城市空间结构对城市热环境时空异质性分布影响研究

杨朝斌

山东理工大学建筑工程学院，山东 淄博 255000

城市热岛效应，即城区温度高于周边农村的现象，对社会、经济、环境和人类健康等产生诸多负面影响，全面探究影响城市热环境的驱动机制对于城市可持续发展有着重要意义。论文以吉林省长春市为例，综合利用多源遥感、气象站点、无人机测温、统计资料等数据，构建长春市城市精细化三维空间结构数据集和三维热环境数据库；使用定性与定量结合的方法，通过空间分析、三维模拟、统计分析等手段系统探讨了城市空间三维结构对于城市热环境时空异质性分布的影响；主要内容如下。

(1) 长春市土地利用/覆被格局在30年间发生了显著变化。建成区面积从1984年143.15 km2扩展到2014年的577.45 km2，年均扩张14.46 km2；利用多端元优化方法获取长春市不透水地表信息，整个研究区的不透水面地表比例呈现持续增长趋势，而建成区内部则呈现出先增长后减小的趋势。

(2) 利用阴影测高法能有效获取城市建筑物高度的三维信息。长春建筑物以高度小于16.8 m的中低层建筑为主，占比约为69.85%，高度超过100 m摩天大楼数量相对较少。长春市建筑覆盖率以小于0.35的低覆盖度为主，覆盖率大于0.55的面积较小；建筑容积率主要以低级别为主，大部分地区数值小于2.0，城市中心和西南部建筑容积率要明显高于其他地区。

(3) 长春市热环境空间格局发生了剧烈变化。从年代变化看，城市热岛面积占比从1984年的15.27%提升到2014年29.62%，增长速率在2007年以后明显加快；从年内变化看，除去4月和10月外，城市区域地表温度要明显高于农村区域；地表城市热岛强度的季节性差异为：夏季(4.98℃)>秋季(1.76℃)>春季(1.71℃)>冬季(1.30℃)；从气温看，夏季热岛强度(0.75℃)小于冬季(0.95℃)，但夏季夜晚强度(1.72℃)大于冬季(1.50℃)。从日内变化看，气温逐小时变化规律与城市热岛强度逐小时变化规律差异明显，城市热岛效应呈现出“缓慢下降-快速下降-相对稳定-快速上升-缓慢上升”5个阶段。

(4) 城市空间结构对热环境时空异质性分布影响显著。从年代变化看，长春市土地利用空间格局变化与热环境格局变化具有良好的一致性。从年内变化看，不同土地利用类型间温度差异明显，其中8月份的温差指数最大12月份最小。从日内变化看，不同土地利用类型升温与降温速率的差异是驱动城市热岛效应逐小时变化的重要因素。与城市建筑容积率等三维特征相比，城市建筑覆盖率对热环境的影响更为强烈，且夏季的增温强度要明显高于其他季节；不同土地利用类型垂直方向热环境分布差异明显，工矿用地高差1.5～100 m气温差异为2.20℃，远高于绿地的1.51℃。

(5) 除去冬季外，城市绿地在其余各个季节都有明显的降温作用，但降温效果在不同季节和不同绿地子类型中差别明显且受组成结构和空间配置的影响。本研究中，在1 km×1 km的空间尺度上，当绿地的面积比例在20%～40%之间时，最初阶段随着绿地斑块的增加，地表温度数值增大，但当斑块数量大于40时，地表温度开始下降。

(6) 城市公园能够有效生成冷岛效应，且降温作用存在明显的月份差异。在6—8月之间，城市公园冷岛效应的平均强度大约为4.0℃，而5、9和10月的平均值为2.71℃,1.93℃和1.10℃。冷岛效应强度与公园面积、公园周长及水体面积所占比例有显著的正相关关系，而与斑块密度、不透水面比例和草地面积呈现负相关关系。