1、第42卷 第4期2023年 7月华中农业大学学报Journal of Huazhong Agricultural UniversityVol.42 No.4July 2023，98106基于局地气候分区的武汉市城市热岛时空分异特征刘火胜1，李思韬2，宛浩凯2，余乾慧1，吴昌广21.武汉市公共气象服务中心，武汉 430040；2.华中农业大学园艺林学学院，武汉 430070摘要 为精细化评估武汉市城市热岛时空分异特征以辅助气候适应性设计工作，基于局地气候分区（local climate zone，LCZ）体系对武汉中心城区气温进行观测，分析了连续3 a夏冬时段的6类建筑空间和3类自然空间热岛强度
2、（urban heat island intensity，UHII）的时空分异，并探讨了不同LCZ类型的日平均UHII差异、逐时UHII变化及同种LCZ类内UHII差异及其影响因素。结果显示：各LCZ在夏冬两季可保持稳定日平均UHII类间差异，其中建筑高度越高的LCZ类型其UHII越高，特别是开阔高层（LCZ 4）和开阔中层（LCZ 5），而稀疏树林（LCZ B）、茂密树林（LCZ A）、开阔低层（LCZ 6）和零散建筑（LCZ 9）总体保持0 以下；UHII逐时变化方面，LCZ A与其他LCZ类型存在明显差异，日出后8 h范围内LCZ A表现为快速上升后下降，其他类型则呈快速下降后稳定上升趋
3、势；单日内，各LCZ的UHII呈“夏强冬弱、昼弱夜强”的特性，其中LCZ 9与LCZ A能够长时间维持“城市冷岛”效应以缓解局部热环境，而LCZ 4是唯一夏冬两季UHII均保持在0 以上的类型；具有中层高度特征的LCZ 2和LCZ 5表现出显著的类内UHII差异，同类LCZ位于城区中部地块受城市冠层通风阻碍的影响其UHII比城区边界地块高。研究结果表明，LCZ类间UHII差异在夏冬两季稳定存在，而LCZ类内UHII显著性差异主要受武汉城市空间结构的驱动，密集的中心城区由于通风效能低下和人为热排放频繁而更易于导致局部高温。关键词 局地气候分区；城市热岛；空气温度；热岛强度中图分类号 P463.3
4、 文献标识码 A 文章编号 1000-2421（2023）04-0098-09城市热环境是主导城市生态环境的重要因素之一，其最明显的特征就是城市热岛效应1。随着城市持续高速发展和人为热排放快速增加，城市热岛效应不断加剧，在导致城市高温问题频发的同时还伴随着城市大气污染物聚集、户外热舒适性下降等诸多环境问题，严重影响了城市居民生活质量2。阐明城市热岛效应的时空变化特征，揭示其形成机制并提出适应性对策成为气候变化和城市化研究的热点问题3-4。城市热岛强度（urban heat island intensity，UHII）通常指城市与其周围郊区气温的差值，UHII在一定程度上消除局地气候变化的影响，
5、因而用于反映城市化对城乡温度的影响程度2，5-6，其计算方法主要包含遥感反演和气象站资料法7。借助遥感反演技术，以往研究重点关注于解析二维空间格局对城市热岛效应分布的影响8。Yang等9研究了城市建设强度对地表热环境的驱动规律，发现紧凑密集的建筑群更容易导致区域高温。黄亚平等10利用城市管理单元分析了武汉地表温度的空间分异，识别了城市高温区的空间分布及其发展趋势。考虑到遥感观测在反演精度和时间连续性上的局限11，有研究利用局地观测数据，通过空间插值法以分析城市下垫面要素对热岛效应时空分异的影响。骆杨等12发现杭州市主体城市热岛强度最大并向外逐渐减弱，且这一特性会受到居民活动的影响而在每周的周末
6、更为强烈。孟凡超等13探讨了天津市UHII时空分布规律，在空间维度上，市中心为强热岛区并向四周辐射，绿地和水体对UHII增强具有一定缓解作用；在时间维度上，冬季UHII高于其他季节，并以22：00到次日06：00的夜间UHII更为强烈。收稿日期：2023 02 14基金项目：湖北省气象局科技发展基金项目（2021Y12）；武汉市园林和林业局科技基金项目（WHGF2022A05）；中央高校基本科研业务费专项（2662022YLYJ002）刘火胜，E-mail：通信作者：吴昌广，E-mail：刘火胜，李思韬，宛浩凯，等.基于局地气候分区的武汉市城市热岛时空分异特征 J.华中农业大学学报，2023，
