基于遙感的青島市城市熱島時(shí)空變化特征

基于遙感的青島市城市熱島時(shí)空變化特征

周甜甜，廉麗姝，李寶富，紀(jì)曉璐

曲阜師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，日照 276826

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市熱島現(xiàn)象日漸突出，給人類生產(chǎn)生活帶來很大影響，成為當(dāng)今社會的熱點(diǎn)問題。本文根據(jù)2001年1月 — 2012年12月共416幅8天合成地表溫度產(chǎn)品MOD11A2遙感影像，以UHIER指數(shù)為劃分標(biāo)準(zhǔn)，采用密度分割法對地表溫度進(jìn)行等級分類，并運(yùn)用相關(guān)分析、空間疊加分析和景觀格局指數(shù)分析等方法，分析了青島市城市熱島在日、季節(jié)及年際等時(shí)間尺度的變化規(guī)律和空間分布特征。結(jié)果表明：（1）在時(shí)間變化特征方面，城市熱島具有晝?nèi)跻箯?qiáng)的日變化特征；季節(jié)尺度上，表現(xiàn)為冬強(qiáng)夏弱，高溫區(qū)所占面積比例分別為8.66%和5.07%；年際尺度上，熱島范圍呈現(xiàn)出逐年增大的特點(diǎn)，高溫區(qū)面積以每年15%的速率增加。（2）在空間特征方面，城市熱島主要集中在青島市區(qū)、即墨市南部、膠州市中部以及黃島區(qū)東部；對城市熱島的景觀格局分析發(fā)現(xiàn)，青島市地表溫度向高溫化、集中化趨勢發(fā)展。

城市熱島；時(shí)空特征；UHIER指數(shù)；景觀格局；青島市

城市熱島效應(yīng)是指城市發(fā)展到一定規(guī)模時(shí)，受城市下墊面性質(zhì)改變、人為熱排放以及大氣污染等因素的影響，城市內(nèi)部氣溫明顯高于周圍郊區(qū)氣溫的現(xiàn)象。英國氣候?qū)W家 Howard（1833）在《倫敦的氣候》一書中首次提出城郊?xì)鉁氐牟顒e。Manley（1958）首次提出“城市熱島”（Urban heat island）的概念。隨著世界各國城市化進(jìn)程的加快，城市熱島現(xiàn)象越來越明顯，目前有關(guān)城市熱島效應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn)，世界上各類不同等級的城市，無論其緯度位置、海陸位置、地形起伏及其周圍的自然環(huán)境如何，基本上都能發(fā)現(xiàn)城市熱島現(xiàn)象的存在（Arnfi eld，2003）。城市熱島效應(yīng)直接影響城市的住房、交通、建筑及人們的日常生活，對人們的身體健康和經(jīng)濟(jì)收入產(chǎn)生很大危害，甚至威脅到整個(gè)人類的可持續(xù)發(fā)展，引起了人們的廣泛關(guān)注。

