哈尔滨市道路系统与城市热岛关系研究

张 利 ，张丽娟 ，周东颖，刘 栋 ，范怀欣

(哈尔滨师范大学地理科学学院，哈尔滨150025)

0 引言

随着人口的增长、城市化的发展及大量人为热的排放，城市热岛效应日益明显，带来的生态环境问题也日益突出。为了改善城市环境，人们对此做了大量研究以寻找原因和解决办法。目前对城市热岛的研究多集中在对地表热环境空间分布、热岛强度和影响因素等方面。覃志豪利用单窗算法，对以色列—埃及边境地区进行地表温度反演并分析二者地表温度空间差异状况及原因［1］;孙飒梅用相对亮温等级来衡量热岛效应的强度，对不同城市、不同时间的热岛效应进行比较［2］;史同广、王艳姣、祝宁等分别以济南、重庆、哈尔滨市为研究对象，研究热岛效应的空间分布特征及其成因等［3-5］。此外，也有研究城市植被/植被覆盖变化对城市热岛的影响［6-7］、城市下垫面的改变和类型对热岛的影响［8］、城市扩展与地表热环境变化［9］等。目前，对于城市热岛的研究角度比较多，但研究道路系统对城市热岛效应的影响还比较少。杜义明等以北京市为例研究城市道路系统作为廊道系统对城市空间热环境的影响［10］，刘翕等研究了夏日株洲市街道特征与温度分布的关系［11］，徐骏等对上海市道路系统与热场的关系和道路系统的作用进行了研究，得出道路系统对热岛效应的减弱有一定的积极作用［12］。本研究采用哈尔滨市1989，2001，2007年热场资料，研究道路系统对热岛效应的影响，以期为削弱热岛效应影响方面提供参考，为哈尔滨市城区改造和道路规划建设提供理论依据。

1 数据来源与研究方法

1．1 研究区概况

哈尔滨市位于黑龙江省的中南部，地处松嫩平原的东部，境内有多条河流。地貌为东部中低山丘陵和西部平原，地形和地势东南高、西北低。气候条件适宜发展农业生产，资源丰富，四季分明。区位条件优越，交通发达，是东北亚经济区重要的铁路、公路和航空运输枢纽［13］。哈尔滨市区的范围为北纬 45°25'～45°30'，东经126°20'～126°25'，研究区域为松花江以南的老城区，未考虑阿城区、呼兰区及松北区等区域。

哈尔滨市因兴建中东铁路而建，铁路将其划分为道里、道外和南岗等区，铁路因应地形、地势特征而筑，与城市街道、松花江水道和南岗高地形成呼应之势［14］。目前，哈尔滨铁路形成贯穿全市的2条铁路环线，同时也有多条与外界相连的线路，哈尔滨站是连接哈长、滨州、滨北、滨绥及拉滨5大干线的枢纽站。由于铁路制约，哈尔滨市没有贯穿全市的环向道路，目前全市公路形成“两轴、四环、十射”环形放射式道路网结构。哈尔滨市区内的公路很少有正南、正北向的，但存在多处与铁路线走向一致的路段。

1．2 数据来源

哈尔滨市1989，2001，2007年Landsat TM遥感影像来源于中国科学院遥感地面观测站，反演地表温度所需相对湿度等气象资料来源于黑龙江省气象台，1990年哈尔滨市地形图来自黑龙江省测绘局。

1．3 研究方法

1．3．1 地表温度反演。目前，基于TM6波段反演地表温度大体有3种算法，即大气校正法、单窗算法和单通道算法。本研究选用覃志豪提出的适合于TM6数据反演地表温度的单窗算法［15］。

1．3．2 统计分析方法。方差分析是检验2个及2个以上样本均数显著性差异的分析方法，是通过分析不同来源的变异对总变异贡献大小确定可控因素对变异影响力大小的统计学方法。

1．3．3 缓冲区分析。缓冲区分析是空间信息系统中的空间分析基本功能之一，缓冲区是为了识别某地理实体或空间物体对其周围的邻近性或影响度而在其周围建立的一定宽度的带状区。本研究的缓冲区分析是利用ArcGIS 9．2软件的空间分析模块来实现。

2 结果与分析

2．1 道路系统温度差异性分析

基于哈尔滨市1989，2001，2007年 LandsatTM 遥感影像，使用单窗算法，分别反演出相应的哈尔滨市地表温度场，并与地形图相配准，生成道路系统与热场分布图(以1989年为例，图1)。

