劉增超， 李家科， 蔣丹烈

(1.西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710048； 2.西安工業(yè)大學(xué) 材料與化工學(xué)院， 陜西 西安 710021)

1 研究背景

目前，我國(guó)正處于高速城市化的發(fā)展階段，城市化在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到了積極促進(jìn)作用，同時(shí)也帶來較嚴(yán)重的負(fù)面影響，如城市熱島效應(yīng)就是社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一[1-3]。城市熱島效應(yīng)的出現(xiàn)使得一些動(dòng)植物改變了正常的生理活動(dòng)周期[4]；大氣污染聚集且不易擴(kuò)散進(jìn)而出現(xiàn)“污島”[5]；夏季城市供電壓力劇增，同時(shí)居民生活的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)加重[6]；高溫天氣出現(xiàn)的頻率增大，特別是夏季容易引發(fā)高溫災(zāi)害、形成暴雨等極端天氣，造成城市積水、內(nèi)澇等災(zāi)害[7]。而2013年中央城鎮(zhèn)化工作會(huì)議上提出的“海綿城市”建設(shè)理念，就是為了防止和改善傳統(tǒng)建設(shè)中常出現(xiàn)的城市內(nèi)澇、積水、面源污染及熱島效應(yīng)等現(xiàn)象[8-10]，并于2015、2016年度在全國(guó)30座城市開展了海綿城市建設(shè)試點(diǎn)工作。隨后出臺(tái)的《海綿城市建設(shè)績(jī)效評(píng)價(jià)與考核指標(biāo)(試行)》中對(duì)熱島效應(yīng)方面的要求是“熱島強(qiáng)度得到緩解，海綿城市建設(shè)區(qū)域夏季(按6-9月)日平均氣溫不高于同期其他區(qū)域的日均氣溫，或與同區(qū)域歷史同期相比呈現(xiàn)下降趨勢(shì)”，并指出可通過查閱氣象資料或通過紅外遙感進(jìn)行熱島效應(yīng)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)。

目前，海綿城市建設(shè)多在新開發(fā)區(qū)開展試點(diǎn)，缺乏歷史氣象資料，采用氣象資料法進(jìn)行熱島效應(yīng)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)就較為困難。鑒于遙感監(jiān)測(cè)法具有觀測(cè)范圍廣、全面、動(dòng)態(tài)、快速、成本低等特點(diǎn)，相較傳統(tǒng)的氣象站法、定點(diǎn)觀測(cè)法、模擬預(yù)測(cè)等方法而言，在獲取連續(xù)的地表溫度信息和空間分布狀況方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，在近十余年中應(yīng)用越來越廣泛[11-12]。目前在熱島效應(yīng)解譯結(jié)果評(píng)價(jià)時(shí)常采用的指標(biāo)有熱島強(qiáng)度和熱島比例指數(shù)(URI)[13-14]，熱島強(qiáng)度可用城市地表溫度與郊區(qū)地表溫度之差表示，其雖能有效反映不同時(shí)間尺度的熱島強(qiáng)弱[15]，但面臨的困難在于如何客觀選取有代表性的郊區(qū)溫度點(diǎn)[16]；熱島比例指數(shù)則是在城市建成區(qū)內(nèi)，給各等級(jí)熱島區(qū)賦予不同的權(quán)重值，利用各等級(jí)熱島面積與建成區(qū)面積的比例，來表征熱島的發(fā)育程度，其可比較同一時(shí)期不同空間尺度區(qū)域的熱島強(qiáng)弱，還可以比較同一地區(qū)在不同時(shí)期的熱島強(qiáng)度大小[17-18]。本文將在熱島比例指數(shù)基礎(chǔ)上提出適于海綿城市建設(shè)過程中熱島效應(yīng)評(píng)價(jià)的方法，并將其應(yīng)用于西咸新區(qū)灃西新城海綿城市建設(shè)試點(diǎn)區(qū)域熱島效應(yīng)評(píng)價(jià)，一方面希望能為海綿城市熱島效應(yīng)評(píng)價(jià)方法提供借鑒和參考，另一方面就海綿城市建設(shè)對(duì)城市熱島的緩解效應(yīng)做出評(píng)判。

