第17卷1期2004年2月城市环境与城市生态
URBANENVIRONMENT&URBANECOLOGYVol17,No.1
Feb. 2004
1
城市绿色空间及对城市热岛效应的影响
李延明,郭 佳,冯久莹
(北京市园林科学研究所,北京 100102)
X
摘要:采用遥感技术结合实地测定的研究方法,利用1987年至2001年遥感卫星影像数据,建立了北京市不同年份的城市绿色空间专题图和热岛分布图,分析了13年中北京城市绿色空间及热岛效应的演变特点,评价了城市发展及城市绿化对热岛效应的影响。结果表明:受城市化的影响,14年中北京城市绿色空间变化明显,城市热岛效应也随之发生明显变化;随着城市建设范围的扩大,原有自然植被不断减少,热岛影响范围随之扩大;随着市区内的绿化建设,绿色空间总量增加,热岛效应有缓解的趋势。
关键词:热岛效应;绿色空间;城市绿化;遥感;北京
中图分类号:X173 文献标识码:A 文章编号:(K)03259(原1002-1264)(2004)01-0001-04
UrbanGreenSpaceanditsEffectonUrbanHeatIslandEffect
LIYan2ming,GUOJia,FENGJiu2ying(BeijingLandscapeandGardeningInstitute,Beijing 100102,China)
Abstract:Withthestudymethodofusingremotesensingtechnologycombinedwithmeasuringtheairtemperatureandusing1987~2001remotesensingimagedata,theurbangreenspacesubjectmapandheatislanddistributionmapofseveralyearshavebeenestablishedwithsomeanalysesofthechangingcharacteristicofurbangreenspaceandheatislandeffectinBeijingamongthe13years,andtheeffectofurbandevelopingandurbangreeningonheatisland.Theresultindicatedthatbeinfluencedbyurbanization,theurbangreenspaceandtheurbanheatislandchangedgreatly.Withtheurbanbuildingrangeincreasingcontinuously,theareaoforiginalnaturalvegetationde2creased,thescopeofurbanheatislandextended;withtheurbangreeningdeveloping,thetotalquantityofgreenspaceincreased,andtheurbanheatislandeffectattenuatedgradually.
Keywords:urbanheatisland; greenspace; urbangreening; remotesensing; Beijing 城市/热岛效应0(UrbanHeatIslandEffect简称UHI)是指城市气温高于郊区的现象,是城市气候最明显的特征之一,反映了城市化发展对城市环境的影响[1]。城市/热岛0的形成是由于城市内部大量人工构筑物改变了下垫面的热属性,以及工业生产等城市活动而引起的。沥青、水泥混凝土等人工构筑物具有较小的热容量和吸热快的特性,在相同的环境条件下,比绿地或其它自然下垫面升温快,因而其表面的温度明显高于自然下垫面,形成了城市中以人工构筑物为中心的高温区域,即城市热岛。尤其是夏季,热岛效应加剧城市的酷热,将严重影响到人民的正常生活和健康[2]。大量研究表明,植被以及风、水体是缓解城市热岛效应的主要因素,其中通过加强绿化,改善城市下垫面的热属性是缓解热岛效应的关键措施。本文采用遥感技术,分析1987年以来,北京城市绿色空间的变化,并以城市热岛效应为指标,通过
分析城市热场特征,研究城市化发展对城市绿色空间和城市环境的影响,探讨控制热岛效应、建设绿色城市技术措施。