图1 哈尔滨市道路系统与热场分布图Fig．1 The distribution of road system and land surface temperature in Harbin

从哈尔滨市3年的热场可以看出，道路与周围环境温度存在明显差别，公路温度明显低于周围区域温度，且铁路与公路对周围环境的温度影响也具有显著的不同。以图1中道外区哈东站附近的区域为例，可以明显看出上述结论(图2)。

图2 哈尔滨市道外区局部道路系统与热场分布图Fig．2 The distribution of road system and land surface tem perature of Daowai in Harbin

为了确定铁路与公路对周围环境温度影响是否有显著差异，在3年的热场中随机选取铁路、公路不同路段的各6组样本(A～F)，每组10个点，利用SPSS软件进行方差分析(表1)。铁路取样路段为:A，江边—安发街;B，滨江站—太平桥站;C，哈东路—长江路附近;D，西大直街—电塔街间;E，安通街—哈平路间;F，哈平路—哈双公路间。公路的取样路段:A，新阳路;B，一面街—南通大街—东直路;C，南直路;D，和兴路—三大动力路;E，哈平路;F，学府路。

表1 单因素方差分析结果Tab．1 The result of one-way ANOVA

从表1中可看出，显著性概率值 P=0．001，小于0．05和0．01，说明铁路和公路温度存在极显著的差异。

2．2 铁路温度及对热岛效应的影响分析

2．2．1 铁路对周围区域温度的影响。分别在不同的温度区随机各选取3条铁路，分别为高温区A，B，C，常温区 D，E，F，低温区 G，H，I，共选取 90 个点并获取其温度，分析铁路与周围区域平均温度的对比情况(表2)。铁路的温度比周围地区温度高，距铁路线最近的区域温度最高，随着距离的增加温度有降低的趋势，说明铁路也会使周围区域温度增高。

表2 铁路平均温度与周围区域平均温度的比较 ℃Tab．2 The comparison of the average tem perature of railway and surrounding area

处于不同温度区域的铁路温度的差异显著性分析 结果(表3)显示，其多重比较方差F=124．466，显著性概率值P=0．000＜0．05，表明高温区的铁路与常温区的铁路、常温区与低温区的铁路、高温区的铁路与低温区的铁路温度均存在显著差异，说明处于不同温度区的铁路温度存在显著差异。

表3 方差分析结果Tab．3 The results of ANOVA

2．2．2 铁路升温效应缓冲区分析。由于铁路能使周围区域温度升高，为了分析铁路对周围环境温度的影响程度，随机选取11个铁路路段为研究对象，每隔60 m建立一个缓冲带，各5个缓冲带，均从60 m延伸到300 m(图3)。基于ArcGIS空间分析功能，统计各缓冲区平均温度(图4)。

从图4可以看出铁路的高温效应对周围区域有明显的影响，影响效应随距离增加而减小，影响范围不超过300 m。0～60 m缓冲区受铁路影响程度最大，其温度比铁路温度低0．25℃，而比60～120 m缓冲区温度高约0．59℃;铁路对60～120 m缓冲区以外的区域温度的影响效应逐渐减少，60～120 m缓冲区温度比120～180 m缓冲区温度高0．36℃，120～180 m缓冲区温度比180～240 m缓冲区温度高0．24℃，在240～300 m距离内已无升温作用。

2．3 公路温度及对城市热岛的影响分析

2．3．1 公路对周围区域的降温效应分析。随机在全市范围内选取12条公路，分析公路本身温度与周围(0，30］、(30，60］、(60，90］m 区域的温度分布情况(表 4)。可以看出，公路的温度要低于周围区域的温度，随着距离的增加，这种降温效应越来越小。

表4 公路平均温度与周围区域平均温度的比较 ℃Tab．4 The com parison of average tem perature of highway and its surrounding area

为了更具体分析公路在不同温度区所产生的降温效应，分别在高温区、常温区、低温区各选择4个样本点统计其结果(表5)。可见，处于不同温度区的公路，其本身的温度低于周围区域的温度，即不论周围环境如何，公路均起到了降温、阻隔热岛的作用。同时也可以看到，处于不同温度区域的公路对周围降温的速度并不均匀，但在不同温度区差异规律性不强。

表5 不同温度区公路的降温效应分析 ℃Tab．5 The analysis of highway cooling effect in different tem perature zones

为了分析公路对周围区域温度的影响范围及程度，对以上随机选取的12条公路进行较大范围的缓冲区分析(图5，表6)。可见，公路对距其120 m之内周围环境具有降温作用，超过120 m基本就没有降温效应了。