關(guān)于城市熱島現(xiàn)象已開展了大量研究，研究表明沿海地區(qū)由于受海陸風(fēng)等的影響，城市熱島特征有異于內(nèi)陸地區(qū)，且熱島形成機(jī)理較內(nèi)陸地區(qū)更為復(fù)雜（苗峻峰，2014）。但相對內(nèi)陸城市而言，沿海地區(qū)氣候條件較優(yōu)越，對其熱島效應(yīng)研究的關(guān)注度較低。目前，國內(nèi)對于沿海地區(qū)城市熱島的研究多集中于上海、廣州等南方大城市。青島市是中國重要的經(jīng)濟(jì)中心和港口城市，城市化水平高，尤其是20世紀(jì)90年代以后，青島市進(jìn)入全新的發(fā)展階段，城市規(guī)模急劇擴(kuò)大，由此引發(fā)了一系列的生態(tài)響應(yīng)，城市熱島現(xiàn)象便是其中之一。近些年，關(guān)于青島市城市熱環(huán)境的研究開始逐漸增多。陳志梅等（2005）、董海鷹等（2012）根據(jù)氣象觀測數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計(jì)分析法對青島地區(qū)的氣溫變化及城市熱島現(xiàn)象進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)90年代以后的百年間青島市平均氣溫呈明顯上升趨勢，城市熱島強(qiáng)度逐年增強(qiáng)，且秋冬季熱島效應(yīng)最強(qiáng)，夏季最弱。但受傳統(tǒng)研究方法的局限，難以對其空間特征進(jìn)行細(xì)致研究。于臻等（2015）利用2011年1月、4月、7月、12月的MODIS數(shù)據(jù)分別代表春、夏、秋、冬四季，反演了青島市地表溫度并探討其與植被覆蓋的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)夏、秋季節(jié)市區(qū)城市熱島效應(yīng)最明顯且與植被覆蓋之間呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。馬安青等（2015）利用Landsat數(shù)據(jù)來研究青島地區(qū)的城市熱島效應(yīng)與土地利用之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)二者之間關(guān)系密切。以上研究初步分析了青島市的熱島效應(yīng)變化特征，但由于研究數(shù)據(jù)的來源及時(shí)序長短、研究方法等的不同，研究結(jié)論卻不盡一致。因此，利用連續(xù)的、多時(shí)相的遙感地表溫度資料，從不同時(shí)間尺度上探討沿海城市熱島效應(yīng)的動態(tài)變化和空間分布特征的研究尚需加強(qiáng)。

本文根據(jù)2001—2012年共416幅時(shí)間序列連續(xù)的MODIS遙感影像，分析青島市城市熱島的日變化、季節(jié)變化規(guī)律及年際變化趨勢，分析了城市熱島的政區(qū)分布特征，并利用景觀格局指數(shù)分析法探討了青島市熱島景觀格局的變化特征，研究結(jié)果可為合理緩解青島市城市熱島提供一定的決策依據(jù)和方向，同時(shí)在一定程度上能夠豐富沿海城市的熱島效應(yīng)理論。

1 研究區(qū)概況

青島市位于山東半島南部，地處119°30′E —121°00′E、35°35′N — 37°09′N，東南部瀕臨黃海，其他部分與陸地接壤，全市總面積約11282 km2，包括4個(gè)縣級市（膠州市、即墨市、平度市、萊西市）和6個(gè)市轄區(qū)（城陽區(qū)、李滄區(qū)、市北區(qū)、市南區(qū)、嶗山區(qū)、黃島區(qū)）（圖1）。從地質(zhì)地貌方面來看，青島市位于新華夏隆起帶次級構(gòu)造單元地帶——膠南隆起區(qū)東北緣和膠萊凹陷區(qū)中南部，地勢東高西低，南北兩側(cè)隆起，中間低凹，全市主要山系有東南部的嶗山山脈、北部的大浙山、南部的膠南山群。全市大小河流共224條，大多為獨(dú)立入海的山溪性小河，水源基本來源于季節(jié)性降水，主要的水系包括大沽河，北膠萊河及沿海諸河流。氣候類型為暖溫帶季風(fēng)性氣候，市區(qū)由于受海洋環(huán)境的影響，兼具海洋性氣候特點(diǎn)，四季分明，溫度適中，空氣濕潤，雨量充沛。相比于同緯度地區(qū)，青島市植物種類繁多，且受其氣候影響，植被生長良好。

圖1 青島市地理位置及行政區(qū)劃Fig.1 The location and administrative divisions of Qingdao city

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

2.1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究選用2001—2012年的地表溫度遙感數(shù)據(jù)MOD11A2展開研究。MOD11A2數(shù)據(jù)是空間分辨率為1 km、8 d合成的陸地3級標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，來源于美國航空航天宇航局NASA提供的搭載在Terra衛(wèi)星上的MODIS地溫產(chǎn)品。Terra衛(wèi)星在10:30（北京時(shí)間）左右和22:30左右過境，分別處于地表的升溫與降溫階段。一天晝夜有兩次過境時(shí)間，為研究城市熱島的時(shí)間變化尤其是晝夜變化特征提供了可行性條件。另外，青島市城市建成區(qū)面積數(shù)據(jù)來自山東省統(tǒng)計(jì)年鑒。

