成都市热力景观空间格局分析

但尚铭,但 玻,蒋 薇

(1.四川省气候中心,成都 610072;2.四川省气象台,成都 610072;3.成都信息工程学院,成都 610225)

1 引 言

城市化造成城市热岛效应 (简称热岛效应或热岛)的出现和温室气体排放,导致全球温室效应的加剧[1]。夏季,热岛效应往往助长高温天气,造成高温灾害。国内对热岛效应已有不少研究。城市热环境 (热岛效应)与城市规划之间存在密切关系[2]。我国正处于高速城市化阶段,研究热岛效应对城市灾害、环境保护、大气污染、防暑降温、市政建设等领域,对成都市的“世界现代田园城市”建设具有重要现实意义。

景观学原理、观念和方法认为,城市中的各类构成要素是一个具有高度空间异质性的系统,在外界影响和其自身作用下动态变化,具有景观的特征。城市景观是城市中由街道、广场、建筑物、园林绿化等形成的外观及气氛。城市热环境 (即温度场或热力场)是城市空间环境在热力场中的综合表现,对城市气候、城市生态环境、人居环境等有着深远影响。城市热环境的空间异质体被称为热力景观。城市景观由于 3个方面的原因影响热力景观[3]：城市景观要素的物理性质的差异,不同景观要素的扩散效率的差异,以及人类活动废热排放的空间差异。由此可见,热力景观可以综合表现城市的建筑、人口、能耗、污染等负荷和水体、绿地等生态结构。景观指数作为一种定量化指标,常被用来研究城市景观、热力景观、水域景观等的空间格局及其变化[4～6]。

成都市地处四川盆地西部,成都平原腹地,是四川省的政治、经济、文化中心。市中心纬度和经度为 30°39.7′E和 104°3.8′N;市区西距都江堰、青城山直线距离约 55km,东距龙泉山约 25km;属亚热带季风气候,热量充足,雨量丰富,四季分明,气候潮湿,多云雾、少日照;年降水量1000mm左右,主要集中在 7、8两月;年平均气温 16.3℃,夏季最高温一般不超过 35℃,但却闷热;冬季平均气温约为 5℃,由于阴天多,空气潮湿,故显得阴冷;具有春早、夏热、秋凉、冬暖的气候特色。成都市外环高速公路以内的面积约580km2。受遥感数据所限,研究区在三环路以内,面积约 200km2。

2 数据和方法

采用 2008年 11月 23日成都地区的美国陆地资源卫星 Landsat5/T M影像数据。T M传感器共 7个波段,其中第 1～5和 7波段的分辨率为 30m,第6波段的分辨率为 120m。

2.1 技术路线

研究的主要技术流程见图 1。一方面,对遥感信息进行数据定标、重采样等预处理,提取行政边界和亮温反演,再按照温度分级提取热力斑块;另一方面,借鉴并选取评价参数,最后计算景观指数和进行结果分析。

2.2 亮温反演

利用第 6波段采用下式反演亮温[7]：

式中：T6为经反演并进行温标转换后的亮温(℃),L(λ)为辐射强度;K1=607.76 W·m-2· sr-1·μm-1;K2=1260.56K为卫星发射前传感器的校准常数;273.15为将开氏温度转换为摄氏温度的转换常数。

图1 技术路线流程图Fig.1 Technical pathway

2.3 热力景观类型

热力景观类型是指不同的温度范围,按照温度值的大小将其划分为 7种类型(见表 1)。将某类中任一连续分布的水平空间结构体作为一个斑块,即分类的最小单元。

表1 热力景观类型划分Tab.1 Classification of ther mal landscape

2.4 热力景观参数

选用的景观指数及计算式如下[8]。破碎度指数(表示景观被分割的破碎程度)F为：

式中：ni为景观类型 i的斑块数,Ai为景观类型i的面积。

多样性指数(表示景观的异质性)H为：

式中：m为热力景观总类型数,Pi为类型 i在景观中所占的比例。

优势度指数(描述景观由少数几类斑块控制的程度)D为：

均匀度指数(表示各类景观分布的均匀程度)E为：

3 结果和分析

3.1 景观格局总的特点

图2是成都市的热力景观图,其中成华区、锦江区、武侯区、青羊区和金牛区的面积分别为64.0km2、29.2km2、47.5km2、25.7km2和 33.5km2。

