李國棟，張俊華，王乃昂，彭劍峰，程弘毅

(1.河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，開封 475000;2.蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，蘭州 730000)

城市化進(jìn)程的加快是目前全球性變化趨勢之一，Grimm等在《Science》雜志上的報道稱［1］:2000年城市人口占全球人口45%，預(yù)期到2030年則將占到60%以上;我國2010年的城市化水平已達(dá)到49.7%，預(yù)計2050年將達(dá)到70%。城市化正在快速地將鄉(xiāng)村植被群落轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗽斓某鞘泄こ淘O(shè)施，下墊面性質(zhì)、土地利用類型、地表反照率、植被覆蓋率等因子發(fā)生顯著改變，導(dǎo)致城市近地層地—?dú)饽芰拷粨Q和局地氣候發(fā)生了明顯變化［2-4］;同時，城市高度集中的經(jīng)濟(jì)活動、工業(yè)生產(chǎn)以及生活活動向大氣中排放了大量的人為熱量、污染物、氣溶膠等物質(zhì)，這些因素在中小尺度水平上對城市各氣候要素產(chǎn)生了重要影響［5-6］，尤其對氣溫、濕度的影響顯著，導(dǎo)致城市氣候出現(xiàn)“五島”效應(yīng)特征，其中的城市熱島效應(yīng)已成為城市生態(tài)學(xué)研究的重要課題，成為既影響氣候過程又影響生態(tài)過程的城市環(huán)境問題［7-9］。蘭州市作為典型的河谷型城市，因自然和人為方面的原因，其城市氣候效應(yīng)較其它城市表現(xiàn)更加突出和獨(dú)特。

Kalnay等在《Nature》雜志上的報道稱:城市化和土地利用方式的改變對氣候產(chǎn)生了重要的影響［10］。城市熱場、濕度場的分布和結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈的影響著城市生態(tài)系統(tǒng)的物流、能流，產(chǎn)生一系列生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，影響到:局地氣候［11］、城市水文［12］、城市大氣環(huán)境［13］、城市生物習(xí)性［14］、城市物質(zhì)循環(huán)［15］、城市能量代謝［16］以及城市居民健康［17］等方面;此外，城市熱島效應(yīng)對全球或區(qū)域變暖的貢獻(xiàn)率問題已引起廣泛關(guān)注［18-20］。揭示典型河谷型城市的溫度場、濕度場的分布特征和形成原因，對于河谷型城市在城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)、城市規(guī)劃、城市建筑設(shè)計、城市能源利用和居民健康等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，類似研究大多只利用衛(wèi)星遙感反演法，而衛(wèi)星遙感反演法受大氣狀況等復(fù)雜因素的影響，準(zhǔn)確反演實(shí)際氣溫、濕度存在困難，且只能反演一日中衛(wèi)星過境時刻的地面溫度場［21-24］。本項研究綜合利用流動觀測、定點(diǎn)觀測、GIS空間分析、遙感反演等方法，分析典型河谷型城市春季一日中不同時段的溫濕場分布特征和熱力景觀空間格局，以期探尋將傳統(tǒng)的城市氣候研究方法與現(xiàn)代3S技術(shù)相融合的途徑。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

蘭州市地處黃河中上游的黃土高原、內(nèi)蒙古高原和青藏高原的接壤匯合地帶，市區(qū)位于黃河河谷之中，平均海拔高度為1 530 m，河谷相對高差達(dá)500—600 m，為典型的河谷型城市。自上世紀(jì)80年代以來，蘭州市城市化進(jìn)程進(jìn)入了一個快速增長期，如圖1所示，1978年蘭州城市化水平為45.6%，到2010年時蘭州城市化水平已經(jīng)達(dá)到62.7%，目前，蘭州城市化水平顯著高于全國平均水平。蘭州市城區(qū)面積在近半個世紀(jì)急劇擴(kuò)張。如圖2所示，隋唐時期，蘭州建成區(qū)面積為0.16 km2，到建國初期，面積只有4.48 km2，在這漫長的歷史時期，增幅也非常微弱，建成區(qū)面積很小。而到2010年，建成區(qū)面積劇增到了133 km2，短短50a時間，蘭州建成區(qū)面積擴(kuò)大了30倍，這充分反映了蘭州城市建設(shè)速度和擴(kuò)張速度之快。同時，人口也由建國前的8.6萬人劇增到目前的361.6萬人;城市道路面積也由建國時的65.75×104m2增長到目前的913×104m2?？焖俚某鞘谢瘜?dǎo)致:下墊面性質(zhì)急劇改變，人為熱大量釋放。其次，蘭州河谷盆地之中氣流閉塞，邊界層內(nèi)靜風(fēng)頻率高，城市上空易形成深厚的逆溫層。再次，和全球其它山谷型城市類似［25］，大氣污染問題嚴(yán)重;這些人為和自然因素的綜合作用使得蘭州市的城市氣候效應(yīng)較其它城市表現(xiàn)更加突出和獨(dú)特。

