京津冀城市群熱島強(qiáng)度遙感監(jiān)測及其城市規(guī)模效應(yīng)分析*

張 旸 胡德勇 曹詩頌 陳姍姍 于 琛

(1.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048;2.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與地理信息系統(tǒng)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048)

0 引 言

近年來，城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大帶動了經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，提高了居民的生活質(zhì)量，但同時也帶來了一系列城市氣候問題，其中城市熱島問題愈發(fā)突出.城市熱島主要指城市中心城區(qū)溫度高于周邊區(qū)域的現(xiàn)象[1].該效應(yīng)對于空氣質(zhì)量、熱舒適度、生物群落以及人類健康等[2-7]方面帶來的影響日益增加.而現(xiàn)在隨著社會的發(fā)展，愈來愈多的人選擇在城市生活，受城市熱島問題所影響的居民數(shù)量不斷上升.更有研究數(shù)據(jù)表明，2003年8月歐洲發(fā)生了大范圍熱浪事件，造成上萬人死亡[8]，而熱島效應(yīng)進(jìn)一步威脅到了居民身體健康，導(dǎo)致因高溫造成的中心城區(qū)的死亡率要遠(yuǎn)高于周圍區(qū)域[9-10].

隨著遙感技術(shù)的不斷提高，利用熱紅外遙感監(jiān)測城市環(huán)境的方法已被廣泛接受.為區(qū)分以氣溫作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的城市熱島，有文獻(xiàn)中將利用地表溫度(land surface temperature，LST)計算的城市熱島稱為地表城市熱島(surface urban heat island，SUHI)[11]，在此簡稱城市熱島(urban heat island，UHI).

已有不少學(xué)者對城市熱島進(jìn)行了研究，對于城市熱島的描述方式有所不同，大致分為兩種，一種是對地表溫度進(jìn)行分級，另一種是通過城鄉(xiāng)地表溫度差異來表示熱島強(qiáng)度.第一種方法大多是先求取地表溫度，之后按照一定的分級方式將地表溫度劃分為不同等級，等級越高則表示熱島強(qiáng)度越大，如周甜甜等[12]采用密度分割法對地表溫度進(jìn)行等級分類，分析了青島市城市熱島在日、季節(jié)及年際等時間尺度的變化規(guī)律和空間分布特征，發(fā)現(xiàn)青島城市熱島具有晝?nèi)跻箯?qiáng)、冬強(qiáng)夏弱的特點(diǎn)，且熱島面積不斷擴(kuò)大，地表溫度向高溫化、集中化趨勢發(fā)展；葛偉強(qiáng)等[13]依據(jù)直方圖采用quantile分類法將熱場分為20級，并采用GIS地理統(tǒng)計方法比較16個城市的強(qiáng)熱島面積分布，分析長三角城市群夏季熱島強(qiáng)度年際變化.而第二種利用城鄉(xiāng)地表溫度差異表示熱島強(qiáng)度的方法首先需要確定建成區(qū)和郊區(qū)范圍，求取兩個區(qū)域的地表溫度平均值差作為地表熱島強(qiáng)度. Zhou等[14]將與建成區(qū)同等面積的緩沖區(qū)范圍定義為郊區(qū)，通過計算城鄉(xiāng)地表溫度差異獲取城市熱島強(qiáng)度，以此定量分析中國32個主要城市每日和每季度城市熱島強(qiáng)度的空間變化以及其潛在機(jī)理.劉勇洪等[15]則提出了一種基于地形、土地利用、植被覆蓋和城市夜間燈光指數(shù)來確定鄉(xiāng)村背景的SUHI 估算方法，并建立了基于SUHI和熱島比例指數(shù)的城市熱島強(qiáng)度定量評估方法，將京津冀11個地級市根據(jù)中國城市規(guī)模新劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分.目前學(xué)者的研究成果表明，城市熱島強(qiáng)度與城鎮(zhèn)位置和研究時間[14]、城鎮(zhèn)人口[15]、不透水面聚集度[16]、交通密度[17]以及土地利用類型[18]等因素有著一定關(guān)聯(lián).

