城市熱島的形成演化機制與規(guī)劃對策研究.pdf

1、隨著我國城鎮(zhèn)化的迅速發(fā)展，城市建成區(qū)不斷擴張，單個城市的面積不斷擴大，大中小城市都在追求高層化，小高層在小縣城成為常態(tài)，大城市更是成為鋼筋混凝土的森林。與此相伴隨的是城市熱島不斷加劇，2013年夏季，全國各大城市相繼爆出持續(xù)高溫事件：路面“烤熟生魚”、高溫中暑患病死亡、多地城市屢屢突破高溫極限……哥本哈根氣候大會以來，我國面臨的碳減排壓力越來越大，目前中國碳排放量已居世界第二，其主要碳排放主要來源于城市，其中一部分來源于城市熱島效應。城

2、市熱島效應很大程度上是由于城市空間布局不合理帶來的，這包括城市形態(tài)布局、開發(fā)強度、綠地水體、硬化地面等因素。
　　基于3S技術和地面觀測平臺，運用人工智能、景觀生態(tài)學、氣象學、元胞自動機等理論方法，研究天津市主城區(qū)和中心城區(qū)的熱島效應。研究數(shù)據(jù)主要采用：多景l(fā)andsatTM衛(wèi)星遙感影像，Pléiades0.5m高分衛(wèi)星影像，天津市地圖、天津市1:2000電子地圖、天津市總體規(guī)劃圖、天津市地形圖等。其中，實測數(shù)據(jù)覆蓋主城區(qū)，郊區(qū)監(jiān)

3、測點6個、市區(qū)18個，共計24個監(jiān)測點。監(jiān)測點布局主要考慮了時間、氣象條件、容積率、建筑密度、水體、綠地、建筑和大樹遮擋、道路的汽車尾氣影響、站點數(shù)量布置、國際標準測試要求等。
　　基于IB算法反演地表溫度和實測氣溫訂正數(shù)據(jù)，分析了城市熱島的景觀格局特征演變、人體熱舒適度受影響的空間格局轉(zhuǎn)移。得出結論如下：①構建了地表熱島對熱舒適度影響的等級劃分標準，為科學劃分熱島強度和分析地表熱島影響，提供一個思想方法與標準依據(jù)，為降低夏季熱島

4、影響提供了一個空間分級分區(qū)調(diào)節(jié)的參考標準；②天津市地表熱島對熱舒適度的影響面積在持續(xù)擴大，影響強度在不斷增強，高強度影響區(qū)不斷集聚擴大；③二級熱舒適度受影響區(qū)，斑塊逐漸破碎化，最大斑塊面積減小，大面積集中的格局得到大大減弱，較大斑塊向城市邊緣區(qū)推移增長，總面積經(jīng)歷了先降后升的偏 U型變化，所占面積總體趨勢不斷上升；④三、四、五級影響區(qū)，斑塊的數(shù)量與密度不斷增大，呈現(xiàn)出零星孤島狀，空間位置變換頻繁，向東北和北部郊區(qū)遷移擴展，總面積和最大斑

5、塊面積也迅速增加；⑤景觀斑塊的破碎化、斑塊類型的混合、強熱島區(qū)的斑塊連通度降低，對促進熱量傳遞與地表高低壓區(qū)間的大氣流動、減弱城市熱島、提高人體熱舒適度有著重要的作用；⑥高層小區(qū)的建設，使熱舒適惡化面積大幅增加，并使局部熱舒適等級嚴重升高，而多層小區(qū)的建設可增加人體舒適程度；⑦城市空間組團擴展，可使熱島斑版塊類型相互分割與破碎化，從而減緩熱島效應。
　　通過減弱熱島的城市形態(tài)布局參數(shù)與響應機制分析，明確了熱島強度與城市形態(tài)面積、離

6、散度、臨近度、分維數(shù)、形狀指數(shù)等的作用機制。通過研究得出以下結論：①提出了熱島強度的雙指標概念算法，即最高熱島升溫和熱島升溫總量。有效的解決了熱島強度的測度問題，既能表示熱島效應帶來的最高溫度上升值，又能表示熱島帶來多少增熱量的度量問題；②熱島強度隨著城市形態(tài)總面積的增大而上升，城市形態(tài)總面積與最高熱島升溫的方程為Y=0.008x+6.4，與城市熱島升溫總量的方程為Y=185.5x-36050；③熱島升溫總量與城市形態(tài)的離散度、臨近度呈