2 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于陜西省西咸新區(qū)灃西新城核心區(qū)，為海綿城市建設(shè)點(diǎn)區(qū)域，建設(shè)面積約為25 km2，東至灃河，西至規(guī)劃中的西咸環(huán)線，南至連霍高速路，北部與咸陽市主城區(qū)以渭河為界，該區(qū)域分布有陜西國(guó)際商貿(mào)學(xué)院、陜西服裝工程學(xué)院、陜西科技大學(xué)鎬京學(xué)院等5所大中專院校，以及眾多的住宅小區(qū)、少量的工業(yè)企業(yè)。灃西新城年均風(fēng)速1.5 m/s，年平均相對(duì)濕度74%，年平均氣溫13.6℃，最冷月為 1 月，最熱月為 7 月，多年平均降水量約520 mm，其中，7-9月降雨量占全年降雨量的50%左右，且夏季降水多以暴雨形式出現(xiàn)，易造成洪澇積水和水土流失等自然災(zāi)害。

因地處黃土高原缺水區(qū)域，灃西新城自2012年即開始應(yīng)用雨水資源化利用技術(shù)、踐行和推廣低影響開發(fā)(LID)理念，并于2015年開始全面建設(shè)海綿城市，試點(diǎn)時(shí)間為2015初年至2017年底。目前新城已完成主要道路的低影響建設(shè)和改造，在科技園區(qū)及住宅區(qū)內(nèi)大量應(yīng)用綠色屋頂、雨水花園、生態(tài)濾溝、道路生物滯留帶、下凹式綠地、透水鋪裝等LID措施，并新建和改建了多處綠地、林帶、濕地、景觀水體等海綿體，海綿城市建設(shè)已初具規(guī)模。圖1為灃西新城海綿城市建設(shè)區(qū)區(qū)位圖。

圖1 灃西新城海綿城市建設(shè)區(qū)區(qū)位圖

3 基于URI指數(shù)的海綿城市熱島效應(yīng)評(píng)價(jià)方法的建立

本文熱島效應(yīng)表征采用福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院徐涵秋等[13]提出的“熱島比例指數(shù)(URI)”進(jìn)行求算，該指數(shù)作為城市生態(tài)建設(shè)環(huán)境績(jī)效評(píng)估導(dǎo)則中城市熱島評(píng)價(jià)的唯一指標(biāo)而被廣泛使用[19]，URI指數(shù)值越接近1，表示熱島效應(yīng)越強(qiáng)，越接近0則表明熱島效應(yīng)越弱。再參照海綿城市中熱島效應(yīng)指標(biāo)要求“海綿城市建設(shè)區(qū)域夏季(按6-9月計(jì))日平均氣溫不高于同期其他區(qū)域的日均氣溫，或與同區(qū)域歷史同期相比呈現(xiàn)下降趨勢(shì)”，引入U(xiǎn)RI指數(shù)后的評(píng)價(jià)方法可轉(zhuǎn)化為：“海綿城市建設(shè)區(qū)域夏季(按6-9月計(jì))熱島比例指數(shù)(URI)值不高于同期相鄰地區(qū)的URI值，或與同區(qū)域歷史同期相比URI值呈下降趨勢(shì)”。

在評(píng)價(jià)時(shí)，首先對(duì)研究區(qū)域的熱紅外遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行地表溫度反演，并計(jì)算出研究區(qū)域地表平均溫度TS(℃)及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差σ；其次根據(jù)均值(TS)-標(biāo)準(zhǔn)差(σ)法[13]對(duì)遙感影像的地表溫度反演結(jié)果進(jìn)行溫度等級(jí)劃分。實(shí)際工作中熱島溫度等級(jí)常劃分為4～7級(jí)[17-18,20]，此處熱島溫度等級(jí)按6級(jí)劃分，即低溫區(qū)、次中溫區(qū)、中溫區(qū)、次高溫區(qū)、高溫區(qū)、特高溫區(qū)，具體的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 地表溫度等級(jí)劃分