2．3．2 绿化率不同的公路对城市热岛的影响。根据哈尔滨市主干道路绿化覆盖率(R:道路绿化覆盖率 /%)的分类资料［16］，选取3条绿化率好的道路(R≥35)及绿化率较差的道路(R＜15)，对比分析公路及其周围区域的温度情况(表7)。

图5 公路对周围环境降温效果统计图Fig．5 The statistics of highway cooling effect on the surrounding environment

可见，绿化好的公路温度明显低于绿化差的公路温度，在(0，30］m区域，绿化对周围环境温度有影响，超过30 m影响差异不明显。

采用T检验，分析不同绿化率公路的温度差异，其方差检验结果为F=17．226，概率值为0．00，为小概率事件;平均数检验 t=-5．548，概率值为0．00，为小概率事件。可见绿化率不同的公路，其平均温度及温度分散情况均存在显著差异。

2．4 公路降温效应设计

哈尔滨市市区热岛效应明显，存在大面积的高温区及高温斑块。由于公路具有降温作用，可以在一定区域尤其是明显高温的区域修建公路来调节局部温度环境。

表6 公路对周围区域降温效应影响分析 ℃Tab．6 The analysis of highway cooling effect on the surrounding area

表7 不同绿化程度的公路温度与周围区域温度的比较 ℃Tab．7 The com parison of the average tem perature of different greening highway and surrounding area

根据哈尔滨市“十一五”城市建设发展规划，城市路网建设需打通20余条主次干道，建设道路87．2万m2，改造道路及建设道路面积1 070万m2。

选取哈尔滨市南岗区及香坊区的一个局部小区为研究案例，此区域为高温斑块且路网稀疏。“十一五”期间已在此区域建成了长江路、珠江路2条主干道，建成闽江路和赣水路2条次干道，分析新增公路对局部区域温度效应的影响。

计算建成公路后整个区域的平均温度，所用公式如下:

要得到建成道路后的区域平均温度，需估算要建成道路的温度，其方法为:根据周围区域的温度及公路周围120m内的降温效应进行估算，按2．3．1的计算结果，每隔30 m划分4个缓冲带，降温幅度值分别为0．09，0．25，0．23，0．06℃，计算出所研究小区周围区域及主要干道及次要干道的温度及面积(表8)。

表8 预建不同等级道路及缓冲区面积和温度情况Tab．8 The situation of the buffer zones and temperature of different grade pre-built highway

将表8中的数据分别代入后，可分别得到主干道、次干道和主次干道建成后的区域温度情况(表9)。

由表9可看出在所研究小区域内，主干道、次干道和主次干道建成后的区域温度分别下降了0．06，0．02，0．05℃，且建设主干道即高等级公路对周围区域的降温效应更明显。可见，在高温斑块的区域建设公路，会使局部区域的平均温度下降，从而在一定程度上削弱了城市热岛效应。从城市道路建设的角度，修建道路以及道路的拓宽都可降低温度，改善城市温度环境。

表9 建成公路前后温度对比情况 ℃Tab．9 The contrast of the temperature before and after comp letion of highway

3 结论与讨论

基于哈尔滨市热场空间分布情况，运用统计学原理对铁路和公路的温度情况及道路对城市热岛效应的影响进行了分析。

(1)哈尔滨市铁路和公路路网结构复杂，方向多样，通过统计分析得出铁路和公路的温度存在显著差异，且处于不同温度区的铁路温度也存在明显的差异。

(2)铁路和公路对周围区域温度的作用效果和影响程度不同。铁路的温度比周围地区温度高，铁路会使周围区域温度增高，距铁路线最近的区域温度最高，随着距离的增加温度有降低的趋势，影响范围不超过300 m;公路的温度低于周围区域的温度，在一定程度上分割了城市热岛，具有降温作用，降温最大值不超过0．4℃，距离大于120 m时降低作用很小或没有，说明公路系统对城市热岛的阻隔作用有限，这与陈玉荣对北京市二环内道路系统的研究［8］得出的结论一致。

(3)绿化率不同的公路对周围区域温度影响不同，绿化好的公路温度明显低于绿化差的公路，且在0～30 m范围对周围环境温度有影响，超过30 m影响差异不明显;绿化率不同的公路，其平均温度及温度分散情况均存在显著差异。

(4)在有高温区域或有高温斑块的区域修建公路会使局部区域的温度降低，降低程度比较小;同时修建主干道路的温度降低值大于修建次干道路的温度降低值。

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