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城市热岛(Urban Heat Island，UHI)是指由于城市建筑及人类活动引起热量在城区空间范围内积聚，导致城郊间温差明显的现象[1]，通常用城、郊间温度的差值作为热岛强度的表征指标. 21世纪以来，我国城市化进程发展迅速，城市化水平由2000年的36.22%上升至2018年的59.58%[2].城市化通过基础设施建设、完善高质量教育配置、健全医疗和社会服务体系、优化休闲活动及资源、提供就业机会等诸多方式[3]，推动社会进步和经济发展的同时，也引发了一系列城市内部结构的变化，诸如城市人口规模扩大，城市高层建筑增多，机动车辆、人为热源激增以及城市用地性质变迁等，改变了城市内部热属性，加剧了城市热岛效应[4-5].作为城市热环境的显著表现之一[6]，热岛效应实质上是一种人类活动引起的热环境污染，其在加剧城市局地高温气候事件发生频率和强度的同时，也改变了城市内部物候[7]，加剧了城市大气污染[8]，危害了人体健康[9-10].此外，热岛效应还增加了空调降温所产生的能耗[11]，继而引发新的高温灾害，形成恶性循环.对城市热岛效应的动态变化进行有效监测和科学合理管控是当前城市高质量发展亟需解决的重要问题之一.
国内外学者对热岛效应影响机制、减缓理论及措施开展了大量研究.目前采取的减缓措施主要包括两类：一是通过降低能源消耗来减少人为热量的排放.该类措施往往涉及到城市经济发展方式转型及人类生活方式的转变等诸多经济社会方面的复杂问题，短时间内较难实施.二是通过调整城市设计和结构相关因素，包括提高屋顶及道路等的表面反照率[12-13]，增加城市植被覆盖(屋顶绿化、城市公园、街道绿化等)[14]，制定减少空调及小汽车等人为热的排放政策[11]等方面.例如，Giridharan等[15]指出将植被覆盖率从25%增加到40%，可以使香港沿海居住区日间城市热岛强度降低0.51 ℃；Akbari等[11]研究发现增加城市植被覆盖率和使用高反照率的建筑材料可使国家的空调能耗减少20%，且有利于提高空气质量. Ihara等[12]研究发现通过增加建筑物表面的湿度和表面反照率，每年可减少60个超过30 ℃的小时数.上述减缓措施能够一定程度上降低城市局部温度，但从热岛效应的防与治全周期来看，多属于“治理”环节，在不能明确强热岛区空间分布的情况下进行治理，会导致人力和财力的浪费.如何有效识别强热岛典型区并进行有效管控成为减缓城市化进程中热岛效应的关键.
本研究选取人口密集、城市化进程极快的北京市为研究区，以2003，2014年2期夏季同时期Landsat-7 ETM+遥感影像为数据源反演地表温度，监测其中心城区热岛效应的动态变化，构建强热岛区指数识别典型强热岛区，根据强热岛区主导因素，归纳强热岛区类型，据此提出针对性的减缓建议.相关识别方法及流程能够在城市规划尺度上为热岛效应的防治管理提供借鉴依据.
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作为我国政治、文化、科教以及国际交流中心，北京市在以城市化为主要驱动因素的城市热岛研究上具有明显代表性和典型性.北京市中心城区属于华北平原的一部分，海拔在20~60 m之间，海拔引起的温度差异可忽略不计.自1961年以来，北京市热岛效应便明显存在，日平均气温城郊间差异为4.6 ℃[16]，并以0.31 ℃/10 a的增速持续加重[17]，空间分布也日趋复杂，出现了多热岛中心的现象[18].鉴于北京市热岛效应集中于中心城区的特性[6]，本研究选取北京主建成区——六环路内区域为研究区(图 1).该研究区同时是北京市目前城市化发展的集中区，区域人口密度大.为最大程度上减少遥感影像时相差异的影响，选取受城市化影响相对较小的百花山自然保护区代表区为空间参照点(图 1).
