基于LUCC的城市地表熱環(huán)境效應(yīng)研究進展

田帥 石巖 李雯

摘 要：城市地表熱環(huán)境及其變化問題日益受到關(guān)注。隨著城市化的快速發(fā)展，城市地表土地利用發(fā)生了劇烈改變，土地利用/覆被變化（LUCC）是導(dǎo)致地表熱環(huán)境變化的直接因素，在地表性質(zhì)變化的基礎(chǔ)上，城市地表熱環(huán)境及其效應(yīng)也隨之發(fā)生了顯著變化。該文基于國內(nèi)外相關(guān)研究，從土地利用類型、土地利用空間格局、土地利用時空變化3方面對城市地表熱環(huán)境效應(yīng)進行了綜述，以期為城市地表熱環(huán)境研究提供參考。

關(guān)鍵詞：LUCC;城市地表;熱環(huán)境效應(yīng)

中圖分類號 X16文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2020）22-0147-04

Abstract：The study of urban surface thermal environment and its variation have been attracted increasingly by researchers. With the rapid development of urbanization，urban land using has undergone drastic changes. land use/cover change（LUCC）is the direct factor for urban surface thermal environment changing，with the changing of surface property，urban surface thermal environment and the effect which caused by LUCC have also changed significantly. Based on relevant research，this paper summarized the effects of urban surface thermal environment from three aspects of land use types，land use spatial pattern，and the change of land use temporal and spatial，we hope this paper will provide reference for the study of urban surface thermal environment.

Key words：LUCC;Urban surface;Thermal environment

隨著人們對城市生態(tài)環(huán)境的日益關(guān)注，城市地表熱環(huán)境研究越來越受到重視。城市地表熱環(huán)境是城市近地表面熱場的反應(yīng)，其與城市地表不透水面、植被等密切相關(guān)。土地利用/覆被變化（LUCC）使得地表面性質(zhì)發(fā)生改變，是地表熱環(huán)境的重要驅(qū)動力。在城市下墊面土地利用類型變化的基礎(chǔ)上，地表熱環(huán)境在時間、空間等方面發(fā)生演變，對城市人居環(huán)境質(zhì)量、資源與能源消耗、城市經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展等具有重要影響。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對城市地表熱環(huán)境研究方法、時空變化及關(guān)系等進行了大量研究，如宮阿都等[1]以北京市為例，通過TM遙感影像反演地表溫度，研究了城市熱島效應(yīng)與城市土地利用/覆蓋變化的關(guān)系;岳文澤等[2]利用不同遙感數(shù)據(jù)對上海市中心城區(qū)土地利用類型及格局的熱環(huán)境效應(yīng)進行研究;Estoque R C等[3]對泰國曼谷、印尼雅加達和菲律賓馬尼拉等都市區(qū)的地表溫度（LST）與不透水地表和綠地的豐度和空間格局之間的關(guān)系進行了研究;Mushore T D等[4]通過亮度溫度來評估城市的長期熱變化，對津巴布韋首都哈拉雷市1984—2015年土地利用與土地覆蓋變化導(dǎo)致的小氣候作用進行了研究。筆者從城市土地利用類型、土地利用格局、土地利用時空變化對地表熱環(huán)境的影響方面對土地利用/覆被變化（LUCC）的城市地表熱環(huán)境效應(yīng)進行了綜述，以期為探究不斷發(fā)展變化過程中的城市地表熱環(huán)境提供參考。