圖1 蘭州城市化水平Fig.1 Urbanization level of Lanzhou

圖2 蘭州各時期城市建成區(qū)面積Fig.2 Build-up area at different periods in Lanzhou

1.2 數(shù)據(jù)來源

車載氣象儀器的城市氣候流動觀測和定點(diǎn)觀測實(shí)驗數(shù)據(jù)。2007年9月18日Landsat-5 TM遙感影像。蘭州城區(qū)中心氣象臺和郊區(qū)榆中站建站以來的氣象數(shù)據(jù)。1∶5萬蘭州市地形圖;蘭州市土地利用現(xiàn)狀圖;蘭州市部分社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計資料。遙感處理軟件 ERDAS IMAGINE 9.0、ENVI 4.5，地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS10.0。

1.3 觀測儀器

流動觀測儀器為美國產(chǎn)Kestrel 4000多功能便攜氣象儀;天津產(chǎn)DHM2型通風(fēng)干濕表;美國產(chǎn)Magellan 320 GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)。

定點(diǎn)觀測儀器為澳大利亞產(chǎn)Monitor SL5波文比系統(tǒng);美國產(chǎn)Kestrel 4000多功能便攜氣象儀;天津產(chǎn)DHM2型通風(fēng)干濕表;寧波產(chǎn)DYM3型空盒氣壓表。

1.4 研究方法

為了詳細(xì)了解蘭州市城區(qū)溫度場、濕度場的形態(tài)結(jié)構(gòu)和時空演變規(guī)律，本文綜合應(yīng)用了流動觀測法、定點(diǎn)觀測法和模型模擬法進(jìn)行分析，實(shí)驗方法和技術(shù)路線如圖3所示。

1.4.1 流動觀測和定點(diǎn)觀測

分別于1999年1月、1999年4月、1999年10月、2000年7月、2006年7月、2006年10月、2007年1月、2007年4月，在蘭州市城關(guān)區(qū)進(jìn)行了四季各氣候要素的汽車流動觀測和定點(diǎn)觀測。觀測選擇在晴朗、無風(fēng)的天氣條件下進(jìn)行。流動觀測的線路和測點(diǎn)如圖4所示，路線和測點(diǎn)綜合考慮了不同的城市功能區(qū)，不同的建筑密度和不同性質(zhì)的下墊面類型。在觀測期間，每天用兩部汽車分別攜帶美國產(chǎn)Kestrel 4000多功能便攜氣象儀、天津產(chǎn)DHM2型通風(fēng)干濕表、美國產(chǎn)Magellan320 GPS沿城區(qū)東、西兩條線路進(jìn)行早、午、晚3次觀測，每次觀測時間持續(xù)約3—4 h，主要集中在7:00—10:00，13:00—16:00，19:00—22:00 3個時間段。

圖3 流動觀測數(shù)據(jù)模擬溫濕場流程圖Fig.3 Flow chart of temperature and humidity field simulation based on mobile observation data

圖4 蘭州市城區(qū)氣候流動觀測線路和測點(diǎn)示意圖Fig.4 Observation points and routes of mobile surveys of urban climate in Lanzhou

