1. 引言

21世纪已经步入了快速的城市化发展进程中，城市区域已居住超过50%的世界人口。联合国推断到21世纪中期，将近68%的世界人口将转移到城市[1]。城镇化的推进引发了越来越多的生态问题，例如大气污染、水源污染、能源污染等，特别是城市气候特征中的“热岛效应”，逐渐受到人们的广泛关注。地表温度(LST)是衡量地球表面自然生态环境的重要物理指标，是地球系统水量和能量平衡的重要因素，在全球气候变化、监测和灾害预防、天气预报、城市建设等领域有着重大意义。因此，获取精确的地表温度对于城市建设和生态保护都有极其重要的意义。

传统的城市热岛研究多采用“城乡二分法”，但该方法存在城市局部气候难以全面观测以及无法有效分析土地利用覆盖对城市空间环境的时空影响的短板。局部气候区(LCZ)的提出颠覆了以往仅从城乡二元角度来分析城市热环境的传统思路，为城市热环境及热岛研究开辟了全新的视角。LCZ通过标准化的局部气候数据集与城市形态指标数据集，将局部气候与城市建设联系起来。强调城市内部气候要素特征的异质性，有利于详细了解城市发展与城市环境变化的机制[2]。自从LCZ建立以来，就受到了城市气候与城市规划研究者的广泛关注，并通过研究实践验证了LCZ框架对城市局部气候环境具有良好的区分度。因此，LCZ逐渐成为研究城市形态与城市热岛之间关系的有用工具。应用局部气候分区理论进行城市气候研究，可以实现对城市气候环境的监测、模拟和规划管理，为政府制定热岛效应缓解策略提供科学依据和实践指导[3]。

为此，本文对哈尔滨市主城区从热岛效应和局部气候区角度出发，构建了哈尔滨市主城区的热岛效应和局部气候区图像，并进行分析。其结果有助于更好更精准地为缓解城市热岛效应提供科学依据和实践指导。

2. 数据来源与方法

2.1. 研究区概况

哈尔滨(44˚04'~46˚40'N, 125˚42'~130˚10'E)是黑龙江省首府，中国东北地区的政治、经济和文化中心。据2022年《哈尔滨统计年鉴》(https://www.harbin.gov.cn/haerbin/)显示，哈尔滨拥有943.2万居民，GDP 5351.7亿元，是一座现代化大都市。哈尔滨属于冬长夏短的中温带大陆性季风气候区，具有冬长、冬冷、夏短的特点。然而，近20年来，哈尔滨正处于高速城镇化进程中，人口密集，用地变化剧烈，城镇建设用地面积不断扩大，热岛效应日趋严重，给城市热环境和生态安全带来巨大威胁。因此，本研究选择哈尔滨市主城区(包括南岗区、道里区、道外区、香坊区、平房区、松北区、呼兰区)作为研究的区域。

2.2. 数据来源

本研究拟利用GEE (Google Earth Engine)平台，以6~8月为研究对象，对哈尔滨夏季地表温度进行观测。地表温度来源于“LANDSAT/LT08/CO₂/T1_L2”数据集。该地表温度由Landsat8卫星遥感影像反演，并经辐射校正和大气校正。

2.3. 研究方法

2.3.1. 地表温度反演

本文基于GEE (Google Earth Engine)对研究区地表温度变化开展研究。该地表温度由Landsat8卫星遥感影像反演，并经辐射定标和大气校正。通过GEE中的掩模函数对云覆盖区域进行掩模，并通过中值合成多个LST。剩余空白处使用临近像元插值法进行插值。

(1) 辐射定标

由于遥感卫星上搭载的用于获取地面地物信息的遥感器在接受实际地物辐射或者反射的电磁能量时，记录在传感器设备中的地物光谱信息与实际地物的反映信息不一致，遥感卫星搭载的传感器本身光电特征以及太阳高度、地物地形以及大气环境都会引起光谱信息的失真。辐射定标的目的是把图像上的DN值转为辐亮度或者反射率。