7、42（4）：98106.DOI：10.13300/ki.hnlkxb.2023.04.011城市下垫面空间是高度异质且复杂的，由于相关研究难以清晰地描述城市内部异构组成与UHII的关系，使得现有结论仍难以有效运用于基于局部热环境改善的城市规划设计过程。因此，对于空间形态高度异质性发展的大中型城市，有必要精细化区分城市三维空间类型从而有效研究城市复杂下垫面空间对热环境的影响14-15。Stewart等16提出一种基于局地气候区（local climate zone，LCZ）的分类体系，根据地表覆盖、结构、材质和人类活动等因素将城市下垫面划分为10类建筑环境型空间（LCZ 110）和7类自然环境型
8、空间（LCZ AG），为标准化地分析城市内部的热岛效应时空分异特征提供了新思路。相关研究广泛分析了LCZ类型在复杂空间背景和多种时间尺度下的热环境差异，显示了方法的基本合理性17，但仍存在局限。首先，由近地表气温表征的“冠层热岛”对揭示三维空间要素对热环境的综合影响至关重要18，但目前在城市范围内将LCZ与高密度气象资料相结合的工作仍非常有限，这不利于充分理解真实城市内LCZ的热岛强度时空异质性特征。同时，相关研究通常聚焦于评估“LCZ类间”的热环境大小关系以指导规划设计工作，而对“LCZ类内”差异的探索还不够充分17，忽略了外部城市空间结构、建筑布局及自然环境等多种因素对LCZ热环境的潜在影
9、响。随着我国地面自动气象站布设工作的推进，连续多年的气象观测资料为城市热岛精细化气候特征研究提供了数据基础13。本研究以我国中部重要的大型现代城市武汉市为例，利用城市气象观测网络分析武汉市多种LCZ类型在夏冬两季的类间和类内UHII时空分异，为城市热岛效应缓解措施的制定提供参考依据。1材料与方法1.1研究区域武汉市属亚热带季风性气候，具有冬冷夏热和四季分明的特点。随着城市化建设不断推进，武汉形成了以中心城区为核心，6个城市新城环绕的空间格局。中心城区具有“圈层式”的空间结构模式，是市域内城市化程度最高的区域，面积约为905.52 km2，常住人口达700万19。与深圳、杭州等大型城市的快速城市
10、化过程相似20-21，为适应有限的城市用地和人口增长，近年来更加密集的建筑布局和新建高层建筑使得武汉中心城区的下垫面三维空间形态呈现显著异质化特征，进而导致城市内部热环境时空分布特征的高度复杂。1.2数据来源所用气象观测资料来源于武汉市气象部门，包括武汉市中心城区范围内自动气象站20192021年夏（6月至8月）冬（12月至次年2月）两季逐时气温资料（图1）。为尽可能保证气象观测过程的准确性，中心城区所选气象站统一海拔为2030 m，且气象站数据采集信息丢失率低于0.5%21-23。基于此，共选择22处自动气象站点。结合Stewart等16对LCZ空间范围的定义及Zhang等24在武汉市LCZ
11、分区过程中提出的适宜基底单元尺寸，以站点0.5 km直径范围内的缓冲区域进行LCZ分类。结合 Landsat-8城图1 武汉市22处城市气象站空间分布Fig.1 Spatial distribution of 22 urban weather stations in Wuhan第 4 期刘火胜 等：基于局地气候分区的武汉市城市热岛时空分异特征城市下垫面空间是高度异质且复杂的，由于相关研究难以清晰地描述城市内部异构组成与 UHII的关系，使得现有结论仍难以有效运用于基于局部热环境改善的城市规划设计过程。因此，对于空间形态高度异质性发展的大中型城市，有必要精细化区分城市三维空间类型从而有效研究城市