流動觀測的同時，在蘭州大學(xué)本部，利用自動氣象站和人工觀測進(jìn)行定點(diǎn)觀測，每5 min記錄1次觀測要素值。流動觀測和定點(diǎn)觀測的要素有:經(jīng)緯度坐標(biāo)、干球溫度、濕球溫度、相對濕度、風(fēng)速、氣壓、海拔高度、露點(diǎn)、酷熱指數(shù)/風(fēng)寒指數(shù)。為了從能量平衡的角度來分析蘭州市城市熱場和濕度場的形成機(jī)制，在蘭州市中心和榆中縣，利用兩套澳大利亞Monitor SL5波文比系統(tǒng)對下墊面和大氣間的水熱通量進(jìn)行了1a的連續(xù)對比觀測。在流動觀測期間，利用波文比系統(tǒng)的部分觀測數(shù)據(jù)對定點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充訂正。

1.4.2 流動觀測數(shù)據(jù)的時間差訂正

觀測結(jié)束后，對流動觀測各測點(diǎn)在不同時刻的觀測要素值進(jìn)行時間差訂正。首先，對定點(diǎn)觀測每5 min的觀測值，應(yīng)用最小二乘法分別擬合得到早、午、晚3個時間段的趨勢方程，然后利用該方程中時間(間隔)與各觀測值的關(guān)系，來訂正流動觀測各測點(diǎn)的觀測值［26］。將每天3個時段的流動觀測值分別訂正到3個觀測時段的中間時刻08:30，14:30和20:30上。

1.4.3 GIS空間數(shù)據(jù)庫的建立和空間插值

流程如圖3所示，利用訂正后的流動觀測氣溫、相對濕度數(shù)據(jù)和各測點(diǎn)的空間位置信息，通過ArcGIS10.0軟件建立GIS空間數(shù)據(jù)庫。利用其地統(tǒng)計模塊，進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的檢驗，確定統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分布、異常值，尋找全局的變化趨勢，選擇合適的內(nèi)插模型進(jìn)行表面預(yù)測;最后，進(jìn)行模型診斷和模型的比較。在插值方法的選擇上，經(jīng)過空間數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、交叉驗證法驗證插值效果，本文選取反距離加權(quán)法和Kriging法，來擬合創(chuàng)建表面，得到蘭州市熱場和濕度場。

1)反距離加權(quán)法(IDW)。

反距離加權(quán)法以插值點(diǎn)與樣本點(diǎn)間的距離為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均。該方法模擬局部變化會獲得較好的效果。

式中，Z為未知點(diǎn)處的預(yù)測值;Zi為第i點(diǎn)處的觀測值;Di是預(yù)測點(diǎn)與各已知觀測樣點(diǎn)之間的距離;p是距離的冪。

2)Kriging插值

該方法是建立在空間相關(guān)性的先驗?zāi)Ｐ蜕?，以變異函?shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，在有限區(qū)域內(nèi)對區(qū)域化變量進(jìn)行無偏最優(yōu)估計的一種方法:

式中，Z(x0)為未知點(diǎn)x0處的預(yù)測值，Z(xi)為數(shù)據(jù)點(diǎn)xi處的觀測值，λi為克里格權(quán)重。為了優(yōu)化內(nèi)插算法，Kriging方法產(chǎn)生了多個變種，有泛克里格、普通克里格、簡單克里格、指示克里格、協(xié)同克里格等，這些Kriging方法基本原理相同，但適用條件有所不同，本文經(jīng)空間數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和插值效果比較分析，采用泛克里格法和普通克里格法。

3)空間插值結(jié)果檢驗

本文采用交叉驗證法來驗證插值效果，即分別假設(shè)每個測點(diǎn)的要素值未知，用周圍測點(diǎn)的觀測值來預(yù)測估算;然后，依據(jù)所有采樣點(diǎn)實(shí)際觀測值與估算值的誤差大小來評判插值效果的優(yōu)劣。本文在插值模型、參數(shù)的選擇時，采用平均誤差(簡稱ME)和均方根誤差(簡稱RMSE)作為評估插值效果的標(biāo)準(zhǔn):

式中，zi為第i個測點(diǎn)的實(shí)際觀測值;為估測值。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱場動態(tài)特征

