兰州城市热岛效应演变及应对措施

兰州市作为中国西北地区重要的交通枢纽、商贸中心和综合性工业基地，经过近十几年的快速发展变化，到2016年底，全市常住人口370.55万人。随着城市居民数的激增，城市下垫面性质和格局发生了巨大变化，城市气候与环境问题日益显著。

自20世纪80年代起，学者们逐渐开始关注兰州市UHI的研究。1987年，国家自然科学基金重点项目——“复杂地形上的大气边界层和大气扩散的试验和数值模拟研究”针对兰州地区城乡大气边界层、大气对流扩散及空气污染问题等进行了大型外场观测试验。陈榛妹等利用气象台站观测资料分析了兰州UHI的时间变化特征，发现UHI自80年代起一直呈增强趋势，并伴有城市热岛效应存在。安兴琴等利用数值模式模拟了兰州市冬季的低空风温场，认为近地面风场是山谷风环流和城市热岛环流共同作用的结果。潘竟虎等利用单时相遥感影像演示了兰州市城区的地表温度，并利用景观指数分析讨论了在不同土地利用的空间组合下，地表温度（LST）和归一化植被指数（NDVI）的空间差异及相互关系。

张建明等基于1999年和2010年的Landsat ETM+和TM影像，以单窗算法反演了兰州市地表温度，研究兰州市最近十年的城市热岛时空分布以及演变特征。主要研究结果如下：

1.兰州城市热岛效应空间分布

从兰州市地表温度的空间分布（图4-5）并结合土地利用数据可以得出，兰州市城市热岛的空间分布与延展基本与城市建成区的布局相一致，这体现了城市扩展带来土地覆盖类型的改变对城市热岛分布的决定作用。城市热岛基本集中在工商业集中和人口密集的地区，温度由这些地区向周围逐渐降低。此外，随着城市规模的扩展和河谷内城市整体建筑密度的增大，城市热岛呈现出以黄河为低温带，在一定范围内，温度由黄河向两岸逐渐降低的趋势，距离黄河低温带较远的城区，温度较高。这种现象在1999年还不明显，而2010年已比较明显，可见在1999年城市下垫面覆盖类型是影响兰州市城市热岛空间分布的关键因子，但随着城市化进程与河谷内整体建筑密度的增大，下垫面覆盖类型以建设用地为主，差异减小，黄河低温带也逐渐成为影响兰州市热岛空间分布的一个重要因子。

1999年地表温度比较高的区域很小，主要集中在黄河南岸商业繁华和人口密集的城关区、七里河区，还有西固工业区，热岛效应较弱，大部分区域温度都比较低；2010年城市高温区面积明显增加，城市热岛效应加强，大部分城区温度都比较高。与1999年相比，高温区不再是孤立的区域，随城市的扩展，高温区都连成了一片，城关区、七里河区、西固区和安宁区都普遍存在高温区。尤其是在东岗镇、九州台、沙井驿和八里窑等地方温度变化最大，这是由于城市的发展，使原来城市边缘的土地利用、覆盖发生了变化，由非建设用地转变为建设用地所致。黄河及两岸的绿化带形成了明显的长条形的相对低温带。从两期的温度数据的特征统计发现，1999年的温度数据处于夏季中期，温度在13.93～42.30℃之间，平均温度26.54℃；2010年温度数据处于夏末，温度在13.91～38.93℃之间，平均温度29.10℃。1999年的标准差比2010年大，是由于土地覆盖类型差异较大，下垫面均匀性小，导致了比2010年较复杂的热力景观空间格局。

2.城市热岛的时空演变特征(www.xing528.com)

从各温度等级的面积统计可知，1999—2010年，次中温和中温区大面积减少，相应地次高温和高温区大面积增加。2010年次高温区和高温区面积分别增加了71.65 km2和55.64 km2，占研究区总面积的30.46%和23.66%，这表明兰州市近十年来城市热岛范围有很大的扩展。与此对应，次中温区和中温区面积减少了59.14 km2和65.13 km2，占研究区总面积的25.14%和27.69%，这主要是非建设用地随城市发展转变为建设用地和建设用地建筑密度增加与经济繁荣所致。低温区则主要是黄河和部分公园坑塘，面积变化不大。

3.城市热岛和土地利用、覆盖的关系

不同下垫面覆盖类型的地表温度有很大差异，对城市热岛效应贡献不同。经统计从兰州市不同土地利用、覆盖的地表温度情况发现：建设用地的地表平均温度最高，其次是未利用地，绿地和水体的地表平均温度比较低。究其原因，城市建设用地一般由砖石、沥青、水泥和混凝土等组成，有良好的导热性和低比热容，热传导深度大，对太阳辐射的吸收能力强。加之建筑物高大密集，使得城市内部热流通不畅，热量难以快速有效地向周边扩散，导致地表温度很高。未利用地主要是裸地和开发用地，导热性较好，比热容较低，因此，在接受太阳辐射后温度上升较快。绿色植被的根系结合土壤能有效地保持水分，使水分通过持续蒸发的形式将地面存储的热量以潜热方式输送到大气，减少地面储热对气温增高的贡献。此外，植被叶面的蒸腾作用作为地-气潜热交换的有效途径，降低了地-气感热作用，故而绿地温度较低。水体由于比热容大，接受太阳辐射后温度上升慢，热辐射值最低，因此温度最低。整体看来，2010年各类土地利用类型的实际温度均比1999年大，可见，随着城市的发展以及下垫面土地利用的变化，城市热岛效应明显增强。

同时，计算1999年和2010年两期的土地利用、覆盖变化转移矩阵发现，1999—2010年，城区土地利用、覆盖发生了很大变化，建设用地和未利用地大幅度增加，绿地和水域相应减少，而建设用地和未利用地的平均温度比较高，绿地和水体的平均温度相对较低，可见，随着城市化发展，区域土地利用、覆盖变化是城市热环境改变的重要驱动力。

为衡量不同土地利用、覆盖类型对地表温度的贡献，计算两期数据在不同的温度区间各种土地利用、覆盖类型的面积比例组合可以发现，在高温区，建设用地和未利用地占有绝对优势，随着温度的降低，两者所占比例明显减少，水体和绿地的比重逐渐增加，说明建设用地和未利用地对地表温度有巨大贡献，是城市热岛强度的主要贡献因子。水体和绿地在两期的低温区和次中温区分别占据很大比例，说明水体和绿地可以显著降低地表温度，水体和绿地的这种降温作用对分割和控制城市热岛效应分布具有重要的实际意义，因此，合理的规划水体和绿地有助于缓解城市热岛效应。