福州核心区对城市热岛效应的影响

陈志强，何瑞婷，白丽月，2

（1.福建师范大学地理科学学院，福建福州350007；2.福建省农业区划研究所，福建福州350007）

福州核心区对城市热岛效应的影响

陈志强1，何瑞婷1，白丽月1，2

（1.福建师范大学地理科学学院，福建福州350007；2.福建省农业区划研究所，福建福州350007）

采用定量遥感与GIS相结合的方法，利用福州市1988、2000年和2009年遥感影像，提取城市核心区，划分城市热岛效应区，定量分析福州市热岛效应区强度变化和空间结构变化.研究结果表明：1988、2000年和2009年，福州市城市核心区与非城市核心区的温度平均值差值分别为3.67、3.70℃和4.34℃，温度平均值差距增大，城市热岛效应显著增强；1988年福州市热岛效应区呈现双中心空间结构，2000年趋于多中心空间结构，2009年趋于集中连片分布.基于城市核心区进行城市热岛的提取与划分，可以显著提高研究精度，为城市热岛研究提供新的思路与方法.

热岛；城市核心区；遥感；GIS

相关研究表明，城市热岛是城市气候中最典型的特征之一［1-2］，是城市化对气候影响最典型的表现.一些极端气候事件（如高温、暴雨、酷热等）频繁出现，严重恶化了城市环境，也给经济社会和谐发展、居民身心健康带来极大的负面效应，引起了社会各界的广泛关注.目前，各国学者从热岛的常规观测研究、数值模拟、遥感研究［3-6］等方面对城市热岛效应进行了大量的观测和理论研究.

在城市扩展和城市化研究中，城市边界的准确确定至关重要，但是由于城乡结合部的土地利用类型复杂，破碎度大，再加上变化检测过程中其它土地利用类型的变化信息的干扰，城市边界难以精确划分［7］.几乎所有较大的城市，城市化发展水平的空间分布都会形成由城市核心区、郊区（城乡过渡带地区）和农村地区组成的三元地域结构，并构成显著的城市化梯度.这种城市化梯度差异可以利用景观组分的空间差异进行表达，最能代表城市化梯度的景观组分无疑是城市建设用地［8］.因此，根据各个城市实际情况，设定城市建设用地密度的阈值，可以较好地划分城市核心区、郊区（城乡过渡带地区）和农村地区.

本研究采用TM影像反演福州市地表温度，在前人研究的基础上提取城市核心区，提出基于城市核心区划分城市热岛效应区的思路，分析城市热岛效应区强度和空间结构变化，以期为福州市及类似区域城市建设、土地利用安全以及相关决策提供科学参考.

1 研究方法

本研究采用1988年6月15日、2000年6月29日和2009年6月6日的TM影像作为数据源，并结合其他辅助资料（经过几何精校正的SPOT影像等），反演福州市地表温度.

Jimenez-Munoz和Sobrino对普朗克函数在某个温度值附近做一阶泰勒级数展开得到普适单窗算法［11］：

其中

式中，λ是波段有效波长，对于Landsat TM6有效波长为11.457μm，c1和c2为辐射常数.

ψ1、ψ2、ψ3为大气参数，可按下式计算得到：

式中，w为大气水汽含量.

通过气象数据换算得到大气水汽含量约为1.5 g／cm2；利用经FLAASH校正的TM影像的波段4和波段3提取研究区的归一化差值植被指数（normalize difference vegetation index，NDVI），利用分类所得土地利用数据将研究区NDVI影像划分成3部分：自然地表、城市建设用地和水域；根据文献［12-13］中的方法，设置地表比辐射率.

以亮温、大气水汽含量和地表比辐射率影像为输入数据，采用Jimenez-Munoz和Sobrino算法在IDL平台上实现了基于TM的地表温度反演.

