城市熱島效應(yīng)與景觀格局的關(guān)聯(lián)：從城市規(guī)模、景觀組分到空間構(gòu)型

劉焱序,彭 建, 王仰麟

1 北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院,地表過程分析與模擬教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100871 2 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部, 地表過程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875

城市熱島效應(yīng)與景觀格局的關(guān)聯(lián)：從城市規(guī)模、景觀組分到空間構(gòu)型

劉焱序1,2,彭 建1,*, 王仰麟1

1 北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院,地表過程分析與模擬教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100871 2 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部, 地表過程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875

景觀格局的改變被視為城市熱島形成的直接原因,但景觀格局指標(biāo)與熱島效應(yīng)的關(guān)聯(lián)機(jī)理仍未厘清。城市規(guī)模、景觀組分、空間構(gòu)型作為景觀格局的重要表征指標(biāo),對(duì)熱島效應(yīng)的影響體現(xiàn)了從整體到局部、從數(shù)量到空間的遞進(jìn)關(guān)系。其中,城市規(guī)模與熱島效應(yīng)的關(guān)聯(lián)存在地帶性規(guī)律；景觀組分與熱島效應(yīng)的相關(guān)性受晝夜、季節(jié)控制；顯著驅(qū)動(dòng)熱島效應(yīng)的關(guān)鍵空間構(gòu)型指標(biāo)仍有待遴選。景觀格局與熱島效應(yīng)的非線性關(guān)聯(lián)可能存在拐點(diǎn),拐點(diǎn)前后對(duì)應(yīng)不一致的因子驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度。科學(xué)界定城市規(guī)模、景觀組分、空間構(gòu)型等景觀格局要素顯著影響熱島效應(yīng)的閾值區(qū)間,有助于明晰緩解城市熱島效應(yīng)的關(guān)鍵景觀生態(tài)途徑。

熱島效應(yīng)；城市規(guī)模；景觀組分；空間構(gòu)型；關(guān)聯(lián)閾值

城市熱島(Urban Heat Island, UHI)效應(yīng)是指城市化所導(dǎo)致的城市氣溫高于周邊郊區(qū)的現(xiàn)象[1]。作為城市化最明顯的氣候響應(yīng)形式,城市熱島直接改變了城市居民的熱舒適度和整體生活質(zhì)量,是人類活動(dòng)導(dǎo)致氣候變暖并反饋于自身生產(chǎn)、生活的直接體現(xiàn)[2- 5]。在全球氣候變暖和快速城市化背景下,城市熱島效應(yīng)加劇了城市極端高溫發(fā)生的范圍和強(qiáng)度,導(dǎo)致城市居民的高溫健康風(fēng)險(xiǎn)顯著增大[6- 9]。人類活動(dòng)導(dǎo)致地表下墊面改變,直接影響地表對(duì)太陽輻射的吸收,是城市化形成熱島效應(yīng)的重要途徑；而這種地表下墊面改變的過程直接反映在城市景觀的異質(zhì)性格局中[10]。因此,作為城市熱島效應(yīng)形成的直接原因,城市景觀格局的時(shí)空分異特征在相當(dāng)程度上決定了城市熱島效應(yīng)的不同強(qiáng)度。

景觀格局與生態(tài)過程的耦合是景觀生態(tài)學(xué)的核心研究領(lǐng)域。景觀格局不僅體現(xiàn)著各種生態(tài)過程在不同時(shí)空尺度上相互作用的結(jié)果,同時(shí)又決定著各種自然環(huán)境因子在景觀空間的分布和組合,從而制約各種生態(tài)過程[11- 14]。熱島效應(yīng)作為代表性的城市化生態(tài)環(huán)境效應(yīng),是城市景觀格局演變的最直接后果之一[15]。厘清城市熱島效應(yīng)與景觀格局的關(guān)聯(lián)機(jī)理,是對(duì)景觀格局與生態(tài)過程互饋研究在城市地域的進(jìn)一步深化,將為優(yōu)化景觀格局、緩解城市熱島效應(yīng)提供核心科學(xué)依據(jù)[16- 18],從而有助于在學(xué)科理論層面豐富景觀格局與生態(tài)過程耦合機(jī)制的探索、推動(dòng)城市景觀生態(tài)學(xué)理論與方法內(nèi)核的凝練,在實(shí)踐層面為推進(jìn)我國(guó)新型城鎮(zhèn)化建設(shè)、提升城市適應(yīng)氣候變化能力提供可操作的景觀優(yōu)化途徑。

1 城市熱島效應(yīng)的景觀格局驅(qū)動(dòng)

1.1 城市熱島效應(yīng)的界定與度量

城市化進(jìn)程中不平衡的能量收支導(dǎo)致了城市更溫暖的氣候條件,即城市熱島效應(yīng)[19]。狹義的城市熱島效應(yīng)專指城市熱島強(qiáng)度,即城區(qū)氣溫與郊區(qū)氣溫的差；廣義的城市熱島效應(yīng)除了熱島強(qiáng)度外,還包括熱島現(xiàn)象誘發(fā)的干濕氣候特征[20]。英國(guó)氣象學(xué)者Howard在19世紀(jì)對(duì)倫敦市區(qū)氣溫比周圍鄉(xiāng)村氣溫高的現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測(cè),成為最早的熱島效應(yīng)研究[21]。在標(biāo)準(zhǔn)意義上,城市熱島效應(yīng)的強(qiáng)度被定義為城市熱島中心的氣溫峰值與相同時(shí)間、相同高度下城郊?xì)鉁氐牟钪礫22]。鑒于城市高溫中心的不穩(wěn)定和城市郊區(qū)范圍劃定的困難性,一般將城市熱島強(qiáng)度表征為城區(qū)氣象臺(tái)站與最近的城區(qū)外氣象臺(tái)站的溫度差。顯然,溫度測(cè)量裝置的有限性較大程度的限制了大氣城市熱島與景觀格局的關(guān)聯(lián)研究。