圖5為8:30的熱場分布格局，城區(qū)的熱中心主要集中在西關(guān)十字至勝利賓館附近，較其它區(qū)域溫度平均高約1.8℃，此區(qū)域為目前蘭州市的商貿(mào)中心，人口密度大，建筑容積率高;此外，郵電大樓至鐵路局附近也是一溫度較高區(qū)域，此區(qū)域為蘭州市20世紀(jì)八九十年代時較大的商貿(mào)中心。溫度較低區(qū)域位于城區(qū)的東部，雁灘北面灘新村、高家灘等城區(qū)東北部靠近黃河沿岸附近，較其它區(qū)域溫度平均低約1.5℃，這些區(qū)域為目前蘭州城區(qū)剩余的零星菜地和園地。

圖5 8:30熱場空間分布格局Fig.5 Spatial pattern of thermal field at 8:30

圖6為14:30的熱場分布格局，城區(qū)的熱中心大體位于火車站、第二熱電廠、五里鋪十字圍成的三角形區(qū)域。最高溫出現(xiàn)在第二熱電廠附近，達(dá)到30.6℃，較其它區(qū)域氣溫高出約3℃，其釋放的工業(yè)熱量非常大、污染也較為嚴(yán)重，對周邊區(qū)域的氣溫影響較大;火車站附件為面積廣大的廣場，植被覆蓋度很低，也是一明顯的高溫中心，達(dá)到29℃。低溫區(qū)集中在兩個區(qū)域，東北部的低溫中心與早上低溫中心出現(xiàn)的區(qū)域一致，西北部的次低溫區(qū)位于草場街、佛慈大街和生物所附近，這些區(qū)域都是開發(fā)程度相對較低的區(qū)域。

圖6 14:30熱場空間分布格局Fig.6 Spatial pattern of thermal field at 14:30

圖7為20:30的熱場分布格局，此時，城區(qū)熱中心的分布延續(xù)了14:30熱中心的分布格局，但面積有所縮減，主要集中在地礦局、廣電局、五里鋪、東湖小區(qū)周邊區(qū)域;除此之外，還有幾個零散的高溫區(qū)，形成一些熱力綴塊，如南關(guān)十字、拱星墩。低溫區(qū)零散分布，面積不大，形成一些低溫綴塊，如生物所周邊區(qū)域，位于城區(qū)較偏遠(yuǎn)的區(qū)域，植被覆蓋度較好，人口密度較小，無商貿(mào)區(qū)、工業(yè)區(qū)，夜晚形成低溫中心，較其它區(qū)域平均低約2℃。

圖7 20:30熱場空間分布格局Fig.7 Spatial pattern of thermal field at 20:30

2.2 濕度場動態(tài)特征

分析蘭州市城區(qū)春季濕度場在一日中不同時段的分布格局(圖8—圖10)，發(fā)現(xiàn)8:30和20:30的濕度場分布格局較為相似，相對濕度較高的區(qū)域主要分布在城區(qū)的北部，如徐家山森林公園、雁灘村、高灘村附近;另外，處于城區(qū)西南部的五泉山公園也是一日中3個時段相對濕度較高的區(qū)域。相對濕度較低的區(qū)域主要分布在西關(guān)十字、慶陽路、東崗路周邊區(qū)域。與另兩個時刻相比，14:30時的濕度場規(guī)律性不強(qiáng)?？傮w來看，早上的濕度場強(qiáng)度較大，整個區(qū)域平均相對濕度在8:30為37.2%，14:30時為15.1%，20:30為17.8%，這種特征符合相對濕度在一日中的變化規(guī)律，其日變化主要取決于氣溫，氣溫增高時，雖蒸發(fā)加快，水汽壓增大，但飽和水汽壓增大的更多，反而使得相對濕度減小;溫度降低時，則相反。從濕度場的空間分布格局來說，高濕度區(qū)與高植被覆蓋區(qū)基本一致，如高灘、五泉公園附近都是濕度較高地區(qū);城區(qū)中心總體呈現(xiàn)濕度較低，如東崗路周圍一帶，第二熱電廠附近;對于城區(qū)人口密集區(qū)、商業(yè)區(qū)和建筑物密集區(qū)，從前面的熱場強(qiáng)度分析來看，由于這些區(qū)域氣溫總體相對較高，其對應(yīng)的飽和水汽壓也總體偏高，導(dǎo)致相對濕度總體偏低。因此，相對濕度的高低與該區(qū)域熱場強(qiáng)度的相對強(qiáng)弱也有密切的關(guān)系。另外，受黃河的影響，黃河周邊區(qū)域的相對濕度要總體偏高。