目前，對于城市熱島的研究已有很多，但對于城市群熱島的相關(guān)研究較少，且對于熱島的分析多為單個時間尺度，本文將城市熱島強(qiáng)度定義為建成區(qū)和郊區(qū)溫度差異，分別從年度、季度、月度三個不同時間尺度分析京津冀城市群各地級市2001—2016年城市熱島強(qiáng)度情況，并從城市發(fā)展規(guī)模為入手點(diǎn)，對城市發(fā)展規(guī)模與城市熱島強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)分析.以期通過其得到京津冀城市群不同規(guī)模城市在不同時間尺度的城市熱島強(qiáng)度變化規(guī)律，為緩解京津冀城市群城市熱島效應(yīng)提供參考依據(jù).

1 研究區(qū)概況

京津冀城市群是我國的三大城市群之一，也是我國的文化、政治中心，擁有兩個直轄市，北京市和天津市，地域面積約為21.6萬km2.該城市群地處中緯度歐亞大陸東岸，屬于溫帶濕潤半干旱大陸性季風(fēng)氣候[19]，氣候呈現(xiàn)夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥的特點(diǎn)[20].近年來，由于人口增長、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素影響，京津冀城市群建成區(qū)明顯擴(kuò)張，城市建成區(qū)的擴(kuò)張導(dǎo)致大量自然地表轉(zhuǎn)換為瀝青、水泥等人工地表，從而引發(fā)一系列諸如城市熱島的環(huán)境問題.

京津冀城市群共有13個地級市，其中北京市、天津市為一線城市，城市常住人口數(shù)量較大，城市發(fā)展質(zhì)量指數(shù)高于河北11個地級市[21]，綜合經(jīng)濟(jì)實(shí)力較高；石家莊、唐山市為二線城市；邯鄲市、滄州市、保定市、廊坊市為三線城市；邢臺市、張家口市、承德市、秦皇島市、衡水市為四線城市，如圖1所示.由于承德市和秦皇島市區(qū)域不能獲取符合研究要求數(shù)量的像元，固本文選取除這兩個地級市以外11個地級市作為主要研究區(qū)域.

圖1 研究區(qū)概況圖

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

本文選取MODIS地表溫度產(chǎn)品MOD11C3作為日間(過境時間：10:30 AM)和MYD11C3作為夜間(過境時間：10:30 PM)地表溫度數(shù)據(jù).獲取了2001、2010和2016年3年間每月合成數(shù)據(jù)，共72期.其中MOD11C3為Terra星的數(shù)據(jù)，MYD11C3為Aqua星的數(shù)據(jù).以Terra星的MOD11產(chǎn)品為例，MOD11C3產(chǎn)品是MOD11C1的月平均產(chǎn)品，空間分辨率為0.05°×0.05°.而MOD11C1產(chǎn)品是將MOD11B2產(chǎn)品(空間分辨率6 km)每日數(shù)據(jù)拼接后重采樣至0.05°×0.05°空間分辨率得到的.MODIS溫度產(chǎn)品精度較高，誤差在1 K之內(nèi)[22]，適用于大、中尺度的區(qū)域地表熱量空間分布狀況研究[23].已有許多專家學(xué)者采用MODIS溫度產(chǎn)品對對地表熱環(huán)境進(jìn)行分析[24-27].

同時本文利用夜間燈光數(shù)據(jù)(DMSP/OLS，空間分辨率：1 km，2001年、2010年；Suomi-NPP VIIRS，空間分辨率：0.5 km，2016年)，和土地利用數(shù)據(jù)(由“中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心”獲取，空間分辨率：1 km，2000年、2010年、2015年)確定建成區(qū)范圍.

DMSP搭載的OLS傳感器提供了全球最長時間序列(1992—2014年)夜間燈光對地觀測數(shù)據(jù)，2011年10月Suomi-NPP搭載的VIIRS傳感器發(fā)射成功，該傳感器空間分辨率較OLS有很大提高，且對夜間燈光具有更高的靈敏度.近年來，夜間燈光數(shù)據(jù)已被普遍應(yīng)用于城市發(fā)展等方面，成為一種快速客觀的量測城市化水平的有力工具[27-30].本文2001和2010年選用DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)，2016年選用Suomi-NPP VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù).

中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的土地利用數(shù)據(jù)是在科技部和科學(xué)院項(xiàng)目支持下完成的，該數(shù)據(jù)基于landsat8遙感影像，通過人工目視解譯完成，包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6個一級類型以及25個二級類型.本文主要利用城鎮(zhèn)用地和土地利用用地兩種類型對建成區(qū)進(jìn)行提取.該數(shù)據(jù)在國家土地資源調(diào)查、水文、生態(tài)研究中發(fā)揮著重要作用.

