基于GIS的深圳城市热岛分布特征及对策初探

华杨 张竞予

清华大学/建筑学院 北京 100084

1 深圳城市空间气候特征概述

深圳地处珠江入海口的三角洲东岸，地理位置位于东经113°46’～114°37’，北纬22°27’～22°52’，属于亚热带海洋性季风气候。根据深圳市气象局发布的城市气候公报，深圳市2014年年平均气温为23.2℃，降雨量为1725.5mm，年日照总时数为2034.6小时。

1.1 城市气温空间分布状况

城市气温空间分布状况与城市热岛的分布特征密切相关。根据深圳市气象局网站数据，城市气温分布主要受海拔影响，总体呈现西城区温度高于东城区的特征，平均气温相对较高的区域主要集中在中西部地区和龙岗区北部。（见图1）深圳夏季是最易出现城市高温危害的季节，深圳市入夏较晚，但平均气温高，多炎热天气，夏季平均气温为28.2℃，2014年全年极端最高气温为35.0℃，出现在6月13日和7月9日。

图1 深圳市2014年平均气温分布图（数据来源：深圳市气象局网站）

1.2 城市降水空间分布状况

根据深圳市气象局统计，深圳市降水量平均值为1935.8mm。根据2014年各月降水量分布图（图2），深圳市全年降水分布较为不均，在夏季期间降水量最高，特别是3～5月期间，容易出现暴雨及回南天气，形成连续阴雨天。但是在冬季降雨量显著减少。在空间特征上来看，由于海拔的影响，降水量在整个城市分布也呈现东多西少的趋势，西城区降水量明显少于东城区（见图3），降雨量的多少会对城市热岛形成一定影响[1]。

图3 深圳市2014年平均降水量空间分布（数据来源：深圳市气象局网站）

2 对深圳市热岛特征的研究方法

2.1 GIS遥感信息源的选择

为比较分析深圳市近年来的热岛变化与发展情况，以及热岛的城市空间分布特征，本文选取了具有实时数据查询功能的Landsat卫星遥感数据，Landsat卫星数据不仅包含实时拍摄的具有地理位置信息的卫星地图，还包含卫星温度传感数据。本文中2012年及以前的卫星地图数据来源于Landsat7 ETM+卫星地图数据库，2013年之后的卫星图来源于Landsat8卫星拍摄图。深圳市卫星地图轨道号为：Path121-122，Row44，经过坐标系的转换和投影处理，所选信息源可以满足论文分析需求。在分析过程中还收集了深圳市行政区划及城市空间功能分布的GIS电子地图。

2.2 热传感信息的提取

Landsat卫星信息中自带热红外扫描信息，其原理是通过对地面辐射能量的测量来确定地表辐射强度，通过地表热辐射情况探知地表辐射温度。Landsat热红外扫描仪探知的辐射波段为10.4～12.5μm，这一辐射波段所包含的太阳辐射能量非常微弱，所以这一波段的热红外扫描仪探测的波段绝大部分来自地面的辐射能量，能够准确感知地表辐射，进而测得地表温度情况。本文选取了Landsat卫星信息中深圳市1999年10月5日及2015年10月18日的温度传感信息图，根据热传感卫星图的灰度情况，可得知地表温度的相对关系[2]。

3 深圳热岛效应现状与发展

3.1 热岛效应的成因及危害

城市作为一个人口及活动集中的空间区域，其地表平均温度通常会高于相邻的郊区地区，形成一个形似岛屿的独立的高温区域，被称为城市热岛效应（Urban heat island effect）。对于热岛的最初研究始于19世纪英国气象学家Lake Howard，他在对伦敦市区及郊外气温的对比观测中，发现并提出了城市热岛这一概念。

城市热岛通常会对城市的环境质量造成一系列危害。首先，热岛效应形成的夏季高温导致城市气温的不舒适性，给城市居民的生产和生活带来不便，甚至危害人体健康。深圳地处亚热带气候区，夏季过热是城市气候的最不利体现，因此热岛对深圳城市气候的影响不容忽视。而且，热岛效应不利于城市污染物的排放，城市地面温度的升高，导致城市中烟尘、雾霾等不利污染物不能顺利扩散出去，聚集在城市内部，造成环境污染。另外，高温还容易加剧污染物的转化，增加空气污染情况。另外，城市热岛中聚集的烟尘通过水蒸气的聚集，容易在城市附近形成暴雨等恶劣天气，给城市排水系统带来压力。