7、線性關系，與COHESION的方程為Y=241900x-24030000，與DIVISION的方程為Y=-1435000x+1455000，與MESH的方程為Y=6.897x+19570，與AI的方程為Y=28140x-2460000；④熱島強度隨斑塊面積的增大而上升，50km2以上斑塊面積與最高熱島升溫的回歸方程為：Y=0.0103x+7.42；斑塊面積與熱島升溫總量的方程為：Y=0.1969x2+53.94x+603.2。⑤熱島強度

8、隨周長面積比的增大而減小，周長面積比與最高熱島升溫的方程為Y=e(0.7740.0256/x)，當周長面積比是[0.005,0.04]時，其與熱島升溫總量的方程為：Y=2.482×1011×x4-2.715×1010×x3+1.074×109×x2-1.82×107×x+1.116×105；⑥熱島強度隨斑塊分維數(shù)增大而升高，分維數(shù)與最高熱島升溫的回歸方程為y=35x-36.3，分維數(shù)與熱島升溫總量的方程為：Y=1.139×107×x3-

9、3.988×107×x2+4.632×107×x-1.785×107。
　　基于實測數(shù)據(jù)和高分影像數(shù)據(jù)，本文重點研究了容積率、建筑密度、綠地率、水體、硬化地面等影響因素的空間尺度敏感性，以及形成熱島的時空特點和布局的關鍵參數(shù)等。通過研究得出以下結論：①提出了核容積率、核建筑密度、核綠地率、核水面率、核硬面率的概念思想,并提出了采用移動窗口搜索法和尺度的敏感性問題。②核容積率的最敏感尺度半徑為230m，日間核容積率與熱島強度，由負相

10、關轉(zhuǎn)換為正相關，以下午的正向相關關系為主。10:30、11:00、14:30-16:30的相關系數(shù)，超過置信度水平為0.05的檢驗。回歸曲線表明：平均核容積率每增加1，上午熱島強度減弱0.76℃，下午則熱島強度上升0.97℃。③核建筑密度的最敏感尺度半徑為130m。日間建筑密度與熱島強度，由負相關到正相關。9:00-11:00的相關系數(shù)，分別超過置信度水平為0.04的檢驗，回歸方程表明：平均建筑密度每增加0.1，熱島強度減弱0.46℃。

11、④核綠地率的最敏感尺度半徑為15m。綠地對城市熱島的影響，主要起到了很重要的平抑日間高溫熱島峰值的作用，上午微弱增強熱島，下午有力削減熱島。14:00-16:00核綠地率與熱島強度的相關性，超過置信度水平為0.05的檢驗，回歸方程表明：平均核綠地率每增加10％，熱島強度減弱0.18℃。⑤到水面距離平均每增加100m，溫度升高0.78℃。不同寬度水體的降溫效率梯度等級劃分為68.5、146、311、670、1430m。⑥核水面率最敏感尺度

12、半徑尺度為200m。11:30-15:30，核水面率與熱島強度的相關性，超過置信度水平為0.05的檢驗，經(jīng)回歸分析發(fā)現(xiàn)：平均核水面率每增加10%，熱島強度減弱2.3℃。核水面率與日間平均熱島強度回歸方程為y=-22.32+3.97。⑦硬化地面的最敏感性尺度為15m。日間核硬面率與熱島強度的始終為正相關關系，下午的增強影響最強。其中，12:00、13:00、14:00的相關系數(shù)，超過置信度水平為0.05的檢驗，經(jīng)回歸分析發(fā)現(xiàn)：平均核硬面率

13、每增加10%，熱島強度減弱0.22℃。核硬面率與日間平均熱島強度擬合方程為：y=1.54x+2.45。
　　為了實現(xiàn)了城市熱島數(shù)據(jù)管理、熱島強度模擬預測、熱島單因素預警等功能，本研究采用C＃語言基于Microsoft Visual Studio2010.NET開發(fā)環(huán)境，開發(fā)了城市熱島模擬預測預警信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠完成熱島強度空間模擬預測，對容積率、硬化地面進行熱島預警，指導綠地、水體的空間布局優(yōu)化。系統(tǒng)中本研究還獨立開發(fā)實現(xiàn)了類