2.2 研究方法

2.2.1建成區(qū)-郊區(qū)范圍提取

建成區(qū)指市行政區(qū)范圍內(nèi)經(jīng)過征用的土地和實(shí)際建設(shè)發(fā)展起來的非農(nóng)業(yè)生產(chǎn)建設(shè)地段，它包括市區(qū)集中連片的部分以及分散在近郊區(qū)與城市有著密切聯(lián)系，具有基本完善的市政公用設(shè)施的城市建設(shè)用地.本文主要利用土地利用數(shù)據(jù)和夜間燈光數(shù)據(jù)對城市建成區(qū)范圍進(jìn)行提取.主要方法如下：①提取2000、2010和2015年土地利用數(shù)據(jù)中城鎮(zhèn)用地、交通用地及其他建設(shè)用地范圍作為建成區(qū)范圍主要數(shù)據(jù).根據(jù)數(shù)據(jù)實(shí)際情況，分別利用2001、2010和2016年夜間燈光數(shù)據(jù)設(shè)定不同的閾值，將大于閾值的范圍作為提取建成區(qū)范圍的補(bǔ)充數(shù)據(jù)，提高建成區(qū)-郊區(qū)范圍提取精度，具體的夜間燈光數(shù)據(jù)閾值如表1所示.將二者范圍相結(jié)合，形成初步建成區(qū)范圍.②對初步建成區(qū)范圍進(jìn)行篩選，剔除主建成區(qū)周圍的破碎斑塊，得到最終建成區(qū)范圍.③以建成區(qū)主體區(qū)域?yàn)橹行?，向外緩沖10 km建立緩沖區(qū)作為郊區(qū)范圍.

表1 2001—2016年夜間燈光數(shù)據(jù)閾值選取結(jié)果

圖2 城市建成區(qū)-郊區(qū)范圍提取流程圖

2.2.2城市熱島強(qiáng)度估算

定義城市地表熱島強(qiáng)度為建成區(qū)地表溫度平均值與郊區(qū)地表溫度平均值之差[31]：

UHI=LSTu-LSTs

(1)

其中，UHI為城市熱島強(qiáng)度，LSTu為建成區(qū)地表溫度平均值， LSTs為對應(yīng)郊區(qū)地表溫度平均值.將MODIS地表溫度產(chǎn)品單位統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成℃，并結(jié)合MOD11C3溫度產(chǎn)品QC字段，提出數(shù)據(jù)中質(zhì)量不合格像元，得到最終的地表溫度數(shù)據(jù).利用地表溫度月度數(shù)據(jù)，根據(jù)公式(1)分別求得2001、2010和2016年各地級市日間和夜間年平均、季平均和月平均熱島強(qiáng)度.

3 結(jié)果及其分析

3.1 京津冀城市群城市規(guī)模變化分析

圖3為2001、2010和2016年的京津冀建成區(qū)范圍，根據(jù)圖3可以看出，2010—2016年京津冀的建成區(qū)面積明顯增加，其中一線大城市建成區(qū)面積擴(kuò)大最為明顯.如表2所示，2001—2016年京津冀各地級市建成區(qū)面積均擴(kuò)大了約2～3倍，整體面積增長達(dá)到了5 206.65 km2，其中北京市和天津市兩個一線城市，建成區(qū)面積增長最為明顯，分別擴(kuò)大了1 501.92 km2和1 801.34 km2，其余二、三、四線城市分別平均擴(kuò)大了361.78 km2、169.81 km2和92.42 km2，可以看出建成區(qū)擴(kuò)展面積和城市發(fā)展規(guī)模之間存在正相關(guān)，城市規(guī)模越大，建成區(qū)面積擴(kuò)大范圍越大.

圖3 2001、2010和2016年京津冀城市群建成區(qū)范圍(a. 京津冀建成區(qū)；b.北京市建成區(qū)；c.天津市建成區(qū)；d.石家莊市建成區(qū))

