方面綜合分析熱島緩沖作用,很多具有現(xiàn)實(shí)意義的科學(xué)問(wèn)題尚未解決。例如,水體周邊建筑高度對(duì)降溫的效應(yīng)有何影響；如何合理規(guī)劃城市空間格局降低熱島效應(yīng)、增強(qiáng)水體熱島緩沖作用需進(jìn)一步探討。因而,未來(lái)的研究還需綜合當(dāng)前成果,通過(guò)高技術(shù)手段獲取精準(zhǔn)城市地物溫度及長(zhǎng)時(shí)間系列數(shù)據(jù),為城市區(qū)域尺度的城市格局規(guī)劃提供切實(shí)可行的依據(jù)和對(duì)策。

4 結(jié)論

本研究分析長(zhǎng)沙市2016年中心城區(qū)熱島強(qiáng)度,對(duì)湘江長(zhǎng)沙段主干進(jìn)行多尺度的緩沖分析,得出結(jié)論如下：

(1)長(zhǎng)沙市地表溫度和熱島強(qiáng)度的空間分布與城市建筑用地分布密切相關(guān),長(zhǎng)沙市中心城區(qū)熱島效應(yīng)極強(qiáng),周邊綠地、水體、裸地等較弱。

(2)水體周邊地表溫度均隨距離的增大而增大,在一定距離趨于穩(wěn)定,湘江水體對(duì)長(zhǎng)沙市熱島效應(yīng)的緩沖距離為400 m,緩沖效應(yīng)較強(qiáng)。

(3)湘江對(duì)河西區(qū)的緩沖效應(yīng)大于河?xùn)|區(qū),對(duì)休閑區(qū)的緩沖效應(yīng)大于住宅區(qū)。說(shuō)明城市水體在一定范圍內(nèi)對(duì)周邊地區(qū)地表溫度具有緩沖作用,影響緩沖距離的因素包括河道周邊土地利用類型和緩沖范圍內(nèi)的自然地形等。

近年來(lái),生態(tài)學(xué)研究受到了廣泛的關(guān)注,與人類日常生產(chǎn)生活息息相關(guān)的城市生態(tài)學(xué)更是得到高度重視。然而,城市作為人工建造物和人類聚集地,大規(guī)模的改造重建是不現(xiàn)實(shí)的。因此,只有發(fā)掘城市內(nèi)生態(tài)規(guī)劃的合理性,同時(shí)適當(dāng)對(duì)城市內(nèi)部進(jìn)行小規(guī)模的改造,才能在保持城市現(xiàn)狀的前提下最大程度的緩解城市熱島效應(yīng)。研究長(zhǎng)沙市湘江水體對(duì)城市熱島的緩沖效應(yīng)可為其他城市進(jìn)行生態(tài)規(guī)劃和改善居住地生態(tài)環(huán)境提供理論指導(dǎo)。