从热岛效应看重工业城市的空间发展——以太原市为例

侯志华，马义娟

（太原师范学院 地理科学学院，山西 太原030012）

近年来，盛夏高温成为城市的一种重要灾害性天气，已经严重威胁到了人类健康[1].城市化进程中，人口的高度集聚、矿物燃料的大量消耗、地表覆被类型的巨大变化，导致城市区域的热环境发生了显著变化，形成了城市区域的特殊气候——城市热岛效应.在全球增暖和高速城市化的背景下，城市热岛效应成为主导城市气候和环境的要素之一[2－3].因此，研究城市热岛的空间分布特征及发展趋势，及其与城市建设之间的关系，把高温酷暑对人类生产、生活的影响降低到最低限度，是城市建设健康、持续发展的一个重要课题[4].众多专家学者从城市发展指数、城市发展强度指标、城市人口、城市空间发展等方面探讨城市化进程与热岛效应之间的关系[5－8].

太原市，作为山西省省会，是中国最重要的能源，重工业基地之一.2000年以来，随着太原市经济的快速发展，城市规模的扩张十分显著，热岛效应也日益突出，而有关太原市城市热岛效应的研究较少.本文利用较为成熟的遥感技术，借助GIS软件，以城市用地扩张作为切入点，研究太原城市建设与城市热岛效应之间的关系，为改善城市气候和环境，制定城市规划、城市发展决策提供一定的依据.

1 研究数据与方法

1.1 数据源

本文的主要数据有:太原市区2000年7月1日 的ETM＋影像，2006年6月24日和2010年9月28日的TM影像，太原市区2005年土地利用现状图，太原市行政区划图，太原市近10年相关统计资料.

1.2 研究方法

1.2.1 亮温反演

亮温是传感器在卫星高度所观测到的热辐射强度相对应的温度，它受到大气和地面等诸多因素的干扰，不是真正意义上的地表温度或者大气温度.但城市热岛效应研究主要注重的是温度相对强弱的空间分布特征，大气辐射和地表性质对温度的相对分布不会产生明显的影响，因此可以用和真实温度的强弱趋势一致的亮度温度来表征一个区域热强度的空间分布变化，研究其热岛效应[8].

国内外众多学者研究Landsat卫星的热红外波段反演亮度温度的计算模式[9－10]，并通过多次实验，得到了第6波段的图像灰度值和下垫面像元亮温之间的定量关系，即:

式中:Tb为指地面亮温K；Lb为地6波段的光谱辐射强度；DN6指6波段的图像灰度值；Lmax指传感器可探测到的最大辐射亮度；Lmin指传感器可探测到的最小辐射亮度；k1，k2为反演系数.Lmax，Lmin以及k1，k2对于不同的传感器，取值不同.对于Landsat 5TM 传感器Lmax＝1.560 0（W·m－2·sr－1·μm－1），Lmin＝0.123 8（W·m－2·sr－1·μm－1），k1＝60.776（W·m－2·sr－1·μm－1），k2＝1 260.56K；对于Landsat7ETM＋传感器Lmax＝17.04（W·m－2·sr－1·μm－1），Lmin＝0.0（W·m－2·sr－1·μm－1），k＝666.09（W·m－2·sr－1·μm－1），k2＝1 282.71K.

1.2.2 城市用地提取

首先，参照2005年土地利用现状图，利用2000，2006，2010年遥感影像，通过目视解译提取3期的城市建设用地；然后利用ArcGIS软件的空间叠加技术，统计新增的城市建设用地，并通过野外调查确定其具体的性质和用途.

2 结果分析

2.1 城市热岛效应时空变化特征分析

2.1.1 热岛范围提取

利用ERDAS IMAGINE 9.2软件，按照上述的亮度温度反演公式，对太原市区2000年、2006年和2010年三期热红外波段影像进行温度反演，得到地面亮温.并利用密度分割等技术对地面亮温进行等级划分，根据研究需要，本文将反演结果分为6个等级，即低温区（＜20℃）、较低温区（＜25℃）、中温区（＜30℃）、次高温区（＜35℃）、较高温区（＜40℃）和高温区（＜56℃），如图1所示.

对于热岛效应的范围确定问题，不同学者有不同见地，本文参考前人意见，并根据实际情况，将亮温在35℃及以上的范围确定为热岛效应范围，即较高温区（35～40℃）及高温区（40～56℃）.

