宁波城市热岛随城市化演变的多指标综合分析

赵颜创，赵小锋*，旷达

1. 中国科学院城市环境与健康重点实验室，中国科学院城市环境研究所，福建 厦门 361021；2. 中国科学院宁波城市环境观测研究站，浙江 宁波 315800

宁波城市热岛随城市化演变的多指标综合分析

赵颜创1,2，赵小锋1,2*，旷达1,2

1. 中国科学院城市环境与健康重点实验室，中国科学院城市环境研究所，福建 厦门 361021；2. 中国科学院宁波城市环境观测研究站，浙江 宁波 315800

以宁波市为研究对象，利用1984─2010年间冬、夏各5景Landsat TM/ETM+遥感影像数据进行地表温度反演，在此基础上使用热岛强度、热岛面积、景观格局指数综合分析了宁波城市化进程中城市热岛在冬、夏两季的演变趋势，得出如下结果,（1）强度方面，冬季平均热岛强度为1.57 ℃，夏季为8.67 ℃，夏季明显强于冬季；热岛强度在夏季呈增强趋势，在冬季呈变弱趋势。（2）热岛面积方面，在冬季，平均89%的建成区受热岛效应的影响，而在夏季，该比例为98%。无论冬夏，热岛面积均随城市化的发展持续增加。（3）数量方面，热岛景观在冬季以低等级热岛斑块为主，占热岛面积的96%左右，夏季以中、高等级热岛斑块为主，比例约为热岛面积的92%。无论冬夏高等级热岛斑块个数均随着城市化进程显著增加。（4）形态方面，无论冬夏主要热岛景观类型乃至整个热岛的斑块形状均变得更加复杂。（5）结构方面，热岛景观在冬季总体上逐渐破碎化，各类景观趋向均匀，多样性增加。在夏季则逐渐聚集，逐步向以高等级斑块为主导的格局方向发展，多样性降低。（6）空间分布方面，随着城市化进展，冬夏两季热岛景观斑块都经历了数量增加、等级升高的变化。冬季在北仑的宁波经济技术开发区形成了两个热点区，夏季在三江口周边、甬江口两岸以及经济技术开发区形成了三大高温片区。利用多指标综合分析可以更加全面的反映城市热岛的演变规律，为减缓城市热岛效应提供理论依据。

城市热岛；多指标分析；城市化；时空变化；宁波

城市热岛效应是指城区温度明显高于外围郊区的现象，其产生及变化与城市化过程中城市地表覆被改变以及人类社会经济活动密切相关，是城市生态环境状况的综合体现（黄聚聪等，2012）。研究城市热岛效应的时空演变机制，并提出有效的控制和缓解措施对改善城市微气候、城市人居环境、促进城市可持续发展有重要意义。城市热岛分为大气城市热岛和地表城市热岛。随着遥感技术的快速发展和广泛应用，其宏观、综合、快速、动态、准确的优势为地表城市热岛提供了先进的探测与研究手段，众多学者对于地表城市热岛的相关问题展开了大量研究。但在分析城市热岛的特征时，通常采用热岛面积、热岛强度等单一指数（孙飒梅和卢昌义，2002；王建凯等，2007；韩贵锋等，2012；姚玉龙等，2013），无法深入了解城市热岛的特征。陈云浩等借鉴景观生态学的原理和方法，提出热力景观观点用以研究城市热岛空间格局（陈云浩等，2002a；陈云浩等，2002b）。随后，许多学者在此基础上展开了大量深入的研究（胡姝婧等，2009；江学顶和夏北成，2007；贡璐和吕光辉，2009；孟丹等，2010；Zhao等，2010；黄聚聪等，2011；黄聚聪等，2012；白杨，2013；李海峰，2013）。虽然景观格局指数多样（陈利顶等，2008），能够从斑块、类型和景观三个层次对热岛格局进行更为全面的表征，可以更深入的研究城市热岛效应及其演变特征。但景观格局指数也存在局限性，比如在反映格局-过程关系的作用时受到质疑（Tischendorf，2001；Harbin和Wu，2004）。由此可见，使用单一类型的指标很难全面反映城市热岛的基本特征，使用多种指标进行综合分析则将成为城市热岛效应监测与评价的发展方向。

本文以宁波市为例，利用Landsat TM/ETM+遥感影像，使用热岛强度、热岛面积、景观格局指数综合分析城市化进程中城市热岛在冬、夏两季的时空演变特征，以期为缓解城市热岛、改善城市生态环境、促进城市可持续发展提供科技支撑。

