基于GIS的深圳城市熱島分布特征及對策初探

華楊 張競予

清華大學(xué)/建筑學(xué)院 北京 100084

1 深圳城市空間氣候特征概述

深圳地處珠江入?？诘娜侵迻|岸，地理位置位于東經(jīng)113°46’～114°37’，北緯22°27’～22°52’，屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候。根據(jù)深圳市氣象局發(fā)布的城市氣候公報(bào)，深圳市2014年年平均氣溫為23.2℃，降雨量為1725.5mm，年日照總時(shí)數(shù)為2034.6小時(shí)。

1.1 城市氣溫空間分布狀況

城市氣溫空間分布狀況與城市熱島的分布特征密切相關(guān)。根據(jù)深圳市氣象局網(wǎng)站數(shù)據(jù)，城市氣溫分布主要受海拔影響，總體呈現(xiàn)西城區(qū)溫度高于東城區(qū)的特征，平均氣溫相對較高的區(qū)域主要集中在中西部地區(qū)和龍崗區(qū)北部。（見圖1）深圳夏季是最易出現(xiàn)城市高溫危害的季節(jié)，深圳市入夏較晚，但平均氣溫高，多炎熱天氣，夏季平均氣溫為28.2℃，2014年全年極端最高氣溫為35.0℃，出現(xiàn)在6月13日和7月9日。

圖1 深圳市2014年平均氣溫分布圖（數(shù)據(jù)來源：深圳市氣象局網(wǎng)站）

1.2 城市降水空間分布狀況

根據(jù)深圳市氣象局統(tǒng)計(jì)，深圳市降水量平均值為1935.8mm。根據(jù)2014年各月降水量分布圖（圖2），深圳市全年降水分布較為不均，在夏季期間降水量最高，特別是3～5月期間，容易出現(xiàn)暴雨及回南天氣，形成連續(xù)陰雨天。但是在冬季降雨量顯著減少。在空間特征上來看，由于海拔的影響，降水量在整個(gè)城市分布也呈現(xiàn)東多西少的趨勢，西城區(qū)降水量明顯少于東城區(qū)（見圖3），降雨量的多少會對城市熱島形成一定影響[1]。

圖3 深圳市2014年平均降水量空間分布（數(shù)據(jù)來源：深圳市氣象局網(wǎng)站）

2 對深圳市熱島特征的研究方法

2.1 GIS遙感信息源的選擇

為比較分析深圳市近年來的熱島變化與發(fā)展情況，以及熱島的城市空間分布特征，本文選取了具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢功能的Landsat衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)不僅包含實(shí)時(shí)拍攝的具有地理位置信息的衛(wèi)星地圖，還包含衛(wèi)星溫度傳感數(shù)據(jù)。本文中2012年及以前的衛(wèi)星地圖數(shù)據(jù)來源于Landsat7 ETM+衛(wèi)星地圖數(shù)據(jù)庫，2013年之后的衛(wèi)星圖來源于Landsat8衛(wèi)星拍攝圖。深圳市衛(wèi)星地圖軌道號為：Path121-122，Row44，經(jīng)過坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換和投影處理，所選信息源可以滿足論文分析需求。在分析過程中還收集了深圳市行政區(qū)劃及城市空間功能分布的GIS電子地圖。

2.2 熱傳感信息的提取

Landsat衛(wèi)星信息中自帶熱紅外掃描信息，其原理是通過對地面輻射能量的測量來確定地表輻射強(qiáng)度，通過地表熱輻射情況探知地表輻射溫度。Landsat熱紅外掃描儀探知的輻射波段為10.4～12.5μm，這一輻射波段所包含的太陽輻射能量非常微弱，所以這一波段的熱紅外掃描儀探測的波段絕大部分來自地面的輻射能量，能夠準(zhǔn)確感知地表輻射，進(jìn)而測得地表溫度情況。本文選取了Landsat衛(wèi)星信息中深圳市1999年10月5日及2015年10月18日的溫度傳感信息圖，根據(jù)熱傳感衛(wèi)星圖的灰度情況，可得知地表溫度的相對關(guān)系[2]。

3 深圳熱島效應(yīng)現(xiàn)狀與發(fā)展

3.1 熱島效應(yīng)的成因及危害

城市作為一個(gè)人口及活動集中的空間區(qū)域，其地表平均溫度通常會高于相鄰的郊區(qū)地區(qū)，形成一個(gè)形似島嶼的獨(dú)立的高溫區(qū)域，被稱為城市熱島效應(yīng)（Urban heat island effect）。對于熱島的最初研究始于19世紀(jì)英國氣象學(xué)家Lake Howard，他在對倫敦市區(qū)及郊外氣溫的對比觀測中，發(fā)現(xiàn)并提出了城市熱島這一概念。