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本研究选取时间同步性好、覆盖范围广且分辨率相对高(热红外波段为60 m)的Landsat 7 ETM+遥感影像(来源：http://glovis.usgs.gov)为基础数据源，数据时间约为上午10点. ETM+共有8个波段，可见光、近红外和短波红外空间分辨率为30 m，全色波段为15 m，热红外波段为60 m.在数据辐射特征方面，ETM+传感器的辐射定标误差达到了5%.与Landsat5数据相比，其精度提高了近1倍.研究选取的2期(2003年7月28日，2014年7月26日)遥感影像，数据获取日期间隔2 d，能有效避免数据获取时间差异带来的太阳辐射误差，且风速基本一致，云量均低于0.1%，地面特征清晰，图像干扰较少.对ETM+进行数据预处理，主要包括：1)对原始影像进行辐射定标；2)利用flash模型对可见光、近红外数据辐射定标结果进行大气校正；3)以北京六环土地利用图为参照，进行几何精校正，误差控制在0.5个像元内；4)影像裁剪.数据处理采用ENVI 4.8及Arcgis 10.0.
1.1. 研究区域
1.2. 研究数据及预处理
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选取已经验证的IB算法获取地表温度(Land Surface Temperature，LST)，详细说明见冯悦怡等[19-20]相关反演算法，其中发射前预设的常量与Landsat TM 5存在差别，K1=666.09 W/(m2·sr·μm)，K2 =1 282.71 K.热岛强度指数(HII)构建方法见文献[20].受限于遥感影像的不同年、季的影响，影像间HII的平行比较成为困扰国内外学者的难题.徐涵秋等[21]通过对不同年、月的两期遥感影像进行正规化处理及密度分割，有效降低了季节差异带来的误差.但受影像内高低异常值及空间异质的影响，在进行HII比较时，仍不能充分反映热岛效应的空间分布特征.本研究选取的2期遥感影像均选自夏季7月份，获取时间差为2d，以HII绝对值进行热岛等级的定额划分，能够反映研究区内热岛的强弱趋势及人群的热耐受力，划分标准如表 1所示.
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定义热岛监测指数(UHEI)用以表示研究区热岛效应动态变化特征，计算公式如下：
式中：Gi，2003，Gi，2014分别为研究区像元i在2003，2014年的热岛等级. UHEIi>0，表示相应像元i由2003年低热岛等级向2014年高热岛等级转变，定义为UHI恶化区；同理，UHEIi=0，定义为UHI稳定区；UHEIi < 0，定义为UHI减缓区.
2.1. 热岛强度指数及分类标准构建
2.2. 热岛转化监测方法
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统计结果显示，2003-2014年间，北京市六环内城市热岛时空格局演变特征明显且复杂.就表征热岛强弱的直接指标HII而言，六环内HII由2003年的1.21 ℃下降至2014年的1.04 ℃，其中2环、2-3环、3-4环、4-5环围合区的降低强度分别为1.91，2.78，2.08，0.72 ℃，仅在5-6环围合区域内上升0.35 ℃.对于不同行政区来讲，HII仅在丰台、大兴、房山、昌平、通州以及顺义等北京城市建成区外围出现0.23，1.56，2.01，0.21，0.37及0.13 ℃的幅度增长，而在城市中心区，如东城、西城、朝阳、海淀、石景山则呈现明显下降趋势，其中西城区HII下降最为明显，为2.44 ℃.
就热岛效应空间完整性特征而言，2003年高强度热岛区集中连片分布在四环内区域，同时沿重要交通线路，如长安街等向外辐射延伸，2014年分布则趋于零散化，以5-6环围合区为主，在南六环区域内出现了显著增强(图 2).低强度热岛区则呈现明显增长趋势，面积由2003年的295.52 km2上升至2014年的392.18 km2，受高强度热岛区空间分布影响，其在5-6环围合区内呈现破碎化分布.以0.5~2 ℃进行划分的中强度热岛区，既释放了效应增强的高强度区，又转变了效应减弱的低强度区，面积由2003年561.08 km2小幅度下降至2014年的500.46 km2，以圈层形式包围在高强度热岛区周围(图 2).
