基于衛星遙感的城市熱島效應體檢評估*
——以武漢市為例

劉慧民 馬箏悅 李 淼 何寶杰 LIU Huimin, MA Zhengyue, LI Miao, HE Baojie

0 引言

城市化過程改變了建成區的下墊面性質，高密度的建設與人口的集聚進一步阻礙了城市通風、增加了人為排熱，導致城市普遍出現了溫度明顯高于郊區的熱島效應[1-2]。在全球氣候變化的背景下，熱島效應疊加極端高溫熱浪給城市居民健康與能源負荷造成了巨大威脅[3-4]。因此，如何減緩熱島效應并降低相關氣候風險，已成為新時代城市高質量發展必須面對的重要挑戰。目前，熱島效應減緩已被明確列為多個城市高質量建設目標的評價標準，比如，《綠色生態城區評價標準》與《健康城區評價標準》要求合理控制城區的熱島強度[5-6]，《海綿城市建設評價標準》更是直接將熱島減緩作為海綿城市建設成效的評價標準之一[7]。

城市體檢評估作為引導我國城市高質量發展的重要制度創新，是科學診斷與精準治理城市熱島問題的重要抓手。城市體檢評估，通過監測、分析并評價城市發展現狀，及時揭示城市空間治理中存在的問題與短板，可為“城市病”的針對性治理提供決策支撐[8-9]。2022年，由生態環境部、國家發展和改革委員會等17部門聯合印發的《國家適應氣候變化戰略2035》中，明確提出了要強化城市氣候風險評估，建立健全“一年一體檢、五年一評估”的城市體檢評估制度[10]，為熱島效應的精準應對提供了新思路?；诔鞘畜w檢評估“掌握病情—識別病變—開出藥方”的常態化與周期性工作模式，可以精準識別建成區內熱島問題嚴重及熱暴露風險高的區域，掌握這些區域及其他重點關注區域熱島強度在相關規劃建設實踐下的變化特征，并統籌城市規劃建設管理來系統協同、因地制宜地開展空間治理，從而將熱島減緩的需求與目標深度融入國土空間規劃體系。

城市體檢評估的全局化、常態化特征，對城市熱環境在監測數據方面提出了可獲取性高與空間覆蓋全的要求?；谛l星遙感獲取的地表溫度數據，相較于傳統的氣象站點溫度數據而言，具備獲取成本低、覆蓋范圍廣、空間分辨率高以及空間連續性強等優勢[10-12]，在熱島效應的監測與評估方面得到了廣泛應用[13-15]，可作為熱島效應體檢評估的重要數據支撐。地表溫度數據的這些特性，使得我們可以針對整個建成區開展全面、系統的體檢評估，并基于多尺度的差異化分析來提高熱島問題嚴重區域及其成因識別的精細化水平[16]。

深刻認識熱島效應時序變化的復雜機理，是提升體檢評估科學性與規劃決策精準性的關鍵基礎。受到城市化與多尺度氣候變化之間復雜交互作用的影響，城市氣候變化在時間上呈現出了高度的動態性與不確定性[1,17]，導致不同年份獲取的熱島強度數據不具備直接的可比性。然而，這種復雜時序變化機理對城市規劃工作者形成的知識壁壘，導致多地的熱島效應體檢評估實踐均在未經嚴格數據篩選與處理的前提下，對不同年份的熱島強度數據進行了直接的對比[18]，嚴重影響了相關規劃決策的質量。此外，在城市發展的同時，鄉村地區的溫度在人類活動（如開發建設活動、植樹造林等）的干預下也在不斷變化[2,19-20]，這也會直接影響熱島強度計算的準確度，進而影響時序評估的精準性。因此，亟需優化熱島強度相關數據篩選與處理的流程與方法，最大程度控制氣候、鄉村等城市外部要素的干擾，加強不同年份數據之間的可比性，提升熱島效應體檢評估的精準度。