1 研究区概况

宁波市位于东经120°55’～122°16’，北纬28°51’～30°33’之间，地处我国海岸线中段，属于亚热带季风气候，温和湿润，四季分明。冬季受蒙古高压控制，盛行偏北风，夏季受太平洋副热带高压的影响，盛行东南风。冬夏平均降水量分别为191和548 mm。冬季最高、最低与平均气温分别为12.0 ℃、1.8 ℃和6.0 ℃，夏季分别为32.6 ℃、21.0 ℃和26.6 ℃。宁波市作为我国华东地区重要工业城市和对外贸易口岸，是长三角南翼以及浙江省的经济中心。随着经济的迅速发展，宁波城市化进程加快，城市扩张迅猛，建成区面积由1984年的23 km2增加到2013年更是达到290 km2（中国城市统计年鉴，2014），市区空间由河口向滨海演进，形成了三江（主城区）、镇海、北仑三片临江、滨海发展的格局。热岛现象日益严重（丁烨毅等，2008；姚一舟等，2013）。因此有必要对宁波热岛效应进行全面的监测与研究。为避免郊野热异常对城市热岛效应分析的干扰，本文在具体分析时以宁波市当年的建成区作为热岛分析的范围。以2010年为例，宁波市建成区的如图1所示。

图1 研究区范围示意图Fig. 1 Studied area

2 研究方法

2.1 数据源与图像预处理

根据研究目的和影像质量，在1984─2010年期间的冬、夏季节各选5景Landsat TM/ETM+影像（见表1），轨道号为118/39。所选用的10景影像数据天气晴朗、大气可见度高、成像较好。所有影像均采用WGS-84椭球和基准面，精纠正到UTM投影坐标系（N51带），并通过重采样统一分辨率。

2.2 温度反演

使用TM和ETM+热红外波段反演地表温度。对于TM，热波段是6波段；对于有两个热波段的ETM+，这里使用的是62波段，该波段适用于沿海等低反射率地区（Xian和Crane，2006）。首先使用公式（1）将DN值转化为云顶辐射亮度，然后利用公式（2）对影像进行大气校正和发射率纠正，将云顶辐射亮度转换为地表辐射亮度（Barsi等，2005)。公式（3）将地表辐射亮度转化为地表温度sT（Chander和Markham，2003）：

表1 本研究所用影像Table 1 Images used in this study

式中，λL是云顶辐射亮度（单位为W/(m2sr μm），λinGa和λBias分别是转换函数的斜率系数和截距系数，两者均可在TM/ETM+影像自带的元数据中获得。TL是地表辐射亮度（单位为W/(m2sr μm），在进行大气校正时，大气上行辐射亮度μL、大气下行辐射亮度λL、和大气透过率τ均来自于NASA网站的大气参数数值查询(National Aeronautics and Space Administration，2014)。发射率ε的确定则基于土地覆盖分类结果进行赋值（Snyder等，1998)。sT是地表温度（单位为K），K1是定标常数1，对于TM取值607.76，对于ETM+取值666.09；K2是定标常数2，对于TM取值为1260.56，对于ETM+取值为1282.71（Landsat Project Science Office，2009）。

2.3 城市热岛分析指标

本研究使用热岛强度、热岛面积以及景观指数三类指标来分析宁波城市热岛随城市化的演变规律，具体如下：

2.3.1 热岛强度

热岛强度用来衡量热岛效应的强弱，对于大气城市热岛，热岛强度是指城区气温与郊区气温的差（Lin and Yu, 2005）。而对于遥感监测的地表城市热岛，热岛强度还没有一个通用的定义（Zhao等，2010）。在此，我们定义城市热岛强度是为建成区平均地表温度与郊区平均地表温度之差，如公式（4）所示。

式中，I指热岛强度，Tu为宁波市建成区平均地表温度，Ta为宁波市郊区平均地表温度。

2.3.2 热岛面积

热岛面积是指研究区内存在热岛效应的区域面积，即宁波市建成区内地表温度大于宁波郊区平均地表温度的像元面积的总和。

2.3.3 热岛景观指数

首先将研究区划分为不同等级的热岛景观斑块。具体过程是：使用反演得到的地表温度根据公式（5）计算相对温度，然后根据相对温度的统计分布进行阈值分割，划分热岛景观斑块等级，其中所使用的阈值如表2所示。其中第1等级的斑块未列入分析。

