道路建设对成都市热岛效应的影响

曾胜兰

成都信息工程学院高原大气与环境四川省重点实验室，四川 成都 610225

道路建设对成都市热岛效应的影响

曾胜兰

成都信息工程学院高原大气与环境四川省重点实验室，四川 成都 610225

热岛效应是城市气候最显著的特征之一。土地利用方式及土地覆盖的改变，如城市化和道路建设是导致热岛现象的重要原因之一。然而目前针对道路属性（道路密度及类型）对城市热岛效应的影响研究还较缺乏。本研究运用2012年成都市不同时次（冬夏季）的遥感数据及城市道路交通专题图，运用3S技术探讨道路密度对城市热岛效应的影响以及不同类型道路对城市热岛效应的热贡献。研究表明：（1）成都市热岛效应明显，市区地表平均温度显著高于郊区且热岛强度呈现夏强（3～4 ℃）冬弱（2.5～3 ℃）、夜强昼弱的特征。日间城市热岛效应呈现多热中心的分布模式，但冬夏季热岛中心位置不同。夏季日间热中心位于城市的西南部和中东北部，最高可达32.66 ℃，而冬季日间城市的西南部地表温度较高且热中心主要分布于城市边界地区，地表温度超过16 ℃。无论冬夏，夜间城市热岛效应均呈现环状分布特征，即从城市边缘到中心，地表温度逐渐升高，夏季城乡地表温差高达4.37 ℃而冬季达到2.82 ℃。（2）成都市区道路呈现“圈层型+辐射型”分布模式，道路密度与道路的分布有关，城市南部及西南部的道路密度高于北部区域。（3）无论冬夏，道路密度与地表温度正相关，但两者相关性呈现昼弱夜强的特征，其中夜间相关系数达到0.5左右。对热效应贡献度指数、热单元权重指数、区域热单元权重指数3个指标的分析都表明无论冬夏、无论昼夜，市区分布面积最广的三级道路对城市热岛效应的热贡献最大，其热效应贡献度指数均在95%以上，其次是二级道路，各项热效应贡献度指数为45%～80%。本研究结果将有助于未来城市建设和道路规划，并为缓解城市热岛效应提供理论支持。

城市热岛效应；道路密度；热贡献；Modis；热岛强度

城市化进程的加快在一定程度上加剧了区域性气候变化（寿亦萱和张大林, 2012; 季崇平等, 2006）。从大量观测事实来看，城市气候特征可归纳为“五岛”效应，其中热岛效应是城市中心温度比郊区高的一种自然现象，它反映了城市化对区域气候的影响（Manley, 1958; 孙天纵和周坚华, 1995）。城市热岛不仅引起城市的高温，增加城市的能源消耗，更加剧了城市中的大气污染，造成飓风、暴雨、暖冬等灾害性天气，城市热岛问题因而逐渐受到研究者们的关注（寿亦萱和张大林, 2012）。相关研究主要聚焦于两个方面，一是对各城市热岛效应现状的分析，而近年来的研究表明，各地城市热岛效应无论从强度还是范围来看都有增强的趋势（American, 1996; 白杨等, 2013; 但尚铭等, 2009; 申绍杰, 2003; 张保安和钱安望, 2007;张春桂等, 2011; 张建明等, 2012）；二是对热岛形成机制及影响因子的研究，相关研究结合遥感和地理信息技术探讨城市各种土地利用类型对城市热岛效应的影响（何报寅, 2010; 饶胜, 2010），其结果能够为缓解“城市热岛”以及未来城市规划提供重要理论依据（彭少麟等, 2005）。

在针对土地利用改变对热岛效应的影响研究中，城市公园（绿地）、工业用地、建筑用地、住宅用地等土地利用类型因具有斑块面积大、易于识别和易量化的优势，因而在研究中获得更多的关注（郭红等, 2007; 赵红霞和汤庚国, 2007; 周红妹等, 2008）。近年来，在城市化和工业化的推动下，中国城市交通道路网蓬勃发展，道路亦成为城市重要的土地利用类型之一（Forman and Alexander, 1998；Forman等, 2002; Zeng等, 2011），然而目前针对道路对热岛效应的影响研究相对较缺乏，研究主要集中于验证道路对城市热岛效应的贡献率，但结果却不尽相同。部分研究认为城市道路由大量的工程材料（如沥青混凝土、水泥混凝土）构成，其具有较高的吸热率和较小的热容量，因而它能够吸收大量太阳辐射并迅速升温，同时由于路面的非渗透性，导致水分蒸发对路面的降温作用大幅度降低，这使得路面温度显著高于周围裸土，所以通常道路被认为是城市热岛效应的正贡献群体（Bennett, 1989; Lo等, 1997; 陈玉荣, 2008; 刘睿, 2003），而有的研究认为合理布局道路不会导致城市热岛问题（王正心等, 1997）。同时研究者还指出道路对周围环境及气候的影响可能因道路属性的不同而具有差异，如道路密度（布局）、道路类型（宽度、地面材料等）等，但相关研究较为缺乏（Forman and Alexander, 1998; Zeng等, 2012）。