圖8 8:30濕度場空間分布格局Fig.8 Spatial pattern of humidity field at 8:30

圖9 14:30濕度場空間分布格局Fig.9 Spatial pattern of humidity field at 14:30

圖10 20:30濕度場空間分布格局Fig.10 Spatial pattern of humidity field at 20:30

2.3 溫度場和濕度場的精度驗證

表1是依據(jù)式(3)和式(4)得到的交叉驗證結(jié)果，平均誤差衡量預(yù)測結(jié)果的無偏性，總體反映估計誤差的大小，越趨近于零，估值效果越好;均方根誤差衡量預(yù)測結(jié)果的有效性，反映利用樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的估值靈敏度和極值效應(yīng)，其值越小，估值效果越好。從交叉驗證結(jié)果來看，各個時段溫度場和濕度場的模擬精度普遍較高。

2.4 城區(qū)熱力景觀與綠地空間分布格局分析

近年來，一些研究引入了景觀生態(tài)學(xué)理論，借用景觀生態(tài)學(xué)的研究方法，來研究熱場隨城市發(fā)展而動態(tài)演變的規(guī)律以及熱場所演生出的生態(tài)效應(yīng)［27-29］。熱力景觀是人類在改造、適應(yīng)自然環(huán)境基礎(chǔ)上建立起來的人工生態(tài)系統(tǒng)的熱力學(xué)表現(xiàn)，是具有高度空間異質(zhì)性的熱力區(qū)域。研究內(nèi)容包括人類活動對熱力景觀的影響、熱力景觀的動態(tài)性、熱力景觀的綴塊性和熱力景觀的梯度性，其形成機(jī)制是建立在下墊面-大氣系統(tǒng)的熱量平衡的基礎(chǔ)之上，通過表面溫度場的結(jié)構(gòu)與動態(tài)變化來表達(dá)。根據(jù)形狀和功能的差異，熱力景觀要素分為熱力綴塊、熱力廊道和熱力基質(zhì)。陳云浩等人以熱慣量(表征物質(zhì)熱特性)、熱耗(生活生產(chǎn)耗能以及新陳代謝所產(chǎn)生的能量)和溫度3個指標(biāo)將熱力景觀劃分為水體、綠化、低慣低耗、低慣高耗、高慣低耗、高慣高耗、熱中心7種熱力景觀類型［30］。

表1 交叉驗證結(jié)果Table 1 Results of cross-validation

從3個時段的熱場和濕度場分布格局來看，在部分區(qū)域，高、低溫度區(qū)域呈相互鑲嵌狀，形成熱力綴塊;部分區(qū)域熱中心呈彌散狀，形成熱中心連片發(fā)展的態(tài)勢;而在部分區(qū)域形成熱力廊道，呈現(xiàn)線狀或帶狀的熱力景觀現(xiàn)象;對于占主體的高度連續(xù)性、相對均質(zhì)背景的部分為熱力基質(zhì)。按照熱力景觀的劃分方法，五泉山、徐家山、高灘、劉家灘一帶為綠化區(qū)，整體熱場強(qiáng)度最低;雁灘北部部分區(qū)域、鹽場堡、生物制品研究所一帶建筑容積率低、熱場強(qiáng)度較低，該區(qū)域為低慣低耗區(qū);汽修二廠至排洪南路一帶、東崗鎮(zhèn)、以及雁灘開發(fā)程度較低的區(qū)域，多為低層建筑區(qū)，道路硬化程度較低，為高慣低耗區(qū);剩余的區(qū)域為高慣高耗區(qū)和熱中心，如第二熱電廠就是典型的熱中心。蘭州市城區(qū)不同熱力景觀格局的形成與能耗、人口、建筑、下墊面類型之間存在顯著的因果關(guān)系。