2 结果分析

2.1 城市核心区提取

本研究根据相关文献，采用单位面积内城市建设用地面积比重提取城市核心区.首先，从3个年份福州市土地利用图中提取出城市建设用地，并将其转成GRID格式，在ArcGIS中对GRID图层进行运算，求取每个单元内建设用地的密度.其次，对求得的城市建设用地密度图进行运算，除去细碎斑块，消除噪声干扰.最后，运用RECLASSIFY进行重新分类，生成下一步统计和分析的图形切割模板.经实地调查分析后确定，单元值在0.5～1.0区间的区域为城市核心区，低于0.5的地区为非城市核心区，即郊区（城乡过渡带地区）和农村地区［8］.

2.2 城市热岛效应区强度变化

为了反映城市热岛效应的变化，分别求取1988、2000年和2009年城市核心区和非城市核心区的温度平均值.以非城市核心区温度平均值为准，对城市核心区的温度进行分级，分级标准如下：第1级：Tj≤Tc；第2级：Tj＜Tc≤Tj＋2.5；第3级：Tj＋2.5＜Tc≤Tj＋5；第4级：T＞Tj＋5.其中Tc为城市核心区温度平均值；Tj为非城市核心区温度平均值.第1级为非热岛效应区，第2级为弱热岛效应区，第3级为中等热岛效应区，第4级为强热岛效应区（图1）［9］.

表1 城市核心区与非城市核心区温度对比 ℃

表2 各类城市热岛效应区的面积及其比例

由表1和表2可知，1988、2000年和2009年，城市核心区与非城市核心区的温度平均值差值分别为3.67、3.70℃和4.34℃，可见随着城市的发展，城市核心区与非城市核心区温度平均值差距增大，城市热岛效应显著增强.1988年至2009年福州市强热岛效应区和中等热岛效应区面积逐年增加.强热岛效应区从1988年至2000年增加的面积为763.18 hm2，2000年至2009年增加的面积为5 112.02 hm2，范围增加有明显的加快趋势；中等热岛效应区从1988年至2000年增加的面积为3 918.97 hm2，2000年至2009年增加的面积为2 478.68 hm2；与之相反，非热岛效应区和弱热岛效应区的面积逐年下降.非热岛效应区从1988年至2000年减少的面积为461.48 hm2，2000年至2009年减少的面积为1 687.63 hm2；弱热岛效应区从1988年至2000年减少的面积为4 220.38 hm2，2000年至2009年减少的面积为5 903.36 hm2.

2.3 城市热岛效应区空间结构变化

1988年城市热岛分布比较集中，几乎所有的城市核心区都对应强热岛效应区和中等热岛效应区.其中，鼓楼区和台江区是热岛分布最集中区，也是两大强热岛效应区分布的集中区.这2个区域多为较密集的商业区和住宅区，人为热排放较多，同时处在城市中心区，建筑物比较密集，植被覆盖度较低，容易形成高温.除此之外，在中等热岛效应区内部还可以看到零星分布的强热岛效应区，主要对应一些工厂或是人口聚集地方如火车站等.非热岛效应区和弱热岛效应区主要分布在水体、耕地和林地等区域［10］.因而，1988年城市热岛效应区的分布格局呈现双中心空间结构.

2000年，鼓楼区强热岛效应区面积萎缩，台江区强热岛效应区也略有缩小，这主要是因为老城区工厂不断迁出，使老城区部分地区热岛现象得以缓和［10］；晋安区的鼓山镇热岛面积大幅度增加，这与城市东扩和厂区建设密切相关，热中心区主要沿着福新路、福马路两侧延伸；仓山区的热岛面积比1988年有较大增加，主要沿着上渡路、上山路、六一路、则徐大道两侧延伸，绝大部分为中等热岛效应区，强热岛效应区的面积较小；马尾经济技术开发区的热岛面积得到了大幅度的增加，几乎整个城市都位于热岛，其中强热岛效应区面积占有一定的比例.随着城市发展，上述多个地区分别形成热岛中心，呈现多中心趋势.