2.1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

對MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品首先進(jìn)行投影、校正等預(yù)處理。在ENVI5.1環(huán)境下選用Modis conversion toolkit 工具對地表溫度產(chǎn)品MOD11A2進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和重投影，分別選擇（2D）LST_Day_1Km和（2D）LST_Night_1Km兩個(gè)數(shù)據(jù)集，并利用青島市行政范圍矢量圖進(jìn)行掩膜并裁剪，然后將經(jīng)過以上處理的數(shù)據(jù)利用公式（1）進(jìn)行計(jì)算，得到研究區(qū)域的地表溫度。

式中：Tk表示地表溫度（℃），DN表示像元灰度值，0.02為數(shù)據(jù)產(chǎn)品的輻射縮放比。在數(shù)據(jù)處理過程中，部分產(chǎn)品在有云地區(qū)的DN值為0，造成這些地區(qū)在進(jìn)行波段運(yùn)算后的溫度為-273.15℃，在后期進(jìn)行平均計(jì)算的時(shí)候會導(dǎo)致較大誤差。針對這種問題，本文利用IDL編程法對多幅遙感影像各個(gè)像元的值進(jìn)行求平均運(yùn)算，從而獲得不同時(shí)間尺度的地表溫度，運(yùn)算中缺測值區(qū)域不參與運(yùn)算，從而減小了因?yàn)閭€(gè)別數(shù)據(jù)有缺測值而產(chǎn)生的誤差，提高研究結(jié)果可信度。

2.2 研究方法

2.2.1 UHIER指數(shù)

青島市地表溫度分級采用UHIER指數(shù)法來進(jìn)行（王天星等，2009；Zhang et al，2013），UHIER指數(shù)在一定程度上可以反應(yīng)城市熱島強(qiáng)度，其計(jì)算方法如（2）式。

式中：UHIERn表示第n個(gè)像元的城市熱島強(qiáng)度，Tn為第n個(gè)像元的地表溫度值，Tmax表示青島市地表溫度的最大值，Tmin表示青島市地表溫度的最小值。

經(jīng)過計(jì)算得到的UHIERn值介于0—1，根據(jù)UHIERn值采用密度分割法將青島市地表溫度劃分為5個(gè)等級，依次為低溫區(qū)（Ⅰ）、較低溫區(qū)（Ⅱ）、中溫區(qū)（Ⅲ）、較高溫區(qū)（Ⅳ）、高溫區(qū)（Ⅴ），劃分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。依照各溫度等級的含義，中溫區(qū)可看作青島市地表溫度的平均值，那么低溫區(qū)、較低溫區(qū)與中溫區(qū)表示未出現(xiàn)城市熱島，較高溫區(qū)與高溫區(qū)則對城市熱島影響較大（黃聚聰?shù)龋?011），尤其高溫區(qū)的分布更具決定作用。本文以高溫區(qū)代表強(qiáng)熱島區(qū)，較高溫區(qū)代表弱熱島區(qū)分析了青島市城市熱島效應(yīng)的時(shí)空特征。

表1 溫度等級分類標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 The criteria of temperature classifi cation

2.2.2 景觀格局分析法

景觀格局指數(shù)具有多樣化的特點(diǎn)（陳云浩等，2004），能夠從斑塊、類型和景觀三方面對熱島的格局進(jìn)行系統(tǒng)而全面的表述，成為近幾年研究城市熱島空間格局的新手段（陳利頂?shù)龋?008；但尚銘等，2011；徐雙等，2015）。