武漢是曾經的“四大火爐”之一，也是我國氣候適應型城市建設的首批試點之一[21]，亟需依托體檢評估制度來優化其熱島問題空間治理的路徑。為減緩熱島效應并提升武漢市的宜居水平，武漢市當地政府提出了多個層面的規劃應對策略并積極開展實踐。比如，宏觀層面，基于六大綠楔構建城市通風廊道，將郊區的涼風引入城內[22]；中觀層面，推進城市慢行系統的綠色景觀建設，在公路、街道、環線等排熱集中區域增加綠化[23]；微觀層面，在道路、居住區、公園等地設置海綿城市試點，調節城市微氣候[24]。然而，武漢市在熱島減緩策略實施與不合理城市建設的共同影響下，其建成區內部的熱島強度變化呈現出較大的空間差異性。本研究將基于衛星遙感數據開展武漢市建成區多個尺度下的熱島效應體檢評估工作，根據熱島強度與熱暴露風險的空間差異及其時序變化，評估相關熱島減緩策略的實施效果，并識別重點治理區域，引導未來的城市熱環境空間精準治理。

1 研究區概況

武漢市是中國中部地區的特大城市，屬亞熱帶季風氣候，夏季酷熱潮濕。2020年，武漢市建成區面積為1 217.85 km2，同比2016年擴張70.66%；常住人口1 244.77 萬人，與2016年相比增加15.62%[25-26]。特殊的地理環境與快速的城市擴張導致武漢市熱島效應顯著，亟需依托體檢評估制度，展開精準治理。本研究選用2020年武漢建成區作為研究區域，涵蓋了武漢市主城區與部分新城（圖1）。

圖1 研究區區位圖Fig.1 the location of the study area

2 數據處理與研究方法

2.1 數據處理與干擾控制

本研究所使用的多源數據包括：陸地衛星8號（Landsat 8）遙感影像數據，來自于美國地質勘探局（USGS）（https://earthexplorer.usgs.gov/），其空間分辨率為30 m，用于反演得到地表溫度數據；全球人口統計數據，來自全球人口數據（WorldPop）（https://www.worldpop.org/），其空間分辨率為100 m，用于表征研究區域的人口分布狀況；氣象站點數據，來自美國國家氣候數據中心（NCDC）(ftp://ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/noaa/isd-lite/），包括氣溫、風速、降水量等信息，用于表征不同數據采集日期的天氣狀況。

本研究將執行嚴格的數據篩選，以最大程度控制氣象氣候變化對熱島效應精準評估帶來的干擾。首先，在2010—2020年的11個年份中，2016年與2020年是美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）發布的2021年全球氣候報告中明確的全球地表溫度最高的年份[27]，宏觀氣候背景相似。因此，選擇這兩個年份的遙感影像進行時序評估，可最大限度地降低宏觀氣候波動帶來的影響，增強數據的年際可比性。其次，根據武漢歷史氣象數據與已有研究成果[10,28]，7月和8月是武漢市最熱的月份，也是熱島效應最顯著、對居民健康造成威脅最大的時間，選用該時間范圍的遙感影像最具典型代表性，可避免地表溫度季節性波動給時序評估帶來的干擾。最后，結合氣象站點提供的空氣溫度、濕度、風速等數據，篩選出良好穩定天氣狀況下采集的影像，進一步控制日際偶然氣象波動的干擾。綜合以上考量，最終選取2016年7月23日與2020年8月3日采集的陸地衛星8號（Landsat 8）影像，進行輻射定標、幾何校正、大氣校正、圖像裁剪等預處理，用于后續的體檢評估工作。

2.2 熱島強度計算

研究使用大氣校正法對遙感影像進行反演[29]，得到地表溫度（Land Surface Temperature，LST），其計算公式如下：

式中，LST為地表溫度（單位：℃）；b10為同溫度下的黑體輻射亮度值（單位：W/(m2·sr)）。

考慮到城市地表溫度本身受多尺度氣候波動的影響大，其絕對值的年際變化難以表征城市建設的實際影響，研究選用表征城鄉溫度差值的地表熱島強度（Surface Urban heat island Intensity, SUHII）來開展體檢評估，其計算公式如下[30]：

式中，SUHIIi表示城市第i個像元的熱島強度（單位：℃），LSTUi表示城市第i個像元的實際地表溫度，LSTS表示鄉村參照區域的平均地表溫度。其中，鄉村參照區域的選擇也會影響熱島效應體檢評估的精準度[2]，比如，開發建設活動會提高鄉村區域的溫度，導致熱島強度被低估；植樹造林會引起鄉村區域降溫，使熱島強度被高估。因此，為控制鄉村要素的干擾，選用武漢建成區外、夏季地表性質穩定的耕地與林地作為鄉村參照區域。