城市熱島效應(yīng)主要源于景觀變化改變地表反照率和城市化產(chǎn)生大量人為熱兩個(gè)方面,目前有關(guān)這兩種驅(qū)動(dòng)力對(duì)城市熱島強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率尚存爭(zhēng)議,尤其是景觀變化對(duì)城市熱島效應(yīng)演化的驅(qū)動(dòng)力仍有待厘清[23]。衛(wèi)星熱紅外傳感器的誕生使得具有空間連續(xù)性的熱紅外地表溫度(Land Surface Temperature, LST)成為表征地表城市熱島的有效方式[24]。由于傳感器工作機(jī)制與氣溫計(jì)不同,導(dǎo)致地表城市熱島與大氣城市熱島在晝夜規(guī)律上存在明顯差異；雖然學(xué)界至今尚未在解釋該規(guī)律的不一致性上取得突破,但顯然相對(duì)于大氣城市熱島,研究景觀變化對(duì)地表城市熱島的驅(qū)動(dòng)更具備可操作性[23]?；诖?依托LST的較高空間分辨率,地表城市熱島強(qiáng)度可以與城市景觀格局的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行有效銜接,業(yè)已成為研究城市熱島效應(yīng)與景觀格局關(guān)聯(lián)的主要途徑。

1.2 驅(qū)動(dòng)因素劃分與測(cè)度難點(diǎn)

國(guó)內(nèi)外大量研究證實(shí),城市規(guī)模、景觀組分以及空間構(gòu)型三類因素均對(duì)城市熱島效應(yīng)具有驅(qū)動(dòng)作用,且這三類因素對(duì)熱島效應(yīng)的影響具有層次性。其中,城市規(guī)模是景觀格局在城市整體視角的概化,存在著“在外部因素控制下,城市總體規(guī)模越大、城市化強(qiáng)度越高,則熱島效應(yīng)是否隨之增強(qiáng)”的研究命題,從研究?jī)?nèi)容而言處于較宏觀的層次。景觀組分因素可以是針對(duì)城市整體的平均值,但更多研究聚焦“特定城市內(nèi)部的景觀組分異質(zhì)性所導(dǎo)致的熱島效應(yīng)或地表溫度空間分異”,在研究?jī)?nèi)容的層次性上低于對(duì)城市整體規(guī)模的描述,研究結(jié)論僅針對(duì)所聚焦的特定城市成立。景觀空間構(gòu)型是景觀格局的形態(tài)學(xué)展示,從研究?jī)?nèi)容的層次性而言處于最低。從特定城市中選取景觀組分相對(duì)一致的樣本,探討空間構(gòu)型的影響會(huì)得到相對(duì)可靠的結(jié)果,而“景觀的空間分布形態(tài)是否對(duì)熱島效應(yīng)有影響,該影響與景觀組分的影響有何不同”則是空間構(gòu)型研究聚焦的重要命題。整體而言,上述三類因素的組合形成了總體規(guī)模影響、內(nèi)部組分影響、局部形態(tài)影響的多層次城市熱島效應(yīng)驅(qū)動(dòng),構(gòu)成了景觀格局與熱島效應(yīng)關(guān)聯(lián)的研究體系。

相對(duì)而言,在三類因素與城市地表溫度的關(guān)聯(lián)研究中,對(duì)景觀組分的關(guān)注最多,結(jié)論也相對(duì)明確[25- 28]。同時(shí),以城市規(guī)模控制為出發(fā)點(diǎn),一些涉及較多城市樣本的研究在較大尺度上探討了城市規(guī)模與熱島效應(yīng)的關(guān)系,得出大城市比小城市更熱的結(jié)論,但城市景觀格局中建成區(qū)規(guī)模與熱島效應(yīng)之間的關(guān)聯(lián)尚未在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界達(dá)成基本共識(shí)[29- 30]。此外,一些景觀生態(tài)學(xué)者在考慮景觀規(guī)模、組分的前提下詳細(xì)論證了景觀空間構(gòu)型與城市熱島效應(yīng)的相互關(guān)系,提出了影響城市熱島效應(yīng)的一些關(guān)鍵景觀格局指數(shù)[31- 34]。伴隨著中國(guó)改革開放以來快速城市化進(jìn)程,城市建成區(qū)的高速擴(kuò)張引致了城市熱環(huán)境的顯著變化。然而,中國(guó)地域遼闊,氣候背景與城市化階段的巨大差異導(dǎo)致了中國(guó)城市熱島形成機(jī)制的復(fù)雜性[35- 41],在不同時(shí)空統(tǒng)計(jì)樣本中城市熱島效應(yīng)與景觀格局的關(guān)聯(lián)特征并不一致。當(dāng)前,針對(duì)不同城市的研究案例中,研究目標(biāo)和方法各有側(cè)重而相對(duì)未成體系；城市景觀格局指標(biāo)與熱島效應(yīng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系存在較大差異,城市規(guī)模、景觀組分、空間構(gòu)型等景觀格局要素對(duì)熱島效應(yīng)的貢獻(xiàn)程度難以厘清；并且,未能形成城市適應(yīng)氣候變化能力提升的普適性景觀優(yōu)化途徑。