表征植被狀況的指數(shù)很多，在植被遙感中，歸一化植被指數(shù)(NDVI)是使用最為廣泛的一種指數(shù)，它是近紅外波段與可見光波段數(shù)值之差與這兩個波段數(shù)值之和的比值，如式(5)所示，該指數(shù)是指示植物生長狀況和植被覆蓋度最好的指示因子［28］，美國宇航局就是利用NDVI指數(shù)來制作全球范圍內(nèi)的月際植被數(shù)據(jù)庫。本文為了解蘭州市綠地空間分布和結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)行了NDVI分析，本研究購置了中科院中國遙感衛(wèi)星地面站2007年9月18日Landsat-5 TM遙感影像;該產(chǎn)品已進(jìn)行過輻射校正和幾何校正。影像左上區(qū)云量為1%，其余3個區(qū)域包括研究區(qū)的云量為0，天氣晴好。在遙感處理軟件的支持下經(jīng)過幾何精校正、輻射定標(biāo)、大氣校正、NDVI計算等步驟，圖11為反演的蘭州市NDVI圖。對于TM數(shù)據(jù)，NDVI可以表示為:

式中，NIR和R分別是TM影像的近紅外波段(Band4)和紅外波段(Band3)的DN。

圖11 蘭州市NDVI分布圖Fig.11 NDVI map of Lanzhou

NDVI其數(shù)值范圍統(tǒng)一到-1和1之間，較高的NDVI值指示著包含較多的綠色植被。2004年Sobrino研究認(rèn)為:當(dāng)NDVI＜0.2時，像元完全由裸露地表(裸土或建筑地面)覆蓋;當(dāng)NDVI＞0.5時，像元完全由植被覆蓋;當(dāng)0.2≤NDVI≤0.5 時，像元由裸露地表和植被共同組成;當(dāng) NDVI＜0.2 時，像元為裸露地表［31］。

與城市典型的土地利用類型，如居住用地、道路廣場用地、商業(yè)用地、工業(yè)用地等土地利用類型相比，城市綠地的生態(tài)環(huán)境熱效應(yīng)顯著區(qū)別于這些典型的城市土地利用類型。相關(guān)研究表明，城市不透水面與地表溫度呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)型關(guān)系［32］。由地表能量平衡可知，植被具有較大的熱慣性、熱容量以及較低的熱傳導(dǎo)、熱輻射率。在太陽輻射下，水泥路面和建筑物由于吸熱面和儲熱量較多，表面儲存的熱量要多于綠地，熱儲存量相當(dāng)于地面凈輻射的15%—30%，而下墊面構(gòu)成中有森林和草地覆蓋的地方，熱存儲量只相當(dāng)于地面凈輻射的5%—15%［33］。研究發(fā)現(xiàn)，城鄉(xiāng)不同下墊面地表覆蓋類型對地表熱通量的影響差異顯著，不同下墊面類型的波文比值由大到小的順序為:工業(yè)用地＞住宅用地＞交通用地＞公共設(shè)施用地＞旱田＞公共綠地＞水域。城市人工建筑用地具有較高的顯熱通量，較低的潛熱通量。由于城市地表顯熱通量和波文比明顯高于周邊植被覆蓋地表，導(dǎo)致城市地表向低層大氣供熱的增加，這是城市熱島效應(yīng)形成的重要機(jī)制之一［34］。綠地景觀類型的熱環(huán)境效應(yīng)明顯區(qū)別于其它景觀，其對應(yīng)的城市地表溫度要顯著低于典型的城市景觀類型。分析蘭州城區(qū)NDVI分布與熱場、濕度場之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn):NDVI＞0.5的高值區(qū)(高植被覆蓋區(qū))對應(yīng)高濕度區(qū)、低溫區(qū)，如徐家山森林公園、五泉公園、高灘附近區(qū)域都是NDVI高值區(qū)，平均NDVI＞0.5，同時這些區(qū)域都是濕度場強(qiáng)度較強(qiáng)區(qū)域、熱場強(qiáng)度較弱區(qū)域。總體而言，城市的NDVI和熱場的空間分布具有相反的分布特點(diǎn)，城市的NDVI分布和濕度場的空間分布格局較為相似。城市綠化具有降溫增濕、調(diào)節(jié)小氣候效應(yīng)，相關(guān)研究表明:當(dāng)綠地寬度＞42 m時，綠地能發(fā)揮顯著的降溫增濕效益［35］;在一些區(qū)域，綠化能使局地氣溫降低3—5℃，最大可降低12℃，增加濕度3%—12%，最大可增加33%［36］。因此，在生態(tài)城市的建設(shè)中，綠地的合理規(guī)劃非常重要。