城市熱島比例指數(shù)的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：m為溫度等級(jí)總數(shù)量，在此取值為6；i為熱島等級(jí)序號(hào)；n為熱島等級(jí)數(shù)量，一般認(rèn)為，地表溫度高于平均溫度的區(qū)域?qū)儆跓釐u區(qū)域，故次高溫區(qū)、高溫區(qū)和特高溫區(qū)即可代表城市熱島區(qū)域，因此n=3；Wi為溫區(qū)的權(quán)重值，一般最高溫區(qū)權(quán)重?cái)?shù)值與溫度等級(jí)總數(shù)相等，且溫區(qū)由高至低權(quán)重系數(shù)依次減1[13,17]，故此處特高溫區(qū)、高溫區(qū)、次高溫區(qū)權(quán)重值分別取6、5、4；Pi為第i級(jí)熱島面積百分比。

4 海綿城市熱島效應(yīng)評(píng)價(jià)方法應(yīng)用

4.1 數(shù)據(jù)來源

(1)實(shí)測(cè)地溫?cái)?shù)據(jù)。 鑒于新城區(qū)域在海綿城市建設(shè)之前無氣象站點(diǎn)，為便于獲取精確氣象信息，于2016年初開始在新城區(qū)域共布設(shè)了3臺(tái)小型氣象站，用于地表氣溫監(jiān)測(cè)，咸陽市主城區(qū)(對(duì)比區(qū)域)地表氣溫?cái)?shù)據(jù)則從氣象局獲取。

(2)遙感資料數(shù)據(jù) 。研究所選取的遙感影像資料來自美國(guó)陸地衛(wèi)星公司的Landsat7/8衛(wèi)星，表2為2015-2017年3年考核期海綿城市熱島效應(yīng)監(jiān)測(cè)要求時(shí)段的遙感影像數(shù)據(jù)獲取時(shí)間及衛(wèi)星傳感器類型。

表2 遙感數(shù)據(jù)來源

4.2 遙感解譯與觀測(cè)法結(jié)果對(duì)比分析

鑒于監(jiān)測(cè)區(qū)域于2016年初陸續(xù)布設(shè)了3臺(tái)自動(dòng)氣象站，可獲得地表實(shí)際溫度數(shù)據(jù)，故在此選擇2016年6-9月的遙感影像解譯地表溫度與實(shí)測(cè)地表溫度進(jìn)行比對(duì)，以判定解譯結(jié)果的準(zhǔn)確性。遙感監(jiān)測(cè)法獲得的試點(diǎn)區(qū)域平均溫度及衛(wèi)星過境時(shí)刻地表氣象觀測(cè)平均溫度如表3所示。

表3 地表平均溫度對(duì)比

從表3中可以看出雖然遙感解譯所得平均溫度略低于地表實(shí)測(cè)平均溫度，但二者之間非常接近，其溫差約在0.4～0.7℃之間，說明采用遙感解譯結(jié)果可較好地反映地表溫度狀況，這也為后續(xù)遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)研究提供了可靠性保證。

4.3 研究區(qū)域熱島比例指數(shù)求算

對(duì)2015-2017年夏季時(shí)段(按6-9月計(jì))各期遙感影像進(jìn)行地表溫度解譯，解譯后的溫度分布圖如圖2～5所示。求算出各期遙感影像月份平均溫度及標(biāo)準(zhǔn)差后，再按照表1的方法對(duì)地表溫度反演結(jié)果進(jìn)行劃分，分別求算出次高溫區(qū)、高溫區(qū)、特高溫區(qū)等熱島面積百分比，再根據(jù)URI計(jì)算式求出熱島比例指數(shù)值。灃西新城海綿城市建設(shè)試點(diǎn)區(qū)與對(duì)比區(qū)(咸陽市主城區(qū))各月份熱島面積百分比及熱島比例指數(shù)如表4所示。

