基于卫星遥感的城市热岛效应体检评估*——以武汉市为例

刘慧民 马筝悦 李 淼 何宝杰 LIU Huimin, MA Zhengyue, LI Miao, HE Baojie

0 引言

城市化过程改变了建成区的下垫面性质，高密度的建设与人口的集聚进一步阻碍了城市通风、增加了人为排热，导致城市普遍出现了温度明显高于郊区的热岛效应[1-2]。在全球气候变化的背景下，热岛效应叠加极端高温热浪给城市居民健康与能源负荷造成了巨大威胁[3-4]。因此，如何减缓热岛效应并降低相关气候风险，已成为新时代城市高质量发展必须面对的重要挑战。目前，热岛效应减缓已被明确列为多个城市高质量建设目标的评价标准，比如，《绿色生态城区评价标准》与《健康城区评价标准》要求合理控制城区的热岛强度[5-6]，《海绵城市建设评价标准》更是直接将热岛减缓作为海绵城市建设成效的评价标准之一[7]。

城市体检评估作为引导我国城市高质量发展的重要制度创新，是科学诊断与精准治理城市热岛问题的重要抓手。城市体检评估，通过监测、分析并评价城市发展现状，及时揭示城市空间治理中存在的问题与短板，可为“城市病”的针对性治理提供决策支撑[8-9]。2022年，由生态环境部、国家发展和改革委员会等17部门联合印发的《国家适应气候变化战略2035》中，明确提出了要强化城市气候风险评估，建立健全“一年一体检、五年一评估”的城市体检评估制度[10]，为热岛效应的精准应对提供了新思路。基于城市体检评估“掌握病情—识别病变—开出药方”的常态化与周期性工作模式，可以精准识别建成区内热岛问题严重及热暴露风险高的区域，掌握这些区域及其他重点关注区域热岛强度在相关规划建设实践下的变化特征，并统筹城市规划建设管理来系统协同、因地制宜地开展空间治理，从而将热岛减缓的需求与目标深度融入国土空间规划体系。

城市体检评估的全局化、常态化特征，对城市热环境在监测数据方面提出了可获取性高与空间覆盖全的要求。基于卫星遥感获取的地表温度数据，相较于传统的气象站点温度数据而言，具备获取成本低、覆盖范围广、空间分辨率高以及空间连续性强等优势[10-12]，在热岛效应的监测与评估方面得到了广泛应用[13-15]，可作为热岛效应体检评估的重要数据支撑。地表温度数据的这些特性，使得我们可以针对整个建成区开展全面、系统的体检评估，并基于多尺度的差异化分析来提高热岛问题严重区域及其成因识别的精细化水平[16]。

深刻认识热岛效应时序变化的复杂机理，是提升体检评估科学性与规划决策精准性的关键基础。受到城市化与多尺度气候变化之间复杂交互作用的影响，城市气候变化在时间上呈现出了高度的动态性与不确定性[1,17]，导致不同年份获取的热岛强度数据不具备直接的可比性。然而，这种复杂时序变化机理对城市规划工作者形成的知识壁垒，导致多地的热岛效应体检评估实践均在未经严格数据筛选与处理的前提下，对不同年份的热岛强度数据进行了直接的对比[18]，严重影响了相关规划决策的质量。此外，在城市发展的同时，乡村地区的温度在人类活动（如开发建设活动、植树造林等）的干预下也在不断变化[2,19-20]，这也会直接影响热岛强度计算的准确度，进而影响时序评估的精准性。因此，亟需优化热岛强度相关数据筛选与处理的流程与方法，最大程度控制气候、乡村等城市外部要素的干扰，加强不同年份数据之间的可比性，提升热岛效应体检评估的精准度。

