上?？焖俪鞘谢煌A段城市熱場景觀格局演變研究

王 原，何 成，，王祥榮

(1. 安徽師范大學(xué) 國土資源與旅游學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2. 復(fù)旦大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系，上海 200433)

隨著城市化進(jìn)程的不斷深入，城市內(nèi)部環(huán)境變化日趨復(fù)雜．城市的可持續(xù)性發(fā)展受到越來越多的重視[1]，其中城市熱環(huán)境對人們生活的突出影響使得如何緩解熱島效應(yīng)成為關(guān)系到城市可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題，已有的緩解政策包括減少人為熱排放、增加城市綠地和水體、建設(shè)高反照率屋頂和道路以及建造綠色屋頂?shù)萚2-3]．

近年來，一些學(xué)者相繼開展針對城市熱場的景觀格局分析．如陳云浩等運(yùn)用景觀生態(tài)學(xué)的相關(guān)方法，提出了“熱力景觀分析法”用以研究城市熱島景觀格局[4]；孟丹等以北京市為研究區(qū)域，運(yùn)用了ASTER遙感影像，分析熱力景觀格局及其尺度變化的效應(yīng)[5]；黃聚聰?shù)纫詮B門市為例，利用1987—2007年之間的5景Landsat TM/ETM/8數(shù)據(jù)反演地表溫度，并使用景觀格局指數(shù)分析了廈門城市熱場景觀格局歷年來的演變趨勢[6]．對于上海地區(qū)的熱島效應(yīng)問題，在較早的研究階段中一些學(xué)者分別利用歷年氣象觀測資料或選點觀測[7-9]、數(shù)值模擬[10-12]等方法對城市熱環(huán)境的變化規(guī)律進(jìn)行了多方面的探究．白楊等運(yùn)用Landsat影像分析了上海市多期城市熱場，并對促成熱場形成的因子進(jìn)行了分析[13]．

然而，目前的研究偏向于已有年份數(shù)據(jù)的分析比較[14]、闡述變化特征或?qū)Υ俪勺兓囊蜃舆M(jìn)行分析，沒有結(jié)合城市所處的實際城市化階段，對城市化不同階段中的熱環(huán)境特征對比研究較少．本文以上海市為例，在識別城市化不同階段的基礎(chǔ)上，研究上海市不同城市化階段熱環(huán)境景觀格局分布特征及演變規(guī)律，分析城市化階段和熱環(huán)境空間分布的關(guān)聯(lián)，在此基礎(chǔ)上提出城市熱環(huán)境格局優(yōu)化的建議．

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)來源

上海市位于長江入?？?經(jīng)緯度范圍為東經(jīng)120°51′～122°12′，北緯30°40′～31°53′，面積6340km2，屬亞熱帶季風(fēng)氣候,光照充足、雨量充沛，位于海岸帶與江河平原．根據(jù)IPCC研究報告[15-16]，上海處于全球氣候變化背景下高脆弱度的海岸帶區(qū)域；同時又是我國經(jīng)濟(jì)和人口高度密集的區(qū)域，城市熱島等城市局地氣候環(huán)境問題帶來的影響尤為突出．

根據(jù)《上海市統(tǒng)計年鑒》，計算得1990—2013年上海城市化率見圖1．如圖所示，1990年以來上海進(jìn)入快速城市化發(fā)展階段；1992年開始，圍繞“開發(fā)浦東”的重大戰(zhàn)略決策，上海的建設(shè)投資力度逐年增加，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)及一系列新城鎮(zhèn)的建設(shè)成為主導(dǎo)，加速了上海市整體的城市化進(jìn)程，整體城市化率超過70%[17]，進(jìn)入快速城市化后期： 21世紀(jì)以來，城鎮(zhèn)建設(shè)空間的擴(kuò)張趨勢放緩，尤其是2005年城市化率達(dá)到85%后，增長速度逐步放緩，進(jìn)入結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化的階段[18]．故總體上快速城市化發(fā)展的階段性特征明顯，2005年成為兩個階段的臨界年份．

圖1 上海市城市化率變化趨勢Fig.1 Urbanization rate changing trends in Shanghai

基于該階段性特征，考慮到研究區(qū)內(nèi)遙感數(shù)據(jù)的可獲性和成像質(zhì)量的不同，本文選用離各臨界年份較近的1991年、2002年及2013年進(jìn)行城市熱環(huán)境分析．其中，1991—2002年代表上?？焖俪鞘谢M(jìn)程的高速發(fā)展階段；2002—2013年代表快速城市化進(jìn)程的優(yōu)化發(fā)展階段．