景觀格局與生態(tài)過程互饋機(jī)制是景觀生態(tài)學(xué)研究的核心議題,對(duì)于城市景觀中格局與過程互饋機(jī)制的解析是識(shí)別城市可持續(xù)性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。一方面,對(duì)于景觀格局與城市熱島效應(yīng)關(guān)聯(lián)機(jī)理的探究,是對(duì)景觀生態(tài)學(xué)格局與過程互饋核心議題的重要實(shí)踐探索,實(shí)現(xiàn)對(duì)理論規(guī)律的定量化支撐,有助于學(xué)科體系的進(jìn)一步完善；另一方面,緩解城市熱島效應(yīng)、提升城市適應(yīng)氣候變化能力,是城市生態(tài)文明建設(shè)的重要目標(biāo)之一。針對(duì)景觀格局與熱島效應(yīng)關(guān)聯(lián)呈現(xiàn)的非線性規(guī)律,僅判定驅(qū)動(dòng)力是否存在顯然不足以展示格局對(duì)過程的影響機(jī)理,難以為城市熱島效應(yīng)緩解提供足夠的定量化指引。亟需回答的問題是,在何種控制條件或取值范圍內(nèi),景觀格局指標(biāo)可以較強(qiáng)的緩解熱島效應(yīng)？換而言之,在非線性關(guān)系中是否存在特定的拐點(diǎn),該拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的景觀格局指標(biāo)閾值前后,存在不一致的驅(qū)動(dòng)節(jié)律或強(qiáng)度？在此目標(biāo)下,科學(xué)識(shí)別景觀格局顯著驅(qū)動(dòng)熱島效應(yīng)的閾值區(qū)間,可以為面向熱島效應(yīng)緩解的景觀規(guī)劃提供定量化的城市規(guī)模、景觀組分、空間構(gòu)型的指標(biāo)控制范圍,成為新型城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略下生態(tài)宜居城市建設(shè)的重要決策保障。

2 UHI與城市規(guī)模的關(guān)聯(lián)：聚焦地帶性規(guī)律

2.1 規(guī)模指標(biāo)關(guān)聯(lián)特征

城市規(guī)模的擴(kuò)張是城市化的直觀體現(xiàn)。既然熱島效應(yīng)是城市化的直接后果,那么城市總體規(guī)模作為城市化的定量化反映,很可能與熱島效應(yīng)存在某種形式的關(guān)聯(lián)。早在1970年代,加拿大學(xué)者Oke就發(fā)現(xiàn)城市人口規(guī)模與熱島效應(yīng)呈現(xiàn)正相關(guān)[42]。21世紀(jì)以來,學(xué)者們基于大樣本、多時(shí)相的遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)分析了城市規(guī)模與城市熱島的關(guān)聯(lián)規(guī)律(表1)。在亞洲與北美的研究結(jié)果都發(fā)現(xiàn),城市人口規(guī)模與熱島效應(yīng)存在正相關(guān)；但亞洲18個(gè)特大城市顯現(xiàn)出白天相關(guān)性大于夜晚的關(guān)聯(lián)規(guī)律[43],而北美65個(gè)濕潤(rùn)氣候區(qū)城市顯現(xiàn)出夜晚相關(guān)性大于白天的特征[30]。同時(shí),城市建成區(qū)規(guī)模與熱島效應(yīng)的關(guān)聯(lián)結(jié)論亦有所沖突。在全球和國(guó)家尺度,北美溫帶城市夏季白天的熱島效應(yīng)與建成區(qū)規(guī)模相關(guān)性最高[44],基于全球城市樣本聚類的結(jié)果則顯示出平均熱島效應(yīng)與城市規(guī)模在夜晚呈現(xiàn)顯著的冪律關(guān)系[29]。然而,全球419個(gè)大城市樣本的分析表明熱島效應(yīng)與建成區(qū)面積以及人口規(guī)模并無顯著關(guān)聯(lián)[45],中國(guó)32個(gè)大城市的建成區(qū)面積也與熱島效應(yīng)的相關(guān)性不顯著[46]。在區(qū)域尺度,京津冀大于2km2建成區(qū)斑塊中熱島效應(yīng)與建成區(qū)面積顯著相關(guān),而小于2km2的斑塊則不存在該關(guān)系[47]。由此可知,城市規(guī)模與熱島效應(yīng)存在顯著關(guān)聯(lián),但關(guān)聯(lián)特征受統(tǒng)計(jì)樣本的地域范圍決定。

表1 城市規(guī)模與熱島效應(yīng)的關(guān)聯(lián)研究對(duì)比

ISA：不透水地表面積,Impervious Surface Area；UHI：熱島強(qiáng)度,Urban Heat Island

2.2 規(guī)模關(guān)聯(lián)規(guī)律解析

UHI與城市規(guī)模的關(guān)聯(lián)分析研究途徑在統(tǒng)計(jì)方式、研究時(shí)長(zhǎng)、表征參數(shù)、空間范圍等方面都存在分異,而樣本空間范圍可以被認(rèn)為是影響統(tǒng)計(jì)結(jié)果的最重要因素。就統(tǒng)計(jì)方式而言,以對(duì)數(shù)模型而非線性模型建立回歸方程容易得到更為可靠的結(jié)論,這是由于城市規(guī)模所涉及的人口、經(jīng)濟(jì)、土地面積等指標(biāo)往往呈現(xiàn)冪律、指數(shù)等非線性特征,而樣本中溫度的增減關(guān)系則很難具備對(duì)應(yīng)的如此大幅差異。就研究時(shí)長(zhǎng)而言,單一城市中10個(gè)左右的年份樣本依然是偏少的,而長(zhǎng)時(shí)間尺度研究?jī)H僅增加了樣本的統(tǒng)計(jì)量,并未能進(jìn)行時(shí)序回歸。就對(duì)城市規(guī)模的表征參數(shù)而言,人口和建成區(qū)面積本身具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性,但真實(shí)居住于市中心的人口數(shù)量往往不易獲取,因而采用遙感手段提取城市景觀中的建成區(qū)面積開展相關(guān)分析精度相對(duì)更高。從研究樣本的空間位置來看,全球乃至部分國(guó)家尺度的研究,容易得到UHI與城市規(guī)模不相關(guān)的結(jié)論；而在區(qū)域氣候背景較一致的條件下,大多數(shù)研究統(tǒng)計(jì)出UHI或LST與城市規(guī)模顯著相關(guān)的結(jié)果。因此,衡量城市規(guī)模對(duì)城市熱島效應(yīng)的作用有必要強(qiáng)調(diào)控制變量的一致性,例如在相同的氣候帶下進(jìn)行空間采樣。