(2) 大气校正

遥感传感器所接受到的所有地物光谱信息都必然要与地球大气层发生相互作用，大气中的物质在地物反射光谱信息被遥感卫星传感器捕捉到以前，此阶段可以反射或者折射地表物体发出的短波辐射，这就使得接受到的信息和实际的地表信息产生了信息差异，大气校正目的是消除或减少大气对图像的干扰。

2.3.2. 局部气候区的分类

局域气候区(LCZ)是一种在局域尺度上具有不同的地表覆盖、结构、物质及人类活动等特征的区域。LCZ由10个建筑物类别及7个自然土地类别组成。Stewart和Oke (2012)在研究中提供了更加详细的信息[4]。LCZ作为一种新兴的空间分析方法，可以为城市规划者了解城市空间结构、结构、空间分布等特征，进而指导城市空间结构与气候变化[5]。本文拟利用LCZ生成工具(https://lcz-generator.rub.de)，对2021年度LCZ进行分类。LCZ Generator基于世界城市数据库和访问门户工具(World Urban Database and Access Portal Tools, WUDAPT)，采用Landsat、Sentinel、全球森林冠层高度、数字高程模型等多种数据源，利用随机森林对LCZ进行分类。首先在Google earth中提取训练样本，再把训练样本进行局部气候区的划分，其中70%的样本用来进行分类，30%用来检验结果的准确性。采用综合分类精度(OA)、城市类别综合精度(OAu)、建筑与自然类型综合精度(OAbu)和加权精度(OAw)四个评价指标来衡量LCZ的准确性。

3. 结果与分析

3.1. LST反演结果

利用GEE (Google Earth Engine)对6~8月的LST进行反演，相比于前人的针对于某一天的Landsat影像进行LST反演提高了结果的准确性，结果表明得到了哈尔滨市主城区的LST。如图1所示，结果显示，哈尔滨市主城区的热岛效应主要集中在城市的西南部，以松花江为界限南北两侧分布。其中最高温度为42℃，最低温度为18.1℃，平均温度为29℃。

Figure 1. Surface temperature inversion results

图1. 地表温度反演结果

根据哈尔滨市主城区的LST反演结果，利用均值-标准差法对地表温度进行分级，均值-标准差法是利用地表温度均值和不同标准差倍数的组合来划分地表热场，从而实现城市热岛的有效界定，标准差反映了温度相对于平均温度的偏离程度。此划分方法能在一定程度上消除因天气和大气状况产生的背景差异，提高不同时相地表温度数据的可比性，与城市的实际地表热环境情况相一致，在热岛面积和热岛的表现细节上都更贴切。将研究区域分为高温区、次高温区、中高温区、中温区、中低温区、次低温区、低温区7个热力等级类型，其中高温区、次高温区定义为热岛区。热力等级划分标准如表1所示。

Table 1. Definition of heat island area limit

表1. 热岛区限界定

哈尔滨市热力等级分布情况如图所示。由图2可以看出，高温区除了分布在建筑物比较密集的建成区之外，还零散分布在建筑物相对密集的市辖区及村镇。次高温区、中高温区主要分布在高温区与中温区的过渡区，分布在建成区内部的敞开空间以及受太阳辐射升温迅速的裸露地表部分。中温区面积比重最大且分布范围最广，主要以耕地类型为主，耕地地区空旷且耕种作物，具有良好的降温效果。次低温、中低温区主要集中在水体及水体周围的草地、林地部分。低温区主要集中在植被茂盛的山区林地。

哈尔滨市热岛效应主要集中在中部地区，松花江以南，包括道里区、道外区、南岗区、香坊区、平房区。这些地区分布着火车站、大量居住区和工业区，其中，居住区的热岛效应比较明显；除了主城区以外，由于裸露地表受太阳辐射升温迅速，高温区还分布在部分耕地和沙滩地带。中温区主要分布在耕地部分，包括呼兰区、松北区，呈大面积连片分布。低温区主要分布在松花江流域两侧。