2.5 城區(qū)的熱島效應(yīng)和干島效應(yīng)

應(yīng)用城郊對比法來研究城市氣候效應(yīng)，以位于城區(qū)的蘭州中心氣象臺(36°03'N、103°53'E)代表城區(qū)站，以位于蘭州城區(qū)東南約30 km的榆中站(35°52'N、104°09'E)代表鄉(xiāng)村站。城市熱島作為城市氣候最典型的特征，為人們所廣泛關(guān)注。城、郊站點(diǎn)的氣溫差作為衡量城市熱島強(qiáng)度的指標(biāo)，可反映由于城區(qū)建設(shè)、下墊面性質(zhì)改變和人類生產(chǎn)活動等引起的氣溫變化。圖12為近50年蘭州城、郊?xì)鉁氐哪觌H變化和熱島強(qiáng)度的變化。分時段來看，20世紀(jì)60年代熱島強(qiáng)度約為2.3℃;70年代熱島強(qiáng)度約為2.5℃;80年代熱島強(qiáng)度約為3.1℃;90年代熱島強(qiáng)度約為3.5℃;近10年熱島強(qiáng)度平均約為3.6℃?？傮w上來看，近50年城市熱島強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，線性趨勢達(dá)到0.31℃/10a。

圖12 城、郊?xì)鉁睾统鞘袩釐u強(qiáng)度的年際變化Fig.12 Annual variability of urban heat island intensity in urban and suburban area

城市人工構(gòu)筑的下墊面大多為不透水層，有良好的排水系統(tǒng)，留存在地表的水分非常少，地面較為干燥;城市地表植被覆蓋面積少;這些因素造成城市的自然蒸發(fā)、蒸騰量比郊區(qū)小，空氣含水量少，使得城區(qū)平均水汽壓比郊區(qū)低，再加上城市熱島效應(yīng)的存在，其相對濕度比郊區(qū)顯得更小，從而形成城市干島［37］。圖13為近50年蘭州城區(qū)和郊區(qū)的相對濕度和城區(qū)干島強(qiáng)度變化趨勢圖。近50年，郊區(qū)相對濕度變幅不大，在均值63%上下波動;但城區(qū)相對濕度呈現(xiàn)下降的趨勢;1965年之前，城、郊相對濕度差別不大，從70年代開始，干島效應(yīng)逐漸明顯，干島強(qiáng)度增大。分時段來看，20世紀(jì)60年代平均干島強(qiáng)度為3.2%;70年代平均干島強(qiáng)度為4.3%;80年代平均干島強(qiáng)度為7.1%;90年代平均干島強(qiáng)度為10%;近10年平均干島強(qiáng)度為11%。總體來看，近50年干島效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，相對濕度的線性遞減趨勢達(dá)到-2.1%/10a。城區(qū)熱島強(qiáng)度和干島強(qiáng)度是人類活動對氣候影響的一種量度，與各時間段城市化發(fā)展水平、城市建設(shè)規(guī)模、城市下墊面性質(zhì)的改變、人類活動等因素是密切聯(lián)系的、相適應(yīng)的［38］。

圖13 城、郊相對濕度和干島強(qiáng)度的年際變化Fig.13 Annual variability of urban dry island intensity and relative humidity in urban and suburban area