本文利用景觀生態(tài)學(xué)原理，通過Fragstats3.4景觀格局分析軟件，分別在類型水平和景觀水平上選取一定數(shù)量的景觀指數(shù)，分析了青島市2001 — 2012年城市熱島景觀格局的變化特征。其中，斑塊類型水平指數(shù)反映了對熱島效應(yīng)起主導(dǎo)作用的較高溫區(qū)和高溫區(qū)（分別代表弱熱島區(qū)和強(qiáng)熱島區(qū)）斑塊類型的數(shù)量與結(jié)構(gòu)，景觀水平上的指數(shù)可以反映城市熱環(huán)境的整體特征（Weng，2009）。表2為本文選取的景觀格局指數(shù)，分別從數(shù)量、形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征幾個(gè)方面描述了青島市城市熱島的空間格局和變化特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 城市熱島的時(shí)間變化特征

3.1.1 日變化

通過對青島市2001 — 2012年白天、夜晚地表溫度數(shù)據(jù)的預(yù)處理和統(tǒng)計(jì)分析，得到青島市晝、夜各溫度等級所占總區(qū)域的面積比例（圖2）。

表2 景觀指數(shù)及其英文簡稱和代表意義Tab.2 Landscape metrics with its English abbreviation and representative meaning

圖2 2001 — 2012年青島市晝、夜平均地表溫度各等級所占比例圖Fig.2 The ratio of every land surface average temperature grade of daytime and night of Qingdao city in 2001 — 2012

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，青島市夜晚高溫區(qū)所占比例遠(yuǎn)高于白天，分別為10.85%和1.25%，同時(shí)白天低溫區(qū)所占比例為夜間的36倍。以上表現(xiàn)從正反兩個(gè)方面表明夜間的城市熱島效應(yīng)強(qiáng)于白天，這與以往黃麗萍等（2013）、傅娜等（2014）對天津市和上海市城市熱島日變化特征的研究結(jié)論一致。青島市城市熱島表現(xiàn)出晝?nèi)跻箯?qiáng)的特征，可能受青島市所處自然環(huán)境的影響。常志清等（2002）對青島地區(qū)海陸風(fēng)的數(shù)值模擬研究表明，青島市環(huán)膠州灣地區(qū)以及東岸和南岸均存在海陸風(fēng)，且海風(fēng)夏半年形成時(shí)間早（大約出現(xiàn)在9:00 — 11:00，持續(xù)7—11 h），冬半年形成時(shí)間晚（大約出現(xiàn)在11:00 — 13:00，持續(xù)5 — 7 h），這在一定程度上對青島市白天的城市熱島起到了一定的緩解作用。

3.1.2 季節(jié)變化

本文將3、4、5月份作為春季，6、7、8月份作為夏季，9、10、11月份作為秋季、12、1、2月份作為冬季，通過對青島市2001 — 2012年不同時(shí)相的地表溫度數(shù)據(jù)按照季節(jié)劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行求平均運(yùn)算，分別得到青島市不同季節(jié)日平均（圖3a）、白天平均（圖3b）和夜晚平均（圖3c）地表溫度等級分布狀況及各地表溫度等級所占比例（表3）。

圖3 2001—2012年青島市地表溫度等級季節(jié)分布狀況Fig.3 The seasonal distribution of surface temperature grade of Qingdao city in 2001 — 2012

由圖3a可見，城市日平均地表溫度等級分布形態(tài)在春、夏季比較分散，而秋、冬季分布較集中。其中秋、冬季的高溫區(qū)面積相對較大，分別占青島市總面積的9.49%和8.66%，而春、夏季僅占4.59%和5.7%。由于秋、冬季之間和春、夏季之間高溫區(qū)比例相差不大，因此參考較高溫區(qū)所占比重來確定各季節(jié)熱島強(qiáng)弱（表3）。分析發(fā)現(xiàn)，冬季的較高溫區(qū)所占比重高出秋季1.68%，而夏季較高溫區(qū)則低于春季的6.14%，因此冬季熱島最強(qiáng)，夏季最弱。