不同城市樣本和采樣時(shí)間得到的研究結(jié)果有所沖突,表明城市規(guī)模與城市熱島效應(yīng)的關(guān)聯(lián)規(guī)律可能受到多重時(shí)空條件影響。如何刻畫該關(guān)聯(lián)規(guī)律的影響機(jī)制、獲取特征控制變量,成為城市規(guī)模與熱島效應(yīng)關(guān)聯(lián)研究的重要趨向。為判斷城市規(guī)模與城市熱島效應(yīng)的關(guān)聯(lián)性是否具有地帶性規(guī)律,有效剝離空間采樣過程中的干擾項(xiàng),以下科學(xué)問題值得重點(diǎn)關(guān)注：城市規(guī)模與熱島效應(yīng)的晝夜關(guān)聯(lián)規(guī)律是否僅在特定的氣候分區(qū)成立？或者受特定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件影響？是否僅在特定的城市建成區(qū)規(guī)模以上成立？而區(qū)分關(guān)聯(lián)規(guī)律成立與否的閾值或所謂的臨界點(diǎn)又如何確定？大城市的城市規(guī)模擴(kuò)張與熱島效應(yīng)增強(qiáng)是否存在顯著的時(shí)序關(guān)聯(lián)特征？在不同氣候帶中該時(shí)序關(guān)聯(lián)特征是否具備特定的空間規(guī)律？

3 UHI與景觀組分的關(guān)聯(lián)：厘定城市化影響

3.1 組分指標(biāo)關(guān)聯(lián)特征

景觀組分即景觀類型的成分占比,其與太陽輻射的熱量吸收、水分的蒸散吸熱過程直接對(duì)應(yīng),決定了地表的熱量傳輸關(guān)系,從而直接影響城市熱島強(qiáng)度。除傳統(tǒng)的景觀類型面積比例外,遙感監(jiān)測(cè)得到的生物物理參數(shù)也是景觀組分的有效刻畫方式。其中,歸一化差值植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)、不透水地表面積(Impervious Surface Area, ISA)作為影響熱島效應(yīng)的關(guān)鍵景觀組分指標(biāo),被廣泛用于探討熱島效應(yīng)和景觀格局的關(guān)聯(lián)規(guī)律[48-50]。此外,土地利用類型及與之密切相關(guān)的歸一化差值建筑指數(shù)(Normalized Difference Built-up Index, NDBI)、增強(qiáng)植被指數(shù)(Enhanced Vegetation Index, EVI)、歸一化差值水體指數(shù)(Normalized Difference Water Index, NDWI)等亦是衡量熱島效應(yīng)與景觀組分關(guān)聯(lián)關(guān)系的常用指標(biāo)[51-54]。相關(guān)案例分析表明,ISA、NDBI、NDWI、NDVI等指標(biāo)與熱島效應(yīng)相關(guān)性較強(qiáng)(表2)。然而,在統(tǒng)計(jì)尺度與季相的差異背景下,上述生物物理參數(shù)指標(biāo)并非在任何條件下均與城市熱島效應(yīng)顯著相關(guān)。

表2 城市景觀組分與熱島效應(yīng)的關(guān)聯(lián)研究對(duì)比

注：△：樣本值與背景值的差值；LST：地表溫度,Land Surface Temperature；NDVI：歸一化差值植被指數(shù),Normalized Difference Vegetation Index；NDBI：歸一化差值建筑指數(shù),Normalized Difference Built-up Index；EVI：增強(qiáng)植被指數(shù),Enhanced Vegetation Index；NDWI：歸一化差值水體指數(shù),Normalized Difference Water Index

研究普遍發(fā)現(xiàn),反映建設(shè)用地比例的ISA、NDBI等參數(shù)在各個(gè)季節(jié)均與LST及其城鄉(xiāng)差值(UHI)呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān),而反映地表植被生長(zhǎng)的NDVI、EVI等參數(shù)并不一定與LST和UHI顯著相關(guān)。對(duì)夏季城市熱島效應(yīng)的研究結(jié)果顯示NDVI和LST、△NDVI和UHI顯著相關(guān)的結(jié)論[31,49-50],而另一些包含冬季的研究案例則在NDVI與LST、△EVI與UHI是否相關(guān)的判斷上顯示出較大的季節(jié)與晝夜差異[45-46,57- 59]。同時(shí),不同的統(tǒng)計(jì)粒度和幅度也會(huì)顯著改變景觀組分參數(shù)與LST關(guān)系的顯著性,在精細(xì)粒度上與LST高度相關(guān)的綠地面積可能在粗粒度上與LST無關(guān),在像元統(tǒng)計(jì)上與LST無關(guān)的植被覆蓋度則可能在行政區(qū)統(tǒng)計(jì)上與LST相關(guān)[48,60]。

3.2 組分關(guān)聯(lián)規(guī)律解析

在對(duì)UHI與城市景觀組分的關(guān)聯(lián)解析中,溫度取值、參數(shù)獲取、統(tǒng)計(jì)單元、氣候分異、人類活動(dòng)等因素均值得關(guān)注。尤其是人類活動(dòng)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的降尺度,可能是理解不同空間統(tǒng)計(jì)單元中關(guān)鍵景觀組分對(duì)熱島效應(yīng)驅(qū)動(dòng)力存在差異的重要?dú)w因方式。首先,不同研究中對(duì)城市熱環(huán)境的表征采用UHI或LST為因變量,但實(shí)質(zhì)上只要郊區(qū)的溫度背景值相同,該背景值作為常數(shù)項(xiàng)并不會(huì)影響統(tǒng)計(jì)結(jié)果；而在多城市樣本中郊區(qū)背景值各異的情況下,UHI和LST在回歸方程中不能相互替換。其次,傳統(tǒng)的景觀組分參數(shù)往往為各種用地類型的比例,而近年來大量應(yīng)用的NDVI、ISA等生物物理參數(shù)具有與用地類型比例相似的特點(diǎn),也可以用于描述景觀組分,但并不具有相互替代性。例如,冬季的林地、草地面積百分比與NDVI值并不一定高度對(duì)應(yīng)；NDWI將山體陰影顯示為高值,也易于和真實(shí)的水體面積百分比存在沖突。再次,統(tǒng)計(jì)單元對(duì)關(guān)聯(lián)規(guī)律的影響不僅體現(xiàn)在統(tǒng)計(jì)單元的面積上,更反映在統(tǒng)計(jì)單元的劃區(qū)方式上,矩形、流域、行政區(qū)等不同空間形態(tài)的單元可能引致明顯分異的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。同時(shí),植被在低緯度地區(qū)降溫、高緯度地區(qū)升溫的規(guī)律是否能在不同城市的案例中得到體現(xiàn)也值得關(guān)注。最后,相比于氣候背景,城市化方式及強(qiáng)度對(duì)UHI與城市景觀組分關(guān)聯(lián)規(guī)律的影響尚未得到足夠重視；將景觀組分作為控制變量,探討人為熱排放對(duì)城市熱島的影響,成為解析地表反射率與人為熱排放對(duì)城市熱島效應(yīng)貢獻(xiàn)關(guān)系的有效途徑。