2009年强热岛效应区随城市扩展而进一步扩大，在老城区、南台岛和马尾区三地都有较大辐度的增长，由原来的多个小面积中心不断扩大、合并，形成集中连片的态势.

3 讨论

已有学者在探讨城市热岛问题时指出：造成城市热岛的原因除了天气条件、地理条件，城市生产生活中消耗能源，产生直接加热大气的人为热及温室效应外，主要是受城市下垫面性质的影响.城市热岛指城市中心地区与城市周边地区的气温差异.理论上，常以城市平均气温与郊区平均气温之差作为热岛强度指标［11］.但多个学者研究结果指出，厦门、上海和北京等城市热岛效应的研究表明，研究区城市热岛的空间分布与城市主城区的轮廓线较为一致，城市建设区域的扩大将会导致城市热岛范围的面积增大，城市扩展与热岛扩展趋势具有空间一致性和同步性［12-16］，城市扩展是城市热岛范围扩大，强度加大的最直接，也是最根本的原因之一［17］.因此，城市和农村区域的选择成为分析热岛强度大小的一个关键因素.

已有研究结果显示，选择不同乡村区域，不仅城市热岛强度有较大变化，而且热岛强度的季节变化也有较大差异.但采用遥感影像进行多时相城市热岛强度的研究中，多数研究忽略城市化进程中新城区对城市热岛的影响，并假设城市建设用地扩张导致的农田减少仅在早期农田区域上产生［18-19］.目前，不同时期的城市热岛效应计算中，准确确定不同时期城市边界的相关研究鲜见报道.本研究以单位面积内城市建设用地面积比重提取城市核心区，发现不同年份福州市城市核心区的面积存在较大差别，因而城市热岛提取不能忽视城市核心区的变化.根据不同年份城市核心区与非城市核心区的温度差异划分城市热岛效应区，可显著提高研究精度，为城市热岛研究提供新的思路与方法.

4 结语

1）随着福州市的城市发展，1988、2000年和2009年，城市核心区与非城市核心区的温度平均值差值分别为3.67、3.70℃和4.34℃，温度平均值差距增大，城市热岛效应显著增强.

2）1988年福州市城市热岛效应区呈现双中心空间结构，2000年趋于多中心空间结构，2009年趋于集中连片分布.

3）采用单位面积内城市建设用地面积比重提取城市核心区，并据此划分城市热岛效应区，可显著提高研究精度，为城市热岛研究提供新的思路与方法.

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（责任编辑 王 琳）

Influence of the urban core on urban heat island effects in Fuzhou city

CHEN Zhi-qiang1，HE Rui-ting1，BAI Li-yue1，2
（1.College of Geographical Sciences，Fujian Normal University，Fuzhou 350007，China；2.Institute of Regional Agro-planning of Fujian Province，Fuzhou 350007，China）

Urban heat island effects have received more attention than ever because environmental problems caused by such effects have affected people’s daily life.In this paper，RS and GIS have been used to study the surface temperatures in Fuzhou City in 1988，2000 and 2009 respectively.The strength and spatial distribution of urban heat island have been analyzed.The results have showed that with the city expansion，the difference values of the average temperature between the urban core and the suburb area were 3.67，3.70℃and 4.34℃in 1988，2000 and 2009 respectively which meant that the difference value of the average temperature increased and urban heat island effects enhanced.A double-nuclear spatial structure of the urban heat island existed in 1988，a multi-nuclear one appeared in 2000，and the concentration one developed in 2009.This research has much significance to the reasonable urban ecological planning and land use.

heat island；urban core；remote sensing；GIS

X53

：A

：1672-8513（2014）01-0028-04

2013-07-01.

国家自然科学基金（41001170）.

陈志强（1978-），男，博士，副教授，硕士生导师.主要研究方向：资源、环境与水土保持.