圖3b表明，各個(gè)季節(jié)白天的城市熱島分布較零散，且均存在一定差異。其間，夏、秋季的高溫區(qū)所占比重較大，分別占3.64% 和3.81%，春、冬季僅占0.8%和0.67%。而參考較高溫區(qū)分布情況，發(fā)現(xiàn)春、冬季所占比重遠(yuǎn)高于夏秋季，季節(jié)變化較明顯。

各季節(jié)夜晚平均地表溫度等級空間分布狀況（圖3c）則表現(xiàn)出高溫區(qū)分布相對白天更為集中的特點(diǎn)，各季節(jié)的高溫區(qū)分布狀況變化不大。夜晚高溫區(qū)所占比例呈現(xiàn)出與白天完全相反的情況，即春、冬季所占比重較大，分別占10.40%和9.66%，夏、秋季較小，分別占9.3%和9.27%。而較高溫區(qū)在四個(gè)季節(jié)相差不大，四季分布較穩(wěn)定。

表3 青島市2001— 2012年地表溫度等級季節(jié)分布比例Tab.3 The ratio of distribution of the land surface temperature classof Qingdao in 2001— 2012 / %

綜合上述分析，青島市城市熱島的季節(jié)變化特征總體表現(xiàn)為冬季最強(qiáng)，夏季最弱；且各季節(jié)白天熱島區(qū)分布變化較大，夜晚則相對穩(wěn)定。此結(jié)論與Yassine and Sultan（2011）、黃麗萍（2011）和彭保發(fā)等（2013）對Muscat沿海地區(qū)、天津和上海地區(qū)的沿海城市熱島研究結(jié)論類似。而與內(nèi)陸地區(qū)的相關(guān)研究則恰好相反，如劉帥等（2014）、Qiao and Tian（2014）對北京城市熱環(huán)境研究均發(fā)現(xiàn)夏季市中心形成熱島且強(qiáng)度與范圍大，冬季則變?yōu)槔鋶u。青島市城市熱島的季節(jié)變化特征也在一定程度上證實(shí)了沿海與內(nèi)陸地區(qū)城市熱島效應(yīng)的季節(jié)變化差別以及海陸熱力差異對沿海城市熱島效應(yīng)的影響，受其影響青島市城市熱島效應(yīng)不僅表現(xiàn)出晝?nèi)跻箯?qiáng)的日變化特征，而且還表現(xiàn)出了夏弱冬強(qiáng)的季節(jié)變化特點(diǎn)。

同時(shí)，筆者注意到本文的研究結(jié)論與陳志梅等（2005），董海鷹等（2012）利用多年氣象觀測數(shù)據(jù)對青島地區(qū)城市熱島現(xiàn)象研究的結(jié)論類似，與于臻等（2015）對青島市城市熱島研究得到的夏、秋季強(qiáng)的結(jié)論有所不同。這很可能與于臻等的研究僅利用了2011年一年的MODIS數(shù)據(jù)，而本文對青島市城市熱島季節(jié)變化特征的分析是基于多年遙感數(shù)據(jù)，更具有普遍意義。

3.1.3 城市熱島的年際變化特征

青島市2001 — 2012年高溫區(qū)所占比例呈上升趨勢（圖4a），平均以每年15%的速率增加，表明青島市的熱島區(qū)呈現(xiàn)出逐年增大的特點(diǎn)。這主要是由于隨著近年來，青島市城市化水平的不斷提高，城市人口和能耗等的不斷增加，導(dǎo)致其城市熱島現(xiàn)象越來越顯著。高溫區(qū)比例與城市建成區(qū)面積的相關(guān)分析表明（圖4b），城市建成區(qū)面積與高溫區(qū)比例呈正相關(guān)性，R2達(dá)到0.6176，進(jìn)一步論證了城市化進(jìn)程的加快導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)的加強(qiáng)。