3期遙感數(shù)據(jù)采用Landsat TM/ETM/8影像，軌道號均為118/38—118/39．所選用的3景影像數(shù)據(jù)成像質(zhì)量較好，研究區(qū)內(nèi)天氣晴朗，大氣對成像影響?。ㄟ^多波段融合、輻射定標(biāo)、輻射矯正、大氣矯正等一系列預(yù)處理工作，統(tǒng)一了分辨率，均采用WGS-84橢球基準(zhǔn)面．

1.2 研究方法

1.2.1 基于大氣矯正法的地表溫度反演

采用大氣矯正法反演計算實際地表溫度．具體計算過程如公式(1)所示：

B(TS)=[Lλ-L↑-τ(1-ε)L↓]/τε，

(1)

式中：L↑為大氣向上輻射亮度；L↓為大氣向下輻射亮度；Lλ為遙感圖像中熱紅外波段的亮度值；ε為地表比輻射率；τ為大氣在熱紅外波段的透過率；TS為地表真實溫度；B(TS)為黑體熱輻射亮度．

真實溫度TS可通過普朗克公式的演化變形得出，如公式(2)：

(2)

式中： 對于Landsat 8影像的K1=774.89W/(m2·μm·sr)，K2=1321.08K；對于Landsat ETM影像的K1=774.89W/(m2·μm·sr)，K2=1321.08K；對于Landsat TM影像的K1=774.89W/(m2·μm·sr)，K2=1321.08K．

1.2.2 基于密度分割法的地溫等級劃分

由于本文所選用的遙感數(shù)據(jù)采集月份存在差異，為減少這種差異對本次研究的影響，采用ArcGIS中的密度分割法[19]對城市地表溫度進(jìn)行了等級劃分，主要劃分公式如下：

R=LST±nS，

(3)

式中：R為地溫等級的閾值范圍；LST為地表溫度平均值；S為已求得地溫的標(biāo)準(zhǔn)差；n為標(biāo)準(zhǔn)差S的自然數(shù)倍．選定不同的自然數(shù)倍將城市地表溫度劃分為6個不同的強(qiáng)度等級．本次研究選定4級及以上強(qiáng)熱場為主要研究對象．

1.2.3 景觀指數(shù)選取

本研究主要從等級類型水平與總體景觀水平兩方面選取相關(guān)景觀格局指數(shù)．

其中，就等級類型水平而言： 首先，為宏觀把握不同年份不同等級熱場的分布特點，選取了類型面積(CA)及類型比例(PLAND)來表征不同等級熱場的總體數(shù)量特征；其次，由于熱場單體極易受到周邊環(huán)境的影響而發(fā)生融合及擴(kuò)散，為了研究不同等級熱場的單體變化，選取了平均斑塊面積(AREA_MN)來表征各等級熱場之間的組合變化特征．

總體景觀水平而言： 為研究整體熱環(huán)境的分布特征，選取了聚合度(AI)；為研究整體熱環(huán)境的空間組合情況及復(fù)雜性，選取了斑塊密度(PD)及景觀多樣性指數(shù)(SHDI)．

1.2.4 轉(zhuǎn)化強(qiáng)度特征劃分

(4)

由k時期到k+1時期的熱場變化情況，它表現(xiàn)了熱場環(huán)境變化的類型及其空間分布，并對轉(zhuǎn)換強(qiáng)度Cij進(jìn)行分級，具體標(biāo)準(zhǔn)見表2．

2 結(jié)果與分析

2.1 上海市熱場空間總體變化特征

如表3所示，1991—2013年期間上海市熱場面積總體呈持續(xù)增加趨勢，2013年上海市熱場區(qū)域占上海市總體面積比例為55.20%，相對于1991年增加了12.36%．其中，高速發(fā)展階段(1991—2002年)年均面積增長速率為0.75%，優(yōu)化發(fā)展階段(2002—2013年)年均增速僅為0.37%，可見上海市進(jìn)入城市化優(yōu)化發(fā)展階段，城市建設(shè)從發(fā)展增量到優(yōu)化存量，強(qiáng)熱場面積的上升趨勢減弱．對比具體數(shù)值變化特點可見1991—2013年期間各等級熱場均表現(xiàn)持續(xù)增長的趨勢，其中4級熱場面積增比最高為6.74%，6級熱場最低為0.26%，表明城市化不斷發(fā)展的過程中雖然熱場總體面積迅速上升，但人為熱排放較為集中、地表溫度較高的熱場區(qū)域面積數(shù)量相對穩(wěn)定．此外，不同等級的熱場在不同城市化階段的變化均表現(xiàn)出優(yōu)化發(fā)展階段增速放緩的特點，相對于4級和6級熱場，5級熱場優(yōu)化發(fā)展階段增速放緩程度最低，僅為高速發(fā)展階段的23%．