武汉是曾经的“四大火炉”之一，也是我国气候适应型城市建设的首批试点之一[21]，亟需依托体检评估制度来优化其热岛问题空间治理的路径。为减缓热岛效应并提升武汉市的宜居水平，武汉市当地政府提出了多个层面的规划应对策略并积极开展实践。比如，宏观层面，基于六大绿楔构建城市通风廊道，将郊区的凉风引入城内[22]；中观层面，推进城市慢行系统的绿色景观建设，在公路、街道、环线等排热集中区域增加绿化[23]；微观层面，在道路、居住区、公园等地设置海绵城市试点，调节城市微气候[24]。然而，武汉市在热岛减缓策略实施与不合理城市建设的共同影响下，其建成区内部的热岛强度变化呈现出较大的空间差异性。本研究将基于卫星遥感数据开展武汉市建成区多个尺度下的热岛效应体检评估工作，根据热岛强度与热暴露风险的空间差异及其时序变化，评估相关热岛减缓策略的实施效果，并识别重点治理区域，引导未来的城市热环境空间精准治理。

1 研究区概况

武汉市是中国中部地区的特大城市，属亚热带季风气候，夏季酷热潮湿。2020年，武汉市建成区面积为1 217.85 km2，同比2016年扩张70.66%；常住人口1 244.77 万人，与2016年相比增加15.62%[25-26]。特殊的地理环境与快速的城市扩张导致武汉市热岛效应显著，亟需依托体检评估制度，展开精准治理。本研究选用2020年武汉建成区作为研究区域，涵盖了武汉市主城区与部分新城（图1）。

图1 研究区区位图Fig.1 the location of the study area

2 数据处理与研究方法

2.1 数据处理与干扰控制

本研究所使用的多源数据包括：陆地卫星8号（Landsat 8）遥感影像数据，来自于美国地质勘探局（USGS）（https://earthexplorer.usgs.gov/），其空间分辨率为30 m，用于反演得到地表温度数据；全球人口统计数据，来自全球人口数据（WorldPop）（https://www.worldpop.org/），其空间分辨率为100 m，用于表征研究区域的人口分布状况；气象站点数据，来自美国国家气候数据中心（NCDC）(ftp://ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/noaa/isd-lite/），包括气温、风速、降水量等信息，用于表征不同数据采集日期的天气状况。

本研究将执行严格的数据筛选，以最大程度控制气象气候变化对热岛效应精准评估带来的干扰。首先，在2010—2020年的11个年份中，2016年与2020年是美国国家海洋和大气管理局（NOAA）发布的2021年全球气候报告中明确的全球地表温度最高的年份[27]，宏观气候背景相似。因此，选择这两个年份的遥感影像进行时序评估，可最大限度地降低宏观气候波动带来的影响，增强数据的年际可比性。其次，根据武汉历史气象数据与已有研究成果[10,28]，7月和8月是武汉市最热的月份，也是热岛效应最显著、对居民健康造成威胁最大的时间，选用该时间范围的遥感影像最具典型代表性，可避免地表温度季节性波动给时序评估带来的干扰。最后，结合气象站点提供的空气温度、湿度、风速等数据，筛选出良好稳定天气状况下采集的影像，进一步控制日际偶然气象波动的干扰。综合以上考量，最终选取2016年7月23日与2020年8月3日采集的陆地卫星8号（Landsat 8）影像，进行辐射定标、几何校正、大气校正、图像裁剪等预处理，用于后续的体检评估工作。

2.2 热岛强度计算

研究使用大气校正法对遥感影像进行反演[29]，得到地表温度（Land Surface Temperature，LST），其计算公式如下：

式中，LST为地表温度（单位：℃）；b10为同温度下的黑体辐射亮度值（单位：W/(m²·sr)）。

考虑到城市地表温度本身受多尺度气候波动的影响大，其绝对值的年际变化难以表征城市建设的实际影响，研究选用表征城乡温度差值的地表热岛强度（Surface Urban heat island Intensity, SUHII）来开展体检评估，其计算公式如下[30]：

式中，SUHIIi表示城市第i个像元的热岛强度（单位：℃），LSTUi表示城市第i个像元的实际地表温度，LSTS表示乡村参照区域的平均地表温度。其中，乡村参照区域的选择也会影响热岛效应体检评估的精准度[2]，比如，开发建设活动会提高乡村区域的温度，导致热岛强度被低估；植树造林会引起乡村区域降温，使热岛强度被高估。因此，为控制乡村要素的干扰，选用武汉建成区外、夏季地表性质稳定的耕地与林地作为乡村参照区域。