針對(duì)不同城市研究案例中出現(xiàn)的景觀組分與熱島效應(yīng)關(guān)聯(lián)特征的顯著差異,有必要明確城市區(qū)位、觀測(cè)尺度、季相時(shí)間等多種變量對(duì)該關(guān)聯(lián)規(guī)律造成的影響。其中,不僅需要區(qū)分各氣候帶城市熱島效應(yīng)與景觀組分關(guān)聯(lián)規(guī)律的差異性,還需要進(jìn)一步甄別該關(guān)聯(lián)規(guī)律在不同城市發(fā)展階段的響應(yīng)特征差異,因而以下科學(xué)問題值得重點(diǎn)回應(yīng)：NDVI與LST的關(guān)聯(lián)特征是否存在緯度差異性？沿海、沿江城市水體的降溫效用是否與內(nèi)陸城市的水體景觀一致？ISA與LST的關(guān)聯(lián)特征是否與城市發(fā)展程度、類型有關(guān)？在城市快速擴(kuò)展前期與后期的UHI與景觀組分的關(guān)聯(lián)特征有何差異？如若關(guān)聯(lián)特征的顯著性判定存在變化,則臨界點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的控制變量閾值如何識(shí)別？

4 UHI與空間構(gòu)型的關(guān)聯(lián)：明晰代表性指數(shù)

4.1 構(gòu)型指標(biāo)關(guān)聯(lián)特征

盡管不同景觀組分的地表反射率差異和蒸散過程強(qiáng)弱是影響熱量傳輸、決定城市熱島強(qiáng)度的主要因素,但考慮到熱力過程的空間流動(dòng)性,局地景觀所吸收或釋放的熱量可能對(duì)周邊景觀的溫度有所影響,從而體現(xiàn)出景觀空間構(gòu)型對(duì)城市熱島效應(yīng)影響的研究重要性。除對(duì)景觀組分及其特征參量的刻畫外,一些研究開始關(guān)注景觀空間分布形態(tài)的熱力學(xué)意義,通過景觀格局指數(shù)分析景觀空間構(gòu)型與熱島效應(yīng)的關(guān)系,提取出影響熱島效應(yīng)的關(guān)鍵空間構(gòu)型指標(biāo)[31,33-34,55]。在識(shí)別景觀組分與熱島效應(yīng)關(guān)聯(lián)特征基礎(chǔ)上,以描述面積-周長(zhǎng)、形狀、集聚、多樣性為主的數(shù)十個(gè)景觀空間構(gòu)型指標(biāo)與熱島效應(yīng)關(guān)聯(lián)規(guī)律的刻畫已在中國(guó)不同城市予以開展(表3)。其中,大多數(shù)研究以LST替代UHI進(jìn)行相關(guān)與回歸分析。正如前文所述,在郊區(qū)背景值固定的前提下,LST與UHI在回歸中僅存在常數(shù)項(xiàng)的差別,不會(huì)影響回歸系數(shù)。值得一提的是,一些研究將UHI反向取值,將綠地水體的降溫效果命名為城市冷島效應(yīng),從而為公園綠地的空間形態(tài)規(guī)劃與設(shè)計(jì)提供定量參考。

以北京、上海為主的不同城市研究結(jié)果表明,最大斑塊指數(shù)(LPI)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、景觀集聚度(CONTAG)與LST顯著相關(guān)[33-34,60-61]。然而,即使針對(duì)同一城市,仍有一些研究結(jié)果顯示出完全相反的結(jié)論。在北京一個(gè)采樣粒度變化的研究案例中,只有景觀破碎度(PD)在各個(gè)粒度均與LST顯著相關(guān)[60]；在上海夏季的研究案例則顯示LSI、PD等指數(shù)與LST無關(guān)。在對(duì)綠地景觀空間構(gòu)型與降溫效應(yīng)的關(guān)聯(lián)分析中,一些研究發(fā)現(xiàn)了形狀簡(jiǎn)單、分布集中的綠地斑塊降溫效果更佳的規(guī)律[55,62-63],但也有研究得出了形狀復(fù)雜而分散的綠地溫度更低、降溫效果更強(qiáng)的結(jié)論[64-65]。因此,景觀空間構(gòu)型驅(qū)動(dòng)熱島效應(yīng)的貢獻(xiàn)率仍不明晰,關(guān)鍵景觀空間構(gòu)型指標(biāo)亟待明確。