表3 1991—2013年上海市市域范圍景觀總體構(gòu)成及變化

3個年份熱場空間分布見圖2，分析表明：

1991年熱場空間分布呈明顯聚合狀．研究區(qū)范圍內(nèi)的強(qiáng)熱場聚集分布于黃浦江西岸的城市中心及近郊的閔行、嘉定及寶山等區(qū)域內(nèi)．

2002年，經(jīng)歷了城市化高速發(fā)展階段，原有“聚合狀”空間模式明顯變化，總體空間格局表現(xiàn)出組團(tuán)狀的特征： 以原有高溫區(qū)域為中心向四周擴(kuò)散，且北擴(kuò)趨勢明顯．北部的向化鎮(zhèn)、鳳凰鎮(zhèn)，東部的惠南鎮(zhèn)、鳳城鎮(zhèn)，西部的華新鎮(zhèn)，西南部的朱涇鎮(zhèn)等地強(qiáng)熱場面積占比增加明顯，近郊的閔行區(qū)范圍內(nèi)強(qiáng)熱場覆蓋率超過80%．此外，城市中心區(qū)的東部及東南部遠(yuǎn)郊區(qū)域?qū)嶋H地溫在高速發(fā)展階段變化較弱，相應(yīng)的，其所處的地溫等級有所下降．

2013年，經(jīng)歷了優(yōu)化發(fā)展階段的建設(shè)，城市熱環(huán)境分散狀特征十分明顯，研究區(qū)內(nèi)的強(qiáng)熱場分布區(qū)域擴(kuò)展．在此過程中，主城區(qū)與遠(yuǎn)郊地區(qū)的熱環(huán)境呈現(xiàn)出截然不同的演化特征： 在主城區(qū)內(nèi)，城市空間格局及城市生態(tài)環(huán)境得到了有效的提升與整治、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，城區(qū)內(nèi)部的熱環(huán)境顯著改善，強(qiáng)熱場面積有所下降．在遠(yuǎn)郊地區(qū)，特別是東部及東南部遠(yuǎn)郊的第二產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，原有農(nóng)田濕地被大量改造為工廠及居住區(qū)，人為熱排放明顯提升，強(qiáng)熱場面積明顯上升，總體熱環(huán)境分布格局趨于復(fù)雜多樣．

圖2 強(qiáng)熱場空間分布Fig.2 Spatial distribution of high level of land surface temperature

2.2 上海市熱場空間格局變化特征

本文基于景觀生態(tài)學(xué)中的景觀指數(shù)法，選取景觀多樣性(SHDI)、聚合度(AI)、平均斑塊面積(AREA_MN)、斑塊密度(PD)等指數(shù)分析上海市熱場景觀格局變化特征．

總體景觀水平上，1991—2013年上海市熱場景觀多樣性和聚合度指數(shù)變化見圖3．景觀多樣性指標(biāo)主要表征系統(tǒng)中景觀組份的多少和各自分布比例之間的差異．如圖所示，在城市化高速發(fā)展階段上海市熱場景觀多樣性變化幅度大、上升明顯，優(yōu)化發(fā)展階段的上升趨勢明顯減弱．其原因主要是在1991年，強(qiáng)熱場集中分布于中心城區(qū)，總體面積所占比例有限，而郊區(qū)地溫等級普遍偏低，低等級熱場面積與數(shù)量優(yōu)勢明顯，故該年份的多樣性指數(shù)明顯偏低．經(jīng)過高速發(fā)展階段的建設(shè)，中心城區(qū)的強(qiáng)熱場不斷外擴(kuò)，同時郊區(qū)低等級熱場的分布下降，強(qiáng)熱場面積占比顯著上升，總體景觀多樣性指數(shù)明顯上升．優(yōu)化發(fā)展階段中，強(qiáng)熱場分布區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)散但所占面積的增幅減弱，各等級地溫的面積占比在該階段中變化較小，多樣性指數(shù)變化趨勢隨之減弱．