本研究以城市化及其道路建设高速发展的西部城市成都为例，运用2012年不同时次的遥感数据及城市道路交通专题图，运用遥感和地理信息技术探讨城市道路建设对热岛效应的影响。本研究围绕2个方面展开讨论：（1）成都市热岛效应及道路交通现状分析；（2）道路密度对城市热岛的影响以及不同类型道路（道路等级）对城市热环境的贡献。本研究结果将有助于未来城市建设和道路规划，并为缓解城市热岛效应提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

成都（102°54′E～104°53′E和30°05′N～31°26′N）是四川省省会，位于中国内陆四川盆地西部，龙门山东麓，龙泉山西麓，东西最大横距192 km，南北最大纵距166 km，幅员面积12390 km2，耕地面积4320 km2，总人口1417.8万。全市呈现9区4市（县级市）6县的格局。成都中心城区包括锦江区、武侯区、成华区、青羊区、金牛区5个区。

成都地区具有“春早、夏热、秋凉、冬湿冷”的气候特点，年均气温16 ℃，年降雨量1000 mm。成都地区气候的另一个显著特点是多云雾、日照短、空气潮湿，因此，虽然夏季气温不太高（最高气温一般不会超过35 ℃），但却显闷热；冬季最低气温一般大于-3 ℃（极端最低温-6 ℃），阴天较多，空气相对潮湿。成都雨季集中在7月和8月，冬春两季干旱少雨，霜雪较少。全市极端最高气温为35.5～-37.7 ℃，普遍出现在7月；全市极端最低气温为-5.1～-3.6 ℃，大部分区市县出现在12月，少部分出现在1月。

1.2 数据来源

对于城市热岛效应的现状分析，本研究选用MODIS数据产品MOD11作为研究数据。MODIS（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer，即中分辨率成像光谱仪）是搭载于Terra和Aqua两颗卫星上的传感器，其相互配合每1～2 d可获得整个地球表面共计36个波段的观测数据，因此具有较高的时间分辨率。MOD11产品是美国NASA通过昼夜陆地温度产品算法，在充分利用MODIS数据多波段的基础上反演而成的2、3级数据产品。该产品属于陆地标准数据产品，空间分辨率较高（1 km），8天合成数据能够表征地表温度和辐射率，从数据上看，该产品的精度好于通过分裂窗算法反演得到的地表温度（王丽美等，2011）。此外，MOD11数据产品在制作的时候已对影像进行过云检测剔除的工作，因而在研究时可以直接使用影像数据而无需再做云检测。本文选用2012年冬夏季共计2景MOD11A2数据对研究地热岛效应的时空分布进行分析。对于成都市道路交通分布的现状分析，本研究选用中国基础地理信息矢量图中主要公路（shp格式）和省级行政区划（shp格式）作为基础数据，运用Arcgis9.2软件建立成都市道路交通专题图以供后续分析。

1.3 遥感数据处理

首先运用MODIS重投影工具（MODIS Reprojection Tool，简称MRT）对所选用的MOD11A2数据进行拼接、重投影等预处理，重采样方式选择双线性（Bilinear），投影方式选择Lambert。本研究将考虑城市昼夜热岛效应的差异，因而在数据处理过程中选用LST_Day_1 km、LST_Night_1 km（即日间和夜间地表温度数据）两个波段进行数据处理。其次，运用Arcgis 9.2软件对经过MRT处理后的影像按照成都市行政区划作为边界对影像进行裁切，此时获得的图像即为成都市地表温度影像，地表温度由像元的亮度值表示。运用亮度值与地表温度间的定量关系，按照下列公式将像元的亮度值转化为地表温度值，单位为摄氏度（℃）。