1 研究方法
1.1 采用的影像及数据
用于热岛反演的数据:1987、1994、1998、2000、2001年的LandSat卫星热红外波段(TM6)影像数据;地面测定数据及气象资料。
用于绿色空间及城市化发展分析的数据:1987、1994、1998、2000、2001年的LandSat卫星多光谱影像数据和同期的SPOT卫星PAN影像数据;1999年航空影像数据;2002年IKONOS卫星影像数据。
1.2 城市热岛效应专题信息的生成
对TM6影像数据进行图像纠正,形成辐射亮度影像;选定地面试验区,测定表面温度、大气温
X基金项目:北京市科技攻关项目:/北京城市绿化对热岛效应的缓解作用0(H[1**********]3)部分研究内容
收稿日期:2004-01-26
度等指标,并进行相关的分析;以地面温度数据标定亮度影像,进行地面热场信息的分级,建立各年份城市热岛影像图。依据地面热辐射强度的不同,将影像分为五个等级:一级热辐射区即强热岛,二级热辐射区为次强热岛,三级热辐射区为中间过渡区,四级热辐射区为比较凉爽的区域,五级热辐射区为最凉爽的区域。
1.3 城市绿色空间及建设用地信息
可见,14年中北京的城市化呈现急剧发展的趋势,城市规模不断扩大。随着城市的蔓延和扩
展,农田等自然植被被大量的建筑物、道路和硬化铺装等所取代,下垫面性质发生了明显的改变。2.2 绿色空间的变化
对绿色空间专题图量算分析,结果显示:1987年规划市区内的绿色空间比例(即区域内所有植被的覆盖率)为58.2%,此后开始有明显的降低,利用LandSat卫星多光谱影像数据(空间分辨率为30m)和SPOT卫星(空间分辨率为10m)的全色波段影像数据,进行图像的融合,形成各年份的城市地物特征图;
利用LandSat卫星多光谱影像数据自动提取植被信息,生成各年份的NDVI图层;
将NDVI专题图与城市地物特征图精确配准,选定试验区,结合同期航空影像或高分辨率卫星影像,检查植被覆盖信息,确定NDVI阈值并进行分级,生成城市植被覆盖专题图层,即绿色空间专题图;
在城市地物特征图上直接解译、判读,提取已开发建设的用地信息,建立建设用地专题图;
将城市热岛影像图与其它专题图进行精确配准、量算,分析城市发展与绿色空间演变、城市热岛演变、绿色空间与城市热岛效应之间的关系等。
2 北京城市建设发展及绿色空间的
变化
2.1 建设用地大量增加
通过对城市建设用地专题图的量算分析,结果表明:1987年至2001年之间,规划市区1040km2
范围内的建设用地(含农村村镇建设用地,下文同)增加了0.92倍,由1987年的394.98km2增加到2001年的754.64km2,年平均增加25.69km2。同时,规划市区中未开发建设的用地包括农田、果园、荒地等的用地面积相应减少,由645.0km2减少至283.35km2,比例由62.0%降低为27.2%(图1)
。
图1 1987~2001年北京城市建设区与非建设区的用地变化
1998年达到最低值,绿色空间比例为52.1%,2000年、2001年有所增加,分别达到52.7%和53.1%(表1)。
表1 1987)2001年北京城市建设用地及绿色空间变化建设区
非建设区绿色空间年份面积占规划市面积占规划市面积占规划市(km2)区比例(%)(km2)区比例(%)(km2)区比例(%)1987394.9837.98645.0262.02763.3673.41994606.2858.30433.7241.70605.2858.21998684.7765.84355.2334.16541.8452.12000733.0770.49306.9329.51548.0852.72001
754.64
72.56
285.36
27.44
552.24
53.1
由表1中进一步分析可见,伴随着城市化的发展,城市建设用地规模不断扩大,越来越多的农业用地被开发为建设区,存留下来的非建设区面积迅速减小,规划市区中的绿色空间总量也随之出现减少的趋势;而2000年和2001年以来,尽管建设区的面积继续扩大,但是绿色空间总量却有增加的趋势,这主要是由于在此期间建设区中加强了城市绿化建设,拆违还绿、拆迁建绿等工作,使建成市区的城市绿地总量大量增加。