改革开放以来，随着我国城市化进程的加快，国内各大城市在近几年到十几年时间内，都经历了明显的热岛效应的增强，深圳市作为国内城市化速度最快的城市之一，其热岛问题作为城市中重要的环境问题之一，需要进行进一步关注和治理。

3.2 深圳城市热岛效应时间发展特征

选取深圳市1999年10月5日至2015年10月18日卫星温度传感信息进行对比，Landsat卫星图中热传感信息非常明确的显示出，在1999年的时候，整个深圳地区的热岛效应特征尚不明显，市区范围内并无明显高温集中情况的出现，同时将温度分布与深圳的海拔地形进行比较，会发现中部偏南地区以及城区东北部分的高温集中情况，但这一原因与热岛效应物馆，而是由山脉海拔高度的影响而导致的。但是到2005年10月18日的热传感信息图显示，城市范围内相较之前能够清晰地看出城市范围内已经形成明显的温度集中区域。但是2010年、2015年乃至2020年，每五年的比较显示深圳城市热岛效应在这十五年间明显加剧。新增城市热岛主要集中在城市西部及中部地区，其中西部地区的城市温度升高最为明显，城东地区的热岛效应没有明显的加剧。

深圳市气象局公布的城市热岛变化数据中也显示了近几年来城市热岛效应呈现加剧的整体趋势（见图4），其中2014年深圳市热岛强度为1.10℃，2013年为0.81℃，2012年为093℃，2011年为097℃，2010年为0.87℃。图4中黑色虚线表示城市热岛强度的总体变化趋势，从中可知近年来深圳市城市热岛强度呈现总体上升的趋势。

图4 深圳市城市热岛强度趋势（数据来源：深圳市气象局）

3.3 深圳城市热岛效应空间分布特征

以2015年10月18日的Landsat温度传感地图为例，城区热岛分布主要集中在西城区及中城区，东城区热岛效应不明显，整体的热岛分布呈现“西强东弱”的分布态势。其中热岛最强的几个地区，从强到弱依次为宝安区、光明新区、龙华区及南山区，福田区、罗湖区温度次之，再次为坪山新区，热岛情况最不明显的地区为大鹏新区。这与深圳各个区的主导产业有一定的相关性，比如宝安区和龙岗区主要发展工业，光明新区主要发展内衣产业和生物制造业，南山区主要发展高新技术产业，造成这几个地区热岛效应更为显著，而福田区和罗湖区主要发展第三产业，而盐田区主要发展现代物流和旅游业，热岛效应较前者有一定缓和。

4 深圳热岛效应与城市绿地空间分布

除了产业分布会影响热岛效应的分布外，在城市中，热岛效应还受到其他众多因素的影响，如植被、水系、建筑密度以及人口密度等都对城市热岛的形成产生影响。本文将结合GIS原理，从城市绿地及城市重要建筑的业态分布两方面对深圳市的热岛成因进行初步分析，探索城市热岛效应与城市空间功能分布之间的紧密联系，并寻求缓解城市热岛效应的具体方法。

城市绿地通常包含城市中的公园、绿化及水系等，城市绿地中的植被及水体不仅具有改善城市环境的作用，还能通过植物及水体的降温作用缓解城市热岛效应；根据研究表明，通过城市绿地植物群落形成的局部微气候能够显著降低地表温度。

通过对深圳城市热岛分布以及城市绿地的相关性，从中可知城市中各个热岛集中区的城市绿化覆盖情况。从中可以得出如下结论：

（1）宝安区、光明新区的北部城区的城市绿地分布相对较少，特别是大面积的城市绿地非常缺乏，绿地仅以一些小型公园及绿化广场形态零星分布出现，虽然在这些公园内部能够形成点状的低温区，但对于周围的降温作用效果不是特别明显，因为这两个地区热岛效应在整个深圳各区中，呈现出最强的趋势。

（2）福田区与罗湖区交界处出现大面积城市绿地，绿地附近热岛效应有明显的缓解作用，可见大面积城市绿地对热岛效应的减缓作用非常明显，大面积绿地对于微气候的形成较小面积的绿地有更为良好的表现。