城市熱島通常會對城市的環(huán)境質(zhì)量造成一系列危害。首先，熱島效應(yīng)形成的夏季高溫導(dǎo)致城市氣溫的不舒適性，給城市居民的生產(chǎn)和生活帶來不便，甚至危害人體健康。深圳地處亞熱帶氣候區(qū)，夏季過熱是城市氣候的最不利體現(xiàn)，因此熱島對深圳城市氣候的影響不容忽視。而且，熱島效應(yīng)不利于城市污染物的排放，城市地面溫度的升高，導(dǎo)致城市中煙塵、霧霾等不利污染物不能順利擴(kuò)散出去，聚集在城市內(nèi)部，造成環(huán)境污染。另外，高溫還容易加劇污染物的轉(zhuǎn)化，增加空氣污染情況。另外，城市熱島中聚集的煙塵通過水蒸氣的聚集，容易在城市附近形成暴雨等惡劣天氣，給城市排水系統(tǒng)帶來壓力。

改革開放以來，隨著我國城市化進(jìn)程的加快，國內(nèi)各大城市在近幾年到十幾年時(shí)間內(nèi)，都經(jīng)歷了明顯的熱島效應(yīng)的增強(qiáng)，深圳市作為國內(nèi)城市化速度最快的城市之一，其熱島問題作為城市中重要的環(huán)境問題之一，需要進(jìn)行進(jìn)一步關(guān)注和治理。

3.2 深圳城市熱島效應(yīng)時(shí)間發(fā)展特征

選取深圳市1999年10月5日至2015年10月18日衛(wèi)星溫度傳感信息進(jìn)行對比，Landsat衛(wèi)星圖中熱傳感信息非常明確的顯示出，在1999年的時(shí)候，整個(gè)深圳地區(qū)的熱島效應(yīng)特征尚不明顯，市區(qū)范圍內(nèi)并無明顯高溫集中情況的出現(xiàn)，同時(shí)將溫度分布與深圳的海拔地形進(jìn)行比較，會發(fā)現(xiàn)中部偏南地區(qū)以及城區(qū)東北部分的高溫集中情況，但這一原因與熱島效應(yīng)物館，而是由山脈海拔高度的影響而導(dǎo)致的。但是到2005年10月18日的熱傳感信息圖顯示，城市范圍內(nèi)相較之前能夠清晰地看出城市范圍內(nèi)已經(jīng)形成明顯的溫度集中區(qū)域。但是2010年、2015年乃至2020年，每五年的比較顯示深圳城市熱島效應(yīng)在這十五年間明顯加劇。新增城市熱島主要集中在城市西部及中部地區(qū)，其中西部地區(qū)的城市溫度升高最為明顯，城東地區(qū)的熱島效應(yīng)沒有明顯的加劇。

深圳市氣象局公布的城市熱島變化數(shù)據(jù)中也顯示了近幾年來城市熱島效應(yīng)呈現(xiàn)加劇的整體趨勢（見圖4），其中2014年深圳市熱島強(qiáng)度為1.10℃，2013年為0.81℃，2012年為093℃，2011年為097℃，2010年為0.87℃。圖4中黑色虛線表示城市熱島強(qiáng)度的總體變化趨勢，從中可知近年來深圳市城市熱島強(qiáng)度呈現(xiàn)總體上升的趨勢。

圖4 深圳市城市熱島強(qiáng)度趨勢（數(shù)據(jù)來源：深圳市氣象局）

3.3 深圳城市熱島效應(yīng)空間分布特征

以2015年10月18日的Landsat溫度傳感地圖為例，城區(qū)熱島分布主要集中在西城區(qū)及中城區(qū)，東城區(qū)熱島效應(yīng)不明顯，整體的熱島分布呈現(xiàn)“西強(qiáng)東弱”的分布態(tài)勢。其中熱島最強(qiáng)的幾個(gè)地區(qū)，從強(qiáng)到弱依次為寶安區(qū)、光明新區(qū)、龍華區(qū)及南山區(qū)，福田區(qū)、羅湖區(qū)溫度次之，再次為坪山新區(qū)，熱島情況最不明顯的地區(qū)為大鵬新區(qū)。這與深圳各個(gè)區(qū)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)有一定的相關(guān)性，比如寶安區(qū)和龍崗區(qū)主要發(fā)展工業(yè)，光明新區(qū)主要發(fā)展內(nèi)衣產(chǎn)業(yè)和生物制造業(yè)，南山區(qū)主要發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，造成這幾個(gè)地區(qū)熱島效應(yīng)更為顯著，而福田區(qū)和羅湖區(qū)主要發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)，而鹽田區(qū)主要發(fā)展現(xiàn)代物流和旅游業(yè)，熱島效應(yīng)較前者有一定緩和。