4.2 構(gòu)型關(guān)聯(lián)規(guī)律解析

從規(guī)模、組分到構(gòu)型的景觀格局與熱島效應(yīng)關(guān)聯(lián)研究并非相互并列,而存在著遞進(jìn)關(guān)系。引入空間構(gòu)型因子,可以更好的解讀在特定規(guī)模的某一城市中景觀組分與熱島效應(yīng)回歸參數(shù)未能解釋的部分。在規(guī)模、組分因子對(duì)景觀數(shù)量、質(zhì)量特征參數(shù)進(jìn)行描述的基礎(chǔ)上,對(duì)景觀空間構(gòu)型的刻畫增加了景觀空間組織關(guān)聯(lián)對(duì)熱島效應(yīng)的影響,使景觀格局對(duì)熱島效應(yīng)的影響成為數(shù)量-質(zhì)量-空間多維驅(qū)動(dòng)。同時(shí),三者之間又強(qiáng)弱有序,在整體的城市規(guī)模和景觀組分熱傳遞質(zhì)量下,強(qiáng)調(diào)局部景觀空間聯(lián)系的熱環(huán)境效應(yīng)方能凸顯其意義。對(duì)應(yīng)于多數(shù)研究關(guān)注景觀組分對(duì)熱島效應(yīng)的影響程度,對(duì)景觀空間構(gòu)型驅(qū)動(dòng)力的關(guān)注成為立足景觀生態(tài)學(xué)視角研究熱島效應(yīng)的重要學(xué)科貢獻(xiàn)。

表3 城市景觀空間構(gòu)型與熱島效應(yīng)的關(guān)聯(lián)研究對(duì)比

PLAND：景觀組成百分比,Percentage of Landscape；Gyrate_MN：平均回轉(zhuǎn)指數(shù),Mean Radius of Gyration；PD：斑塊密度,Patch Density；ED：邊緣密度,Edge Density；LPI：最大斑塊指數(shù),Largest Patch Index；LSI：景觀形狀指數(shù),Largest Shape Index；DIVISION：分離度,Landscape Division Index；AI：集聚指數(shù),Aggregation Index；CONTAG：景觀集聚度,Contagion；CIBuild:建筑斑塊凝聚度,Cohesion Index for Building Patch；SHDI：香農(nóng)多樣性,Shannon′s Diversity Index；SHEI：香農(nóng)豐富度,Shannon′s Evenness Index；Perimeter: 周長(zhǎng)；Perimeter/Area: 周長(zhǎng)面積比

鑒于研究結(jié)果間的相互沖突,景觀空間構(gòu)型與熱島效應(yīng)的關(guān)聯(lián)規(guī)律尚無定論,對(duì)控制變量厘定、特征尺度遴選、關(guān)鍵指數(shù)析取的探索有必要繼續(xù)強(qiáng)化。首先,景觀空間構(gòu)型對(duì)城市熱島效應(yīng)的影響一般弱于景觀組分、氣候條件乃至一些社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),在未剝離其他變量的前提下直接對(duì)景觀空間構(gòu)型與溫度進(jìn)行相關(guān)性分析,顯著性統(tǒng)計(jì)結(jié)果容易具有偶然性。其次,景觀空間構(gòu)型指標(biāo)隨統(tǒng)計(jì)尺度存在較為明顯的變異,而城市主城區(qū)及內(nèi)部功能區(qū)的大小并不固定,因而每個(gè)城市應(yīng)有其特定的統(tǒng)計(jì)尺度,需要在研究中予以強(qiáng)調(diào)。最后,各類型景觀格局指數(shù)具有較高的相關(guān)性,雖然采用窮舉的方式可以篩選出統(tǒng)計(jì)意義上相關(guān)程度最高的變量,但如何理解統(tǒng)計(jì)結(jié)果所對(duì)應(yīng)的形態(tài)學(xué)內(nèi)涵顯然更具挑戰(zhàn)。因此,采用富有鮮明形態(tài)學(xué)特征的景觀空間構(gòu)型指標(biāo)帶入模型,可以更有效的幫助研究者理解統(tǒng)計(jì)結(jié)果所蘊(yùn)含的形態(tài)學(xué)意義。

由于不同城市中景觀組分指標(biāo)與熱島效應(yīng)的關(guān)系本身存在差異,導(dǎo)致了景觀組分驅(qū)動(dòng)熱島效應(yīng)的貢獻(xiàn)率存在時(shí)空差異；在景觀組分和空間構(gòu)型共同驅(qū)動(dòng)城市熱島效應(yīng)的理論假設(shè)下,空間構(gòu)型驅(qū)動(dòng)熱島效應(yīng)的貢獻(xiàn)率因而也并不恒定。因此,景觀空間構(gòu)型與城市熱島效應(yīng)的關(guān)聯(lián)研究仍有待深入,有必要關(guān)注以下重點(diǎn)科學(xué)問題：在厘定空間構(gòu)型對(duì)熱島效應(yīng)的驅(qū)動(dòng)作用時(shí),如何剝離其他景觀屬性的影響？如何在眾多空間構(gòu)型指標(biāo)中析取關(guān)鍵指標(biāo)？不同采樣粒度和幅度怎樣影響這一貢獻(xiàn)率的取值？相同面積規(guī)模下,增溫景觀的斑塊分布是否越聚集越有助于熱島效應(yīng)的增強(qiáng),是否斑塊形狀越簡(jiǎn)單熱島效應(yīng)越強(qiáng)？如何將景觀空間構(gòu)型對(duì)城市熱島效應(yīng)的貢獻(xiàn)率識(shí)別結(jié)果與城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃相對(duì)接？

值得強(qiáng)調(diào)的是,雖然在城市綠地、水體與周邊建設(shè)用地的反向UHI,即“冷島效應(yīng)”被逐漸認(rèn)知并強(qiáng)調(diào)的背景下[61,64-65],所識(shí)別的景觀空間構(gòu)型參數(shù)可以成為城市地域綠色基礎(chǔ)設(shè)施空間形態(tài)規(guī)劃的重要依據(jù)[70],但使用過于復(fù)雜的指數(shù)可能會(huì)降低實(shí)踐意義。由于并非所有通過顯著性檢驗(yàn)的構(gòu)型參數(shù)均具有對(duì)接景觀規(guī)劃的應(yīng)用價(jià)值,景觀空間構(gòu)型指標(biāo)的應(yīng)用前景是空間構(gòu)型與UHI關(guān)聯(lián)研究必須重視的議題。