2.1.2 热岛范围面积分析

统计2000，2006和2010年三期太原市区热岛范围，结果表明:2000年，太原市区热岛面积仅169.01 km2，到2006年增加至205.13km2，2010年继续扩大，面积达到223.31km2；2000－2006年，热岛范围扩大了36.12km2，增长幅度为21.37%；2006－2010年，热岛范围扩大了18.18km2，增长幅度为8.86%.由此可见，前期热岛效应的扩张趋势明显高于后期.

2.1.3 热岛范围空间分布特征分析

从空间分布上看，2000－2006年太原市区热岛效应的范围向北、西、南三面都有明显的扩展.北面表现在尖草坪区新城附近，高温区范围增长明显；西面是汾河以西万柏林区的工业区，热岛效应大范围向西增加，并扩展到市郊一带；南面晋阳湖西金胜镇以西及西南的京昆高速一带和汾河东面老城区以南至小店区一带，高温区及较高温区也大范围增加.此外，汾河以东的老城区的热岛效应明显改善，较高温及高温区域面积减少，且高温斑块稀疏许多；尖草坪区北部和万柏林区西北部的山上，热岛范围及强度也明显减缩.

2006－2010年，总体上看热岛范围扩展幅度较小，具体表现在:一是北面，尖草坪区森林公园、动物园以北的太钢工业区一带，高温区、较高温区增加明显，斑块密集成片；二是南面，汾河以西晋阳湖附近的工业区，较高温区继续向南延伸.

2.2 城市建设用地扩张分析

2.2.1 扩张面积分析

经统计，2000年太原市区建设用地面积218.09km2，2006年增加到253.57km2，2010年增加到320.04km2；2000－2006年，建设用地增加了35.47km2，增幅16.26%，2006－2010年建设用地增加了66.48km2，增幅26.22%.由此可见，太原市区建设用地面积在不断增加，且后期的增长幅度明显高于前期.

2.2.2 扩张空间特征分析

从空间特征上看，2000－2006年，太原市区建设用地扩张主要以向西和西南为主:向西是万柏林区环城高速路以西的西铭乡一带，以工业用地的增加为主，包括西山煤电集团机电总厂、西山矿区、太原重型机械厂等；向西南是晋阳湖西面的金胜镇一带，工业用地面积陡增，其中包括太原第一热电厂、三九企业集团、太原洗涤剂厂、太原化肥厂催化剂分厂、山西永兴化工有限公司等.

2006－2010年，发展方向最突出的是向南.具体是:东南的小店区高新开发区一带发展迅速，西南的晋源区晋祠一带建设用地面积陡增，老城区南部至环城高速的汾河两岸也发展迅猛.

2.3 城市化进程与热岛效应变化对比分析

比较2000，2006，2010年太原市区的热岛效应扩张和建设用地扩张，宏观来讲，两者的面积均呈现出增加的发展趋势，且都有明显的向西和向南的扩张.但二者也有显著的不同，2000－2006年，建设用地以环城高速以西的西山煤矿、晋阳湖以西及西南面的太原第一热电厂、化肥厂等工业用地发展为主，扩张范围较后期小，而这些高耗能的产业造成热岛范围的大面积扩张，进一步加剧了城市热岛效应；2006－2010年，建设用地扩张主要表现在南部小店区的高薪开发区、西南部的晋源区以及环城高速以南的飞机场一带，扩张范围较前期大，但以房地产、高新产业等为主，热岛效应受到了一定程度的控制，扩张幅度较前期有所收敛如图2、图3.

图2 2000，2006，2010年太原市区热岛扩张图

图3 2000，2006，2010年太原市区建设用地扩张图

3 结论

对于城市热岛效应，利用Landsat热红外图像反演亮度温度，是一种行之有效的的研究方法，资料便于获取，技术易于掌握，且结果贴切实际.2000－2010年，太原市区建设用地不断扩张，热岛范围也不断增大，但二者的步调并不一致，前期建设用地扩张不大而热岛范围增长迅速，后期建设用地大规模扩张而热岛范围扩张的幅度较小.城市的热中心主要集中在城区和工业区内，而有植被、水体的区域，地面亮温较低，因此在城市化进程中要合理规划，保持和维护湖泊、河流、水库等水体的面积，适当增加城市植被覆盖度，合理布局强热污染工厂，对于缓解城市热岛效应具有重要的意义.

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