1 土地利用類型對城市地表熱環(huán)境的影響

1.1 不同土地利用類型下地表溫度的響應(yīng) 城市地表存在多樣的土地利用類型，各類型間的物質(zhì)性質(zhì)各異，對地表的溫度響應(yīng)也存在差異。通常，建設(shè)用地溫度普遍較高，而綠地/水域溫度普遍較低。岳文澤等[2]研究表明，上海市中心城區(qū)的工業(yè)、商業(yè)與公共服務(wù)用地以及中央商務(wù)區(qū)用地平均溫度較高，與工業(yè)倉儲用地構(gòu)成城市熱島主體;公園綠地平均溫度較低，接近26.5℃;農(nóng)業(yè)用地平均溫度最低。梁敏妍等[5]基于熱環(huán)境等級，發(fā)現(xiàn)不同下墊面的地表熱環(huán)境狀況差異顯著，林地、農(nóng)田、水體區(qū)熱環(huán)境等級比建筑用地低1～3等級。陳燕紅等[6]研究發(fā)現(xiàn)，城市綠地、水體、濕地對地表降溫效應(yīng)顯著;而建設(shè)用地、裸地則與綠色空間相反，RLST最高分別達到5.03℃和9.67℃;農(nóng)田對地表溫度影響較小。從不同地類級別角度研究發(fā)現(xiàn)，東莞市一級地類城鄉(xiāng)工礦居民用地、林地和耕地?zé)嵝?yīng)貢獻度指數(shù)較大，水域和草地的影響較小（<8%），未利用地貢獻最小（<0.05%）。二級地類中，城鎮(zhèn)用地的熱貢獻度最大，均超過15%;有林地、疏林地、水田、其他林地（園地、跡地等）、旱地、農(nóng)村居民點和高覆蓋草地為5%～15%，熱效應(yīng)貢獻度中等;河渠、其他建設(shè)用地、水庫坑塘、灌木林、灘地、中覆蓋草地、湖泊、其他未利用地和灘涂<5%，熱效應(yīng)貢獻度較小[7]。

我國其他城市也有類似的研究，如南昌市地表熱環(huán)境變化與土地類型密切相關(guān)，地表溫度大小依次為建設(shè)用地>耕地/林地>水域;在溫度分區(qū)中，建設(shè)用地主要分布在次高溫區(qū)和中溫區(qū)，林地和水田集中分布在中溫區(qū)，水域則主要分布在次低溫區(qū)和中溫區(qū)[8]。廣州市各土地利用類型的地表平均溫度依次為建設(shè)用地>未利用地>耕地>草地>水域>林地。林地均值最低（17.23℃），主要原因為：一是林地生長區(qū)域海拔均較高，二是植被覆蓋通過蒸發(fā)作用減少熱儲存，抑制溫度升高。水域的均值也較低（18.81℃），這是由于水體的高比熱可以在周圍溫度升高時蓄熱，周圍溫度降低時則釋放熱量[9]。

1.2 土地利用類型與地表溫度的相關(guān)性 城市地表下墊面的溫度分布與土地利用/覆蓋類型總體上表現(xiàn)出一定的相關(guān)性。

1.2.1 建設(shè)用地 建設(shè)用地是城市地表性質(zhì)改變最大的土地利用類型，其面積與地表溫度呈正相關(guān)關(guān)系。相關(guān)研究表明：廣州市城市平均地表溫度與不透水面面積呈正相關(guān);城市擴張削減了林地和耕地對城市地溫的調(diào)節(jié)作用[10]。翁清鵬等[11]研究發(fā)現(xiàn)，南京市1988年、1998年、2002年均在1～2℃出現(xiàn)建設(shè)用地與耕地面積的拐點，而2010年是在0～1℃出現(xiàn)拐點，建筑用地與地表溫度在一定程度上呈正相關(guān)關(guān)系。Balew A等[12]研究表明，自1987年以來，巴伊爾達爾市城區(qū)迅速擴大，平均地表溫度從1987年的34.5℃上升到2002年的37.57℃，到2017年下降到34.57℃，地表溫度與NDBI呈正相關(guān)。

1.2.2 綠地 綠地對地表溫度具有重要的調(diào)節(jié)作用，可以在一定程度上緩解熱島效應(yīng)。孫芹芹等[9]對廣州市進行研究發(fā)現(xiàn)，草地、林地及耕地的地表溫度與歸一化植被覆蓋指數(shù)（NDVI）呈現(xiàn)明顯的負相關(guān)。王躍輝等[13]研究表明：地表溫度和植被指數(shù)呈負相關(guān)關(guān)系，植被覆蓋程度高的區(qū)域地表溫度低，植被覆蓋低的區(qū)域地表溫度高，但相關(guān)性較低。