3 結(jié)論

本研究主要利用汽車攜帶觀測儀器進(jìn)行城市氣候流動觀測，觀測數(shù)據(jù)結(jié)合GIS空間插值技術(shù)，模擬分析了河谷型城市春季一日中的溫濕場分布和演變規(guī)律;結(jié)合TM遙感影像反演的NDVI圖，進(jìn)行了熱力景觀空間格局分析。利用近50年的城、郊?xì)庀笥^測資料的對比分析，研究了城區(qū)的熱島效應(yīng)和干島效應(yīng)的變化規(guī)律和強(qiáng)度特征。

(1)熱場動態(tài)特征

一日中14:30和20:30熱場高溫區(qū)的分布格局較為相似，高溫區(qū)主要位于火車站、第二熱電廠、五里鋪十字、盤旋路圍成的區(qū)域;第二熱電廠附近溫度較其它區(qū)域平均約高出3℃;8:30熱中心主要位于西關(guān)十字至勝利賓館附近。3個時段的低溫中心分布都較為相似，主要位于東北部的雁灘北面灘新村、高家灘，該區(qū)域為城區(qū)菜地和園地的集中分布區(qū);另一個低溫區(qū)位于生物所、徐家山公園附近，20:30較其它區(qū)域溫度平均約低2℃，該區(qū)域是城區(qū)森林覆蓋率較大的一個區(qū)域。

(2)濕度場動態(tài)特征

一日中8:30和20:30的濕度場分布格局較為相似，濕度場強(qiáng)度較大的區(qū)域主要位于城區(qū)北部的徐家山森林公園、雁灘村、高灘村，五泉山公園也是一強(qiáng)度較大的區(qū)域。濕度較低的區(qū)域主要位于西關(guān)十字、慶陽路、東崗路等中心商貿(mào)區(qū)周邊。14:30濕度場規(guī)律性不強(qiáng)。一日3個時段中，8:30濕度場強(qiáng)度最大，20:30時次之，14:30時最小。高濕度區(qū)與高植被覆蓋區(qū)分布基本一致。相對濕度的高低與該區(qū)域熱場強(qiáng)度的強(qiáng)弱也有密切的聯(lián)系。

(3)熱力景觀空間分布格局

對城區(qū)熱力景觀進(jìn)行劃分，五泉山、徐家山、高灘、劉家灘一帶為綠化區(qū);雁灘北部部分區(qū)域、鹽場堡、生物制品研究所一帶為低慣低耗區(qū);汽修二廠至排洪南路一帶、東崗鎮(zhèn)、以及雁灘部分區(qū)域為高慣低耗區(qū);剩余的區(qū)域為高慣高耗區(qū)和熱中心。

(4)城區(qū)NDVI分布與溫濕場空間格局的關(guān)系

NDVI＞0.5的高值區(qū)對應(yīng)高濕度區(qū)、低溫區(qū)，徐家山公園、五泉公園、高灘部分區(qū)域都是NDVI相對高值區(qū)，平均NDVI＞0.5，同時這些區(qū)域都是濕度場強(qiáng)度較高、熱場強(qiáng)度較低區(qū)域。城市的NDVI值與熱場強(qiáng)度值在空間分布上具有相反的特點(diǎn)。

(5)近50年城區(qū)熱島效應(yīng)和干島效應(yīng)的變化規(guī)律

近50年城市熱島強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，線性趨勢達(dá)到0.31℃/10a。近50年郊區(qū)相對濕度變幅不大，在63%上下波動，但城區(qū)相對濕度呈下降的趨勢;1965年之前，城、郊相對濕度差別不大，20世紀(jì)70年代開始，干島效應(yīng)強(qiáng)度增幅明顯。近50年干島效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，相對濕度的線性遞減趨勢達(dá)到-2.1%/10a。蘭州城市熱島強(qiáng)度和干島強(qiáng)度作為人類活動對城市生態(tài)系統(tǒng)影響的一種量度，與各時間段城市化發(fā)展水平、城市建設(shè)規(guī)模、城市下墊面性質(zhì)的改變等因素是密切聯(lián)系、相適應(yīng)的。

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