2.3 體檢評估框架與流程

本研究構建了“干擾控制—變化診斷—風險評估—規劃應對”的熱島效應體檢評估框架。其中，干擾控制主要體現在前期的數據選擇與預處理，后續的評估流程如下。

首先，基于圈層分析等手段評估武漢市熱島強度的空間分布與時序變化特征，從而識別局地熱島嚴重的區域。具體在圈層維度的分析中，基于ArcGIS“Feature to point”工具獲取研究區域的幾何中心，并將其作為圈層分析的中心點，使用圈層分析工具以500 m的間隔對研究區進行分層，并計算研究區各圈層的平均熱島強度，生成熱島的圈層分布圖，從而測度熱島的圈層空間格局特征[31]。

其次，基于人群在極端熱島區域的暴露風險評估，生成熱暴露風險圖?；跓釐u分級與評估結果，分別識別出“極高熱島”與“高熱島”區域，以及在此基礎上在2016—2020期間熱島問題進一步惡化的區域，參照國內外相關實踐案例，將人口密度大于100人/km2的區域劃為人口密集區，并進一步定位人口密集且快速增長的地區[32-33]，最終得到需要優先管控的熱脆弱性區域。

最后，基于已有的面向熱島減緩的研究成果與優秀實踐，針對重點管控區域在熱環境建設方面存在的問題，從不同層面（總體規劃、詳細規劃、規劃管理）因地制宜地提出規劃建議。

3 武漢市熱島效應體檢評估

3.1 基于像元的城市熱島效應體檢評估

武漢市2016年與2020年熱島效應的體檢評估結果顯示，兩個年份熱島強度呈現出較為相似的空間格局，但是2020年熱島的強度與空間范圍更大（圖2a）。針對2020年的體檢工作發現，武漢熱島強度呈現出“內外雙高、局部集聚”的分布態勢，其中高值區域主要位于城市工業園區，如東北方向的武鋼工業園、西部的古田工業園、西南方向的沌口工業園以及南部的白沙工業園等。此外，武漢的老城區也呈現出較為顯著的熱島效應，特別是漢口的老租界區與武昌的曇華林等高密度區域。2016—2020年的時序評估結果顯示（圖2b），武漢市面向熱島減緩的規劃舉措取得了初步成效，具體熱島減緩的區域主要分布在楊春湖片區及二環線以西，在武漢市推動城市更新、棚戶區改造以及東湖綠心規劃等政策驅動下，區域內原有高密度老舊小區更新改造成了綠色宜居的商務區[34-35]。而熱島惡化的區域主要分布在三環線附近的工業園及快速擴張的建成區外圍，尤其是南部與西北方向。

圖2 武漢市2016、2020年局地熱島強度空間分布及其時序變化圖Fig.2 the spatial distribution of the local heat island intensity in Wuhan in 2016 and 2020,and the corresponding temporal variation

考慮到武漢市2016年與2020年的熱島強度沿環線呈現出一定的分布規律，因此，借助圈層分析進一步刻畫熱島強度的空間格局并開展相應的時序評估。研究區共劃分53個圈層，按各圈層到幾何中心的距離，將研究區域分為內環（0—8 000 m）、中環（8 000—13 000 m）、外環（13 000—26 500 m），并將熱島強度按照均值—標準差法[36]分為3級，其中，分級越大，表示熱島強度越高。