地表温度=像元亮度值×0.01-273.15 （1）

1.4 研究方法

本研究运用地表温度和热岛强度2个指标对成都市热岛效应的时空分布进行讨论。研究区域主要涉及成都市中心城区（五区）。地表温度即根据公式（1）转化而成的地面温度，温度的高低可由转化后的图像像元亮度值直观表现。热岛强度是度量热岛状况的重要指标，即城市平均温度与郊区平均温度之间的差距。本研究利用全国县界资料将成都市分为市区、郊区两部分，利用ArcMap中的分类统计功能分别计算市区、郊区平均地表温度，市郊平均地表温度的差值即为该时次的热岛强度。

道路的密度（m·km-2）是衡量景观中道路影响常用到的指标之一（Forman and Alexander, 1998）。本研究运用Arcgis9.2中空间分析技术中反距离加权法（inverse distance weighted插值法）建立成都市交通道路密度图。

为探讨道路密度与城市热岛效应的关系，本研究运用相关分析法。为讨论不同等级道路对区域环境的热贡献，本研究首先将成都市区道路按照使用任务、功能和流量划分为3个等级，即一级道路，二级道路，三级及其以上等级的道路。按照中国对道路的划分，一级道路为汽车分向、分车道行驶，并部分控制出入、部分立体交叉的公路，主要连接重要政治、经济中心，通往重点工矿区，是国家的干线公路，平均昼夜交通量为150000～30000辆。二级道路是连接政治、经济中心或大工矿区等地的干线公路，或运输繁忙的城郊公路，一般能适应各种车辆行驶，二级公路平均昼夜交通量为3000～7500辆。三级道路是沟通县及县以上城镇的一般干线公路，通常能适应各种车辆行驶，平均昼夜交通量为1000～4000辆，此等级道路还包括沟通县、乡、村等的支线道路。其次，运用热贡献指数、热单元权重指数以及区域热单元权重指数3个指标衡量不同等级的道路对城市热岛的贡献。所谓热效应贡献度（Hi）指不同温度的道路对区域平均温度的影响程度，即对区域热环境的贡献，计算公式如下：（2）式中，Tij为道路等级i中高于区域平均温度的第j个像元的温度，Ta0表示成像时区域的平均温度（本研究指某年份的地表平均温度），n0为道路等级i中温度高于区域平均温度的像元数量，N表示区域道路面积（用像元数表示），Hi′为初始热效应贡献度，为了便于比较，研究进行了标准化计算，从而得到不同等级道路的热效应贡献度指数。热单元权重指数D1表示高于平均温度的道路等级其面积在本道路等级中所占的比重，区域热单元权重指数D2表示高于平均温度的道路等级占区域道路总面积的比重（刘宇等，2006），计算方法如下：

式中，n0表示道路等级i的面积。

2 结果与讨论

2.1 成都市热岛效应及道路建设现状分析（2012年）

如图1所示，成都市昼夜地表温度具有不同的空间分布特征。日间城市地表温度呈现多热中心的分布模式，但热中心的位置具有季节性差异。夏季日间，城市地表温度最高可达32.66 ℃，最低温度29.46 ℃。热中心分别处于城市的西南部和中东北部。与城市相比，城市边界（城乡结合部）的地表温度相对较低（黑色），大约29 ℃。冬季日间，城市的西南部和西部都呈现较高地表温度，而热中心分布于城市边界地区，地表温度大于16 ℃。无论冬夏季，夜间城市地表温度都呈现环状分布模式，即从城市边缘到城市中心，地表温度逐渐升高。夏季夜间，城市边界最低温度21.02 ℃，城市中心最高可达25.74 ℃。冬季夜间，城市中心地表温度达到8.12 ℃。

图1 成都市夏季、冬季城市昼夜地表温度空间分布图Fig. 1 The comparison of day and night surface temperature of Chengdu between two seasons

据调查，地表温度的时空分布与成都市城市规划息息相关。日间城市热岛呈现多热中心的分布模式与城市高产热的工业分布有关。随着市场经济体制改革，城内原有工业企业向郊区迁移，使工业呈现出多点分布，快速发展的格局。成都先后在郊区建立了成都高新技术产业开发区、龙泉的成都经济技术开发区2个开发区（曾艳林，2010）。此后，城都对116个产业园区进行整合形成了21个工业集中发展区，日间郊区的工业区耗能高，这种现象在冬季表现特别明显。而到了夜间，部分工业停止运行。热中心逐渐从工业热中心转移到中心城区。近年来随着成都城市化进程与经济发展水平的逐年提升，城市实体空间地域不断向外圈层蔓延，城市空间结构逐渐形成单中心圈层式结构，这种空间结构一方面使成都市的人口和各种经济要素不断向城市中心区域集中，另外一方面随着旧城及其道路交通的改造与更新，春熙路、红星路、东大街等要重要道路使市中心区对高价值和人口具有更大的吸聚力，带动了中心商务区逐渐形成，目前中心城区形成了中央商务区、人南科技商务区、金融城等现代服务业聚集区（曾艳林，2010）。因此，夜间，城市呈现以城市中心为热点中心的圈层式分布特征。

