基于局地气候区的西安市城市热环境变化及其影响因素分析.pdf

生态环境学报 2023,32(9):1644-1653 http:/ Ecology and Environmental Sciences E-mail: 基金项目：国家自然科学基金项目（41977059；41501571）作者简介：杨梅焕（1982 年生），女，副教授，博士，主要从事生态系统研究。E-mail: 收稿日期：2023-07-19 基于局地气候区的西安市城市热环境变化及其影响因素分析 杨梅焕1，姚明昊1，王涛1,2，李雅雯1，邓彦昊1，赵滢滢1，张政亮1 1.西安科技大学测绘科学与技术学院，陕西 西安 710054；2.西安科技大学国土空间研究所，陕西 西安 710054 摘要：快速城市化过程引起的城市热环境变化，对人类健康和城市可持续发展产生了重要影响。通过科学规划与管理改善城市热环境对于提高城市宜居性具有重要意义。以西安市主城区为例，基于 20192022 年 9 期 70 m 分辨率的 ECOSTRESS 数据，结合局地气候区（Local Climate Zone，LCZ）分类，利用相关性分析及分区统计等方法，对城市热环境变化及其影响因素进行了分析，可为城市科学规划与管理提供决策依据。研究结果表明，1）研究区以建筑类型（LCZ17）局地气候区为主，占区域总面积的 72.94%。其中紧凑型中低层建筑（LCZ23）局地气候区分布在城市一环路以内，开敞型建筑类型（LCZ47）局地气候区分布在城市一环和绕城高速之间，自然类型（LCZA，LCZB）局地气候区和大型低层和硬地面（LCZ7）局地气候区分布于绕城高速周边。2）日间，紧凑型建筑类型（LCZ3）局地气候区地表温度最高，水体（LCZA）地表温度最低；夜间，水体（LCZA）地表温度最高，植被（LCZB）地表温度最低。紧凑型建筑类型（LCZ13）地表温度高于开敞型建筑类型（LCZ46），且日间地表温度表现为紧凑型高层(LCZ1)紧凑型中层(LCZ2)0 表示正相关，r0.602 表示显著正/负相关，反之为不显著相关。1.3.4 ECOSTRESS 地表温度修正 本次研究选取的 9 幅影像是在 20192022 年 LCZ1紧凑型高层；LCZ2紧凑型中层；LCZ3紧凑型低层；LCZ4开敞型高层；LCZ5开敞型中层；LCZ6开敞型低层；LCZ7大型低层和硬地面；LCZA植被；LCZB水体。下同 图 3 局地气候区空间分布 Figure 3 Spatial distribution of Local Climate Zones 表 1 局地气候区参数 Table 1 Parameters of local climate zones 局地气候分区 建筑高度/m 建筑密度/%天空视域因子 不透水 比率 植被覆盖度/%名称 LCZ1 30 4060 0.20.4 0.40.9 10 紧凑型高层 LCZ2 1030 4060 0.30.6 0.40.9 10 紧凑型中层 LCZ3 310 4060 0.20.6 0.40.9 10 紧凑型低层 LCZ4 30 2040 0.50.7 0.40.9 1030 开敞型高层 LCZ5 1030 2040 0.50.8 0.40.9 1030 开敞型中层 LCZ6 310 2040 0.60.9 0.40.9 1030 开敞型低层 LCZ7 0.9 0.8 10 大型低层和硬地面 LCZA 0.40.9 0.9 0.1 水体 1648 生态环境学报 第 32 卷第 9 期（2023 年 9 月）的不同日期获得的，尽管已考虑天气条件，但仍需对影像进一步处理以克服不同大气环境对地表温度的影响。已有学者利用更高的时间分辨率的哥白尼全球陆地作业（Copernicus Global Land Operation，CGLOPS）对 ECOSTRESS 地表温度数据进行温度修正，并且获得了较好的实验结果（Chang et al.，2021）。因此，引入哥白尼全球陆地作业（CGLOPS）地球同步卫星半小时内无云 CGLOPS 地表温度产品，对 ECOSTRESS 地表温度数据进行修正（赵欣等，2022），修正公式为：TE(t)=T(d,t)+Tc,m(t)TC(d,t)（5）式中：TE(t)调整后 t 时刻的地表温度；T(d,t)d 日期 t 时刻的 ECOSTRESS 地表温度；TC(d,t)d日期t时刻的CGLOPS地表温度；Tc,m(t)整个研究期间内（7 月 1 日9 月30 日）t 时刻的平均 CGLOPS 地表温度。