武漢市2016年與2020年圈層維度的體檢結果顯示（圖3a），兩個年份的熱島強度均呈現出“內外雙高，中間塌陷”的“U”型圈層式分布。內環與外環多為3級熱島，熱島強度較高，中環1級與2級熱島交替出現，熱島強度較低。這與武漢市特殊的地理環境有一定關系，中環內存在多個大型湖泊，“大江大湖”的生態格局抑制了熱島的貼近式蔓延，使城市的熱量無法在大尺度范圍內持續堆積，因此圈層分析顯示熱島強度在內環外圍開始衰減，形成一個相對穩定的“U”型結構。圈層維度的時序評估結果顯示（圖3b），2016—2020年熱島強度變化呈現出從核心向邊緣圈層遞增的趨勢。內環的熱島強度較為穩定，該區域為武漢城市功能的核心區，包括洪山廣場、江漢路、漢正街等城市副中心，經過多輪規劃實踐后，城市建設完備，熱島強度得到了一定控制。中環的熱島強度出現了明顯的增強趨勢，雖然該區域湖泊眾多，可以起到一定的降溫作用，但是武鋼、沌口等發展迅速的工業園區都坐落于此，致使中環的熱島強度出現了一定增長。外環的熱島強度增長劇烈，位于建成區外圍，是城市向外擴張過程中開發建設活動增長最為迅速的區域。

圖3 武漢市2016、2020年各圈層熱島強度空間分布及其時序變化圖Fig.3 the spatial distribution of the local heat island intensity in Wuhan in 2016 and 2020,and the corresponding temporal variation based on circles

3.2 基于控規單元的主城區熱島效應體檢評估

考慮到從城市尺度評估熱島現狀，在刻畫主城區內部熱島問題空間差異上存在一定的不足，研究進一步基于控規單元對主城區開展熱島效應體檢評估，從而精準定位問題區域，提高規劃治理精準性。為更好地呈現武漢市熱島強度的空間異質性，同時真實反映熱島強度的空間格局，將熱島強度分為10個等級（圖4）。

圖4 武漢市主城區2016、2020年控規單元熱島強度空間分布及時序變化圖Fig.4 the spatial distribution of the local heat island intensity in the main urban areas of Wuhan in 2016 and 2020, and the corresponding temporal variation based on regulatory units

研究發現，在控規單元尺度下，2016年與2020年熱島強度均呈現出顯著的空間異質性（圖4a）。與城市層面的評估結果進行對比，高值區域仍主要集中在工業園區及漢口、武昌等地的老城區。2020年平均熱島強度高于8 ℃的控規單元數量相較2016年從1 435增加至1 609個，增長幅度為12.1%。熱島強度本身的變化幅度較?。▓D4b），大部分控規單元的熱島強度變化范圍在-2～2 ℃之間，在三環南側附近的四新副中心與白沙工業園區處熱島強度增加幅度較大，楊春湖片區與徐家棚街道等區域的熱島呈現明顯的減緩趨勢，與城市尺度的結論一致。結合歷史遙感影像對熱島變化典型區域的特征進行分析，發現熱島惡化區域的主要是由綠地變為裸土或高層住宅樓；熱島減緩區域則是由裸土變為綠地、從高密度住宅區變為低密度住宅區等，與老城區的更新改造有關。

3.3 熱暴露高風險區域識別

基于前文的熱島強度體檢評估結果，將極高熱島（12～18 ℃）、高熱島（8～12 ℃）區域作為規劃管控的重點區域，并結合其具體時序變化情況進行進一步的分級，識別熱島繼續惡化區域。在此基礎上，按照人口密度>100人/ km2的標準劃定人口密集區，并進一步識別人口持續增長的區域，最終得到人群熱暴露風險的評估結果（圖5）。

研究發現武漢市主城區在熱暴露風險方面存在嚴重的區域失衡。其中，極高熱島的控規單元數量為412，占總數的17.22%，這些區域主要為工業園區，其中處于熱島惡化階段的有73個，主要是建筑體量大、集中分布的大型廠房；高熱島控規單元數量為1 407，主要分布在極高熱島周邊臨近區域與老城區，其中有9.74%的熱島在惡化，這些區域主要集中在工業園區附近與武漢東站周邊。此外，熱暴露高風險區主要分布在二環線以內的老城區，尤其是漢口的老租界區與武昌的司門口片區，其中極高熱島—人口密集區共計219個，占比9.16%，高熱島—人口密集區共計693個，占比28.97%，區域內近40%的人群暴露在極端高溫環境中，其生命健康受到了嚴重的威脅。其中，有299個控規單元的人口在2016—2020年期間不斷增長，需將其作為優先管控的重點區域，采取合理的規劃手段進行積極應對。