5 UHI與景觀格局關(guān)聯(lián)研究展望：閾值析取

5.1 閾值研究意義

總結(jié)近今研究進(jìn)展,可見城市規(guī)模、景觀組分、空間構(gòu)型因素對(duì)城市熱島效應(yīng)的影響均未形成普適性規(guī)律,而存在于氣候、時(shí)相、季相、城市類別等參數(shù)控制條件之下。即使就特定城市而言,同一景觀格局也可以對(duì)應(yīng)不同天氣條件下的多種溫度,景觀格局與熱島效應(yīng)的關(guān)系并不具有唯一性。因此,關(guān)注不同控制變量下景觀格局對(duì)熱島效應(yīng)影響可能存在的貢獻(xiàn)率波動(dòng)范圍,比單純界定影響的顯著性更具應(yīng)用價(jià)值。

就城市規(guī)模而言,這一閾值可以是在氣候帶、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件等背景變量一致時(shí),城市規(guī)模與熱島效應(yīng)相關(guān)聯(lián)的上下限。例如,Tan和Li發(fā)現(xiàn)在京津冀地區(qū)大于2km2的建成區(qū)中存在熱島效應(yīng)與建成區(qū)面積的顯著相關(guān)[47]；則2km2可以作為該區(qū)域的一個(gè)規(guī)模閾值。就景觀組分而言,閾值可以是特定城市中景觀類型的成分或者生物物理參數(shù)顯著影響熱島效應(yīng)的取值范圍。在全樣本中與熱島效應(yīng)相關(guān)性較低的景觀組分參數(shù)可能在某一部分樣本中與熱島效應(yīng)高度相關(guān)。例如,Peng等對(duì)北京市的研究表明,當(dāng)生態(tài)用地占樣本總面積70%以上時(shí),景觀的降溫效應(yīng)明顯提升[55]；則70%可以作為該區(qū)域的一個(gè)組分閾值。同理,在城市內(nèi)部特定的研究尺度和景觀組分區(qū)間下,可以厘定空間構(gòu)型參數(shù)顯著影響熱島效應(yīng)的取值范圍。但由于空間布局參數(shù)的刻畫受采樣尺度影響較大,該閾值是否能被識(shí)別到并是否有應(yīng)用價(jià)值尚有待進(jìn)一步驗(yàn)證?？傊?通過全面明晰城市景觀格局中的規(guī)模、組分、構(gòu)型要素與城市熱島的關(guān)聯(lián),提取各景觀格局要素所對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵閾值,可以為城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)規(guī)模、成分、形態(tài)提供定量化依據(jù),直接服務(wù)于城市景觀規(guī)劃的現(xiàn)實(shí)需求[71]。

5.2 閾值析取途徑

區(qū)域氣候主導(dǎo)的城市溫度背景值的差異性和城市化主導(dǎo)的局地人為熱排放差異性,是引致景觀格局與城市熱島關(guān)聯(lián)區(qū)域分異的兩大主要因素,也是關(guān)聯(lián)閾值析取所關(guān)注的焦點(diǎn)。國(guó)家或區(qū)域尺度上,城市規(guī)模、景觀組分與熱島效應(yīng)的關(guān)系是否存在緯度區(qū)間、社會(huì)經(jīng)濟(jì)區(qū)間,局地城市景觀空間構(gòu)型與熱島效應(yīng)的關(guān)系是否存在規(guī)模、組分區(qū)間,可以成為關(guān)聯(lián)閾值析取研究的兩項(xiàng)重要內(nèi)容。在固定區(qū)間內(nèi)識(shí)別景觀格局參數(shù)對(duì)城市熱島效應(yīng)的貢獻(xiàn)率上限和下限,即可得到景觀格局對(duì)熱島效應(yīng)的影響閾值。如圖1所示的研究框架示例,遴選代表性景觀格局參數(shù)并采用合理的相關(guān)分析和回歸分析方法,可以有效明確景觀格局對(duì)熱島效應(yīng)的影響強(qiáng)度,并根據(jù)不同樣本所展示的時(shí)空規(guī)律差異性提取相應(yīng)閾值。該閾值不僅有助于進(jìn)一步明晰城市化進(jìn)程中景觀格局演變的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)形成機(jī)理,也可與城市規(guī)劃直接對(duì)接形成服務(wù)于城市熱島效應(yīng)緩解的景觀優(yōu)化策略。

圖1 景觀格局與城市熱島效應(yīng)關(guān)聯(lián)閾值提取框架Fig.1 The framework of extracting correlation thresholds between landscape patterns and UHI

首先,針對(duì)城市規(guī)模與熱島效應(yīng)的晝夜關(guān)聯(lián)規(guī)律受氣候、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件、城市建成區(qū)規(guī)模影響導(dǎo)致關(guān)聯(lián)閾值難以確定的科學(xué)問題,可以提取全國(guó)大城市如地級(jí)以上城市熱島效應(yīng)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。借助MODIS衛(wèi)星LST產(chǎn)品分析全國(guó)大城市熱島效應(yīng)的空間格局、時(shí)間演化、季相和晝夜差異特征[72]。在劃分氣候帶的基礎(chǔ)上,判斷城市規(guī)模與熱島效應(yīng)在各個(gè)年份的空間關(guān)聯(lián)規(guī)律以及在各個(gè)城市的時(shí)間關(guān)聯(lián)規(guī)律,并判斷城市人口分布、經(jīng)濟(jì)總量、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等城市化指標(biāo)是否會(huì)影響該規(guī)律。通過界定水熱特征參數(shù)和城市化等級(jí)區(qū)間,明確在各區(qū)間下城市規(guī)模顯著影響城市熱島效應(yīng)的參數(shù)取值范圍,即得到城市規(guī)模閾值。