表2 热岛斑块划分中所使用的阈值Table 2 Thresholds used in the segmentation of thermal patches

式中，Tui为研究区第i个像元的地表温度，Ta为宁波市郊区平均地表温度。

然后选取景观指数描述宁波城市热岛斑块空间格局的特征与变化。本研究从类型水平和景观水平两方面选取景观指数，类型水平的指数有类型面积（CA）、斑块数量（NP）、斑块密度（PD）、面积加权平均形状指数（SHAPE_AM）、景观水平的指数有斑块数量（NP）、斑块密度（PD）、面积加权形状指数（SHAPE_AM）、多样性指数（SHDI）、均匀度指数（SHEI）。各指数的含义如下：

（1）数量特征。类型面积（CA）和斑块数量（NP）分别描述了热岛景观斑块类型面积和斑块个数。

（2）形态特征。面积加权平均形状指数（SHAPE_AM）反映了斑块形状的复杂程度，其值为1说明斑块是正方形，其值越大说明斑块形状越复杂。

（3）结构特征。斑块密度（PD）描述热岛景观的破碎度。多样性（SHDI）和均匀度（SHEI）指数分别描述斑块类型的丰富程度和均匀分布程度。景观种类越多，SHDI越大；斑块大小越均匀，SHEI越大。

研究采用的软件包括ArcGIS 10.0、ENVI 4.5和Fragstats 4.2。

3 结果与分析

3.1 热岛强度与热岛面积

宁波城市化过程中热岛强度与热岛面积在冬、夏两季的变化情况如图2所示。热岛强度在夏季明显强于冬季，夏季5个时相平均热岛强度大约是冬季的5.5倍；在冬季热岛强度波动下降，城市化进程前期（2000年之前）平均值为1.9 ℃，随着城市化的发展（2000年之后）平均值为1.1 ℃；在夏季热岛强度波动上升，2000年之前的平均值为8.0 ℃，2000年之后的平均值为9.1 ℃。热岛面积在冬夏均持续上升，上世纪80年代，热岛面积在冬、夏两季分别是23.20 km2、27.42 km2，而到2010年左右，分别为300.14 km2、339.51 km2。在冬、夏两季，热岛面积占建成区比例5个时相的平均值分别为89%和98%。综合以上分析说明，无论是冬季还是夏季，宁波市建成区大部分都发生了热岛效应；夏季热岛效应显著，强度与面积均随着城市化进程不断增加；而在冬季，虽然热岛面积也随城市化进程增加，但强度呈变弱趋势。

图2 冬、夏两季热岛面积与热岛强度的变化Fig. 2 Changes of UHI intensity and extent in winter and summer

3.2 类型水平热岛景观格局演变特征分析

图3显示了宁波城市化过程中热岛景观指数在类型水平上的演变趋势。在冬季，以低等级的2类热岛斑块为主，未出现6级热岛斑块。各类热岛斑块面积总体呈明显上升趋势，其中2、3级热岛斑块面积分别从1984年的22.26 km2、0.94 km2增加到2010年的275.77 km2、23.20 km2；4级热岛斑块自2000年开始出现，面积为0.06 km2，到2010年增加到1.04 km2；5级热岛斑块在2010年出现，面积为0.13 km2；说明在冬季，随着宁波城市化的发展，各级热岛景观面积均逐渐增大，高等级热岛斑块逐渐出现，但中、高等级热岛斑块的面积远小于低等级热岛斑块的面积，低等级热岛斑块对冬季热岛现象起决定作用。在斑块数量（NP）方面，各级热岛均呈明显上升趋势。在斑块密度（PD）方面，高等级的4、5类显著增加，中低级的2、3类上下震荡，无明显规律，说明新生成的高等级斑块之间不断接近，呈集聚成簇的形态发展。对于形状指数（SHAPE_AM），各级热岛斑块均呈上升趋势，说明随着城市化的发展，热岛斑块边界形状的复杂性在逐渐增加。

图3 冬、夏两季类型水平景观指数的变化Fig. 3 Changes of UHI landscape metrics at the class level in winter and summer