3.2 京津冀城市群城市熱島年際差異及其城市規(guī)模效應(yīng)分析

根據(jù)城市熱島強(qiáng)度月度數(shù)據(jù)，分別統(tǒng)計2001、2010和2016年京津冀城市群各地級市日間和夜間年平均熱島強(qiáng)度，并結(jié)合城市規(guī)模對京津冀城市群年平均熱島強(qiáng)度進(jìn)行分析.為更好的分析不同城市規(guī)模熱島強(qiáng)度變化，將京津冀城市按一、二、三、四線城市劃分，結(jié)果如圖4所示：①2001—2016年京津冀城市群內(nèi)整體建成區(qū)日間各地級市城鄉(xiāng)地表溫度差異在-0.5 ℃～1.5 ℃.可以看出日間熱島效應(yīng)與城市規(guī)模有一定關(guān)系，其中一線城市日間熱島效應(yīng)較強(qiáng)，平均熱島強(qiáng)度達(dá)到1.01 ℃；而三、四線城市，日間熱島強(qiáng)度相較于一、二線城市來講，明顯較弱，平均熱島強(qiáng)度為0.04 ℃.②京津冀城市群內(nèi)整體夜間熱島相對于日間熱島強(qiáng)度更為明顯，這與曹暢等[32]的研究結(jié)果相同.北京、天津兩個一線城市，日間和夜間熱島強(qiáng)度差異并不明顯，二者平均差異為0.2 ℃；而二、三、四線城市二者差異較大，平均差異達(dá)到0.76 ℃，其中三線城市二者差異最大，達(dá)到了0.89 ℃.可以看出城市發(fā)展?fàn)顩r對于城市日間和夜間熱島效應(yīng)有著不同程度的影響.③2001—2016年京津冀城市群一線城市熱島效應(yīng)強(qiáng)度無明顯變化，二、三、四線城市熱島效應(yīng)強(qiáng)度呈無規(guī)律性變化，但整體來講都具有夜間高日間低的特點(diǎn).

表2 京津冀城市群2001—2016年建成區(qū)面積 km2

圖4 京津冀城市群各地級市2001—2016年年平均熱島強(qiáng)度

圖5 京津冀城市群不同規(guī)模城市2001—2016年月度熱島強(qiáng)度

3.3 京津冀城市群城市熱島年內(nèi)差異及其城市規(guī)模效應(yīng)分析

為更好的對比京津冀不同規(guī)模城市在不同月份城市熱島變化情況，本文將城市按城市規(guī)模劃分，求取不同城市規(guī)模月平均熱島強(qiáng)度(圖5)，結(jié)果表明：①京津冀城市群日間熱島整體來講在較冷月份(1—3月、10—12月)熱島效應(yīng)并不明顯，城鄉(xiāng)地表溫度差異較小.發(fā)展較好的一二線城市，日間城市熱島效應(yīng)較三四線城市更為明顯.②研究區(qū)整體日間熱島效應(yīng)強(qiáng)度變化浮動較大，呈現(xiàn)夏季高、冬季低的特點(diǎn)，這與葛偉強(qiáng)等[13]和王靚等[16]的分析結(jié)果相似，且大部分城市在8月份左右出現(xiàn)峰值，熱島效應(yīng)明顯.可以看出，京津冀城市群夏季日間城鄉(xiāng)溫度差異較大，熱島效應(yīng)明顯.③京津冀城市群各規(guī)模城市整體夜間月度熱島強(qiáng)度差異不大，且各月之間變化幅度也不大，基本保持一致.在較冷月份夜間熱島相較于對應(yīng)的日間熱島更為明顯.