（3）与绿地相比，城市水系分布情况与城市温度分布相对应，从中可以发现水系与热岛温度呈现明显的一一对应关系，水系的出现对周围热岛温度的降低起到明显的作用。

（4）水面大小与作用的大小同样存在相互关系。大面积水体比小面积水体在热岛效应缓解上存在优势。以宝安区为例，宝安区面积最大的水体为南侧的铁岗水库，铁岗水库及附近水系的存在是宝安区东侧城区温度降低的主要原因。但是，宝安区北侧的一些小水系，如五指耙水库、厚底坑水库等，由于面积过小，对附近城区温度降低几乎不起作用。

5 深圳热岛效应与城市建筑业态分布

城市热岛效应与城区建筑密度、人口密度及交通强度的关系同样密切，为了分析深圳城区业态分布情况，通过深圳城区GIS业态信息与Landsat热感信息图的叠加，对比分析不同功能的城市业态对热岛形成与加剧的影响，进而得出缓解深圳城市热岛的具体措施。

同时通过深圳中重要的公共建筑与热感信息的对比，可以直观地看出热感信息与公共建筑之间的联系。公共建筑方面我们主要选择了重要公建、商业集中地、餐饮功能用地、公交节点、学校、医院六种业态。

5.1 重要公建与城市热岛分布的关系

重要公建与城市热岛分布的关系：罗湖区为城市中重要公建的集中地，其次为南山区。但是从各个城区热岛效应的强度来看，罗湖区的热岛效应强度不高，可见重要公建对城市热岛的加剧并无明显影响。猜测原因为：城市中的重要公建通常需要结合树木、广场等绿化，集中设置供人疏散与活动的绿化活动空间，而且通常此类建筑也不具有较高的建筑密度，因而对城市地表温度的升高影响不如想象中明显[5]。

5.2 商业中心与城市热岛分布的关系

商业中心与城市热岛分布的关系：城区温度与商业中心的分布情况基本符合相互对应的关系，商业越集中的地区，地表温度也越高；商业分散的地区，热岛强度通常也较低。

5.3 餐饮业态与城市热岛分布的关系

餐饮业态与城市热岛分布的关系：与商业中心类似，餐饮业态与热岛分布呈现相互对应的关系。

5.4 公交节点与城市热岛分布的关系

公交节点与城市热岛分布的关系：城市热岛与公交节点的关系并不明显，在公交站分布非常密集的罗湖区、福田区及南山区，热岛强度反而低于公交站分布较为稀疏的光明区及宝安区。推测原因为：汽车尾气排放是城市中的主要热源之一，公交线路较为密集的地区，公共交通较为便捷，整体交通效率较高。

5.5 学校、医疗业态与城市热岛强度分布情况的关系

学校、医疗业态与城市热岛强度分布情况的关系：学校、医疗建筑的分布情况与城市热岛强度分布情况基本对应，由于学校、医疗以及餐饮等分布情况与地区人口密度呈正相关趋势，因此，地区人口集中情况是决定地区热岛强度的重要指标。

6 深圳城市热岛效应解决方法初探

根据上文中对于市区热岛强度的空间及时间分析，Landsat温度传感信息显示深圳市热岛强度最高的地区为西城区，以宝安区、光明新区及龙华区三个城区的热岛效应最为强烈。通过城市绿地、水系及业态分布情况与城市热岛强度的叠加分析可知，以上三个区的热岛产生原因及基本的解决对策探讨如下：

6.1 宝安区与光明新区

宝安区和光明新区的热岛问题主要集中在北区，南区由于城市中大片水系的影响，热岛效应有所减缓。北区热岛强度较大的主要原因为缺乏大片城市绿地及水体，该片区虽然也有一定数量的城市绿地及水系，但是这一片区绿化主要以小面积的公园绿化为主，没有大面积的城市绿地出现，水体也以小型水库等水体为主，没有形成局部的微环境系统。从卫星图中可知，这些小面积的绿化及水体对局部降温没有起到应有的作用。对这一城区的解决措施是，加强绿地及水体的建设，将分散绿地相互联系，形成有一定规模的绿地系统[6]。

6.2 龙华区

龙华区的重要公建分布较少，但商业业态分布较为集中，同时，龙华区作为深圳的主要产业区，形成人口密度相对集中、片区热排放较多的主要特征。龙华片区内绿地分布均衡，且大部分都具有一定的规模，如观澜河生态景区，片区整体绿地系统较为发达，对热岛强度起到非常大的缓冲作用。从图片对比来看，龙华区内水系数量较多，但面积普遍较小，可通过在绿地系统中增加水系面积、加强绿地系统内生态湿地的建设等方法降低片区热岛强度。