綠地類型不同，其對地表溫度影響也不同。岳文澤等[2]通過Tamhance T2 post -hoc多重比較方法對上海市中心城區(qū)進行研究發(fā)現(xiàn)：農(nóng)業(yè)、公園綠地等土地利用類型對城市熱島效應(yīng)具有一定的緩解作用;但受城市熱島效應(yīng)擴散影響，上海市中心城區(qū)公園綠地與農(nóng)業(yè)用地對應(yīng)的地表平均溫度具有顯著差異。

1.2.3 裸地 裸地是多集中于城市邊緣區(qū)的土地利用類型之一。韋春竹等[10]研究發(fā)現(xiàn)，廣州市城市平均地表溫度與城市的裸土指數(shù)呈負相關(guān)。曹琦等[14]在研究影響裸地地表溫度的因素中，發(fā)現(xiàn)裸地高程、坡度、坡向及斑塊大小和形狀對其地表溫度的影響微弱，而裸地在空間上的密度分布趨勢顯著影響地表溫度，兩者在空間上呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。

2 土地利用空間格局對地表熱環(huán)境的影響

2.1 地表溫度空間分布特征 土地利用空間格局是指土地利用在空間上的分布規(guī)律與特征，可以用土地利用類型百分比、多樣性指數(shù)等指標來表示。土地利用空間格局可以產(chǎn)生城市地表溫度差異。一般情況下，城市居民區(qū)、工業(yè)區(qū)等建成區(qū)溫度較高，易形成高溫集中區(qū);綠地、水域等溫度較低，形成低溫分布區(qū)。

岳文澤等[2]研究發(fā)現(xiàn)：上海市地表溫度呈明顯的中心區(qū)高，邊緣區(qū)、近郊區(qū)低的溫度分布格局;在城市內(nèi)部，其熱島中心主要集中在4 個區(qū)域：黃浦江沿岸的黃浦區(qū)、虹口與楊浦區(qū)南部、閘北區(qū)內(nèi)環(huán)線外側(cè)、寶山區(qū)吳淞口等。張新樂等[15]對哈爾濱研究表明：城市中心區(qū)為高溫區(qū)，城市邊緣區(qū)為低溫分布區(qū);溫度中心主要集中于建筑密集、綠地較少、工業(yè)區(qū)等，如道外區(qū)、動力區(qū)、道里區(qū)的東北部和西南部、平房區(qū)。武漢市作為我國中部地區(qū)典型的城市，其地表熱環(huán)境空間分布也有類似特征——從中心城區(qū)到周邊郊區(qū)溫度逐漸降低。高溫區(qū)以建設(shè)用地為主，主要集中在武漢市的商業(yè)中心區(qū);低溫區(qū)主要集中在水域;長江以南地區(qū)因東湖、南湖等沒有成片的高溫區(qū)域;長江以北區(qū)域水域較少，綠地植被主要集中在北部，此處形成大片高溫區(qū)[16]。成都市地表溫度空間分布也特征明顯，形成了常溫區(qū)、高溫區(qū)、低溫區(qū)且呈不同形狀的帶狀分布，并呈現(xiàn)出溫度由高到低或由低到高的變化規(guī)律，這與土地利用類型的空間分布格局密切相關(guān)[17]。

2.2 土地利用空間格局與地表溫度的相關(guān)性 土地利用類型的空間格局形式、數(shù)量、質(zhì)量等存在差異，導(dǎo)致其對地表溫度產(chǎn)生的影響程度不同。研究中多用具體的空間格局景觀指數(shù)與地表溫度的關(guān)系表征其相關(guān)性。