14、庫：OPERBASE類，TXTOPER類。
　　經(jīng)主成分分析法，影響因素的尺度作用力是影響因素的一半，也就是說影響熱島的各因素如果布局不當，會使得熱島負面影響增加50%。
　　采用筆者開發(fā)的熱島模擬CA面板軟件和城市熱島模擬預測預警信息系統(tǒng)，模擬預測熱島格局空間分布特點，以及單因素對熱島的空間影響格局。結果表明：①中心城區(qū)的容積率熱島預警共有黃色和橙色兩個等級，黃色預警區(qū)占28%，橙色預警占16.5%，空間上呈現(xiàn)“兩核、兩帶

15、”的格局特點；②現(xiàn)狀綠地降溫斑塊破碎化嚴重，降溫較好的斑塊在中心城區(qū)呈現(xiàn)島狀，沒有形成廊道與降溫空間體系；③水體降溫主要集中在南部，最大影響是海河在中心城區(qū)匯合，兩岸卻形成了非常明顯的低溫廊道，衛(wèi)津河、四化河、月牙河等河流與兩岸的溫度較高，海河、新開河、子牙河、北運河構成了四條放射降溫廊道；④現(xiàn)狀硬化地面升溫格局，總體分散、局部集聚，空間上呈現(xiàn)出“一帶、六核”的格局。
　　經(jīng)現(xiàn)狀熱島影響因素的圖譜綜合分析，依據(jù)天津市夏季氣溫特點、

16、人體高溫生理反應、國家相關規(guī)定等，提出了主城區(qū)緩解熱島的規(guī)劃方案，即在現(xiàn)狀綠化和水體基礎之上，建議打造“一環(huán)、多楔、多廊、多點”的多級降溫規(guī)劃空間布局體系。而對中心城區(qū)則將規(guī)劃方案，分為高、中、低三種。高方案，是以理想的降溫情景為目標，具有高成本高降溫特點；中方案，原則對建筑不做變動，盡可能多的增加水面，降溫效果居中；低方案，采用大量的綠地降溫，配合部分水體進行降溫，降溫效果較差。
　　本文提出控制熱島的五個規(guī)劃對策。①對容積率采

17、用三級預警控制熱島，所對應的容積率值分別為：黃色1.0、橙色3.2、紅色4.15。②對硬化地面的熱島增強控制也分三級預警，所對應的硬化地面率分別為：黃色46%、橙色59%、紅色92%。③水體降溫的規(guī)劃設計參考為：平均水面率每增加10%，熱島強度減弱2.3℃。④到水面距離平均每增加百m升高0.8℃，水體平均影響距離375m，水體最佳有效影響距離為200m；水面寬度降溫效率階梯分五級控制：70、145、310、670、1430m。⑤綠地對熱

18、島的削減規(guī)劃設計參考：平均核綠地率每增加10%，熱島強度減弱0.18℃；熱島削減1.5℃綠地率需達到83%以上，熱島削減1-1.5℃綠地率需達到56-83%，熱島削減0.5-1℃綠地率需達到28-56%。
　　本文的創(chuàng)新點主要有以下幾點：
　　第一，根據(jù)人體熱舒適度和人體高溫生理反應，基于當?shù)叵募酒骄鶜鉁兀岢隽藷釐u強度分類和熱舒適度受影響等級的劃分方法。為城市熱島空間分布格局研究，為降低夏季熱島對人的影響提供了一個空間分級

19、分區(qū)調(diào)節(jié)的參考標準。同時該分級方法，可與綠色建筑的熱島標準相呼應，形成宏觀熱島控制的參考標準。
　　第二，提出了熱島強度的雙指標概念算法，即最高熱島升溫和熱島升溫總量。有效的解決了城市形態(tài)帶來的熱島強度測度問題，既能表示熱島效應帶來的最高溫度上升值，又能表示熱島帶來多少增熱量的度量問題。為熱島研究和城市規(guī)劃提供了一個可量化，可參考的規(guī)劃布局參數(shù)與機制分析。
　　第三，提出核容積率、核建筑密度、核硬面率、核水面率、核綠地率的概

20、念思想方法。通過進一步研究明確了，核綠地率、核容積率、核建筑密度、核硬面率、核水面率的尺度敏感性、與熱島強度作用的時空特點、規(guī)劃布局的關鍵參數(shù)等，還提出了控制熱島的容積率、硬化地面預警參數(shù)。而容積率、建筑密度、硬化地面率、綠地率等概念，是以地塊為單位計算，實際是將整個地塊均一化，忽略了空間位置上每個點的差異。而筆者提出的概念思想為：空間上某點的值，是以該點為核心，一定距離范圍內(nèi)的空間計算結果，這是比較符合實際情況的。
　　第四，開