Figure 2. Heat island distribution map

图2. 热岛分布图

3.2. 局部气候区分布图

本研究采用综合分类精度(OA)、城市类别综合精度(OAu)、建筑与自然类型综合精度(OAbu)和加权精度(OAw)四个评价指标来衡量LCZ的准确性。研究发现，哈尔滨市主城区的OA、OAu、OAbu、OAw值分别为0.88、0.70、0.99、0.97。分类结果的高准确性使得LCZ的研究成为可能。构建LCZ分布图，如图3在主城区尺度上，LCZ1占比1.3%，LCZ2占比0.6%，LCZ3占比1.4%，LCZ4占比4.2%，LCZ5占比2%，LCZ6占比9.5%，LCZ8占比0.2%，LCZ10占比0.6%，LCZA占比0.9%，LCZB占比6.8%，LCZD占比63%，LCZE占比0.1%，LCZF占比0.7%，LCZG占比8.6%。由此可得，LCZD占比最高，因为哈尔滨市拥有大量的农田和低矮型植被；建筑类型的分布主要集中在城区，在南岗区、道里区、道外区、香坊区还有松北区南部分布广泛，这也是构成城市热岛的主要因素，LCZA和LCZB在城市之间交叉分布，LCZG主要以贯穿城市的松花江为主，这也是城市热岛的低温区所在区域。

3.3. 局部气候区下热岛强度分布

前人的研究基于传统的土地利用类型(不透水地表、裸地、绿地、农田和水体)来结合热岛问题进行研究，本文利用局部气候区与哈尔滨市主城区的热岛分级图结合对比分析，发现LCZ1主要分布在中高温区、次高温区；LCZ2主要分布在次高温区和高温区；LCZ3主要分布在次高温区、中高温区和高温区；LCZ4主要分布在中高温区和次高温区；LCZ5主要分布在次高温区、中高温区和高温区；LCZ6主要分布在中高温区和次高温区；LCZ8主要分布在次高温区、高温区和中高温区；LCZ10主要分布在次高温区和中高温区；LCZE主要分布在高温区、次高温区和中高温区；LCZF主要分布在中高温区。通过利用局部气候区(LCZ)可以有效的从资源配置的角度来改善缓解城市热岛效应现象，本研究建议改善LCZ1、LCZ2、LCZ3、LCZ4、LCZ5、LCZ6、LCZ8、LCZ10、LCZE和LCZF的建筑空间形态或在这些能促进热岛效应的建筑类型中增加适当的降温冷却绿地，用来改善缓解建筑类型所产生的热量，从而减少热岛效应的强度。

Figure 3. Distribution map of local climate zone

图3. 局部气候区分布图

4. 结论

(1) 利用GEE (Google Earth Engine)对6~8月的LST进行反演，结果的准确性提高，表明哈尔滨市热岛效应主要集中在中部地区，松花江以南，包括道里区、道外区、南岗区、香坊区、平房区。这些地区分布着火车站、大量居住区和工业区。

(2) 局部气候区(LCZ)研究表明，LCZ中LCZD占比最高，因为哈尔滨市拥有大量的农田和低矮型植被；建筑类型的分布主要集中在城区，在南岗区、道里区、道外区、香坊区还有松北区南部分布广泛，LCZA和LCZB在城市之间交叉分布，LCZG主要以贯穿城市的松花江为主。

(3) LCZ中的建筑类型是主要构成热岛效应的原因，大规模的人工建设、密集建筑都会产生城市热岛效应，而绿地和水体等自然要素能减缓城市热岛效应。需增加绿化覆盖面积、改善建筑材料和结构、推广节能减排技术等，以降低城市的热岛效应，保护城市环境，提高城市居民的生活质量。

参考文献