城市热岛效应是指城市建设区受大量的人工发热、建筑物和道路等高蓄热体及绿地减少等因素影响, 产生气温明显高于外围郊区的现象。在近地面温度图上, 城区相对郊区是一个高温区, 就象突出海面的岛屿, 所以这种现象就被形象地称为城市热岛。城市热岛 (UHI) 是城市化气候效应的主要特征之一, 是城市化对气候影响的最典型表现。热岛效应会引发城市气温升高, 室内降温能耗增大;降雨集中, 加大城市内涝风险;空气污染, 提高流行性疾病发病率等问题^[1]。因此《海绵城市建设绩效评价与考核办法》 (以下简称《考核办法》) 将城市热岛效应纳入指标体系, 要求示范区通过海绵城市建设使得“热岛强度得到缓解。海绵城市中心区域夏季 (按6~9月) 日平均气温不高于同期其他区域的日均气温, 或与同区域历史同期 (扣除自然气温变化影响) 相比呈现下降趋势。”《考核办法》中城市热岛缓解相关指标主要针对建成区海绵改造的效果评估, 而对于新建区域, 要维持城市开发后热岛效应相对开发前不增加或略有增加已属不易。因此对新建区域海绵建设在热岛缓解方面的成效, 应相对传统建设模式来对比评判。也就是说通过海绵建设模式推广, 使得热岛效应相对传统建设模式有所缓解, 城市开发对局地气温的影响尽可能降低, 也就实现了海绵城市建设在热岛缓解方面的意义。本文以贵安新区为例, 用定量的方法评估海绵建设模式对新建城区热岛缓解的效果。

　　 国内外相关研究表明, 城市热岛强度主要受下垫面 (土地覆盖类型) 、人类活动强度 (包括人工热源) 、气象和地理位置等多方面的因素影响。其中下垫面条件的改善可以通过建设模式的调整来实现, 本文主要针对该因素展开研究。根据李国梁^[1]对杭州市热岛现象分析, 建设用地的扩张速率与热岛高温区的增加速率呈明显的正相关关系, 并指出城郊用地向城市建设用地的快速转变是产生城市热岛的本源。胡弟维^[2]对重庆市热岛变化研究也表明, 前期为非建设用地, 后期变为建设用地的地区气温明显升高, 且城市高温区下垫面多以建设用地为主, 城市低温区下垫面多以水域和植被覆盖为主。可见城市热岛强度与下垫面性质有直接关系, 如何将这种关系以半定量或定量化的方式表达, 对于城市热岛效应的模拟评估及寻找热岛缓解途径具有重要的意义。

　　 对热岛的定量评估, 国内外有诸多相关研究, 对遥感数据的分析利用是其中一个重要方式。例如基于Landsat TM数据, 武鹏飞^[3]、延浩^[4]和刘鹏^[5]分别对北京市、上海市和重庆市的热岛特性及其与下垫面的关系进行过分析。其主要原理是利用不同地物在热红外通道具有辐射差异, 通过热红外传感器对城市地表温度进行大面积观测而得到的地物热量空间差异分布, 从而对城市热岛及其变化进行监测与分析。遥感数据的应用使得利用城市规划的下垫面参数与城市热岛之间的关系来模拟城市热岛成为可能。

　　 海绵城市建设的一项重要内容是低影响开发, 具体的途径包括优化城市布局, 控制建设强度, 增加蓝绿空间, 同时以透水铺装、下凹绿地、绿色屋顶等软化措施减小建设用地内下垫面硬化比例。以上措施都能不同程度的缓解城市热岛效应, 特别是水体、绿地的增加 (包括绿色屋顶) , 对于缓解热岛效应有直接作用^[6]。