在夏季，以中高等级的3、4、5类斑块为主。2、3级热岛斑块面积从1986的1.85 km2、7.05 km2持续上升至2007年的24.04 km2、98.49 km2，至2009年又下降至15.24 km2、57.50 km2；4、5、6级热岛斑块面积明显逐年递增，分别从1986年的14.37 km2、4.14 km2、0.0009 km2增加到2009年的157.75 km2、103.04 km2、5.98 km2。说明在夏季，各级热岛斑块面积均随着城市化的进程而增大，而当城市化发展到一定阶段，中、低等级的热岛面积开始降低，热岛景观明显朝着高等级热岛斑块主导的方向发展。在斑块数量（NP）方面，3、6级热岛斑块数量（NP）均呈明显逐年递增趋势，2、4、5级热岛斑块数量（NP）自1986至2007年持续增加，到2009年均有所减少。在斑块密度（PD）方面，最高等级的6级热岛斑块密度随城市化过程呈现明显上升趋势，其他各级呈振动变化无显著趋势，说明在城市化过程中不断有极强等级的斑块生成，并不断接近，呈集聚成簇的形态发展。对于形状指数（SHAPE_AM），高等级的4、5、6级热岛斑块呈上升趋势，而2、3级热岛斑块均无明显规律；说明高等级热岛斑块边界形状的复杂性在逐渐增加。

3.3 景观水平热岛景观格局演变特征分析

对宁波城市化过程中热岛景观指数在景观水平上的变化趋势进行分析，结果如图4所示。在冬季，斑块数量（NP）、斑块密度（PD）、均匀度指数（SHEI）和多样性指数（SHDI），均呈阶段性增加。主要原因是冬季以低等级热岛斑块为主导，而随着城市化的发展，高等级逐渐出现使得整个景观破碎化，斑块数量和密度增加，各类景观有均匀发展的趋势，景观多样性整体上按阶段增加。在热岛景观斑块的形状方面，形状指数（SHAPE_AM）呈明显上升趋势，说明斑块形状随着城市化进程趋向复杂。

在夏季，热岛景观斑块数量（NP）呈明显上升趋势变化，斑块密度（PD）、多样性指数（SHDI）、均匀度指数（SHEI）在1986─2001年间均呈增加趋势，但2001年以后均持续下降。主要原因是夏季以高等级热岛斑块为主导，并随着城市化的发展，不断有中、低等级斑块升级为高等级斑块，使高等级斑块个数增加，当发展到一定阶段开始逐渐聚集，连接成片，从而导致斑块密度降低、景观多样性减少，朝着以高等级热岛斑块为主导的方向发展。在热岛景观斑块的形状方面，形状指数（SHAPE_AM）呈明显上升趋势，说明在夏季斑块形状随着城市化进程也趋向复杂。

3.4 热岛景观格局演变的空间对比分析

通过遥感信息分析，结合历史资料和地面调查，对热岛景观指数变化分析的结果进行实证分析。图5给出了这冬、夏两季10个时相的热岛景观等级分类图。从图5上可以看出，在冬季，宁波建成区基本上处于低等级热岛，并随着城市化的发展范围不断扩大。至2010年，在北仑的经济技术开发区形成了两个热点区。在夏季，宁波建成区基本处于中、高等级热岛，主城区的热岛面积随着城市化的发展不断扩大，而热岛等级除了2007年有所降低外，整体上呈增加的趋势；在镇海和北仑，热岛面积不断增加，等级逐渐升高；至2009年，分别在三江口周边、甬江口两岸以及经济技术开发区形成了三大高温片区。

这样的格局与宁波城市化、工业化的发展密不可分。三江口附近的江北和海曙老城区建筑密度很高，并分布有大片高层建筑，使得居民生活和商业活动消耗能源所排放的废热难以及时扩散；同时周边紧邻的江北工业区、镇海庄市工业区和江北汽车城等集聚着很多高能耗的塑机、模具和汽配等生产企业。甬江口西岸是镇海再生金属资源加工园区，分布有大量高能耗的废金属加工处理厂。东岸的宁波经济技术开发区，是华东地区重要制造业基地、物流、航运中心，分布有大量的装备制造业。这些地区快速的城市化、工业化，使能源不充分利用所排放的废热和人造地面吸收的太阳辐射大量增加，从而导致热岛效应比周边其他地区更为强烈，成为宁波城市热环境中的高温热点区域。

4 结论

多种指标综合分析比使用单一类型的指标更能全面的反映城市热岛的全貌。本文以Landsat TM/ETM+时间序列遥感影像为数据源，在地表温度反演的基础上，使用热岛强度、热岛面积、景观格局指数综合分析了宁波城市化进程中城市热岛在冬、夏两季的演变规律，得出如下结论：