北京市热岛效应转变特征明显，UHI减缓区面积为829.22 km2，占比36%，集聚分布在五环内区域，在5-6环围合区内破碎化分布. UHI稳定区面积为715.84 km2，占比为31%，在整个六环区域内分布较为均匀. UHI恶化区面积为733.63 km2，占比33%，主要分布在5-6环围合区内，并在西南角连片显著存在.总体来说，北京六环内热岛效应减缓趋势显著，呈现城市内部中心减缓，外围恶化的变化态势(图 3)，与HII变化趋势以及高强度等级热岛区域的演变状态具有一致性(图 2).
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以HII>3.5 ℃进行划分的高强度热岛区，对城市生态环境，尤其是居民健康负面影响最为深远，是热岛效应防治中最为迫切的区域.定义2003年等级为5，2014年为非5的像元为消失强热岛区；2003年等级为非5，2014年为5的像元为新增强热岛区；2003与2014年均为5的像元为持续强热岛区. 图 4显示，消失强热岛区面积为266.10 km2，环线围合区面积占比2-3环最高，2环内次之，5-6环最低，空间分布以2环内区域为中心，呈辐射状向外延伸，东北部顺义飞机场，南部大兴区以及北部朝阳区等均有少量零散分布.新增强热岛区面积为271.50 km2，环线围合区面积占比5-6环最大，为13.57%，其次为4-5环，占比为12.50%，2环内最低，为1.73%，分布相对集聚，以5-6环围合区分布为主，且在南部大兴区大面积集聚.持续强热岛区面积为141.80 km2，环线面积占比以3-4环最大，为15.71%，其次为2环内，为15.01%，5-6环最低，为3.75%，主要散落分布于整个六环区域内，在四环东南角，六环正西部等均有明显分布.上述结论与3.1节结果具有一致，均呈现内部减缓，外围恶化的变化趋势.
持续强热岛区，即2003与2014年热岛等级均为5区域，是六环内热岛常年高值区，对其进行优先防治，能够有的放矢地减缓热岛效应.由图 4中分离出持续强热岛区，以连成片面积S大小，即S < 0.1 km2，0.1≤S < 0.5 km2及S≥0.5 km2，进行区域划分，结果如图 5所示.计算得出，六环内S < 0.1 km2持续强热岛区总面积为58.94 km2，占比22.46%，由内环向外环环线围合区面积占比依次为5.84%，5.33%，5.17%，4.48%，1.64%，呈现点状零散分布，其中2环内最为显著(图 5). 0.1≤S < 0.5 km2持续强热岛区总面积较S < 0.1 km2多，为41.57 km2，由内环向外环环线围合区面积占比依次为3.05%，1.69%，3.26%，4.23%，1.12%，以4-5环散落分布为主，分布呈现线状及片状(图 5). S≥0.5 km2持续强热岛区总面积最低，为37.20 km2，由内环向外环环线围合区面积占比依次为5.72%，1.41%，6.94%，2.27%，0.87%，多分布在3-4环，呈现块状形态，空间分布则以东-西长安街以及南-北中轴线周边分布为主，并向西部及东南稍偏.
S≥0.5 km2持续强热岛区与六环区域Google卫星地图空间叠置结果如图 6所示.由图可清晰分辨出强热岛区所在的地理位置、周边地貌及地物，详情如表 2所示.依据热岛影响因素，将其空间分布归结为3类.