3 北京城市热岛效应的演变
对城市热岛专题图进行比较分析可见:北京城市热岛效应的分布、强度、结构和演变具有明显的规律。总体上,各年份的热岛均与建成市区相吻合;强热岛呈多中心分布在各主要建设区;由郊区向市中心区,热岛比例增加,越是位于市中心热岛效应越强烈。分别以不同地理界线为依据,量算各个区域范围内的热岛强度和影响面积,分析北京城市热岛效应的多年演变。
3.1 规划市区内的热岛效应演变
在规划市区范围内,14年中,1998年热岛面积最大。总体规律是:1987年热岛面积最小,为111.04km2,占规划市区总面积的10.74%;此后,热岛效应明显增强,1994年为186.12km2
,1998年达到266.22km2,比1987年增加了155.18km2,比例
高达25.75%,达到了最高峰;2000年以后,热岛效应有下降的趋势,2000年热岛面积246.65km2,
2001年为232.67km2,比例为22.51%(表2)。
表2 规划市区内热岛效应的多年演变热岛面积(km2)一级
[***********]01
34.5634.4182.1653.2662.34
二级76.48151.71184.06193.39170.33
中间区面积(km2)
三级199.56273.78324.85275.82348.03
非热岛面积(km2)四级
五级
热岛面积占规划市区总面积的比例(%)
10.7418.0125.7523.8622.51
渐扩大,1998年达到最大值151.1km2,比例为50.0%;1998年以后热岛面积有所减小,2001年为112.3km2,比例为37.2%。总体上自1987年至1998年,热岛效应呈加剧的趋势,影响面积年均增加7.74km2,1998年后热岛效应有被缓解的趋势,影响面积年均减小12.9km(图4)
。
2
年份
634.5688.51483.0890.69363.7978.81458.6452.55317.31134.44
将热岛演变与城市化发展对照分析,可见:随着城市建设逐渐扩张,建城区的范围逐渐增加,热岛效应在这期间也基本上呈上升趋势。但是,1998年后,尽管城市化发展继续加强,建设用地继续扩大,而热岛效应却呈降低的趋势(图2)
。
图2 规划市区内的热岛效应及城市化发展
3.2 城市中心地区热岛效应的演变
北京建成市区的中心区,在1980年以前基本上位于二环路范围以内,随着城市化的发展其范围逐渐扩大,目前公认的城市中心地区的范围已经扩大到了四环路。分别以二环路和四环路为界研究区域内的热岛效应情况,分析城市中心区的热岛演变。
二环路以内地区的总面积62.7km2
,是最典型的旧城区,既是北京古城特色比较集中的地区,也是人口最集中,建筑物尤其是平房最集中的地区。主要包括东城区、西城区、崇文区和宣武区辖区的大部分地区。
分析结果显示:从1987)2001年,二环路范围内的热岛效应始终比较严重,热岛比例都超过40%。各年份之间的变化比较明显,1987年热岛面积最小,为26.6km2,占区域面积的42.0%;1994年热岛面积最大,上升至39.4km2,比例62.94%,自1987年至1994年平均每年增加热岛面积1.84km2;此后热岛强度逐渐减弱,年均减少热岛面积1.65km2,2001年热岛面积27.9km2
,比例为44.5%(图3)。
四环路内区域面积为302.1km2
,14年中热岛效应变化明显:1987年的热岛影响面积最小为65.9km2,占区域面积的21.8%;此后热岛面积逐
图3
二环路内热岛演变
图4 四环路内热岛演变
3.3 四环路外热岛效应演变
四环路外至规划市区边界之间的部分,总面积为731.51km2
。该地段曾是北京市的近郊区,近年来随着城市建设的发展,大规模的建设项目多集中在这一区域。
该区域的热岛效应总体上呈逐年增加的趋势。1987年热岛面积仅有45.1km2,2001年已上升至120.4km2,年增加热岛面积5.38km2。热岛比例也由1987年的6.2%上升至2001年的16.5%(表3)。
表3 四环内与四环外热岛分析
四环路内四环路至规划市区边界