表1表明无论昼夜，成都中心城区平均温度都高于郊区，夏季差值在3～4 ℃之间，最高可达4.37 ℃，冬季差值在2.5～3 ℃之间，最高可达2.82 ℃。随着城市的发展，成都市对城区内部进行了大规模的改造，建筑密度增大，下垫面的性质发生改变。城市建筑群、柏油路和水泥路面与郊区的土壤、植被相比，具有更大的吸热率和更小的比热容，因而使得城市地区升温较快，并向四周和大气中大量辐射，造成同一时间城区气温普遍高于周围的郊区。此外城市热岛强度呈现夏强冬弱的格局。城市人造地面吸收的太阳辐射和能源利用不充分所排放的废热是导致热岛效应的2大因素（彭少麟等, 2005）。一年中，太阳辐射呈现夏强冬弱的特征，城市人造地面（街道、屋顶等）吸收的热量亦随太阳辐射强度的季节变化而变化，呈现夏强冬弱的特征（文晓航等, 2008）。另一方面，夏季成都湿热，天气闷热，持续高温，相反近年来冬季温暖，夏季居民生活工作制冷耗能远多于冬季采暖的能耗，因此，夏季废热排放亦多于冬季。综合两方面因素造成成都热岛效应呈现夏强冬弱的格局。此外，夜间热岛强度强于日间，这是由于城市的建筑群和柏油路面热容量大，反射率小，因而与郊区相比，能够有效的储存更多的太阳辐射热，据估算，城市日间吸收储存的太阳能比郊区多80%（Forman and Alexander, 1998）。到了夜间，人造路面将储存的热量缓慢释放，起到了保温的作用，使得城市降温缓慢，相反郊区降温快，因此，城郊温差大是造成城区内热岛强度偏大的主要原因。

表1 2012年成都市冬夏城市昼夜热岛强度Table 1 The comparison of day and night heat island intensity in Chengdu between two seasons (summer and winter) in 2012

成都市区一共包含有6个等级的道路，呈现“圈层型+辐射型”分布模式。一级道路主要指成都的绕城高速，全长85 km，双向六车道，是成都圈层型公路网的重要组成部分，也被称为成都的“外环”，它与成都各条高速、主要干道相互连通，按照成都市的规划，成都绕城高速已被标识为成都市的四环路。二级道路主要指成都的三环路及与其相连的高速道路。成都三环路2002年10月正式通车，全长51 km，是成都市城区重要快速通道。全线共有互通式立交桥5座，部分互通式立交桥8座，跨线桥9座，并与成南高速、成灌高速、成雅高速、成乐高速连为一体。三级道路主要指成都的一环和二环路及成都市的主要交通干道。成都市的一环路全长19.38 km。1986年完成改扩建工程，为双向四车道（中间无隔离带），主辅分离。现为双向六车道，有中央绿化隔离带。成都市的二环路全长28.33 km，双向四车道。4-6级道路广泛分布于整个城市并与一级、二级、三级道路相互贯通，形成一张密集的交通网。三级以上等级的道路主要指贯穿于整个城市的各种类型的道路，包括街道及小巷等。图2显示，道路密度与道路的分布息息相关，道路分布密集的区域，道路密度高，成都市内道路密度较高的区域主要分布于城市中心多条道路的汇集点。此外，城市西南部和南部的道路密度较高，而城市北部道路密度较低，这与城市发展的方向有关。

2.2 道路密度对城市热岛效应的影响以及不同类型道路对城市热环境的贡献

图2 成都市道路分布及密度图Fig. 2 The spatial distribution of road in Chengdu and its density distribution

相关分析表明，道路密度与城市热岛显著的正相关，但两者的相关性存在昼夜差异。夏季夜间（r=0.53，t=178.49，n=450，P＜0.0001）地表温度与道路密度的相关性高于日间（r=0.13，t=7.88，n=450，P=0.005）。对于冬季昼夜的分析亦得到了类似的结论，日间（r=0.10，t=4.37，n=450，P=0.037）地表温度与道路密度的相关性低于夜间（r=0.47，t=124.02，n=450，P＜0.0001）。城市地表性质的改变和人工热源都是引起热岛问题的主要原因（寿亦萱, 张大林，2012）。日间，人工热源的作用占主导，工业排放的废热使得区域温度增加，因而日间城市多热中心的分布模式与人工热源的源地分布有关，而夜间，工业区的废热大量减少，此时地表性质的改变成为诱发热岛的重要因素。夜间，道路将日间贮存的热量缓慢释放，从而延缓了城市中心地表温度的降低。道路分布密集的区域，如市中心，释放的热量更多，从而使得城市中心成为热岛中心。从城市中心到郊区，道路密度降低，地表温度随之降低。