　　 本次使用2016年6月1日北京时间11:21贵安地区的Landsat 8和MODIS1B数据进行地表温度反演和热岛强度估算, 并开展热岛强度与植被覆盖和土地利用类型关系分析, 结合规划土地利用类型, 推算规划情景下的热岛强度分布;并利用热岛强度评估指标开展规划前后热岛强度变化分析。象元热岛强度等级划分及含义见表1。

　　 因Landsat-8数据的2个热红外波段 (10和11波段) 与MODIS1B的2个热红外波段 (31和32波段) 的波宽以及中心波长基本一致, 因此可用分裂窗算法进行地表温度反演。

　　 首先对TIRS (Landsat-8载荷热红外传感器Thermal Infrared Sensor, TIRS) 与OLI (Landsat-8载荷陆地成像仪Operational Land Imager, OLI) 分别进行辐射定标, 然后利用TIRS的10和11波段估算星上亮度温度, 再利用OLI的3、4、5、6波段计算归一化植被指数 (NDVI) 、改进型归一化水体指数 (MNDWI) 用来参与比辐射率的估算, 再利用对应时段的MODIS1B数据进行大气透过率的计算, 然后再以上述中间结果作为输入, 利用分裂窗算法进行地表温度反演。

　　 采用叶彩华^[7]提出的地表热岛强度指数 (Urban Heat island Intensity Index, UHII) 的计算方法来估算各类象元的地表热岛强度, 即:

　　 式中UHII_i———地表热岛强度指数, 即第i个象元的温度与郊区温度差;

　　 T_i———第i个象元的温度, ℃;

　　 n———郊区农田内的有效象元数;

　　 T_crop———郊区农田内各有效象元地表温度, ℃。

　　 根据UHII_i的大小, 将象元划分为7级热岛, 分别赋值为1、2、3、4、5、6和7, 赋值越高, 则象元的热岛强度越大。

　　 在2.1各象元热岛强度估算基础上, 采用地表热岛比例指数 (Urban Heat island Proportion Index, UHPI) 来定量评估城市地表热岛强度。

　　 式中UHPI———城市热岛比例指数;

　　 m———象元热岛强度等级数, 根据表1, m=7;

　　 p5、p6、p7———弱热岛、较强热岛和强热岛象元所占的面积百分比, 5, 6, 7为热岛等级。

　　 UHPI值在0~1.0, 该值越大, 表明城市热岛现象越严重。其值为0时, 表明城市没有热岛现象, 值为1.0时, 表明城市处于强热岛范围。根据表2的标准对空间区域热岛评估结果进行等级划分。

　　 贵安新区尚处于城市开发初级阶段, 没有大面积的建成区, 建设用地主要为已实施的道路和地块工程, 以及零星的村镇居民用地。贵安新区中心区现状土地利用分类情况如图1所示。

　　 图2为中心区热岛强度现状。可以看出, 中心区大部分地区无热岛, 小部分已建道路和地块区域出现较强热岛, 部分低植被覆盖旱地农田地区也出现了低热岛, 月亮湖、星月湖和车田湖等水体则呈冷岛效应。总体上看中心区目前开发量较小, 城建面积小, 植被覆盖较好, 未出现明显的连片或大区域热岛。但从热岛分布状况可看出, 已建成的道路和地块项目已经加剧了中心区的热岛效应。

　　 从贵安新区热岛现状评估情况来看, 水体、林地、农田、草地在热环境空间格局中处于不同等级的低温区, 具有从大到小不同效应的热岛减缓效应, 而裸地和硬质下垫面 (道路、硬质屋顶等) 处于高温区。地面平均温度具有水体<林地<农田<草地<裸地<硬质下垫面的特征。

　　 海绵城市建设的一个重要方面是低影响开发, 即城市开发减小对原始地质水文条件的改变, 减小城市硬化地面比例;同时海绵城市也要考虑城市排水防涝和景观生态需求, 尽可能增加水体调蓄空间。海绵建设模式相对于传统建设模式水体、绿地等冷源的面积比例有所增加, 而硬质下垫面等热源比例相应减少。将两种模式的下垫面输入gis平台, 以第3节推求的各类下垫面与热岛效应的对应关系为依据, 对两种建设模式下中心区热岛效应进行对比分析。

