沈阳市高温暴露风险空间识别及街区调控研究

文/沈阳建筑大学建筑与规划学院 徐思佳

沈阳建筑大学生态规划与绿色建筑研究院 李 绥

0 引言

近年来，极端高温天气频繁发生，强度大、影响范围广，对居民的生产生活造成强烈的外部干扰和更高的死亡风险，加剧城市内部不平衡，成为一种严重的气候灾害[1]，在我国温度超过35℃的天气为极端高温天气[2]。《2020年中国气候公报》指出，全国年平均气温比常年偏高0.7℃，为有气温数据统计以来第8个最暖年，高温出现时间早，与近十年平均值相比，气候灾害造成的经济损失偏高。极端高温天气将以发生频率更高、高温强度更强和单次持续时间更长为特点影响更多区域。本文以沈阳市三环为例，研究近61年来高温事件的时空变化特征，构建沈阳市高温风险空间识别体系，为制定相关高温灾害防治措施提供参考。

1 研究背景

1.1 沈阳市概况

沈阳属于温带半湿润大陆性气候，据中国气象数据网站统计，沈阳在2018年8月2日出现极端最高气温为38.4℃。此次研究范围为沈阳市三环，包括沈河区、和平区、沈北新区、浑南区、于洪区、皇姑区、大东区和铁西区8个区，共包含77个街道，面积455km2。根据《沈阳统计年鉴2020》，三环内皇姑区总人口密度最高，为12703人/km2；其次是和平区，为12205人/km2；第三是沈河区，为11903人/km2；第四是大东区，为6465人/km2，沈北新区人口密度最低，为373人/km2。根据人口密度等级，沈阳市人口密度等级为第一级人口密集区。

1.2 研究方法

结合相关城市高温事件研究，本文主要参考城市中观尺度评价方法[3]。城市尺度评价方法的主要参考因素分为气象因素、地形或地表覆盖和建筑3类，特别参考人的因素，此次沈阳市高温风险空间识别评价体系采用气候因素与人的因素结合的方式，采用的方法为基于大气校正法的Landsat8地表温度计算和指标评价结合，在指标赋权相关研究中采用层次分析法，即通过专家主观打分的方式确定权重。此次研究采用的方法有意保持简单和透明，即同一层级采用相同权重，以消除过多复杂的方法，并有助于向相关学者解释及让相关学者对评价方法进行修改。划分定义的优点是过程清晰、透明，并简化GIS中分层系统的分析[4]。

此次建立的高温风险空间识别评价体系如表1所示，由于高温天气下的高温空间直接影响人的健康而形成风险空间，故准则层为高温灾害性和人口脆弱性，权重均为0.500。人口脆弱性分为3个指标，其中人口密度反映了高温天气下的人口暴露程度，儿童和老年人口密度是高温天气下的易感人群，将儿童与老年人口密度采取相同的权重，即各为0.125[5]。通过AcrGIS软件将各数据栅格（100m×100m）处理，采用自然断点法处理为5类，最终形成高暴露风险区、较高暴露风险区、中暴露风险区、较低暴露风险区和低暴露风险区。

表1 沈阳市高温风险空间识别评价体系

1.3 数据来源

1）沈阳市气象数据 沈阳气温观测数据来源于中国气象数据网和沈阳市气象局提供的沈阳站基本气温数据。

2）遥感影像数据 地理空间数据云网站下载的2018年8月2日Landsat8 OLI_TIRS系列遥感影像。

3）人口数据 人口数据来源于全国第六次人口普查，由于人口数据为2010年，遥感反演数据为2018年，人口数据具有历史性，所以结合NASA网站数据进行综合调整。

2 结果与分析

2.1 沈阳市极端高温天气时空变化特征

沈阳市1962—2019年高温天气的天数变化特征如图1所示，2000年以前高温天气对沈阳市影响较小，2000年以后高温天气发生天数明显增多，其中2017年高温天数为5d，2018年高温天数为8d。从数据中可看出，高温天气将成为沈阳居民要面临的气候风险之一。

