城市表面温度与建筑类型关系探讨——以苏州市和张家港市为例<br/>

城市表面温度与建筑类型关系探讨——以苏州市和张家港市为例

2012-09-11WangYue伍燕南WuYannan程ChengDan

住宅科技 2012年9期

■ 王跃 Wang Yue 伍燕南 Wu Yannan程丹 Cheng Dan

0 引言

相比农田、林地与水体为主的郊区，城市建成区地面及近地面平均温度明显高于郊区，城市与郊区这种温度差异称之为热岛效应。城市中热传导率低、热容量小的建筑物与硬化地面在阳光辐射下升温迅速，再加上城市中主动散发热量的建筑物如电厂、超市，餐馆等以及众多燃油机动车，是造成城市热岛的主要原因。随着城市化的迅速推进，不断增强的城市热岛效应已成为当今中国城市，特别是大、中型城市环境退化，包括雾霾天气增多的重要原因。

1 研究目的

为了促使城市向健康、宜居与低碳方向发展，必须进行城市热岛效应成因及特点研究，在此基础上制定改善城市热环境的措施。若任凭热岛效应不断增强，城市发展就可能迅速走向下坡路、走向不宜居。城市地表和近地面温度是城市重要生态与环境指标，科学、理性的城市规划必须包括对城市地表温度的有效控制。探讨城市产生热岛现象的原因及空间分布特点，是制定抑制热岛效应对策的基础研究。

众所周知，人工建筑及硬化地面是引起城市热岛效应的基本原因，但不同建筑类型对城市热岛效应的贡献不同。确定表面温度较高的城市建筑类型，提出改善对策；确定表面温度较低的城市建筑物，分析其温度不高的原因，在此基础上才有可能制定出科学的城市热环境治理措施。本研究以苏州、张家港两城市为研究区，从城市表面温度与建筑物类型关系入手，分析不同建筑物类型在城市增温中的作用，为这两城市热环境及相关环境问题治理提供决策依据。

苏州市是一个由古老城市核心与现代快速发展的周边城区组合的大型城市，主建成区面积618km2，优越的城市生态环境基础，城中密集河道以及小桥、庭院的建筑风格使苏州具有园林城市和东方威尼斯的美称。张家港是一个近年来成长迅速的中型城市，主建成区面积74km2，该城从建城伊始就注重城市生态环境。但如今这两城市均面临城区温度上升及相关生态环境问题[1,2]。

通过探讨两城市表面温度与不同建筑物类型之间关系，提出抑制城市热岛效应的对策建议，这不仅有助于这两城市及中国其它城市的环境质量改善，对全球气温上升的缓解也有一定意义。全球气温上升与全球城市化同步，城市是气温上升显著区域，是全球气温上升主要热源，若众多城市的温度上升得到遏制，全球增温趋势便会得到釜底抽薪式的改善。城市是人类耗能和碳排放主要区域，城市中温度较高的建筑又是城市耗能和温室气体排放大户[3]，所以，本研究也将有助于中国节能减排与低碳城市建设的有效推进。

2 研究方法与过程

参考尹球等人对上海、北京等城市热环境遥感研究方法[4-6]，本研究通过获取城市表面温度信息，绘制城市表面温度图，将表面温度划分为高、中、低不同级别。再与城市建筑物进行对比，以此将城市建筑物分类，确定不同类型建筑物与不同地面温度等级的对应关系。

2.1 城市地面温度信息获取

获取城市地面温度信息通常通过地面温度多点实测，根据定点量测结果插值计算获得温度等值线图。此种方法所获温度信息直接可靠，但如果观测点较少，插值结果会出现很大误差，而城市地面情况复杂，太少观测数据反演获得的地面温度场过于粗糙，太多的观测又会使采样工作量大增，观测实施困难。因此地面温度实测法不适合大、中型城市地面温度调查。如今获取城市地表温度信息一般采用遥感手段，在卫星或飞机上放置可获取地面热红外辐射的传感器，飞行器在飞行过程中扫描采集地表温度信息，然后通过遥感图像处理软件，将遥感信息转换为地表温度信息并制作温度图。

本研究利用美国陆地卫星(Landsat5)传感器所获红外波段（band6）数据为基础，通过遥感图像处理软件Idrisi提取地面亮温辐射信息，影像成像日期为2010年5月24日。用影像灰度值反演亮温值的算法由Landsat官方网站提供[7]，所谓亮温是指当物体辐射的功率等于某一黑体辐射功率时，该黑体的绝对温度。用亮温可以推算地面的理论温度和实际温度，但由于计算牵涉系数较多，特别是地物的比辐射率确定困难，所以一般不用求算地面实际温度，直接用亮温反映地面热力场特征，反映城市地表的相对温度变化。研究区地形为平原且天气晴朗无风的情况下，大气层对亮温干扰呈系统误差，适合地面温度的遥感反演研究，所获影像亮温场与地面温度场有较高的正相关[8]。苏州与张家港位于长江下游平原，地形条件和成像时的天气条件十分适宜进行亮温反演。用Idrisi软件处理所获苏州市亮温影像，在GIS软件ArcGIS中与苏州市行政边界叠加裁剪后结果见图1。

图1 苏州市亮温图

图2 亮温分级图

为了更加直观地表现地表温度差异，用分级的方法将亮温图归并为5个等级，获得地表亮温分级图。亮温等级的划分是先在高分辨率的Google Earth影像上找出地表典型地物样区，这些样区如湖泊、植被、建筑物等，然后在图1上获得对应部位的亮温取值，以此确定亮温的5个等级（图2），各等级的地物特征见表1。