3.4 京津冀城市群城市熱島季節(jié)差異及其城市規(guī)模效應(yīng)分析

圖6 京津冀城市群不同規(guī)模城市2001—2016年季度城市熱島強(qiáng)度

本文求取了2001—2016年京津冀城市群內(nèi)夏季(6—8月)和冬季(12月、1—2月)平均地表溫度，并根據(jù)城市規(guī)模對其進(jìn)行劃分，獲得不同規(guī)模等級城市夏季和冬季的熱島強(qiáng)度，綜合分析不同規(guī)模城市夏季和冬季城市熱島強(qiáng)度(圖6)，可以看出：①隨著城市規(guī)模提高，夏季日間和冬季夜間城市熱島強(qiáng)度均有不同程度增高，其中，夏季日間熱島強(qiáng)度明顯增大，高規(guī)模城市相對于次一規(guī)模城市熱島強(qiáng)度分別上升了0.5 ℃、0.75 ℃和0.32 ℃，而冬季夜間熱島分別上升了0.072 ℃、0.069 ℃和0.21 ℃.可以看出城市規(guī)模對于夏季日間和冬季夜間熱島效應(yīng)有著一定影響，城市規(guī)模越大，熱島效應(yīng)越明顯.而對于夏季夜間和冬季日間熱島則無明顯規(guī)律.②京津冀城市群范圍內(nèi)不同季節(jié)城市熱島效應(yīng)有著明顯差異，對于冬季來說，冬季夜間熱島強(qiáng)度明顯強(qiáng)于日間熱島.而夏季熱島強(qiáng)度情況則根據(jù)城市規(guī)模的不同而有所差異，一、二、三線城市日間熱島強(qiáng)度強(qiáng)于夜間熱島，且隨著城市規(guī)模的降低，二者差異逐漸縮小，而對于四線城市來說，日間熱島強(qiáng)度低于夜間熱島.可以看出，隨著城市規(guī)模等級和人口數(shù)量的提高，夏季日間和夜間熱島強(qiáng)度之間差異逐漸擴(kuò)大.這一結(jié)論與年平均數(shù)據(jù)得出的城市規(guī)模越大，日間熱島與夜間熱島之間差異越小相反，可能由于時間尺度的差異.在年平均角度來看，不僅是討論夏季3個月的熱島強(qiáng)度，而是將一年12個月的熱島數(shù)據(jù)全部參與計算，求取平均值.而在季度數(shù)據(jù)分析時，僅用了6—8月的數(shù)據(jù)求取平均值作為夏季熱島數(shù)據(jù)，重點(diǎn)是要看夏季城市熱島的特點(diǎn)，城市熱島從不同時間尺度分析得到的數(shù)據(jù)結(jié)果有所差異，在城市規(guī)劃時，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要的不同選取不同的時間尺度進(jìn)行分析.③城市熱島效應(yīng)整體隨城市規(guī)模擴(kuò)大而增高，但不同規(guī)模等級城市夏冬兩季四個時段間熱島效應(yīng)不盡相同，存在一定差異.京津冀城市群一、二線城市四個時段中，夏季日間熱島強(qiáng)度最大，而對于三、四線城市來說，冬季夜間熱島效應(yīng)更為明顯.

4 結(jié) 論

基于以上對于京津冀城市群2001—2016年城市熱島強(qiáng)度的定量分析表明：

(1)京津冀城市群2001—2016年16年間，各地級市建成區(qū)面積均有明顯增長，且建成區(qū)擴(kuò)展面積和城市發(fā)展規(guī)模之間存在正相關(guān)，城市規(guī)模越大，建成區(qū)面積擴(kuò)大范圍越大.

(2)京津冀城市群內(nèi)整體夜間熱島相對于日間熱島強(qiáng)度更為明顯.城市規(guī)模越大，其熱島強(qiáng)度越大，而其日間與夜間熱島強(qiáng)度差異越小.這可能是由于城市發(fā)展規(guī)模越大，對周邊的影響越大，像北京、天津這類一線城市郊區(qū)發(fā)展程度可能高于二、三、四線城市，其夜間人為活動較多，也就導(dǎo)致大城市日間夜間熱島差異較小.

(3)不同等級規(guī)模城市熱島效應(yīng)在夏季和冬季雖然有一定差異，但大體上基本相同，熱島效應(yīng)均隨城市規(guī)模擴(kuò)大而增高.整體冬季熱島呈現(xiàn)“日弱夜強(qiáng)”現(xiàn)象，而夏季熱島則根據(jù)城市規(guī)模而有所差異，城市規(guī)模越大，日間熱島越強(qiáng).對于一、二線大城市來說在夏冬兩季四個時段中，夏季日間熱島強(qiáng)度最大，而對于三、四線小城市來說，冬季夜間熱島效應(yīng)最為明顯.

(4)通過月度數(shù)據(jù)得出，日間一、二線大城市熱島效應(yīng)較三四線城市更為明顯.相較于夜間熱島，日間熱島效應(yīng)強(qiáng)度變化浮動較大，呈現(xiàn)夏季高、冬季低的特點(diǎn)，且大部分城市在8月份左右出現(xiàn)熱島強(qiáng)度峰值.而夜間各月熱島強(qiáng)度基本穩(wěn)定，變化幅度不大.

綜上所述，城市發(fā)展規(guī)模對于城市熱島強(qiáng)度有著明顯影響，尤其是對日間熱島影響更為突出.因此，應(yīng)根據(jù)城市規(guī)模不同，設(shè)定合理的城鄉(xiāng)規(guī)劃方案，以期緩解城市熱島效應(yīng).