圖2 2015-2017年6月份地表溫度分布圖

圖3 2015-2017年7月份地表溫度分布圖

圖4 2015-2017年8月份地表溫度分布圖

圖5 2015-2017年9月份地表溫度分布圖

4.4 研究區(qū)域熱島效應(yīng)評(píng)價(jià)

圖6給出了灃西新城海綿城市建設(shè)區(qū)域各月份的URI指數(shù)與咸陽市主城區(qū)URI指數(shù)。顯然2015-2017年度夏季各月份灃西新城海綿城市建設(shè)區(qū)域URI值均小于咸陽市主城區(qū)的URI值。結(jié)合表4中數(shù)據(jù)可以看出，灃西新城海綿城市建設(shè)區(qū)域特高溫區(qū)、高溫區(qū)面積百分比均明顯小于咸陽市主城區(qū)。符合“海綿城市建設(shè)區(qū)域夏季(按6-9月)熱島比例指數(shù)(URI)值不高于同期相鄰地區(qū)的URI值”的要求。

圖7給出了灃西新城海綿城市建設(shè)試點(diǎn)區(qū)域不同月份的URI值與歷史同期對(duì)比關(guān)系。從圖7中可見，2017年度6月份URI值較2016年同期有明顯降低，較2015年同期也略有降低，但2016年6月較2015年6月URI值有所增加，這主要是由于2015年6月份灃西新城試點(diǎn)區(qū)域西南部有部分云層覆蓋，導(dǎo)致該月份URI值較低，對(duì)分析結(jié)果造成一定的誤差；7、8兩月份試點(diǎn)區(qū)域熱島比例指數(shù)逐年降低，且趨勢(shì)比較明顯；3個(gè)年度9月份URI值變動(dòng)雖不大，但2017年9月URI值較2015年9月URI值略微降低。由此可見灃西新城開展海綿城市建設(shè)滿足“與同區(qū)域歷史同期相比URI值呈下降趨勢(shì)”的要求。

表4 各月份熱島比例指數(shù)

圖6 灃西新城與咸陽市主城區(qū)URI對(duì)比圖

圖7 灃西新城2015-2017年6-9月份URI對(duì)比圖

對(duì)圖6、7進(jìn)行綜合分析可以看出，一方面，海綿城市建設(shè)使得灃西新城試點(diǎn)區(qū)域城市熱島強(qiáng)度較同期周邊城市(咸陽市主城區(qū))低，另一方面，就灃西新城自身而言，其較歷史同期熱島強(qiáng)度整體上也有所緩解，即表明灃西新城海綿城市建設(shè)在城市熱島效應(yīng)緩解方面具有一定成效。

5 結(jié) 論

(1)基于熱島比例指數(shù)(URI)提出的熱島效應(yīng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)“海綿城市建設(shè)區(qū)域夏季(按6-9月)熱島比例指數(shù)值不高于同期相鄰地區(qū)，或與同區(qū)域歷史同期相比URI值呈下降趨勢(shì)”能滿足海綿城市建設(shè)區(qū)域熱島效應(yīng)考核與評(píng)價(jià)需求，方法簡(jiǎn)單易行、可操作性強(qiáng)。

(2)遙感解譯所得地表平均溫度與氣象站實(shí)測(cè)平均氣溫相差約0.4～0.7℃，吻合度較高，保證了后續(xù)URI計(jì)算的有效性。

(3)2015-2017年度6-9月份Landsat 7/8衛(wèi)星影像為熱紅外數(shù)據(jù)源進(jìn)行地溫解譯，以咸陽市主城區(qū)為對(duì)比區(qū)域，評(píng)價(jià)結(jié)果表明3年建設(shè)期內(nèi)，灃西新城海綿城市建設(shè)區(qū)域較咸陽市主城區(qū)同期熱島強(qiáng)度低，同時(shí)，其較自身歷史同期熱島強(qiáng)度程逐年降低的趨勢(shì)，均說明該地區(qū)熱島效應(yīng)緩解作用明顯。