2.3 体检评估框架与流程

本研究构建了“干扰控制—变化诊断—风险评估—规划应对”的热岛效应体检评估框架。其中，干扰控制主要体现在前期的数据选择与预处理，后续的评估流程如下。

首先，基于圈层分析等手段评估武汉市热岛强度的空间分布与时序变化特征，从而识别局地热岛严重的区域。具体在圈层维度的分析中，基于ArcGIS“Feature to point”工具获取研究区域的几何中心，并将其作为圈层分析的中心点，使用圈层分析工具以500 m的间隔对研究区进行分层，并计算研究区各圈层的平均热岛强度，生成热岛的圈层分布图，从而测度热岛的圈层空间格局特征[31]。

其次，基于人群在极端热岛区域的暴露风险评估，生成热暴露风险图。基于热岛分级与评估结果，分别识别出“极高热岛”与“高热岛”区域，以及在此基础上在2016—2020期间热岛问题进一步恶化的区域，参照国内外相关实践案例，将人口密度大于100人/km2的区域划为人口密集区，并进一步定位人口密集且快速增长的地区[32-33]，最终得到需要优先管控的热脆弱性区域。

最后，基于已有的面向热岛减缓的研究成果与优秀实践，针对重点管控区域在热环境建设方面存在的问题，从不同层面（总体规划、详细规划、规划管理）因地制宜地提出规划建议。

3 武汉市热岛效应体检评估

3.1 基于像元的城市热岛效应体检评估

武汉市2016年与2020年热岛效应的体检评估结果显示，两个年份热岛强度呈现出较为相似的空间格局，但是2020年热岛的强度与空间范围更大（图2a）。针对2020年的体检工作发现，武汉热岛强度呈现出“内外双高、局部集聚”的分布态势，其中高值区域主要位于城市工业园区，如东北方向的武钢工业园、西部的古田工业园、西南方向的沌口工业园以及南部的白沙工业园等。此外，武汉的老城区也呈现出较为显著的热岛效应，特别是汉口的老租界区与武昌的昙华林等高密度区域。2016—2020年的时序评估结果显示（图2b），武汉市面向热岛减缓的规划举措取得了初步成效，具体热岛减缓的区域主要分布在杨春湖片区及二环线以西，在武汉市推动城市更新、棚户区改造以及东湖绿心规划等政策驱动下，区域内原有高密度老旧小区更新改造成了绿色宜居的商务区[34-35]。而热岛恶化的区域主要分布在三环线附近的工业园及快速扩张的建成区外围，尤其是南部与西北方向。

图2 武汉市2016、2020年局地热岛强度空间分布及其时序变化图Fig.2 the spatial distribution of the local heat island intensity in Wuhan in 2016 and 2020,and the corresponding temporal variation

考虑到武汉市2016年与2020年的热岛强度沿环线呈现出一定的分布规律，因此，借助圈层分析进一步刻画热岛强度的空间格局并开展相应的时序评估。研究区共划分53个圈层，按各圈层到几何中心的距离，将研究区域分为内环（0—8 000 m）、中环（8 000—13 000 m）、外环（13 000—26 500 m），并将热岛强度按照均值—标准差法[36]分为3级，其中，分级越大，表示热岛强度越高。