图1 沈阳市1962—2019年高温天气天数变化特征

沈阳市高温天气强度变化特征如图2所示，对发生高温天气的年份进行分析可看出，这几年的平均温度为35.87℃，1997，2000，2001年及2017—2019年的气温高于平均气温，其中2018年出现历史极值38.40℃，超过平均值2.53℃。从整体来看高温波动强度变化较大，从2000年开始有增强趋势，2017年有单次增强趋势。

图2 沈阳市1962—2019年高温天气强度变化特征

为反映沈阳市三环空间在发生高温天气时的空间分异特征，以沈阳市2018年8月2日单次高温天气为例，通过Landsat8 OLI_TIRS遥感影像反演地表温度在30～63℃，采用自然间断点分级法分为5级，分别为低温区（30.0～35.0℃），较低温区（35.1～40.0℃），中温区（40.1～45.0℃），较高温区（45.1～50.0℃），高温区（50.1～63.0℃），如图3所示。各级面积占比依次为较高温区（40.88%），中温区（37.06%），高温区（12.40%），较低温区（7.62%），低温区（2.04%）。低温区和较低温区面积极小，尚不足10%，土地覆盖类型为河流和公园绿地等；高温区和较高温区面积较大，超过50%，土地覆盖类型主要为工业区、住宅区和商业区等不透水层。从反演结果来看，高温区主要分布在中部、西部和北部，低温区主要分布在东部和南部。

图3 沈阳市2018年8月2日ENVI温度反演结果

2.2 沈阳市人口分布特征

为较好地展现沈阳市人口在高温天气下暴露度情况，基于第六次人口普查数据和NASA官网提供的人口预测数据，将总人口密度、儿童人口密度和老年人口密度数据进行可视化分析，采用自然断点法将计算结果分为5个等级。2018年沈阳市总人口密度、儿童人口密度和老年人口密度呈相似特征，整体呈中间高边缘低的空间特征，市中心与边缘区差异较大，高密度区与次高密度区集中分布于沈阳市一环内。

2.3 沈阳市高温暴露风险空间识别

运用前文所提的街区尺度下高温天气风险空间识别的定量评价方式，计算沈阳市三环内各街道高温天气风险空间相关指数，结果如图4所示，沈阳市三环内暴露风险空间整体呈内高外低的分布特征。其中高暴露风险空间面积占整个沈阳市三环面积的6.19%，较高暴露风险空间面积占整个沈阳市三环面积的16.81%，中暴露风险空间面积占整个沈阳市三环面积的18.63%，较低暴露风险空间面积占整个沈阳市三环面积的51.74%，低暴露风险空间面积占整个沈阳市三环面积的6.63%。城市核心区多表现出高和极高风险性，距城市中心越远，风险性越低，中心城南部风险性数值下降速度更快。沈阳市三环各区中沈河区暴露风险最高，皇姑区位列第二，铁西区位列第三，可看出高暴露风险空间分布于城市中心和老城区。

图4 沈阳市100m×100m尺度下高温天气风险空间评价结果

将评价后的栅格结果落入各街道并求平均值的计算公式，得出各街区的风险值（见图5），从整体分布来看，中心区街道风险值高于边缘地区，三环内西部街区风险值降低较缓慢，风险较高，东部街道次之，南部和北部街区风险值降低较快。在三环内所有街道中处于高风险区的街道依次为大西街道、黄河街道和滨河街道，低暴露风险指数最低的为造化街道，第二为东湖街道，第三为文官街道（见表2）。

图5 沈阳市三环内街区尺度下高温天气风险街区评价结果

表2 沈阳市各风险区各区街道占比

通过统计沈阳市三环内各风险区各区街道数量可看出，高风险区内沈河区与铁西区包含的街道数量最大，风险度越大，较高风险区中大东区包含的街道数量最大，该数据同样说明沈阳市中心城区和老城区是高温天气下高暴露风险区。