圖3 景觀尺度景觀指數(shù)分布Fig.3 Landscape metrics changes in landscape level

景觀聚合度主要表征景觀范圍內(nèi)斑塊空間分布的集聚情況．如圖所示，其變化特征與景觀多樣性差異較大： 在城市化高速發(fā)展階段上海市熱場景觀聚合度下降明顯，優(yōu)化發(fā)展階段的下降幅度減弱．主要是因為： 1991年強(qiáng)熱場集中分布于城市中心而郊區(qū)低等級熱場的分布優(yōu)勢明顯，這種二級化的分布特征使得該年份的聚集度數(shù)值較高．到了2002年，中心城區(qū)強(qiáng)熱場的外擴(kuò)使得原本中心區(qū)與郊區(qū)之間的集中化分布區(qū)勢減弱，聚合度大幅度下降．優(yōu)化發(fā)展階段中，強(qiáng)熱場總體所占面積增加有限，且其個體面積擴(kuò)大的同時空間上發(fā)生相互聯(lián)結(jié)使總體的景觀聚合度下降趨勢減弱．

在等級類型水平上，如圖4所示．4級熱場的斑塊密度在高速發(fā)展階段明顯上升，到了優(yōu)化發(fā)展顯著下降；而平均斑塊面積則先下降后明顯上升．5級熱場的斑塊密度在高速發(fā)展階段小幅下降，優(yōu)化發(fā)展階段明顯上升，平均斑塊面積在高速發(fā)展階段增加后在優(yōu)化發(fā)展階段小幅下降．6級熱場的斑塊密度指數(shù)高速發(fā)展階段略微上升，優(yōu)化發(fā)展階段又有所下降．平均斑塊面積在兩個階段中持續(xù)下降．研究結(jié)果表明： 在城市化高速發(fā)展階段，主要表現(xiàn)為4級熱場的破碎化過程以及5級熱場的單體面積蔓延過程；在城市化優(yōu)化發(fā)展階段，主要變現(xiàn)為4級熱場單體面積顯著蔓延，5級熱場單體的破碎化及6級高熱場單體面積緊縮的過程．

圖4 市域景觀類型尺度景觀指數(shù)分布Fig.4 City’s landscape metric change in landscape class level

2.3 上海市熱環(huán)境轉(zhuǎn)換特征

運(yùn)用轉(zhuǎn)移矩陣得出不同年份熱環(huán)境轉(zhuǎn)換強(qiáng)度的空間分布情況，將各區(qū)域的轉(zhuǎn)換強(qiáng)度分為5級，得出不同城市化階段上海市不同等級地溫的轉(zhuǎn)換強(qiáng)度空間分布(見圖5)．具體表現(xiàn)以下特點：

圖5 不同階段轉(zhuǎn)換強(qiáng)度的空間分布Fig.5 Spatial distribution of conversion strength in different period

1) 兩個不同城市化發(fā)展階段的地表溫度演化過程，都體現(xiàn)出低溫斑塊向弱熱場或弱熱場向中等熱場的轉(zhuǎn)變特點．

2) 5、6級強(qiáng)熱場向1級或2級地溫斑塊的轉(zhuǎn)化在兩個階段均未出現(xiàn)．

3) 在城市化高速發(fā)展階段，地表溫度演化過程主要以城市中心、近郊和北部郊區(qū)的次熱場升級為強(qiáng)熱場的活動為主，同時東南部郊區(qū)如奉賢、南匯的熱場強(qiáng)度略有下降．

4) 在城市化優(yōu)化發(fā)展階段，地表溫度的變化主要以東部、東南部遠(yuǎn)郊地區(qū)熱場強(qiáng)度上升為主，而主城區(qū)熱場強(qiáng)度呈明顯的下降趨勢．

上述空間轉(zhuǎn)化特征表明： 在高速發(fā)展階段因為主城區(qū)與近郊的高強(qiáng)度改造和建設(shè)，人為熱的排放增加，地溫等級明顯上升，而同時期由于郊區(qū)城市建設(shè)強(qiáng)度有限，原有地溫等級的分布沒有發(fā)生明顯變化．到了優(yōu)化發(fā)展階段，主城區(qū)的內(nèi)部建設(shè)得到明顯優(yōu)化，熱環(huán)境顯著改善，原本大范圍分布的強(qiáng)熱場等級有所下降．而在郊區(qū)，由于城市化建設(shè)的不斷深入和城市多中心的擴(kuò)張模式，強(qiáng)熱場無論在面積還是空間轉(zhuǎn)化上都顯著上升．