4 深圳熱島效應(yīng)與城市綠地空間分布

除了產(chǎn)業(yè)分布會影響熱島效應(yīng)的分布外，在城市中，熱島效應(yīng)還受到其他眾多因素的影響，如植被、水系、建筑密度以及人口密度等都對城市熱島的形成產(chǎn)生影響。本文將結(jié)合GIS原理，從城市綠地及城市重要建筑的業(yè)態(tài)分布兩方面對深圳市的熱島成因進(jìn)行初步分析，探索城市熱島效應(yīng)與城市空間功能分布之間的緊密聯(lián)系，并尋求緩解城市熱島效應(yīng)的具體方法。

城市綠地通常包含城市中的公園、綠化及水系等，城市綠地中的植被及水體不僅具有改善城市環(huán)境的作用，還能通過植物及水體的降溫作用緩解城市熱島效應(yīng)；根據(jù)研究表明，通過城市綠地植物群落形成的局部微氣候能夠顯著降低地表溫度。

通過對深圳城市熱島分布以及城市綠地的相關(guān)性，從中可知城市中各個(gè)熱島集中區(qū)的城市綠化覆蓋情況。從中可以得出如下結(jié)論：

（1）寶安區(qū)、光明新區(qū)的北部城區(qū)的城市綠地分布相對較少，特別是大面積的城市綠地非常缺乏，綠地僅以一些小型公園及綠化廣場形態(tài)零星分布出現(xiàn)，雖然在這些公園內(nèi)部能夠形成點(diǎn)狀的低溫區(qū)，但對于周圍的降溫作用效果不是特別明顯，因?yàn)檫@兩個(gè)地區(qū)熱島效應(yīng)在整個(gè)深圳各區(qū)中，呈現(xiàn)出最強(qiáng)的趨勢。

（2）福田區(qū)與羅湖區(qū)交界處出現(xiàn)大面積城市綠地，綠地附近熱島效應(yīng)有明顯的緩解作用，可見大面積城市綠地對熱島效應(yīng)的減緩作用非常明顯，大面積綠地對于微氣候的形成較小面積的綠地有更為良好的表現(xiàn)。

（3）與綠地相比，城市水系分布情況與城市溫度分布相對應(yīng)，從中可以發(fā)現(xiàn)水系與熱島溫度呈現(xiàn)明顯的一一對應(yīng)關(guān)系，水系的出現(xiàn)對周圍熱島溫度的降低起到明顯的作用。

（4）水面大小與作用的大小同樣存在相互關(guān)系。大面積水體比小面積水體在熱島效應(yīng)緩解上存在優(yōu)勢。以寶安區(qū)為例，寶安區(qū)面積最大的水體為南側(cè)的鐵崗水庫，鐵崗水庫及附近水系的存在是寶安區(qū)東側(cè)城區(qū)溫度降低的主要原因。但是，寶安區(qū)北側(cè)的一些小水系，如五指耙水庫、厚底坑水庫等，由于面積過小，對附近城區(qū)溫度降低幾乎不起作用。

5 深圳熱島效應(yīng)與城市建筑業(yè)態(tài)分布

城市熱島效應(yīng)與城區(qū)建筑密度、人口密度及交通強(qiáng)度的關(guān)系同樣密切，為了分析深圳城區(qū)業(yè)態(tài)分布情況，通過深圳城區(qū)GIS業(yè)態(tài)信息與Landsat熱感信息圖的疊加，對比分析不同功能的城市業(yè)態(tài)對熱島形成與加劇的影響，進(jìn)而得出緩解深圳城市熱島的具體措施。

同時(shí)通過深圳中重要的公共建筑與熱感信息的對比，可以直觀地看出熱感信息與公共建筑之間的聯(lián)系。公共建筑方面我們主要選擇了重要公建、商業(yè)集中地、餐飲功能用地、公交節(jié)點(diǎn)、學(xué)校、醫(yī)院六種業(yè)態(tài)。

5.1 重要公建與城市熱島分布的關(guān)系

重要公建與城市熱島分布的關(guān)系：羅湖區(qū)為城市中重要公建的集中地，其次為南山區(qū)。但是從各個(gè)城區(qū)熱島效應(yīng)的強(qiáng)度來看，羅湖區(qū)的熱島效應(yīng)強(qiáng)度不高，可見重要公建對城市熱島的加劇并無明顯影響。猜測原因?yàn)椋撼鞘兄械闹匾ㄍǔＰ枰Y(jié)合樹木、廣場等綠化，集中設(shè)置供人疏散與活動的綠化活動空間，而且通常此類建筑也不具有較高的建筑密度，因而對城市地表溫度的升高影響不如想象中明顯[5]。