其次,針對(duì)不同水熱條件、不同城市化階段下景觀組分參數(shù)與LST關(guān)聯(lián)特征的一致性不明且未考慮閾值等關(guān)鍵問題,有必要提取NDVI、NDBI、NDWI、ISA等代表性景觀組分參數(shù)重點(diǎn)分析。這一分析流程可以分為兩種方式：一是在特定氣候條件下選擇多個(gè)城市,利用MODIS LST產(chǎn)品分析城市整體的景觀組分參數(shù)與熱島的相關(guān)性。其優(yōu)勢(shì)在于可以對(duì)應(yīng)城市規(guī)模進(jìn)行晝夜或年際分析,缺陷在于空間分辨率所限,不易刻畫城區(qū)內(nèi)部景觀格局；二是僅選擇某一個(gè)代表性大城市,借助Landsat熱紅外波段等中高分辨率遙感影像,對(duì)主城區(qū)內(nèi)部景觀組分進(jìn)行多尺度統(tǒng)計(jì)。通過界定城市功能區(qū)片,降低人為熱排放的干擾,明確各區(qū)片內(nèi)部多種景觀組分顯著影響城市熱島效應(yīng)的參數(shù)取值范圍,即得到景觀組分閾值。

再次,針對(duì)剝離其他景觀格局屬性影響、析取關(guān)鍵構(gòu)型指標(biāo)、厘定關(guān)聯(lián)特征對(duì)不同采樣粒度和幅度的響應(yīng)、明晰斑塊分布與形狀對(duì)熱島效應(yīng)的影響規(guī)律等關(guān)鍵問題,需要在氣候背景、城市功能較為一致的城區(qū)內(nèi)部開展以下研究工作：計(jì)算常用景觀格局指數(shù)定量表征景觀連通性、多樣性、形狀復(fù)雜性等構(gòu)型參數(shù)作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；在關(guān)注尺度放縮與季相更替造成差異的前提下,厘定樣本中相對(duì)一致的景觀組分區(qū)間；在該區(qū)間內(nèi)遴選常用景觀格局指數(shù),揭示關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的景觀指數(shù)顯著影響城市熱島效應(yīng)的參數(shù)取值范圍,即得到空間構(gòu)型閾值。

最后,將所提取的城市規(guī)模、景觀組分和空間構(gòu)型閾值與城市規(guī)劃對(duì)接,可以有效指引城市在不同尺度上的高溫風(fēng)險(xiǎn)防范途徑。尤其是在我國(guó)大城市空間擴(kuò)張速度較快的背景下,城市規(guī)模閾值識(shí)別結(jié)果可以服務(wù)于大城市群的城市高溫帶研究,作為面向城市群高溫防范的城市規(guī)模管控依據(jù)；根據(jù)景觀組分閾值,可以得出大城市緩解熱島效應(yīng)的城區(qū)綠地、水體與建設(shè)用地有效面積配比,結(jié)合空間構(gòu)型閾值與社區(qū)用能及熱排放,可以明晰社區(qū)尺度的最優(yōu)降溫景觀設(shè)計(jì)方式,為綠色基礎(chǔ)設(shè)施空間規(guī)劃提供科學(xué)指引；從而實(shí)現(xiàn)城市景觀格局與熱島效應(yīng)關(guān)聯(lián)研究結(jié)果的實(shí)踐應(yīng)用,為中國(guó)城市適應(yīng)氣候變化提供科學(xué)、定量的景觀規(guī)劃途徑。

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Relationshipbetweenurbanheatislandandlandscapepatterns:Fromcitysizeandlandscapecompositiontospatialconfiguration

LIU Yanxu1,2, PENG Jian1,*, WANG Yanglin1

1LaboratoryforEarthSurfaceProcesses,MinistryofEducation,CollegeofUrbanandEnvironmentalSciences,PekingUniversity,Beijing100871,China2StateKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcessesandResourceEcology,FacultyofGeographicalScience,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China

In concert with the rapid process of urbanization, both the spatial extent and intensity of the urban heat island (UHI) effect have been continuously increasing in China. The transformation of landscape patterns is considered to be a direct factor influencing UHI. However, the contributions of various landscape metrics to UHI still require further clarification. City size, landscape composition, and spatial configuration are the three main indicators of landscape patterns. The influences of these three indicators on UHI show a progressive relationship, both from integrity to locality, and from amount to spatiality. Thus, the relationship between landscape patterns and UHI has been divided into three hierarchical aspects. Firstly, the correlations between city size and UHI are typically influenced by the climate. The influence of climatic zonation on the relationship between city size and UHI should be further explored. Secondly, the significant correlations between several landscape composition factors and UHI have been revealed to be under the conditional control of season and day-night cycle. To date, urbanization effects, such as socio-economic influence on UHI, have not

enough attentions. Thirdly, the contributions of spatial configuration factors to UHI are obscure. The key spatial configuration factors significantly influencing UHI and their implications for urban planning and management should be investigated more thoroughly. It is deduced that a tipping point may exist in the nonlinear correlation between landscape patterns and UHI, which corresponds to the inconsistent driving mechanism on both sides of the tipping point. By combining the application of remote sensing, geographical information system, and field observations, the thresholds of landscape pattern contributions could be indicated from the identified tipping points. Specifically, by comparing the spatiotemporal characteristics of the relationship between city size and UHI in different climatic zones, revealing the urbanization effect on the correlations between landscape composition and UHI, and determining the contributions of spatial configuration on UHI while controlling specific factors, the thresholds could be comprehensively identified. The findings will provide insights into three key landscape approaches to relieving UHI.

urban heat island; city size; landscape composition; spatial configuration; correlation threshold

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41671182)

2016- 10- 20; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 08- 14

*通訊作者Corresponding author.E-mail: jianpeng@urban.pku.edu.cn

10.5846/stxb201610202142

Liu Y X, Peng J, Wang Y L.Relationship between urban heat island and landscape patterns: From city size and landscape composition to spatial configuration.Acta Ecologica Sinica,2017,37(23):7769- 7780.