3 結(jié)論與建議

本文在識別出上海市城市化發(fā)展不同階段的基礎(chǔ)上，選取各階段的代表年份，運(yùn)用了大氣矯正法對各選取年份的遙感影像進(jìn)行地表溫度的反演，劃分出不同等級的地表溫度斑塊，并結(jié)合多項景觀格局指數(shù)與轉(zhuǎn)移矩陣的研究方法對上海市城市熱環(huán)境的分布及變化特征進(jìn)行了分析．研究結(jié)果表明：

1) 上海市熱場空間總體變化表現(xiàn)為熱場持續(xù)增長的趨勢，其中4級熱場面積增比最高為6.74個百分點；高速發(fā)展階段(1991—2002年)熱場年均面積增長速率為優(yōu)化發(fā)展階段(2002—2013年)的近兩倍．

2) 上海市熱場空間格局變化主要表現(xiàn)為熱場景觀多樣性的增加，不同等級地溫分布占比差異性逐漸降低以及強(qiáng)熱場空間分布的破碎化程度加??；此外，不同等級熱場斑塊在不同城市化階段表現(xiàn)出不同的空間格局變化規(guī)律．

3) 上海市不同強(qiáng)度熱場空間轉(zhuǎn)化特征主要表現(xiàn)為，城市化高速發(fā)展階段以城市中心、近郊和北部郊區(qū)的次熱場升級為強(qiáng)熱場的轉(zhuǎn)化為主；城市化優(yōu)化發(fā)展階段主要以東部、東南部遠(yuǎn)郊地區(qū)地溫等級上升為主．

由此可見，快速城市化進(jìn)程中，景觀格局的演變存在顯著差異： 中心城區(qū)經(jīng)過優(yōu)化發(fā)展階段的改造，城市熱場環(huán)境得到了一定優(yōu)化，但高強(qiáng)度的人為排放點依然存在；郊區(qū)建設(shè)強(qiáng)度明顯提升，城市化對郊區(qū)熱環(huán)境的影響日漸顯著．

具體而言，從高速發(fā)展階段開始，城市總體人口激增，人為活動相對密集，主要的建設(shè)發(fā)展投入在城市中心及周邊近郊區(qū)域，故這些區(qū)域的熱環(huán)境上升顯著．優(yōu)化發(fā)展階段城市內(nèi)部的中心空間由于地價、政府調(diào)控等原因已很少有大規(guī)模的景觀改變，故原本的生態(tài)環(huán)境變化較小，而隨著城市整體交通系統(tǒng)的完善及郊區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，原本遠(yuǎn)郊的人工景觀激增，城市人口的流動與匯聚促使這些地區(qū)發(fā)生顯著的景觀調(diào)整和轉(zhuǎn)變，該地區(qū)熱場等級提升迅速．

在未來的城市化進(jìn)程中，熱環(huán)境的空間差異將更加明顯，對城市生態(tài)系統(tǒng)的影像日益顯著，在未來城市發(fā)展的不同層面需要有不同的應(yīng)對措施．就城市總體而言，須將基本農(nóng)田保護(hù)及水域環(huán)境保護(hù)等目標(biāo)有效地整合到全市未來的總體規(guī)劃中，嚴(yán)格劃定生態(tài)紅線，預(yù)留足夠的生態(tài)空間，通過嚴(yán)格的土地利用管理規(guī)定來提高土地利用率．就城市中心與郊區(qū)而言，采取的應(yīng)對措施應(yīng)有不同的針對性： 在城市中心區(qū)，政府應(yīng)鼓勵相關(guān)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，嚴(yán)格建立執(zhí)行廢熱排放管理規(guī)定，規(guī)范城市中心區(qū)各產(chǎn)業(yè)熱量排放，城市居民及消費(fèi)者應(yīng)提升生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識，樹立科學(xué)的能源消費(fèi)觀念，提升清潔能源利用率；在郊區(qū)，逐步落實工業(yè)產(chǎn)業(yè)布局的同時，應(yīng)提升產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)水平，未來的城市規(guī)劃需注重下墊面改造對熱環(huán)境的影響，一方面加強(qiáng)綠色建筑設(shè)計，另一方面進(jìn)一步增加綠地、水體等生態(tài)空間的比例，

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