年份热岛面积非热岛面热岛比例热岛面积非热岛面热岛比例(km2)积(km2)(%)(km2)积(km2)(%)198765.92236.2121.845.1686.46.21994121.92180.1140.464.1667.48.81998151.08151.0850.0115.1616.415.72000126.13176.0041.7120.5611.016.52001
112.29189.8437.2120.4611.116.5
与城市中心地区热岛效应演变的比较可见:14年中,虽然四环外的热岛比例一直低于四环路内,更低于二环路内,即城市外围地区的热环境状况明显优于中心地区,但是,四环路外的热岛效应发展趋势却不容乐观,相对于城市中心地区近年来热岛效应的逐步缓解,四环外热岛比例总体上呈现逐年增加的态势,如不采取有力措施加以控制,将成为有效改善城市热环境的严重制约因素(见表3、图5)。
图5 四环路外与城市中心地区的热岛演变效应比较图7 规划市区内绿色空间与热岛效应的关系
4 绿色空间与热岛效应的消长关系
5 小结与讨论
绿色空间缓解热岛效应,主要是通过植物生理活动中产生的生态效益引起的。植物通过蒸腾作用,从环境中吸收大量的热量,降低环境空气的温度;植物通过光合作用,大量吸收空气中的二氧化碳,抑制温室效应;植物还能够滞留大气中粉尘,减少引起空气升温的颗粒物。4.1 热岛效应与植被覆盖率的关系
按照系统抽样方法在规划市区内选择试验样点,每样点实地面积为500m@500m,在影像图上统计样点的热岛比例及植被覆盖率,并进行回归分析,结果表明:热岛比例与植被覆盖率成明显的负相关关系,覆盖率越高,则热岛比例越低(图6)。表明良好的植被覆盖是缓解热岛效应的重要因素。当一个区域植被覆盖率达到大于30%时,绿地对热岛效应即有较明显的削弱作用,覆盖率进一步提高,
热岛影响可以得到更加有效的控制。
图6 植被覆盖率与热岛比例的关系
对市区内的典型样地进行分析可见,规模大于3hm2且绿化覆盖率达到60%以上的集中绿地,其内部的热辐射强度有显著降低,与郊区自然下垫面的热辐射强度相当,即在城市中形成了以绿地为中心的低温区域。
4.2 规划市区内绿色空间与热岛效应的消长关系
对照分析规划市区内城市热岛效应与城市绿色空间的变化,可见:热岛影响面积的变化与绿色空间总量呈现负相关的关系,当绿色空间面积减小时,热岛面积增加,绿色空间面积增加时,热岛影响面积则相应减小。1998年后,热岛效应出现缓解的趋势,是与同期绿色空间总量的增加密不可分的,即当时全市范围的绿化建设,改善了下垫面的状况,缓解了热岛效应(图7)
。
5.1 城市建设范围持续扩张,导致热岛分布范围扩大
14年中,城市扩张年均增加25.69km2,同时农田、果园、山林等自然绿色空间锐减。1998年规划市区内的强热岛总面积高达82.16km2,比1987年增加了1.4倍。
5.2 保护绿色空间,是维持城市良好热环境的保障
为保证城市良好的环境质量,降低热岛效应对城市环境和居民生活的影响,必须切实保护城市中的绿色空间,包括建成市区中的园林绿地和未建设区的自然植被、农田等,尤其是对于自然植被的保护,应提高到保护城市环境的高度认识,杜绝任意侵占、开发、破坏自然植被的行为。5.3 加强城市绿化建设,缓解市区热岛效应
城市绿地,是建成市区中自然生态的关键要素,是城市绿色空间的重要组成部分。城市绿地总量,在很大程度上决定了市区内部的环境状况。为更好地缓解热岛效应,必须进一步加强城市绿化建设,提高绿地总量。在城市用地紧张的情况下,应因地制宜地采取多种形式的绿化建设措施,包括立体绿化、屋顶绿化等,增加总体绿量,提高绿化生态效益。
城市中心区绿化总量不足,是热岛效应强烈的重要原因之一,通过城市中心地区的规模化集中绿地建设,可以改变局部地区下垫面特性,有效地改善区域内的热环境状况,维持良好的生态环境,为当地居民提供良好的户外活动空间。随着集中绿地建设的推进,中心区缺绿少绿的现象逐步得到改善,必将使热岛效应强烈地区的环境质量得到优化。参考文献
[1] 窦建奇.关于城市/热岛效应0的思考[J].武汉城市建设学
院学报,2001,(3~4):76-78.
[2] 李延明,等.北京城市绿化与热岛效应的关系研究[J].中国
园林,2004,(1):72-75.
作者简介:李延明(1965-),男,河南镇平人,北京市园林科学研究所总工程师,高级工程师,主要从事城市绿化与环境生态的研究,发表论文20余篇。