研究区热力景观空间格局总的特点是,Ⅰ、Ⅱ类主要分布在东部、西北部和西南部,与这些地方主要由传统工业、仓储、工业开发区、家具、小商品城等区域功能特点相吻合;Ⅵ、Ⅶ类大多位于西部和南部,其他地方为零星分布。这些地方水体较多、植被较好、建筑密度较低。由热力斑块统计表(见表 2)可知,Ⅴ类所占面积和数量均为最多,其比例分别为 40.0%和 29.8%,斑块的平均面积为19.72hm2;Ⅳ和Ⅴ的斑块面积所占比例之和高达74%,为研究区的主体。Ⅳ类的平均面积最大,为34.79hm2;Ⅶ类的平均面积最小,为 1.62hm2,主要由水体或面积较大的林地构成。

图2 成都市热力景观图Fig.2 Ther mal landscape map in Chengdu City

表2 成都市热力斑块统计Tab.2 Statistics of thermal landscape patches

3.2 景观指数差异性分析

表3是成都市各行政区的热力景观格局指数。

表3 热力景观格局指数Tab.3 The spatial pattern indexes of thermal landscape

各行政区的各类指数明显不同,是城市构成要素在热力景观上存在差异的数量化表现。锦江区破碎度最大,为 0.924;其次为金牛区,为 0.778;成华区最小,为 0.559。这是由于锦江区和金牛区内繁华的商业区、科技园、企业和工厂等交错分布,热力景观斑块分割较严重,致使破碎度较大;成华区是原东郊工业片区所在地,现仍然为较集中的热源,高温斑块规模较大,因此破碎度较小。多样性指数的值越大,景观类型的丰富程度和复杂程度就越高。金牛区、成华区和锦江区的多样性指数均较大且比较接近,说明类型比较丰富;青羊区的多样性指数明显小于其他区的原因,是因为Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ类的面积之和占该区面积的比例为 72.4%,相对于其他区而言占了显著优势(武侯、锦江、金牛和成华区同类面积所占的比例分别为 56.8%、47.4%、41.3%和 18.5%。由于文章篇幅所限,没有全部列出各行政区的热力景观格局指数表)。当均匀度指数值趋于 1时,各种景观类型也分布得最均匀。青羊区的均匀度指数最小,为 0.499;金牛区的最大,为 0.685。优势度指数的含义与均匀度指数含义相反。

4 讨论和结论

最近 10年以来,成都市城市扩展非常显著,城市景观以及由此导致热力景观发生了根本改变。2001年城市热岛的主要特点是,白天热岛中心区在城市东部二、三环路之间,夜间位于城市中心区;随着城市的扩展、东郊工业区的改造以及城市绿化的改善,到 2006年,城市热岛特点已经显著改变,白天的午后具有显著的、几乎闭合的环状特征,温度较高的热岛环位于二环路以外至三环路两侧[9]。尤为明显的是,从市中心往西至郊外的公园、绿地较多,因此在白天的高温时段出现冷区,存在局部温度相对较低的“冷岛”现象。这些特点和现象体现了城市对热力场的驱动作用[10],与城市环境的改变相吻合。

对成都市三环路内成华、锦江、武侯、青羊和金牛区热力景观指数的对比分析结果与该市人工热源、人工构筑物等分布的实际情况基本一致,这说明采用景观指数的定量化分析方法能够较好地反映区域内不同热力景观空间格局的差别。

研究区内较高温度类型的大斑块大多集中在成华、金牛、武侯区工业和商品交易市场等发展较快的地方,由此导致各景观类型分布不均匀。各区不同的景观类型结构,也会对大气污染分布特点产生影响。因此,应继续优化城市内部布局,尤其应在城市规划中注意优化上述 3个区的建筑类型结构,提高城市绿地覆盖率,从总体上改善成都的城市人居环境。

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