5.2 商業(yè)中心與城市熱島分布的關(guān)系

商業(yè)中心與城市熱島分布的關(guān)系：城區(qū)溫度與商業(yè)中心的分布情況基本符合相互對應(yīng)的關(guān)系，商業(yè)越集中的地區(qū)，地表溫度也越高；商業(yè)分散的地區(qū)，熱島強(qiáng)度通常也較低。

5.3 餐飲業(yè)態(tài)與城市熱島分布的關(guān)系

餐飲業(yè)態(tài)與城市熱島分布的關(guān)系：與商業(yè)中心類似，餐飲業(yè)態(tài)與熱島分布呈現(xiàn)相互對應(yīng)的關(guān)系。

5.4 公交節(jié)點(diǎn)與城市熱島分布的關(guān)系

公交節(jié)點(diǎn)與城市熱島分布的關(guān)系：城市熱島與公交節(jié)點(diǎn)的關(guān)系并不明顯，在公交站分布非常密集的羅湖區(qū)、福田區(qū)及南山區(qū)，熱島強(qiáng)度反而低于公交站分布較為稀疏的光明區(qū)及寶安區(qū)。推測原因?yàn)椋浩囄矚馀欧攀浅鞘兄械闹饕獰嵩粗?，公交線路較為密集的地區(qū)，公共交通較為便捷，整體交通效率較高。

5.5 學(xué)校、醫(yī)療業(yè)態(tài)與城市熱島強(qiáng)度分布情況的關(guān)系

學(xué)校、醫(yī)療業(yè)態(tài)與城市熱島強(qiáng)度分布情況的關(guān)系：學(xué)校、醫(yī)療建筑的分布情況與城市熱島強(qiáng)度分布情況基本對應(yīng)，由于學(xué)校、醫(yī)療以及餐飲等分布情況與地區(qū)人口密度呈正相關(guān)趨勢，因此，地區(qū)人口集中情況是決定地區(qū)熱島強(qiáng)度的重要指標(biāo)。

6 深圳城市熱島效應(yīng)解決方法初探

根據(jù)上文中對于市區(qū)熱島強(qiáng)度的空間及時(shí)間分析，Landsat溫度傳感信息顯示深圳市熱島強(qiáng)度最高的地區(qū)為西城區(qū)，以寶安區(qū)、光明新區(qū)及龍華區(qū)三個(gè)城區(qū)的熱島效應(yīng)最為強(qiáng)烈。通過城市綠地、水系及業(yè)態(tài)分布情況與城市熱島強(qiáng)度的疊加分析可知，以上三個(gè)區(qū)的熱島產(chǎn)生原因及基本的解決對策探討如下：

6.1 寶安區(qū)與光明新區(qū)

寶安區(qū)和光明新區(qū)的熱島問題主要集中在北區(qū)，南區(qū)由于城市中大片水系的影響，熱島效應(yīng)有所減緩。北區(qū)熱島強(qiáng)度較大的主要原因?yàn)槿狈Υ笃鞘芯G地及水體，該片區(qū)雖然也有一定數(shù)量的城市綠地及水系，但是這一片區(qū)綠化主要以小面積的公園綠化為主，沒有大面積的城市綠地出現(xiàn)，水體也以小型水庫等水體為主，沒有形成局部的微環(huán)境系統(tǒng)。從衛(wèi)星圖中可知，這些小面積的綠化及水體對局部降溫沒有起到應(yīng)有的作用。對這一城區(qū)的解決措施是，加強(qiáng)綠地及水體的建設(shè)，將分散綠地相互聯(lián)系，形成有一定規(guī)模的綠地系統(tǒng)[6]。

6.2 龍華區(qū)

龍華區(qū)的重要公建分布較少，但商業(yè)業(yè)態(tài)分布較為集中，同時(shí)，龍華區(qū)作為深圳的主要產(chǎn)業(yè)區(qū)，形成人口密度相對集中、片區(qū)熱排放較多的主要特征。龍華片區(qū)內(nèi)綠地分布均衡，且大部分都具有一定的規(guī)模，如觀瀾河生態(tài)景區(qū)，片區(qū)整體綠地系統(tǒng)較為發(fā)達(dá)，對熱島強(qiáng)度起到非常大的緩沖作用。從圖片對比來看，龍華區(qū)內(nèi)水系數(shù)量較多，但面積普遍較小，可通過在綠地系統(tǒng)中增加水系面積、加強(qiáng)綠地系統(tǒng)內(nèi)生態(tài)濕地的建設(shè)等方法降低片區(qū)熱島強(qiáng)度。