近20 年来重庆市主城区地表热岛的时空变化研究#
 

摘要：利用1988-2009 年共5 时期的TM/ETM+影像反演地表温度，分析了20 年来重庆市主城区地表温度、地表热岛和相对地表热岛强度的空间分布及其随时间的变化趋势。结果表明：①平均地表温度和热岛强度均呈现先上升至2001 年达到最高，而后逐渐下降，高温逐渐向外围转移；高温和地表热岛强度在空间上均呈现中心城区集中→分散→外围组团集中的演变过程。②2001 年以后中心区热岛强度明显减弱，外围新兴组团热岛强度增加，沿江开发导致滨江一带热岛强度增强明显。③主城核心区热岛强度减弱幅度与外围组团增强幅度相当。地表温度和热岛强度的变化与城市快速扩张十分吻合，并且具有显著的组团式城市的特点。
 

关键词：环境生态；地表温度；地表热岛；时空变化；遥感；重庆市主城区

0 引言
全球城市面积仅占陆地的3%，却容纳了超过世界一半以上的人口[1]。当超过50%的人类居住在城市时，城市化便成为全球增温一个重要的促进因素[2]。早在1833 年，Howard就发现伦敦市中心的气温比郊区高的现象，Manley 于1958 年首次提出城市热岛（Urban Heat Island，UHI）的概念[3]，从此一直备受关注。城市热岛效应是城市气候最显著的特征之一，在全球气候变化尤其是全球增温过程中扮演着重要的角色，被认为是主导整个城市生态环境的重要因素之一[4,5]。城市热岛致使城市温度上升，不仅造成城市热环境恶化，使人感觉高温不适之外，还导致空调的需求用量增加，从而再次促使温度增加和更多的碳排放。而大量使用空调设备，也会使得夏季尖峰用电量提高，增加约5%~10%的能源耗用[6]，且易导致城市上空臭氧含量升高，这些空调设备会排放出一氧化碳、二氧化硫以及悬浮微粒等有害物质，不但促使温室效应更加严重，而且危害人体健康。城市热岛对城市气候、生物多样性、植物物候、空气质量、能源结构和公共健康等方面产生深远的影响。城市热岛主要分为空气热岛和地表热岛两大类。地表热岛，是基于地表温度在城乡之间的差异来反映的城市热岛现象，可以直接反映出城市下垫面的物理特征变化，更少地受到大气的稳定性、气压、气流和风速等气象因素的影响[7]。地表温度不同于空气温度，但是地表温度更接近城市顶层温度，虽然两者之间至今还未有精确的数量转换方法，但是城市地表热岛与城市顶层热岛在时空上趋于协同变化[8]。由于遥感技术可以连续、大面积和全覆盖地获取地表热辐射，并间接获得地表温度，那么通过遥感影像反演得到温度实为地表温度，用其度量的热岛即为地表热岛（Surface UHI，SUHI）[9,10]。随着遥感技术的快速发展和广泛应用，遥感数据为研究城市热环境提供了最好的信息源。近20 年来，许多内外学者利用遥感数据研究了不同的城市地表热岛，分析了地表热场的空间格局及其与地表特征之间的关系，取得了一系列成果[8]。然而，不同的城市因其地形条件、城市性质和规模、城市结构和用地布局形态、城市化进程快慢等多方面的差异，导致城市地表温度和热岛的时空变化千差万别。本文以快速城市化进程中的三峡腹地城市重庆市为例，研究典型的山地组团式城市发展过程中其地表温度及热岛的时空变化规律和特点，为城市用地的合理布局和规划，以及城市生态安全提供基础支撑。

3 结论与讨论
3.1 结论
近 20 年来，重庆市主城内环区域地表温度从1988-2001 年为上升趋势，2001-2009 年为下降趋势。研究区内的平均地温相对较高，但是高温中心逐渐向外转移。从空间分布看，总体上呈现集中→分散→集中的过程：早期集中在老城区中心，至2001 年形成杂乱的或分散的分布特点，而近期又在外围形成多个高温中心。近20 年来较高的地表温度在空间分布范围逐渐向外扩大，与城市开发建设和扩展趋势十分吻合。最高温度从1988 年的老城区和老工业区开始向外围转移，至2009 年高温中心已转移至外围新型组团。
 

相对的地表热岛在空间上也呈现出集中→分散→集中的变化趋势。1988 年高强度热岛中心集中出现的渝中、江北、九龙坡和大渡口人口密集或工业集中区域，随后原有热岛中心开始扩散，形成了热岛的分散分布格局，至2009 年，内环线内的热岛强度进一步减弱，同时新的外围组团热岛中心更明显。热岛中心呈现单个热岛中心向多个热岛中心过度发展过程。热岛强度在1988 年最低，增加到2001 年为最大，而后开始减少。2007 年后热岛强度变化不大，城市热岛强度明显缓解，主要特点是热岛进一步向九龙坡西南部的开发区一带集中。
 

总体上，内环以内区域热岛强度及其出现的范围都有减少的趋势，而在外环线区域则有增加的趋势。老城中心区热岛强度在减弱，周边新建组团热岛强度增加的同时，沿江开发导致滨江一带热岛强度增强明显，此外，热岛增强的地区在空间上更加集中，外围热岛增强的幅度与城市中心热岛减弱的幅度相当。
 

3.2 讨论
传统的城市热岛是指空气热岛，是基于城区气象监测到的气温比郊区高的现象，又分为城市顶层热岛（Urban Canopy Layer UHI）和城市边界热岛（Urban Boundary Layer UHI）两种[22,23]。早期的城市热岛基本上都是指空气热岛，而且空气热岛最容易被人体所感知。然而，随着城市规模的不断扩大，地表覆盖类型和建筑材料进一步多样化和复杂化，建筑高度也在加大，城市建筑密度也在增加，从而使得城市内的近地表面空气流动受到较大的阻碍和改变，市内不同的地点气温差异较大。无论是常规的气象监测还是现场布点监测，均难以反映气温的空间差异性，尤其是在大城市内，监测点的数量始终是有限的，无法做到全覆盖布点。利用遥感数据得到的地表温度，得到的地温得到的是全覆盖数据，与空气温度相比，地表温度与地表特征之间有着更强的依赖性[24,25]，地表热岛能直接反映城市内的人为活动和建设开发强度。虽然，地表温度与空气温度之间有着协同变化的一致性，但是二两之间的数量关系难以确定。对于城市热环境的研究，空气热岛和地表热岛是相互的补充的，都对城市生态系统研究有着重要的支撑作用。
 

本文的研究区是典型的山地城市，快速的城市扩张因江河分割和山体阻挡，呈现出组团式结构的特点，20 年来的地表温度和地表热岛的时空变化与城市空间结构形态密切相关，也呈现出向外扩张的趋势，单个热岛中心逐渐分化为多了与组团对应的热岛中心，在空间上逐渐向外围推移。然而，对于平原型或单中心的城市，在城市化进程中，地表温度和地表热岛的变化是否也呈现出相似的时空变化趋势，还有待进行多个城市案例的对比分析。
 

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