城市空間結(jié)構(gòu)對城市熱環(huán)境時空異質(zhì)性分布影響研究

楊朝斌

山東理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，山東 淄博 255000

城市熱島效應(yīng)，即城區(qū)溫度高于周邊農(nóng)村的現(xiàn)象，對社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和人類健康等產(chǎn)生諸多負(fù)面影響，全面探究影響城市熱環(huán)境的驅(qū)動機(jī)制對于城市可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。論文以吉林省長春市為例，綜合利用多源遙感、氣象站點、無人機(jī)測溫、統(tǒng)計資料等數(shù)據(jù)，構(gòu)建長春市城市精細(xì)化三維空間結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集和三維熱環(huán)境數(shù)據(jù)庫；使用定性與定量結(jié)合的方法，通過空間分析、三維模擬、統(tǒng)計分析等手段系統(tǒng)探討了城市空間三維結(jié)構(gòu)對于城市熱環(huán)境時空異質(zhì)性分布的影響；主要內(nèi)容如下。

(1) 長春市土地利用/覆被格局在30年間發(fā)生了顯著變化。建成區(qū)面積從1984年143.15 km2擴(kuò)展到2014年的577.45 km2，年均擴(kuò)張14.46 km2；利用多端元優(yōu)化方法獲取長春市不透水地表信息，整個研究區(qū)的不透水面地表比例呈現(xiàn)持續(xù)增長趨勢，而建成區(qū)內(nèi)部則呈現(xiàn)出先增長后減小的趨勢。

(2) 利用陰影測高法能有效獲取城市建筑物高度的三維信息。長春建筑物以高度小于16.8 m的中低層建筑為主，占比約為69.85%，高度超過100 m摩天大樓數(shù)量相對較少。長春市建筑覆蓋率以小于0.35的低覆蓋度為主，覆蓋率大于0.55的面積較??；建筑容積率主要以低級別為主，大部分地區(qū)數(shù)值小于2.0，城市中心和西南部建筑容積率要明顯高于其他地區(qū)。

(3) 長春市熱環(huán)境空間格局發(fā)生了劇烈變化。從年代變化看，城市熱島面積占比從1984年的15.27%提升到2014年29.62%，增長速率在2007年以后明顯加快；從年內(nèi)變化看，除去4月和10月外，城市區(qū)域地表溫度要明顯高于農(nóng)村區(qū)域；地表城市熱島強(qiáng)度的季節(jié)性差異為：夏季(4.98℃)>秋季(1.76℃)>春季(1.71℃)>冬季(1.30℃)；從氣溫看，夏季熱島強(qiáng)度(0.75℃)小于冬季(0.95℃)，但夏季夜晚強(qiáng)度(1.72℃)大于冬季(1.50℃)。從日內(nèi)變化看，氣溫逐小時變化規(guī)律與城市熱島強(qiáng)度逐小時變化規(guī)律差異明顯，城市熱島效應(yīng)呈現(xiàn)出“緩慢下降-快速下降-相對穩(wěn)定-快速上升-緩慢上升”5個階段。

(4) 城市空間結(jié)構(gòu)對熱環(huán)境時空異質(zhì)性分布影響顯著。從年代變化看，長春市土地利用空間格局變化與熱環(huán)境格局變化具有良好的一致性。從年內(nèi)變化看，不同土地利用類型間溫度差異明顯，其中8月份的溫差指數(shù)最大12月份最小。從日內(nèi)變化看，不同土地利用類型升溫與降溫速率的差異是驅(qū)動城市熱島效應(yīng)逐小時變化的重要因素。與城市建筑容積率等三維特征相比，城市建筑覆蓋率對熱環(huán)境的影響更為強(qiáng)烈，且夏季的增溫強(qiáng)度要明顯高于其他季節(jié)；不同土地利用類型垂直方向熱環(huán)境分布差異明顯，工礦用地高差1.5～100 m氣溫差異為2.20℃，遠(yuǎn)高于綠地的1.51℃。

(5) 除去冬季外，城市綠地在其余各個季節(jié)都有明顯的降溫作用，但降溫效果在不同季節(jié)和不同綠地子類型中差別明顯且受組成結(jié)構(gòu)和空間配置的影響。本研究中，在1 km×1 km的空間尺度上，當(dāng)綠地的面積比例在20%～40%之間時，最初階段隨著綠地斑塊的增加，地表溫度數(shù)值增大，但當(dāng)斑塊數(shù)量大于40時，地表溫度開始下降。

(6) 城市公園能夠有效生成冷島效應(yīng)，且降溫作用存在明顯的月份差異。在6—8月之間，城市公園冷島效應(yīng)的平均強(qiáng)度大約為4.0℃，而5、9和10月的平均值為2.71℃,1.93℃和1.10℃。冷島效應(yīng)強(qiáng)度與公園面積、公園周長及水體面積所占比例有顯著的正相關(guān)關(guān)系，而與斑塊密度、不透水面比例和草地面積呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。