2 结果分析 2.1 局地气候区空间分布 研究区局地气候区由建筑类型（LCZ17）和自然类型（LCZA 和 LCZB）构成，其中以建筑类型（LCZ17）为主，占研究区面积的 72.94%，自然类型（LCZA 和 LCZB）占 27.06%。建筑类型（LCZ17）局地气候区中，以开敞型建筑为主，占43.29%。主要分布于长安区、雁塔区、灞桥区和未央区；紧凑型建筑占 16.35%，主要分布于碑林区、新城区和莲湖区。自然类型（LCZA 和 LCZB）局地气候区中，以植被（LCZA）为主，占 98.48%，主要分布于灞桥区、未央区西部和长安区（图 3）。研究区内局地气候区分布具有一定的规律性，表现为城市一环路范围内以紧凑型中低层建筑类型（LCZ23）局地气候区为主，占城市一环路以内区域面积 40.93%；城市一环路至二环路之间以开敞型建筑类型（LCZ46）局地气候区为主，占城市一环路至二环路区域面积的 54.85%；城市二环路至绕城高速之间以开敞型建筑类型（LCZ47）局地气候区为主，占城市二环路至绕城高速区域面积的 66.34%，其次为植被（LCZA）局地气候区，占20.02%；绕城高速之外以植被（LCZA）局地气候区和水体（LCZB）局地气候区及大型低层和硬地面（LCZ7）局地气候区为主，占比 86.5%（图 3）。2.2 局地气候区内地表温度变化特征 将修正后的地表温度和局地气候区分布数据进行分区统计表明（图 4），不同局地气候区间地表温度存在明显差异。日间，紧凑型低层（LCZ3）局地气候区地表温度最高，而水体（LCZB）局地气候区地表温度均最低（图 4af）。建筑类型局地气候区中，紧凑型建筑（LCZ13）局地气候区的地表温度高于开敞型建筑（LCZ46）局地气候区，且紧凑型建筑（LCZ13）局地气候区内地表温度与建筑高度呈反比，即地表温度表现为紧凑型高层(LCZ1)紧凑型中层(LCZ2)紧凑型中层（LCZ2）紧凑型低层（LCZ3）。夜间，建筑高度较高的区域热量难以扩散，不利于夜间地表散热。因此，在紧凑型建筑（LCZ13）局地气候区内建设通风廊道是十分必要的。2.3 局地气候区内地表温度空间分布特征 将修正后的地表温度和局地气候区分布数据进行叠加分析表明（图 5），日间，各时段地表温度高值区空间分布特征相似，主要分布于以紧凑型建筑（LCZ13）局地气候区为主的城市二环路以内区域；地表温度低值区主要分布于以植被（LCZA）局地气候区和水体（LCZB）局地气候区为主的研究区东部，及城市二环路西北部边缘区域（图 5af）。夜间，地表温度高值区主要分布于研究区东北部水体（LCZB）局地气候区，其次分布于绕城高速内建筑类型（LCZ16）局地气候区内；地表温度低值区与日间相似，分布于植被（LCZA）局地气候区内（图 5gi）。结合局地气候区内地表温度空间分布特征，制作城市地表温度控制分区图（图 6），地表温度重点控制区包含城市一环路以内建筑类型（LCZ17）局地气候区和紧凑型建筑（LCZ13）局地气候区；地表温度一般控制区包含开敞型（LCZ47）局地气候区；冷源重点保护区为植被（LCZA）和水体（LCZB）局地气候区。2.4 地表温度影响因素分析 不同时间点各局地气候区地表温度与 NDVI、人口和夜间灯光的相关性分析结果表明（表 2），地表温度与 NDVI 呈显著负相关关系，在全天各时间点均通过显著性水平检验。这一发现在城市规划和生态系统管理方面具有重要意义。植被不仅提供了杨梅焕等：基于局地气候区的西安市城市热环境变化及其影响因素分析 1649 城市绿化，还有助于减轻城市热岛效应。城市中大量混凝土和建筑物会吸收和储存太阳能，导致地表温度升高，而植被通过蒸腾作用和形成荫蔽有助于改善城市热环境。地表温度与人口呈正相关，除 10:22 时刻外，各时刻均通过显著性水平检验。随着局部地区人口的增加，地表温度也会随之升高。城市人口增加通常伴随着更多的建筑、交通和人类活动，这些因素会产生更多的热量，导致局部地区地表温度升高，尤其是高人口密度的局地气候区。研究还揭示了地表温度与夜间灯光之间在16:23、16:55、23:44、23:57、4:25 时刻呈显著正相关，且通过显著性水平检验。夜间灯光覆盖面积越大，反映的城市建成区也越大，城市地表温度也越高。城市建成区的扩展与城市热岛效应之间存在密切联系。大规模的城市建设通常涉及大型建筑物、道路照明和其他人工照明设施，这些设施会释放热量并影响城市的热环境。3 讨论 已有研究对于城市热岛效应的分析，主要是利用 Landsat 8 反演地表温度的方法进行分析论证（Chen et al.，2020；单宝艳等，2022），或者利用MODIS 地表温度数据产品进行长时间序列的城市热岛效应分析（胡楠林等，2022）。