1) 裸露地面主导型.区域内大面积硬质地表呈现直接裸露状态，建筑密度高，铺装外表多为低反照率材料，绿化稀缺，植被覆盖率低；用地类型则多为高密度居民居住小区、工业场地、小型制造业、加工业工厂、大型公共服务场所等.以H1-4、H1-5北京顺义飞机场、H1-7建材和制造业集聚区、H1-8、H1-9、H1-10工业工厂、废旧工厂及裸露沙地等为典型代表.
2) 人为热源主导型.区域多为交通枢纽或地铁途径地，交通流量大，小商品、副食、服饰批发等商业聚集地密集分布，人流量大，人为释放热量高.典型代表为新发地客运站、新发地农产品加工及副食批发为主的H2-1，涵盖丰台赵公口车站及大红门纺织品批发地的H2-6，囊括北京邮电大学、中国人民大学、中央财经大学等诸多教育机构的H2-7等.
3) 混合主导型.区域内建筑密度大，大面积地表呈现裸露状态，同时交通及人流量大，人为释放热量高.典型代表为大型商业、制造业工厂及建筑小区兼具的H3-2，小红门、肖村等城中村密集建筑群，北京顺达基业汽配等为主的商业服务场所的H3-3.
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由3.2节热岛效应主导因素分析可总结出，城市热岛的产生取决于城市不同功能区下垫面的热力属性，其增温效应构成城市热岛的“本底”，城市热源则使热岛的“本底”局部得到加剧，形成局部“Hot区”.对城市热岛进行有效减缓，能够节省城市能源消耗，提高经济效益，改善生态环境，同时提高人居舒适度等.针对S≥0.5 km2持续强热岛区提出减缓建议：1)对于裸露地面主导强热岛区，建议增加植被覆被，充分开发、利用闲置土地及空间种树植草等多种途径增加植被覆盖率.大力推广生物材料进行屋顶绿化增加绿量[22]，建议政府通过对屋顶绿化业主进行税收减免、提高额外容积率等方式进行财政支持.推广绿色建筑材料，进行色彩规划，尽量采用浅色铺装材料和涂料. 2)对于人为热源主导和混合主导型强热岛区应以北京城市建设及生态环境保护规划为契机，合理规划内部结构，降低建筑密度.逐步转移污染严重和耗能较高的制造业及加工业.有序疏散人群，逐步将人口向六环外围区、县疏散，改善人居环境.
3.1. 北京市热岛效应监测结果分析
3.2. 北京市热岛效应强热岛区识别分析
3.3. 强热岛区减缓建议
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本研究通过反演2期夏季同月份遥感影像获取LST空间场，分析了北京市六环区域内2003年和2014年热岛效应变化特征，通过分离高强度热岛区识别出典型强热岛区，针对性地提出了减缓建议.研究发现：
1) 2003年至2014年，六环内热岛效应呈现好转趋势，HII由1.21 ℃下降至1.04 ℃，3环以内中心城区热岛大面积减缓，外围则恶化趋势明显.
2) 高强度热岛区呈现S新增强热岛区>S消失强热岛区>S持续强热岛区现象，其中，新增强热岛区以5-6环围合区分布为主，在南部大兴区大面积集聚；消失强热岛区集聚分布在城市内环区域内；持续强热岛区散落于整个六环区域内，3-4环围合区内面积占比最高.
3) 块状面积0.5 km2的典型强热岛区，呈现3类特征：裸露地面主导型，主要为高密度居民居住小区、工业场地、加工业工厂大型工业服务场所等，以北京顺义飞机场，建材、制造业集聚地为代表；人为热源主导型，主要为商业密集聚集地、火车站、汽车站等，以大红门批发市场、新发地农产品加工等为代表；混合主导型，主要为大型商业、制造业工厂及建筑小区等，以北京顺达基业汽配等为代表.
4) 为有效减缓热岛效应，在强热岛区内可尝试合理规划强热岛区内部建设，降低人口密度；增加强热岛区内植被覆盖，积极推广屋顶绿化；推广绿色建筑材料，进行建筑色彩规划等措施.