12、复杂下垫面空间对热环境的影响14-15。Stewart等16提出一种基于局地气候区（local climate zone，LCZ）的分类体系，根据地表覆盖、结构、材质和人类活动等因素将城市下垫面划分为10类建筑环境型空间（LCZ 110）和7类自然环境型空间（LCZ AG），为标准化地分析城市内部的热岛效应时空分异特征提供了新思路。相关研究广泛分析了LCZ类型在复杂空间背景和多种时间尺度下的热环境差异，显示了方法的基本合理性17，但仍存在局限。首先，由近地表气温表征的“冠层热岛”对揭示三维空间要素对热环境的综合影响至关重要18，但目前在城市范围内将LCZ与高密度气象资料相结合的工作仍非常有限，
13、这不利于充分理解真实城市内LCZ的热岛强度时空异质性特征。同时，相关研究通常聚焦于评估“LCZ类间”的热环境大小关系以指导规划设计工作，而对“LCZ类内”差异的探索还不够充分17，忽略了外部城市空间结构、建筑布局及自然环境等多种因素对LCZ热环境的潜在影响。随着我国地面自动气象站布设工作的推进，连续多年的气象观测资料为城市热岛精细化气候特征研究提供了数据基础13。本研究以我国中部重要的大型现代城市武汉市为例，利用城市气象观测网络分析武汉市多种LCZ类型在夏冬两季的类间和类内UHII时空分异，为城市热岛效应缓解措施的制定提供参考依据。1材料与方法1.1研究区域武汉市属亚热带季风性气候，具有冬冷夏
14、热和四季分明的特点。随着城市化建设不断推进，武汉形成了以中心城区为核心，6个城市新城环绕的空间格局。中心城区具有“圈层式”的空间结构模式，是市域内城市化程度最高的区域，面积约为905.52 km2，常住人口达700万19。与深圳、杭州等大型城市的快速城市化过程相似20-21，为适应有限的城市用地和人口增长，近年来更加密集的建筑布局和新建高层建筑使得武汉中心城区的下垫面三维空间形态呈现显著异质化特征，进而导致城市内部热环境时空分布特征的高度复杂。1.2数据来源所用气象观测资料来源于武汉市气象部门，包括武汉市中心城区范围内自动气象站20192021年夏（6月至8月）冬（12月至次年2月）两季逐时气
15、温资料（图1）。为尽可能保证气象观测过程的准确性，中心城区所选气象站统一海拔为2030 m，且气象站数据采集信息丢失率低于0.5%21-23。基于此，共选择22处自动气象站点。结合Stewart等16对LCZ空间范围的定义及Zhang等24在武汉市LCZ分区过程中提出的适宜基底单元尺寸，以站点0.5 km直径范围内的缓冲区域进行LCZ分类。结合Landsat-8城图1 武汉市22处城市气象站空间分布Fig.1 Spatial distribution of 22 urban weather stations in Wuhan99第 42 卷 华 中 农 业 大 学 学 报市高清卫星影像及基于Q
16、GIS提取的城市三维空间信息，22处区域气象站点所处空间类型分别对应于9种 LCZ，其中 6 种为建筑空间类 LCZ（包含 LCZ 2、LCZ 3、LCZ 4、LCZ 5、LCZ 6和LCZ 9），3种为自然空间类 LCZ（分别为 LCZ A、LCZ B、LCZ D），涵盖了中心城区常见的空间形态类型（表1）。1.3典型气象日选取城市热岛效应与气象背景条件关系密切，少云、微风的天气条件更适合观测和分析城市热岛的时空变化。本研究采用Oke25提出的天气因子（weather factor，）快速选取符合上述天气特征的气象日，计算公式如式（1）所示：v（kn2）（1）式（1）中v为风速，n为云量，系数k则根据云的种类取值26。其中，代表无热岛效应，而 表明有最大热岛效应。逐时风速来源于武汉气象站，逐时云量和云种类数据来源于中国气象局气象数据中心（https：/ 年夏冬两季分别有157 d（夏 77 d、冬 80 d）、155 d（夏 80 d、冬 75 d）和164 d（夏83 d、冬81 d）符合选取标准。1.4数据分析LCZ的 UHII时空分异特征评估包含类间差异和类内差异2个层面。对于