　　 中心区整体热岛效果以UHPI综合评估结果见表3。可看出中心区现状UHPI为0.282, 热岛评估等级为一般;传统规划模式UHPI为0.448, 评估热岛等级为较严重;海绵规划模式UHPI为0.376, 评估热岛等级为一般。由此可见, 城市建设造成的下垫面改变会显著增强热岛效应, 但海绵城市建设模式相对于传统建设模式能够一定程度缓解热岛强度。

　　 图3和图4分别为中心区海绵规划与传统规划的热岛预测分布图。从热岛的空间分布来看, 差别较大的区域主要分布于西南部水体和东南部建设用地内。各类别热岛面积见表4, 海绵模式相对于传统模式, 强冷岛比例由3%提升至4%;强热岛比例由19%降低至13%。

　　 根据第3节现状热岛与下垫面关系反演情况, 将规划方案的用地归并为三大类, 即水体、绿地和建设用地。将贵安新区海绵建设模式和常规建设模式的城市规划用地进行对比, 可知这两个方案在用地大类的构成上, 主要是在水体面积上存的差异, 见图5。中心区原规划方案水面面积220hm², 水面率5%;海绵规划对区内主河道提出了梯级蓄水方案, 将水面面积扩充至294hm², 水面率提升至6.8%。海绵规划方案 (图3) 中强冷岛的增加主要由该水面面积增加引起。

　　 海绵规划方案和常规规划方案在绿地和建设用地占比上并无差异, 绿地内部的下垫面也无显著变化, 但建设用地内部的下垫面却存在差别。深入到建设用地内部, 其下垫面可分为屋顶、绿地和道路, 各个地块三类下垫面的比例可用控规的经济技术指标表推算出, 计算方法见图6。建设用地内的海绵措施主要采用绿色屋顶, 下凹绿地和透水铺装等, 其中绿色屋顶的设置对热岛缓解的效果最为显著, 也是本次量化模拟的因素。海绵规划对各地块绿色屋顶率有明确要求, 在各地块建筑密度已知的基础上, 可推算出绿色屋顶及硬化屋顶占地块的比例。在热岛模拟评估建设用地的热岛强度时, 将绿色屋顶与地块内绿地合并作为冷源, 硬化屋顶与道路合并作为热源, 以冷、热源的比例构成可概化出各块建设用地的热岛效应。图3和图4中各建设用地热岛强度的差别由此产生。

　　 城市规划与城市热环境之间存在着较为密切的关系, 土地利用/覆盖类型的空间格局总体上决定了城市热场的空间分布。海绵规划强调在保证绿地率的基础上, 优化绿地布局, 形成区域性的通风廊道, 保证绿地冷源效应的同时, 增强空气对流对热岛的缓解作用。

　　 海绵城市建设倡导的低影响开发, 通过绿色屋顶等手段提高了建设用地内绿地比例, 减小了硬化地面比例, 从而缓解了建设用地产生的热岛效应。

　　 由于水体均具有“冷源”效应^[7], 城市区域增加水体有利于城市降温、增湿、加强空气流通、改善局地微气象条件。海绵城市要求尽可能控制和预留水体调蓄空间, 水面率的提高对于缓解城市热岛具有重要作用。虽然海绵城市强调的下凹绿地、透水铺装、地块内的景观调蓄池的热岛缓解效果难以定量的方式纳入本次评估, 但这类设施在雨季蓄水, 旱季释水, 理论上使得局地热容量增加, 对缓解热岛也具有正面效果。特别是具有显著调蓄功能的下凹绿地和景观调蓄池, 具有类似于水面的冷源作用, 综合以上因素, 海绵建设模式对热岛的缓解效果比第4部分的分析结果应该更为显著。