本研究采用ECOSTRESS 地表温度数据和局地气候区框架，提供了高分辨率的地表温度信息，同时，局地气候区的引入打破了传统的“城市农村”二元化研究的局限性，可为深入研究城市热岛内部差异提供新方法（Torreggiani et al.，2012；Bechtel et al.，2015）。(a)2019 年 9 月 7 日 8:40 (b)2019 年 8 月 14 日 10:22 (c)2022 年 8 月 6 日 11:49 (d)2021 年 9 月 30 日 14:30 (e)2019 年 9 月 28 日 16:23 (f)2020 年 7 月 26 日 16:55 (g)2020 年 9 月 15 日 23:44 (h)2020 年 7 月 6 日 23:57 (i)2020 年 8 月 27 日 4:25 图 4 不同时刻局地气候区地表温度统计结果 Figure 4 Statistical analysis of land surface temperature in different local climate zones at different time intervals 1650 生态环境学报 第 32 卷第 9 期（2023 年 9 月）ECOSTRESS 数据较之 MODIS 地表温度产品和Landsat 反演数据相比，ECOSTRESS 是在全球大部分地区检索昼夜不同时间的地表温度，具有不固定观测时间、日采样和高空间分辨率等独特优势（赵欣等，2022）。结果显示，在不同局地气候区内，地表温度存在显著差异。这一发现强调了城市内部的地表温度异质性，进一步突出了城市热岛效应的复杂性。这些结果也为深入研究城市热岛内部的差异性提供了新方法，这对城市规划和可持续发展至关重要。本研究发现西安市主城区城市主城区内的紧凑型建筑（LCZ13）通常比开敞型建筑（LCZ46）具有更高的地表温度，与（Chang et al.，2021）和（王耀斌等，2017）的研究结论基本一致，建筑密度和结构对地表温度有显著影响。在此基础上，研究发现紧凑型建筑（LCZ13）局地气候区内，地表温度与建筑高度之间存在不同的比例关系。白天，地表温度与建筑高度呈正比，而夜间则呈反比。白天由于较高的建筑容易形成建筑阴影，形成局部冷岛，起到降温作用（Bechtel et al.，2019），而夜晚地表温度处于放热状态，紧凑型建筑中建筑高度较高的建筑不易散热（高鹏等，2022）。因此，西安 (a)2019 年 9 月 7 日 8:40 (b)2019 年 8 月 14 日 10:22 (c)2022 年 8 月 6 日 11:49 (d)2021 年 9 月 30 日 14:30 (e)2019 年 9 月 28 日 16:23 (f)2020 年 7 月 26 日 16:55 (g)2020 年 9 月 15 日 23:44 (h)2020 年 7 月 6 日 23:57 (i)2020 年 8 月 27 日 4:25 图 5 局地气候区内地表温度空间分布 Figure 5 Spatial Distribution of Land Surface Temperature within Different Local Climate Zones 杨梅焕等：基于局地气候区的西安市城市热环境变化及其影响因素分析 1651 市未来城市规划应多以开敞型建筑为主，提升开敞型建筑类型（LCZ46）局地气候区中城市绿化水平，可起到改善城市热环境的作用。已有研究表明，通过提高植被覆盖度（崔耀辉等，2023）可以降低地表温度，改善城市热环境。本研究进一步探讨了地表温度与土地覆盖和人类活动之间的定量关系。一方面，植被能有效降低地表温度，进一步用强相关性强调了城市绿化在缓解城市热环境方面的关键作用。另一方面，对地表温度与人口分布和夜间灯光数据进行相关性分析，充分证明人类活动产生的热量也会导致局部地区温度升高。尤其是，在人口较密集的城市一环内部及城市一环至城市二环区域，局部地区地表温度在正午前后超 50，这将严重损害生活和工作在此地区的人的健康。因此，需要采取更多的措施来改善城市热环境，在有限的建筑空间下，可以在建筑物表面和道路表面涂抹新型反光涂料，这样可以有效减少太阳辐射吸收，从而缓解城市过热（Middel et al.，2020）。4 结论 1）西安市主城区以建筑类型（LCZ17）局地气候区为主，占区域总面积的 72.94%。其中，城市一环路内以紧凑型中低层建筑类型（LCZ23）局地气候区为主；城市一环路至二环路之间以开敞型建筑类型（LCZ46）局地气候区为主；城市二环路至绕城高速之间以开敞型建筑类型（LCZ47）局地气候区为主，其次为植被（LCZA）局地气候区；绕城高速之外以植被（LCZA）局地气候区水体（LCZB）局地气候区及大型低层和硬地面（LCZ7）局地气候区为主。