武汉市2016年与2020年圈层维度的体检结果显示（图3a），两个年份的热岛强度均呈现出“内外双高，中间塌陷”的“U”型圈层式分布。内环与外环多为3级热岛，热岛强度较高，中环1级与2级热岛交替出现，热岛强度较低。这与武汉市特殊的地理环境有一定关系，中环内存在多个大型湖泊，“大江大湖”的生态格局抑制了热岛的贴近式蔓延，使城市的热量无法在大尺度范围内持续堆积，因此圈层分析显示热岛强度在内环外围开始衰减，形成一个相对稳定的“U”型结构。圈层维度的时序评估结果显示（图3b），2016—2020年热岛强度变化呈现出从核心向边缘圈层递增的趋势。内环的热岛强度较为稳定，该区域为武汉城市功能的核心区，包括洪山广场、江汉路、汉正街等城市副中心，经过多轮规划实践后，城市建设完备，热岛强度得到了一定控制。中环的热岛强度出现了明显的增强趋势，虽然该区域湖泊众多，可以起到一定的降温作用，但是武钢、沌口等发展迅速的工业园区都坐落于此，致使中环的热岛强度出现了一定增长。外环的热岛强度增长剧烈，位于建成区外围，是城市向外扩张过程中开发建设活动增长最为迅速的区域。

图3 武汉市2016、2020年各圈层热岛强度空间分布及其时序变化图Fig.3 the spatial distribution of the local heat island intensity in Wuhan in 2016 and 2020,and the corresponding temporal variation based on circles

3.2 基于控规单元的主城区热岛效应体检评估

考虑到从城市尺度评估热岛现状，在刻画主城区内部热岛问题空间差异上存在一定的不足，研究进一步基于控规单元对主城区开展热岛效应体检评估，从而精准定位问题区域，提高规划治理精准性。为更好地呈现武汉市热岛强度的空间异质性，同时真实反映热岛强度的空间格局，将热岛强度分为10个等级（图4）。

图4 武汉市主城区2016、2020年控规单元热岛强度空间分布及时序变化图Fig.4 the spatial distribution of the local heat island intensity in the main urban areas of Wuhan in 2016 and 2020, and the corresponding temporal variation based on regulatory units

研究发现，在控规单元尺度下，2016年与2020年热岛强度均呈现出显著的空间异质性（图4a）。与城市层面的评估结果进行对比，高值区域仍主要集中在工业园区及汉口、武昌等地的老城区。2020年平均热岛强度高于8 ℃的控规单元数量相较2016年从1 435增加至1 609个，增长幅度为12.1%。热岛强度本身的变化幅度较小（图4b），大部分控规单元的热岛强度变化范围在-2～2 ℃之间，在三环南侧附近的四新副中心与白沙工业园区处热岛强度增加幅度较大，杨春湖片区与徐家棚街道等区域的热岛呈现明显的减缓趋势，与城市尺度的结论一致。结合历史遥感影像对热岛变化典型区域的特征进行分析，发现热岛恶化区域的主要是由绿地变为裸土或高层住宅楼；热岛减缓区域则是由裸土变为绿地、从高密度住宅区变为低密度住宅区等，与老城区的更新改造有关。

3.3 热暴露高风险区域识别

基于前文的热岛强度体检评估结果，将极高热岛（12～18 ℃）、高热岛（8～12 ℃）区域作为规划管控的重点区域，并结合其具体时序变化情况进行进一步的分级，识别热岛继续恶化区域。在此基础上，按照人口密度>100人/ km2的标准划定人口密集区，并进一步识别人口持续增长的区域，最终得到人群热暴露风险的评估结果（图5）。

研究发现武汉市主城区在热暴露风险方面存在严重的区域失衡。其中，极高热岛的控规单元数量为412，占总数的17.22%，这些区域主要为工业园区，其中处于热岛恶化阶段的有73个，主要是建筑体量大、集中分布的大型厂房；高热岛控规单元数量为1 407，主要分布在极高热岛周边临近区域与老城区，其中有9.74%的热岛在恶化，这些区域主要集中在工业园区附近与武汉东站周边。此外，热暴露高风险区主要分布在二环线以内的老城区，尤其是汉口的老租界区与武昌的司门口片区，其中极高热岛—人口密集区共计219个，占比9.16%，高热岛—人口密集区共计693个，占比28.97%，区域内近40%的人群暴露在极端高温环境中，其生命健康受到了严重的威胁。其中，有299个控规单元的人口在2016—2020年期间不断增长，需将其作为优先管控的重点区域，采取合理的规划手段进行积极应对。