3.2 城市熱島空間變化分析

3.2.1 城市熱島的空間分布

圖5為青島市年平均地表溫度等級的晝夜分布狀況與青島市行政區(qū)劃疊加圖。總體來看，白天青島市各等級溫度分布相對較分散，而夜晚則比較集中。從晝夜各溫度等級的空間分布來看，白天高溫區(qū)大部分集中在青島市區(qū)，部分高溫區(qū)分布于即墨市南部、膠州市中部以及黃島區(qū)東部，其它地區(qū)則高溫區(qū)分布較少。而夜間高溫區(qū)面積較白天大，體現(xiàn)出較強(qiáng)的城市熱島效應(yīng)。其中，青島市區(qū)的大部分區(qū)域都為高溫區(qū)，即墨市南部、膠州市中部以及黃島區(qū)東部也有高溫區(qū)分布，且萊西市北部和平度市東部少部分地區(qū)也出現(xiàn)了高溫區(qū)。

圖4 2001 — 2012年青島市高溫區(qū)所占比例（a）及其與城市建成區(qū)面積的關(guān)系（b）Fig.4 The proportion of higher temperature region and the relationship with urban built-up area of Qingdao in 2001 — 2012

圖5 2001—2012年青島市年平均地表溫度等級晝、夜分布與行政區(qū)劃疊加圖Fig.5 The distribution of land surface average temperature grade overlay with the administrative divisions of daytime and night of Qingdao city in 2001 — 2012

這種分布特點(diǎn)與青島市的土地利用類型（圖略）、地形特征（圖6）和海陸風(fēng)分布呈現(xiàn)出較好的吻合性。由于不同的地物類型的物理特性差別較大，從而對地表溫度產(chǎn)生不同的影響，因此土地利用類型也對城市熱島的分布產(chǎn)生重要作用。比如，高溫區(qū)和較高溫區(qū)主要分布在靠近城市中心的地區(qū)，與城市的發(fā)展關(guān)系密切，尤其是夜晚表現(xiàn)更為明顯。另外，白天幾處明顯的低溫區(qū)到了夜晚轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷貐^(qū)或較高溫區(qū)，主要分布在海拔較低的環(huán)膠州灣地區(qū)和東、南部沿海地區(qū)（這些地區(qū)主要為魚塘、茶園和果園等）以及海拔較高的地區(qū)，如東南部嶗山地區(qū)和北部大浙山地區(qū)以及萊西市北部等，而其它大部分地區(qū)的地表溫度等級一般白天高于夜晚，表明地形對地表溫度影響較大。此外常志清等（2002）對青島地區(qū)海陸風(fēng)的數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)青島市環(huán)膠州灣地區(qū)以及東岸和南岸均存在海陸風(fēng)，較好的對應(yīng)了青島市沿海地區(qū)地表溫度等級的這種晝夜分布特點(diǎn)，表明海陸風(fēng)在很大程度上影響城市熱島的分布。

3.2.2 城市熱島景觀格局變化特征

圖7是選取的各類型水平的景觀格局指數(shù)的時(shí)間變化圖，反映的是較高溫區(qū)斑塊和高溫區(qū)斑塊的變化特征。分析類型面積（CA）的變化情況，發(fā)現(xiàn)較高溫區(qū)斑塊面積總體呈下降趨勢，高溫區(qū)斑塊面積總體呈現(xiàn)上升趨勢，說明強(qiáng)熱島區(qū)面積逐漸增大，或者部分弱熱島區(qū)向強(qiáng)熱島區(qū)轉(zhuǎn)化。從斑塊個(gè)數(shù)（NP）方面來看，較高溫區(qū)斑塊個(gè)數(shù)呈現(xiàn)出波動上升趨勢，而高溫區(qū)斑塊個(gè)數(shù)總體變化相對較小，線性趨勢較平穩(wěn)，反映了該研究時(shí)間段內(nèi)弱熱島區(qū)與強(qiáng)熱島區(qū)斑塊的變化與轉(zhuǎn)化趨勢。較高溫區(qū)的最大斑塊指數(shù)（LPI）呈現(xiàn)出與NP完全相反的趨勢，但總體上為下降態(tài)勢，高溫區(qū)的LPI則逐年上升，反映了較高溫區(qū)斑塊越來越分散，而高溫區(qū)斑塊則相對向更集中的趨勢發(fā)展。形狀斑塊指數(shù)（SHAPE_AM）的變化情況與LPI非常相似，說明較高溫區(qū)斑塊邊界形狀的復(fù)雜性逐漸減小，高溫區(qū)則逐漸增大。