2）不同局地气候区间地表温度存在明显差异。日间，紧凑型低层（LCZ3）局地气候区地表温度最高，水体（LCZB）局地气候区地表温度最低。夜间，水体（LCZB）局地气候区地表温度最高，植被（LCZA）局地气候区地表温度最低。建筑类型局地气候区中，紧凑型建筑（LCZ13）局地气候区的地表温度高于开敞型建筑（LCZ46）局地气候区，且日间紧凑型建筑（LCZ13）局地气候区内地表温度与建筑高度呈反比，即地表温度表现为紧凑型高层(LCZ1)紧凑型中层(LCZ2)紧凑型低层(LCZ3)，而夜间呈正比。3）日间，各时间段地表温度高值区空间分布特征相似，主要分布于以紧凑型建筑（LCZ13）局地气候区为主的城市二环路以内区域；地表温度低值区主要分布于研究区东北部、东南部，以及城市二环路西北部边缘区域的植被（LCZA）和水体（LCZB）局地气候区内；夜间，地表温度高值区主要分布于研究区东北部，其次分布于绕城高速内建筑类型（LCZ16）局地气候区内；地表温度低值区与日间相似，分布于植被（LCZA）局地气候区内。4）地表温度与 NDVI 呈显著负相关，与人口和夜间灯光分布呈显著正相关。参考文献：BECHTEL B,ALEXANDER P J,BHNER J,et al.,2015.Mapping local climate zones for a worldwide database of the form and function of cities J.ISPRS International Journal of Geo-Information,4(1):199-219.BECHTEL B,DEMUZERE M,MILLS G,et al.,2019.SUHI analysis using local climate zones:Comparison of 50 cities J.Urban 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0.727*0.757*0.922*1)*表示 P0.01 非常显著；2)*表示 P0.05 显著；NDVI 相关性分析时，去除水体，减少对结果的影响 1652 生态环境学报 第 32 卷第 9 期（2023 年 9 月）CUI S Y,WANG X H,YANG X,et al.,2022.Mapping local climate zones in the urban environment:The optimal combination of data source and classifier J.Sensors,22(17):6407.DEMUZERE M,KITTNER J,MARTILLI A,et al.,2022.A global map of local climate zones to support earth system modelling and urban-scale environmental science J.Earth System Science Data,14(8):3835-3873.FISHER J B,LEE B,PURDY A J,et al.,2020.ECOSTRESS:NASAs next generation mission to measure evapotranspiration from the international space station J.Water Resources Research,56(4):e2019WR026058.GELETI J,LEHNERT M,2016.GIS-based delineation of local climate zones:The case of medium-sized Central European cities J.Moravian Geographical Reports,24(3):2-12.HOOK S J,CAWSE-N K,BARSI J,et al.,2020.In-flight validation of the ECOSTRESS,Landsats 7 and 8 thermal infrared spectral channels using the Lake Tahoe CA/NV and Salton Sea CA 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