4 面向热岛减缓的武汉市规划修编建议

研究根据上述体检评估分析结果，总结了武汉市的主要热岛问题及其关键驱动因素，并系统梳理了基于定量化分析的多尺度热岛效应形成机理以及全球各地的热岛减缓对策与实践，作为面向热岛减缓的综合性规划修编依据。并在此基础上，制定了总体规划、控制性详细规划与规划管理等多层级规划协同的武汉市热岛效应空间治理策略体系。

4.1 重点管控区域的热岛驱动因素

研究基于多尺度体检评估分析结果，明确了武汉市的主要热岛问题及需重点管控的区域，并结合武汉市相关规划建设情况及已有文献研究梳理总结了对应区域的关键热岛驱动因素（表1）。针对2020年开展的热岛体检结果显示，武汉市热岛最严重的区域主要为城市工业园区与老城区。其中，城市工业园区在生产运作中从动力排热、烟囱排热、散热器排热、冷却水排热等多个途径排放出大量的人为散热，使其温度快速升高，形成局地极强热岛[37]。老城区建筑密度高、绿地面积严重不足，且城市通风条件差，不利于该区域的热量疏散[38-39]。此外，老城区人口密度高，道路密度大，空调散热与汽车尾气排放也是其温度升高的重要原因[40]。尤其是二环线以内的老城区，因其较高的人口密度进一步导致了热暴露的高风险。基于2016—2020年的热岛强度时序评估发现，武汉市热岛恶化最严重的区域主要分布在城市工业园区、建设中的武汉东站以及三环外的建成区边缘。随着城市的快速发展与扩张，混凝土、柏油路面等人造地表取代了自然地表，热容量变大，反照率变低，导致吸收热量变多，散失热量变慢，从而导致地表温度升高，热岛恶化。这些热岛恶化的区域与《武汉市城市总体规划（2017—2035）》提出加强区域一体化建设，大力发展西南的武仙城镇发展廊道、南部的武威城镇发展廊道[41]，以及《武汉市土地利用和空间布局“十三五”规划》中推进新城中心、工业园区等重点功能区建设等规划策略相吻合[42]。

表1 武汉市热岛效应体检评估的“问题识别—驱动因素”总结Tab.1 summary of the “problem identification-driving factor” of the examination and evaluation of urban heat island effect in Wuhan

4.2 多层级规划协同的应对策略

研究对多尺度、多类型的热岛效应驱动要素及相应减缓对策进行系统性的梳理与总结（表2），为多层级规划协同的热岛问题综合治理策略的提出提供科学理论依据。到目前为止，国内外学者基于大量的定量化研究，在不同尺度下提出了一系列可行的面向热岛减缓的规划策略。比如，城市总体规划的尺度上，强调要合理规划城市布局，并鼓励多中心的城市发展模式[20,43]；优化城市生态布局，结合城市的主导风向构建通风廊道[44]；调整城市用地布局，淘汰或升级高能耗、高热排放工业[45-46]。在控制性详细规划的尺度上，加强绿化建设，增加植被覆盖度与丰富度，推广屋顶绿化等[47-49]；优化建筑布局与建筑形体设计，采用高反照率的材料对道路及建筑表面进行铺装[50-51]。此外，规划管理层面，完善高温监测预警机制[3]、制定应急预案与用电补偿方案[52]、开展遮阳专项建设[53]等。

表2 多层级规划协同下的武汉市热岛问题综合治理策略与科学依据总结Tab.2 summary of the comprehensive governance strategies and scientific basis for the heat island problem in Wuhan under multilevel planning collaboration

研究在以上热岛形成机理与减缓对策总结的基础上，结合武汉市具体的体检评估结果，提出了总体规划、控制性详细规划与规划管理等多层级规划协同的综合治理策略体系。

第一，总体规划层面，坚持多中心的城市发展模式，积极推进《武汉都市发展区“1+6”战略实施规划》的落实[54]，优化城市空间结构，保护武汉市现有生态格局。针对建成区南部与西部热岛严重的现状，要做好后官湖、青菱湖、汤逊湖等生态绿楔的保育工作，并加强相应的通风廊道建设，更好地将郊区的凉风引入城内，从而减缓局部热岛。对于集中分布、热岛严重的工业园区，需淘汰或升级高能耗、高热排放的工业产业，并通过提高绿地率与增加开敞空间的方式打破其连片格局，防止高温集聚。