4 面向熱島減緩的武漢市規劃修編建議

研究根據上述體檢評估分析結果，總結了武漢市的主要熱島問題及其關鍵驅動因素，并系統梳理了基于定量化分析的多尺度熱島效應形成機理以及全球各地的熱島減緩對策與實踐，作為面向熱島減緩的綜合性規劃修編依據。并在此基礎上，制定了總體規劃、控制性詳細規劃與規劃管理等多層級規劃協同的武漢市熱島效應空間治理策略體系。

4.1 重點管控區域的熱島驅動因素

研究基于多尺度體檢評估分析結果，明確了武漢市的主要熱島問題及需重點管控的區域，并結合武漢市相關規劃建設情況及已有文獻研究梳理總結了對應區域的關鍵熱島驅動因素（表1）。針對2020年開展的熱島體檢結果顯示，武漢市熱島最嚴重的區域主要為城市工業園區與老城區。其中，城市工業園區在生產運作中從動力排熱、煙囪排熱、散熱器排熱、冷卻水排熱等多個途徑排放出大量的人為散熱，使其溫度快速升高，形成局地極強熱島[37]。老城區建筑密度高、綠地面積嚴重不足，且城市通風條件差，不利于該區域的熱量疏散[38-39]。此外，老城區人口密度高，道路密度大，空調散熱與汽車尾氣排放也是其溫度升高的重要原因[40]。尤其是二環線以內的老城區，因其較高的人口密度進一步導致了熱暴露的高風險?；?016—2020年的熱島強度時序評估發現，武漢市熱島惡化最嚴重的區域主要分布在城市工業園區、建設中的武漢東站以及三環外的建成區邊緣。隨著城市的快速發展與擴張，混凝土、柏油路面等人造地表取代了自然地表，熱容量變大，反照率變低，導致吸收熱量變多，散失熱量變慢，從而導致地表溫度升高，熱島惡化。這些熱島惡化的區域與《武漢市城市總體規劃（2017—2035）》提出加強區域一體化建設，大力發展西南的武仙城鎮發展廊道、南部的武威城鎮發展廊道[41]，以及《武漢市土地利用和空間布局“十三五”規劃》中推進新城中心、工業園區等重點功能區建設等規劃策略相吻合[42]。

表1 武漢市熱島效應體檢評估的“問題識別—驅動因素”總結Tab.1 summary of the “problem identification-driving factor” of the examination and evaluation of urban heat island effect in Wuhan

4.2 多層級規劃協同的應對策略

研究對多尺度、多類型的熱島效應驅動要素及相應減緩對策進行系統性的梳理與總結（表2），為多層級規劃協同的熱島問題綜合治理策略的提出提供科學理論依據。到目前為止，國內外學者基于大量的定量化研究，在不同尺度下提出了一系列可行的面向熱島減緩的規劃策略。比如，城市總體規劃的尺度上，強調要合理規劃城市布局，并鼓勵多中心的城市發展模式[20,43]；優化城市生態布局，結合城市的主導風向構建通風廊道[44]；調整城市用地布局，淘汰或升級高能耗、高熱排放工業[45-46]。在控制性詳細規劃的尺度上，加強綠化建設，增加植被覆蓋度與豐富度，推廣屋頂綠化等[47-49]；優化建筑布局與建筑形體設計，采用高反照率的材料對道路及建筑表面進行鋪裝[50-51]。此外，規劃管理層面，完善高溫監測預警機制[3]、制定應急預案與用電補償方案[52]、開展遮陽專項建設[53]等。

表2 多層級規劃協同下的武漢市熱島問題綜合治理策略與科學依據總結Tab.2 summary of the comprehensive governance strategies and scientific basis for the heat island problem in Wuhan under multilevel planning collaboration

研究在以上熱島形成機理與減緩對策總結的基礎上，結合武漢市具體的體檢評估結果，提出了總體規劃、控制性詳細規劃與規劃管理等多層級規劃協同的綜合治理策略體系。

第一，總體規劃層面，堅持多中心的城市發展模式，積極推進《武漢都市發展區“1+6”戰略實施規劃》的落實[54]，優化城市空間結構，保護武漢市現有生態格局。針對建成區南部與西部熱島嚴重的現狀，要做好后官湖、青菱湖、湯遜湖等生態綠楔的保育工作，并加強相應的通風廊道建設，更好地將郊區的涼風引入城內，從而減緩局部熱島。對于集中分布、熱島嚴重的工業園區，需淘汰或升級高能耗、高熱排放的工業產業，并通過提高綠地率與增加開敞空間的方式打破其連片格局，防止高溫集聚。