圖8是選取的景觀水平的景觀格局指數(shù)時(shí)間變化圖，反映了研究區(qū)各斑塊總體的變化特征。從分析結(jié)果來看，形狀指數(shù)（SHAPE_AM）先減小后增大再減小，但總體上呈現(xiàn)上升趨勢，反映了斑塊形狀的總體復(fù)雜程度總體上是增強(qiáng)的。香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）的變化相對較平緩，總體趨勢與SHAPE_AM相反，呈下降趨勢，反映了伴隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，溫度景觀斑塊類型總體上是減少的。散布與并列指數(shù)（IJI）總體上逐年下降，表明各類景觀斑塊的混合分布程度隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)而逐漸減小，分布越來越集中。蔓延度指數(shù)（CONTAG）反映了景觀水平各類斑塊之間的蔓延趨勢，某種優(yōu)勢斑塊的連通性較好時(shí)，其蔓延度相對較高，在研究時(shí)間范圍內(nèi)，CONTAG的變化與IJI恰好相反，呈逐年上升趨勢，說明總體上優(yōu)勢度比較高的中溫區(qū)景觀斑塊的比重逐漸增大，優(yōu)勢度升高，這可能是由于部分低溫區(qū)或較低溫區(qū)斑塊向中溫區(qū)斑塊轉(zhuǎn)化的結(jié)果。

圖6 青島市地形圖Fig.6 The topographic map of Qingdao city

圖7 斑塊類型水平景觀指數(shù)變化Fig.7 The change of class metrics on class level

圖8 景觀水平景觀指數(shù)變化Fig.8 The change of land metrics on landscape level

綜上，通過對類型水平和景觀水平的景觀格局指數(shù)的分析，表明較高溫區(qū)總體呈現(xiàn)逐漸減小與破碎化趨勢，而高溫區(qū)面積則逐年增大并向集中化趨勢發(fā)展，青島市的各城市溫度斑塊向集中化趨勢演變。

4 結(jié)論

利用研究區(qū)域416幅連續(xù)、完整的MODIS地表溫度產(chǎn)品數(shù)據(jù)，分析了青島市城市熱島效應(yīng)的時(shí)空變化特征，得到以下結(jié)論：

（1）在時(shí)間變化特征上，城市熱島具有明顯的日變化特征，表現(xiàn)出晝?nèi)跻箯?qiáng)的特點(diǎn)，熱島分布晝夜差異較大，白天熱島區(qū)分布較分散，夜晚則分布比較集中；城市熱島的季節(jié)變化明顯，熱島強(qiáng)度總體表現(xiàn)為冬季最強(qiáng)，夏季最弱，且各季節(jié)白天熱島區(qū)分布變化較大，夜晚則相對穩(wěn)定；城市熱島范圍總體上呈現(xiàn)出逐年增大的特點(diǎn)，且城市建成區(qū)面積與城市熱島呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

（2）在空間變化特征上，城市熱島主要集中在青島市區(qū)、即墨市南部、膠州市中部以及黃島區(qū)東部；并且白天幾處明顯的低溫區(qū)到了夜晚轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷貐^(qū)或較高溫區(qū)，這種分布與變化特點(diǎn)在很大程度上受地形，海陸位置和土地利用類型等的影響；對城市熱島的景觀格局分析反映了較高溫區(qū)總體呈現(xiàn)逐漸減小與破碎化趨勢，高溫區(qū)面積則逐年增大并向集中化趨勢發(fā)展，青島市的各城市溫度斑塊向集中化趨勢演變。