第二，控制性详细规划层面，加强绿化建设，增加绿地面积与植被丰富度，采用高反照率的屋顶与路面铺装以减缓热岛；优化建筑布局与建筑形体设计，改善局地通风条件。对于工业园区，要积极响应“双碳”战略，推动园区向先进制造业基地的转型升级；除提高绿地率外，应增设绿化隔离带来降低工业排热对邻近区域及周边居民的影响。对于高密度低矮建筑的老城区，要响应《武汉市国土空间“十四五”规划》《武汉市城市总体规划（2016—2030）》等控制主城区人口规模的要求[55-56]，通过制定土地优化调整政策等措施引导主城人口疏解。针对改造空间有限、改造成本较大的区域，可结合海绵城市专项规划，通过立体绿化和垂直绿化等方式增加绿化，并增加小型人工水体，辅助降温。

第三，规划管理层面，参照西方发达国家的成功经验以及国内的优秀实践，完善高温监测预警机制。做好极端高温热浪来临时的应急预案与用电补偿方案，并及时向居民传达高温预警信息与应对措施。对于处于二环线以内热暴露高风险区域的人群，特别是老人、儿童等弱势群体，要联合街道与社区建立高温应对帮扶机制，采取针对性的防护措施，因地制宜地应对高温。开展遮阳体系专项规划与建设，降低弱势群体室外高温暴露机会及相应健康风险。

5 结语

本研究探索构建了“干扰控制—变化诊断—风险评估—规划应对”的热岛效应体检评估框架，并以武汉市为例，依托卫星遥感数据对其2016—2020年夏季的热岛效应开展了多尺度体检评估。结果显示，武汉热岛效应呈现出“内外双高，局部集聚、中间塌陷”的“U”型圈层式分异结构。2016—2020年，热岛区域面积与强度均呈现增长趋势，且增加幅度由中心向外逐渐升高。城市工业园区与老城区热岛效应显著，恶化趋势明显，其中，老城区面临的热暴露风险也很高，尤其是汉口老租界区与司门口，当地居民的日常生活与身体健康受到了很大威胁。结合热岛效应体检评估结果与已有热环境影响机理研究，针对性地提出了武汉市面向热岛减缓的规划建议。总规层面，优化城市空间格局，加强后官湖、青菱湖等生态绿楔的保育工作，优化相应通风廊道的建设。控规层面，加强绿化建设，推动产业转型升级与城市的更新改造，对于如工业园区、城市核心功能区等城市形态改造空间有限的区域，通过增加屋顶绿化、采用高反照率的铺装材料等方式来减缓热岛。规划管理层面，完善高温监测预警机制，做好极端高温热浪来临时的应急预案，加强对老租界、司门口等热暴露高风险地区弱势群体的高温帮扶力度，积极开展遮阳专项规划等。

本研究基于卫星遥感数据，通过严格的数据筛选与科学的处理方法，最大程度地控制了多尺度气候变化与乡村参照区域选择对热岛强度时序变化精准评估的干扰，保障了体检评估的科学性与准确度。但需要指出的是，尽管热红外遥感在城市及其内部多尺度体检评估上具备不可替代的获取成本低、覆盖范围广以及空间连续性强等方面的数据优势，其采集到的城市表面温度，与实际影响人体舒适性的空气温度并不完全一致。未来可基于地表温度体检评估结果，在重点区域结合空气温度数据深化热暴露风险评估。此外，本研究使用的人口分布数据不包含年龄、出行行为、工作性质（室内外）等特征，未来将获取更详细的人口数据，以便精准评估居民在不同情景下的热风险状况，提高城市高温健康风险规划应对的针对性。

图表来源：

图1-5: 作者绘制

表1-2: 作者绘制