第二，控制性詳細規劃層面，加強綠化建設，增加綠地面積與植被豐富度，采用高反照率的屋頂與路面鋪裝以減緩熱島；優化建筑布局與建筑形體設計，改善局地通風條件。對于工業園區，要積極響應“雙碳”戰略，推動園區向先進制造業基地的轉型升級；除提高綠地率外，應增設綠化隔離帶來降低工業排熱對鄰近區域及周邊居民的影響。對于高密度低矮建筑的老城區，要響應《武漢市國土空間“十四五”規劃》《武漢市城市總體規劃（2016—2030）》等控制主城區人口規模的要求[55-56]，通過制定土地優化調整政策等措施引導主城人口疏解。針對改造空間有限、改造成本較大的區域，可結合海綿城市專項規劃，通過立體綠化和垂直綠化等方式增加綠化，并增加小型人工水體，輔助降溫。

第三，規劃管理層面，參照西方發達國家的成功經驗以及國內的優秀實踐，完善高溫監測預警機制。做好極端高溫熱浪來臨時的應急預案與用電補償方案，并及時向居民傳達高溫預警信息與應對措施。對于處于二環線以內熱暴露高風險區域的人群，特別是老人、兒童等弱勢群體，要聯合街道與社區建立高溫應對幫扶機制，采取針對性的防護措施，因地制宜地應對高溫。開展遮陽體系專項規劃與建設，降低弱勢群體室外高溫暴露機會及相應健康風險。

5 結語

本研究探索構建了“干擾控制—變化診斷—風險評估—規劃應對”的熱島效應體檢評估框架，并以武漢市為例，依托衛星遙感數據對其2016—2020年夏季的熱島效應開展了多尺度體檢評估。結果顯示，武漢熱島效應呈現出“內外雙高，局部集聚、中間塌陷”的“U”型圈層式分異結構。2016—2020年，熱島區域面積與強度均呈現增長趨勢，且增加幅度由中心向外逐漸升高。城市工業園區與老城區熱島效應顯著，惡化趨勢明顯，其中，老城區面臨的熱暴露風險也很高，尤其是漢口老租界區與司門口，當地居民的日常生活與身體健康受到了很大威脅。結合熱島效應體檢評估結果與已有熱環境影響機理研究，針對性地提出了武漢市面向熱島減緩的規劃建議?？傄帉用?，優化城市空間格局，加強后官湖、青菱湖等生態綠楔的保育工作，優化相應通風廊道的建設?？匾帉用?，加強綠化建設，推動產業轉型升級與城市的更新改造，對于如工業園區、城市核心功能區等城市形態改造空間有限的區域，通過增加屋頂綠化、采用高反照率的鋪裝材料等方式來減緩熱島。規劃管理層面，完善高溫監測預警機制，做好極端高溫熱浪來臨時的應急預案，加強對老租界、司門口等熱暴露高風險地區弱勢群體的高溫幫扶力度，積極開展遮陽專項規劃等。

本研究基于衛星遙感數據，通過嚴格的數據篩選與科學的處理方法，最大程度地控制了多尺度氣候變化與鄉村參照區域選擇對熱島強度時序變化精準評估的干擾，保障了體檢評估的科學性與準確度。但需要指出的是，盡管熱紅外遙感在城市及其內部多尺度體檢評估上具備不可替代的獲取成本低、覆蓋范圍廣以及空間連續性強等方面的數據優勢，其采集到的城市表面溫度，與實際影響人體舒適性的空氣溫度并不完全一致。未來可基于地表溫度體檢評估結果，在重點區域結合空氣溫度數據深化熱暴露風險評估。此外，本研究使用的人口分布數據不包含年齡、出行行為、工作性質（室內外）等特征，未來將獲取更詳細的人口數據，以便精準評估居民在不同情景下的熱風險狀況，提高城市高溫健康風險規劃應對的針對性。

圖表來源：

圖1-5: 作者繪制

表1-2: 作者繪制