通過對青島市城市熱島的時(shí)空特征研究，揭示了青島市近十幾年來城市熱島在不同時(shí)間尺度上的變化規(guī)律以及熱島的空間特征，這為緩解城市熱島效應(yīng)、合理規(guī)劃城市布局具有建設(shè)性的參考意義，同時(shí)也豐富了沿海城市的熱島效應(yīng)理論，在一定程度上為后續(xù)研究奠定理論依據(jù)。

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The change of spatial-temporal characteristics of Qingdao urban heat island based on remote sensing

ZHOU Tiantian, LIAN Lishu, LI Baofu, JI Xiaolu
College of Geography and Tourism, Qufu Normal University, Rizhao 276826, China

Background, aim, and scope Urban heat island (UHI) is one of the biggest ecological problems in the city at present, but most of the researches are carried out in the case of inland cities, fewer studies of UHI on coastal cities. This paper chooses Qingdao as the research case, using continuous and multi-temporal remote sensing data, systematically analyzes the daily, seasonal and interannual changes of UHI. In addition, by using the landscape pattern index, probed the spatial pattern of UHI of Qingdao city. Materials and methods In this paper, we according to 416 roll of MOD11A2 remote sensing image of 2001—2012 years, which is MODIS 8 days synthetic surface temperature product, taking UHIER index as the criteria and by using density segmentation method for the classifi cation of land surface temperature, using the method of correlation analysis, spatial overlay analysis and landscape pattern index to analyze the spatial and temporal characteristics of UHI in Qingdao city. Results The results showed that: The UHI of Qingdao city at night is stronger than daytime, the proportion ofhigher temperature during the day is much lower than at night. The UHI is strongest in winter while weakest in summer, the proportion of higher temperature area in winter and summer is 8.66% and 5.07%, respectively. On the annual scale, the phenomenon of UHI showing an increasing trend year by year, the higher temperature area is increasing at the rate of 15% a year. In terms of spatial distribution, UHI mainly concentrate in urban district of Qingdao, south of Jimo, central of Jiaozhou and eastern of Huangdao. The analysis of the landscape pattern index shows that the land surface temperature of Qingdao is developing towards the trend of high temperature and concentration. Discussion From the results of the study, the temporal variation of UHI is significantly affected by the land-sea position of Qingdao city, showed greater differences with inland areas. In addition, the spatial distribution characteristics of the study area showed a certain degree of agreement with the topography distribution and land use status of the study area, and the mechanism of its formation needs more in-depth study. Conclusions Together with spatial and temporal distribution of the UHI of Qingdao city, we conclude that, in terms of time-varying features, Qingdao as a coastal city, its characteristic of UHI exhibits an opposite feature with inland cities in daily and seasonal characteristics, and showed consistency with other studies of UHI in coastal city. In addition, the landscape pattern index has a good directive signifi cance for revealing the spatial pattern of UHI. Recommendations and perspectives The research conclusion both has theoretical signifi cance for understanding the change characteristics and mechanism of UHI in coastal city, and can provide a certain decision basis and direction for the city planning and construction to a certain extent.

urban heat island; spatial and temporal characteristics; UHIER index; landscape pattern Qingdao city

LIAN Lishu, E-mail: llsh8210@163.com

2016-11-04；錄用日期：2017-01-14

Received Date: 2016-11-04; Accepted Date: 2017-01-14

山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2015DL001）

Foundation Item: Shandong Provincial Natural Science Foundation, China (ZR2015DL001)

廉麗姝，E-mail: llsh8210@163.com

周甜甜, 廉麗姝, 李寶富, 等. 2017. 基于遙感的青島市城市熱島時(shí)空變化特征[J]. 地球環(huán)境學(xué)報(bào), 8(2): 157 – 168.

: Zhou T T, Lian L S, Li B F, et al. 2017. The change of spatial-temporal characteristics of Qingdao urban heat island based on remote sensing [J]. Journal of Earth Environment, 8(2): 157 – 168.