表1 亮温分级指标

2.2 研究区地表温度差异

由图2看出，苏州市地表温度可分为以湖泊、河流为主的低温区，以农田、林地为主的较低温区和以建成区为主的中、高温区。建成区与郊区间存在明显的地表温度差异，若没有城市，地表亮温值变化区间为15K(282～297K)，有了城市，地表亮温值变化区间达31K(282～313K)。人工建筑对地表物理性质的改变是造成城市热岛效应的根本原因。

2.3 建成区内部温度差异

图3 苏州市主建成区范围图

图4 苏州市高温区分布图（亮温＞305k）

图5 各高温地块面积统计柱状图

将图2低温和较低温看做是郊区，其它3个温度较高区划为建成区，并由GIS软件通过地图概括法可获得建成区范围[9]（图3）。依据图2和图3，利用GIS可求出建成区内平均亮温值为299K，郊区平均亮温值是294K，建成区高于郊区5K，这便是城市热岛存在的证据。建成区内部可进一步划分出由植被与建筑物混杂的中温区，由密集建筑物、硬化地面形成的较高温区以及由厂房等大型建筑与场地形成的高温区，并可求出苏州建成区范围各温度区的面积比例（表2）。苏州建成区内占地面积最大的是植被与建筑物混杂的中温区，这种类型和水体、植被为主的低温与较低温区占建成区面积的56%，由此可知苏州市的生态环境总体还是比较好的，水体、植被以及有植被遮掩的建筑物占建成区面积50%以上。

苏州建成区内占地面积最大的是植被与建筑物混杂的中温区，这种类型和水体、植被为主的低温与较低温区占建成区面积的56%，由此可知苏州市的生态环境总体还是比较好的，水体、植被以及有植被遮掩的建筑物占建成区面积50%以上。

表2 苏州主建成区内部各级地表温度面积百分比T

占建成区面积44%的高温和较高温区是形成苏州城市热岛的主要原因，若能将它们的面积减少，并向其它3类区域转化，苏州城市热岛效应就能得到明显抑制，城市热环境质量就能得到有效改善。

3 城市表面温度与建筑物类型关系

由于地面较高温度区和高温区对城市热岛效应作用最大，所以探讨这两类区域的地物特征就成为本研究的重点。

3.1 高温区地物特征

高温区是地表亮温高于305K的区域，通过GIS可以很容易将这些区域提取出来（图4），图5是这些区域的面积柱状图，它们分布零星，总体所占建成区面积比例很小。由亮温图像上看不出它们的地物特征，通过与Google Earth影像叠置（图6），地物类型就可确定。表3是苏州市各行政区内的高温地块数、面积及主要地物，其中面积最大的一块地物（图5）是位于吴中区的苏州市垃圾填埋场，其它主要建筑物有工厂、大型办公楼、大型超市及火车站。这些地物出现高温的原因是：垃圾填埋场自然发热；工厂生产过程热能耗散；大型办公楼与超市、火车站等建筑物能耗散发。用同样方法对张家港市的高温地物进行分析，结果见表4，主要地物均是规模大的工厂厂房。

图6 灰白色为高温区，背景为Google Earth影像

3.2 较高温区地物特征

用上述方法提取苏州市较高温区（299～305K）分布图（图7），此类面积较大，占建成区面积43.6%。与Google Earth影像比较和实地调查可知，这些地物主要为密集的中小型建筑组成的建筑群，其间被河流、湖泊和带状绿地所分割。此类以苏州护城河内的古城区连续性最好，建筑物最为密集且主要为住宅建筑。由此可知缺少绿地、近地面空气流通性不好的苏州市建筑物密集区是形成较高温度区的主要原因，从面积考虑，它们是造成苏州市热岛效应的主要推手。在张家港市，此类建筑占建成区面积47.3%。

3.3 其它亮温等级地物特征

苏州市亮温中温区占地面积45.3%，由图8可见它们的分布较分散，是建筑物与绿地、水体混杂的区域。如古城区中的拙政园等园林，沿护城河两侧的带状绿地、工业园区金鸡湖旁的高尔夫球场以及市内众多道路沿线的绿化带等，一些绿化较好的住宅区也在此类。它们在热红外影像上以绿地、水体和建筑物、硬化地面混合像元的形式被记录，所以亮温值处于中等水平。

表3 苏州各区亮温高于305k的主要地物

表4 张家港市高温区主要地物特征

较低温和低温区都是较大面积的单纯绿地（农田、林地）和水体，占地面积10.74%，是苏州市最重要的生态保障区（图9）。

4 城市地面温度调控建议

由上述分析可知，若不考虑机动车因素，苏州市地表温度升高，主要是工厂、垃圾场、大型建筑物以及密集住宅建筑物群起的作用，张家港市由于城市规模相对较小，大型建筑物较少，工厂的热源作用非常突出。从苏州和张家港的亮温等级图可知，并不是城区内所有工厂和超市等大型建筑物都是高亮温，不少工厂或超市的亮温等级处于较高温或者中温，由此判断主动散热是形成工厂、超市高温的主要原因。耗能少或者碳排放低的工厂、仓库与超市处于较高温和中温等级，建筑物吸收太阳辐射是它们升温的主要原因。

要抑制城市热岛效应对城市生态环境的不良影响，优化城市气候，改善城市生态条件和宜居条件，首先应从高温建筑物着手，其次应该关注较高温的建筑物。GIS模拟显示，若将苏州市建成区内所有高温区和较高温区调控至中温区，建成区平均亮温值将会由目前的299K降至297.6K，下降1K多，而高温和较高温区将会有更大幅度下降，城市整体环境就会得到明显改善。