由以上分析可知，沈阳市高温天气发生天数和强度自2000年以来有增强趋势，增大对居民健康的影响。通过运用ENVI遥感反演技术、ArcGIS软件和可视化平台展现了沈阳市三环内高温区在中部和西部集中，南部和北部分散的特征，低温区主要分布于浑河和公园绿地地区，呈分散布局方式。结合沈阳市高温暴露风险评价体系，沈阳市三环内55个街道高温暴露风险空间分布不均衡，呈内高外低、西北高东南低的分布特征，高暴露风险区与次高暴露风险区集中分布于城中心和西部，该区内居民在高温灾害事件中面临风险较大。

3 调控措施

为增强城市对高温气候的扰动能力，发挥街道应对高温风险潜力，此次研究从街区尺度下提出调控策略，优化人居环境，适应高温天气，减缓高温风险。早在2000年，国外学者已经开展自然解决途径的探索，虽然具体理解有差异，实质均可分为保护、恢复和重建自然生态系统，从而达到应对气候变化挑战的目的。英国、澳大利亚、意大利等国提出自然解决途径降低高温天气事件影响的策略，即提高城市绿植覆盖面积和数量，具体策略包括积极建设城市森林和公园以改善城市热岛问题，使用多孔人行道和建设绿色屋顶等方式改善居住环境，同时注重绿色基础设施间结构的多样性、冗余性和连通性。

本文在借鉴国外经验的同时，首先分析沈阳市植被覆盖度情况，通过ENVI遥感反演软件得到沈阳市三环内绿地率，如图6所示。绿地率不足12.5%的面积占三环内面积的10%，且多集中于城中心；绿地率在12.6%～25.0%占三环内面积的30%；25.1%～30.0%的绿地率占三环内面积的28%。三环内绿地率小于30.0%的绿地率面积占比高达68%，提升植被覆盖度成为沈阳市三环内减缓高温天气对城市居民影响的有效手段。

图6 沈阳市2018年8月2日ENVI植被覆盖度结果

从街区尺度考虑，以大西街道为例，该街道是沈阳市三环内高温暴露风险最大的街道，如图7所示。大西街道建筑密度大且植被覆盖率低，难以增加大面积绿化活动场地，可从道路、墙体及屋顶3个方面进行调控，如图8所示[6]。

图7 大西街道现状

图8 街区尺度下绿化调控策略

1）道路调控措施 根据沈阳市不同道路等级，沈阳市主导风为东北风，在林杏街、奉天街和西顺城街主干道采用对称的树组合，形成街道风廊以改善热环境，在东西走向的大西路采用不对称的树组合，在支路上采用单排树形式，改善人居环境。

2）墙体绿化调控措施 植物应选择夏日遮阳、冬日落叶的类型，从而保障在夏季可调节高温天气，在冬季不影响房间采光。根据墙体情况，有表面织物且围护效果好的墙面可选择攀爬类绿墙，对于可建设培养基的墙面可选择模块化培育基绿墙和水培槽培养基绿墙。

3）屋顶绿化调控措施 根据沈阳市气候条件，宜选择耐寒耐旱植物，根据不同楼体承重结构，按基土厚度分为5类，种植不同高度植物。通过这些有效手段，降低高温灾害风险，改善人居环境，为居民提供可持续发展的生活环境。

4 结语

此次研究还存在评价体系指标选取、人口数据误差、自然解决途径策略调控的局限性。在评价体系指标选取时只选取少数必要因素，采用高温遥感反演数据与人口密度数据在ArcGIS进行适宜性评价时，温度遥感反演数据为2018年，人口数据为第六次人口普查数据，为消除历史性，结合NASA网站提供的人口预测数据进行修订，数据存在微差[7]，调控措施和相关设计未进行数值量化并评估等，这也将为日后的相关研究提供方向。