由表2可知，无论是夏季还是冬季，无论昼夜，三级及其以上等级的道路对区域热环境的贡献最大，其热效应贡献度指数均在95%以上，其次是二级道路。从热单元权重指数来看，三级道路以及二级道路的权重指数相当，在大部分情况下，二级道路的热单元权重指数略高。三级道路的区域热单元权重指数最高，其次是二级道路，最后是一级道路。由表2可知，日间和夜间，不同等级道路对区域热效应的贡献大小的高低排序不变，但数值上略有降低。

表2 2012年成都市区冬夏城市昼夜不同等级道路的热贡献Table 2 The thermal contribution of different type of roads in day and night in two seasons (winter and summer)

3 结论

（1）成都市不同季节城市昼夜地表温度的空间分布特征不同。日间地表温度呈现多中心的分布，且冬夏季热中心位置不同，夜间两个季节地表温度都呈现环状分布，从城市边缘到城市中心，地表温度逐渐升高。成都市区热岛效应明显，城市平均温度高于郊区，且热岛强度呈现夏强冬弱，夜强昼弱的特征。成都市区道路呈现“圈层型+辐射型”分布模式，道路密度与道路的分布息息相关，道路分布密集的区域，道路密度高。

（2）无论冬夏，道路密度与地表温度正相关，但夜间两者相关性高于日间。热效应贡献度指数、热单元权重指数、区域热单元权重指数3个指标的分析都显示无论冬夏与昼夜，三级道路对城市热岛效应的热贡献最大，其次是二级道路。

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The Effect of Road Construction on Urban Heat Island Effect in Chengdu

ZENG Shenglan

Plateau Atmosphere and Environment Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu Univesity of Information Technology, Chengdu 610225, China

The heat island effect is often one of the most evident characteristics of urban climates. Land use/cover changes such as urbanization and road building, are some of the most important factors that induce heat islands. Road properties, including road density and road type, may determine the magnitude of urban heat islands, but such effects have not previously been explored. In this study, we evaluated the effect of road density and the contribution of different road types on urban heat islands using multi-time (winter and summer) Modis data and city transportation maps with 3S technology. The results showed that: (1) The urban heat island effect in Chengdu was very apparent and of high intensity in summer (3～4 ℃) but weak in winter (2.5～3 ℃). During daytime, there was a polycentric pattern of heat island, and the central of heat island varied between summer and winter. In summer, the areas with the highest land surface temperature (32.66 ℃) was in the southwest and the central northeast part of the city. In winter, the land surface temperature in the southwest section of the city and at the city boundary was higher, oftern over 16 ℃. At night, there was a ring distribution pattern of the urban heat island both in summer and winter, and the land surface temperature decreased from the central of the city to the suburbs. The difference of the land surface temperature between the city and suburbs was 4.37 ℃ in summer and 2.82 ℃ in winter；（2）The road system in Chengdu showed a “ring and radiative” distribution pattern, and road density was closely related to the road distribution. The road density in the south and southwest part of the city was higher than that in the northern part；（3）Both in winter and summer, the land surface temperature was significantly correlated with road density, and the coefficient correlation was higher at night (r=0.5) than that in daytime. Thermal contribution index, thermal unit weight index and thermal unit weight index indicated that the third-class roads contributed the most to the urban heat island effect (＞95%), much greater than secondary road (45%～80%). These results are expected to provide critical information for decision makers and land managers for management of urbanization and road building, which may mitigate the urban heat island effect.

urban heat island effect; road density; thermal contrubution; Modis; heat island intensity

X16

A

1674-5906（2014）10-1622-06

曾胜兰. 道路建设对成都市热岛效应的影响[J]. 生态环境学报, 2014, 23(10): 1622-1627.

ZENG Shenglan. The effect of road construction on urban heat island effect in Chengdu [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(10): 1622-1627.

四川省教育厅科研项目（13ZB0075）；高原大气与环境四川省重点实验室开放课题（PAEKL-2013-Y1）

曾胜兰（1983年生），女，讲师，博士，主要从事城市气象研究。E-mail：denlan1228@163.com

2014-08-29