（1）强度方面：热岛强度在夏季明显强于冬季，变化趋势相反，在夏季呈增强趋势，在冬季呈变弱趋势。

（2）热岛面积方面：无论是冬季还是夏季，宁波建成区大部分都处于热岛效应影响下，随城市化的发展，热岛面积均持续增加。

（3）数量方面：热岛景观在冬季以低等级热岛斑块为主，夏季以中、高等级热岛斑块为主，无论冬夏，高等级热岛斑块个数均随着城市化进程显著增加。

（4）形态方面：无论是冬季还是夏季，主要热岛景观类型乃至整个热岛的斑块形状均变得更加复杂。

图4 冬、夏两季类型水平景观指数的变化Fig. 4 Changes of UHI landscape metrics at the landscape level in winter and summer

（5）结构方面：在冬季，热岛景观总体上逐渐破碎化，各类景观趋向均匀，景观多样性增加。在夏季，热岛景观总体上呈逐渐聚集，逐步向以高等级斑块为主导的格局方向发展，多样性降低。

（6）空间分布方面：随着城市化进展，无论冬夏，热岛景观斑块都经历了数量增加、等级升高的变化。冬季在北仑的宁波经济技术开发区形成了两个热点区，夏季在三江口周边、甬江口两岸以及经济技术开发区形成了三大高温片区，主要是建筑密集的居民、商业区和分布有高耗能企业的工业区。

图5 城市化进程中冬、夏两季热岛景观斑块等级分类Fig. 5 UHI landscape patch grade maps in winter and summer

利用多指标综合分析可以更加全面的反映城市热岛的演变规律，从而为减缓城市热岛效应，改善城市生态环境，促进城市可持续发展提供理论依据。

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Multi-index Analysis of Heat Island Dynamics with the Process of Urbanisation in Ningbo City

ZHAO Yanchuang1,2, ZHAO Xiaofeng1,2,*, KUANG Da1,2

1. Key Lab of Urban Environment and Health, Institute of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences, Xiamen 361021, China; 2. Ningbo Urban Environment Observation and Research Station, Chinese Academy of Sciences, Ningbo 315800, China

Urban Heat Island (UHI) is one of the most significant environmental issues along with the process of urbanization. It is an effect way to mitigate UHI when considering the dynamic characters of UHI. It is a useful tool to unfold the inherent characters of UHI when using the multi-index analysis. Taking Ningbo as a case study, we use TM/ETM+ imageries to invert thermal maps both in summer and winter seasons from 1984 to 2010. UHI intensity, UHI extent and landscape metrics within the same period, thereafter, are calculated based on the thermal maps. The results show that: (1) The average UHI intensity is 1.57 ℃ in winter, which rises to 8.67 ℃ in summer. The UHI effect is more significant in summer than that in winter. And this effect tends to increase during the summer but decreases during the winter. (2) The share of the built-up areas which is affected by the UHI in winter is 89% and that in summer was 98%. UHI extent kept increasing with urbanization in both winter and summer. (3) In winter, the low – grade UHI patches are the dominant patches, which contain 96% of the total UHI areas, while the dominant patches changes to middle / high –grade patches in summer, containing 92% of the total UHI areas. (4) The patch shape of main UHI classes became more complex with urbanization in both seasons, as well as the patch shape at landscape level. (5) The UHI landscape became more fragmented in winter yet more aggregation in summer. In winter patch areas of different grades turned evener and the whole landscape became more diverse, which was opposite in summer. (6) Both the number and grades of UHI patches increased with urbanization. Two hot –spots emerge in Ningbo Economic and Technological zone during the winter season. And three areas with high temperature place at Sanjiangkou, Yong River estuary and Ningbo Economic and Technological Zone. Those results provide some policy implications for urban management.

urban heat island; multi-index analysis; urbanization; spatiotemporal change; Ningbo

X16

A

1674-5906（2014）10-1628-08

赵颜创，赵小锋，旷达. 宁波城市热岛随城市化演变的多指标综合分析[J]. 生态环境学报, 2014, 23(10): 1628-1635.

ZHAO Yanchuang, ZHAO Xiaofeng, KUANG Da. Multi-index analysis of heat island dynamics with the process of urbanisation in Ningbo city [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(10): 1628-1635.

宁波市自然科学基金项目（201301A6107021）；中国科学院青年人才领域前沿项目（IUEQN-2012-01）

赵颜创（1988年生），男，硕士，研究方向为城市热环境。E-mail: yczhao@iue.ac.cn

*通信作者：E-mail: xfzhao@iue.ac.cn

2014-07-07