對杭州市景觀指數(shù)研究表明，高溫分布區(qū)域中不透水面具有重要作用，且其斑塊指數(shù)越大、聚集度和蔓延度指數(shù)越高，增溫效應(yīng)越明顯;較低溫度分布區(qū)域中，相對于水體而言，植被斑塊密度越高、蔓延度指數(shù)和聚集度指數(shù)越小，降溫效果越不理想[18]。在景觀水平上，景觀格局指數(shù)與地表均溫顯著相關(guān);在類型水平上，建設(shè)用地、水體、林地的景觀格局指數(shù)與地表均溫呈現(xiàn)顯著且較強的相關(guān)性[19]。銀川市綠地溫度與其斑塊密度成正相關(guān)，與斑塊類型面積、最大斑塊指數(shù)、邊緣密度等呈負相關(guān);裸地地表溫度與其斑塊面積、最大斑塊指數(shù)、邊緣密度等呈正相關(guān)，與斑塊密度呈負相關(guān)[20]。

土地利用多樣性指數(shù)反映一定空間范圍內(nèi)土地利用類型和面積組合狀況，可以用來分析城市地表溫度與不同土地類型空間組合狀況的相關(guān)關(guān)系。對上海市分析表明，在1km 尺度上地表溫度與土地利用多樣性具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，土地類型在空間布局上越復(fù)雜，多樣性越高，其產(chǎn)生的熱島效應(yīng)就越明顯[2]。張新樂等[15]研究發(fā)現(xiàn)：隨著哈爾濱市各用地類型2km格網(wǎng)內(nèi)面積比例的升高，其平均地表溫度相互間差異變小，建設(shè)用地?zé)釐u效應(yīng)增強，水體緩解作用減弱;熱力學(xué)性質(zhì)差異大的土地利用類型相鄰接的現(xiàn)象減少，熱環(huán)境的空間差異性變得不明顯。

3 土地利用變化對地表熱環(huán)境時空變化的影響

3.1 對熱環(huán)境時空分布的影響 城市土地利用/覆被的顯著變化直接影響了地表溫度的時空分布規(guī)律。一般來講，伴隨著城市化進程的不斷加快，城市建設(shè)用地的面積與密度不斷增加，導(dǎo)致區(qū)域溫度不斷升高;城市植被、水體等面積的減少則導(dǎo)致其對地表溫度抑制作用的降低。

謝哲宇等[8]對南昌市2個時期城市熱島效應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)，高溫區(qū)與次高溫區(qū)集中分布在工業(yè)區(qū)和人口密集的住宅區(qū)，中溫區(qū)主要分布在城市郊區(qū)農(nóng)田與農(nóng)村建設(shè)用地，次低溫區(qū)和低溫區(qū)覆蓋范圍為森林、贛江以及湖泊;在空間尺度上，城市熱島面積的增大與南昌市建設(shè)用地的擴張趨勢一致。福州主城區(qū)1993—2013年地表溫度分布時空格局發(fā)生顯著變化。高溫區(qū)以上等級面積顯著增加，分布范圍以鼓樓區(qū)為中心，向東和南方向擴張;而低溫區(qū)和次低溫區(qū)面積分別減少18.95km2和34.13km2;溫度越高的區(qū)域主要以建設(shè)用地為主，而溫度越低的區(qū)域分布的綠色空間數(shù)量則較多[6]。

土地利用變化對城市熱力景觀產(chǎn)生重要影響，通過研究熱力景觀空間格局演變，可以定量研究地表熱環(huán)境時空變化及規(guī)律。池騰龍等研究發(fā)現(xiàn)，2005 年以前武漢市熱力景觀斑塊數(shù)量逐年下降，由點狀逐漸向面狀聚合，最大斑塊指數(shù)始終處于上升趨勢，高溫斑塊呈面狀趨勢發(fā)展;異質(zhì)性指數(shù)方面，破碎度在2005 年以后呈小幅增長趨勢，說明研究區(qū)高溫斑塊分布廣泛，其聚集度增幅明顯。主城區(qū)高溫斑塊擴散逐漸轉(zhuǎn)為從核心區(qū)過渡到邊緣區(qū)一帶，在面狀不斷填充的同時，高溫斑塊逐漸向道路沿線和重要節(jié)點周邊地帶延伸[21]。董浩等[22]研究了江蘇省宿遷市熱島景觀格局演變，在類型水平上，1996—2003 年宿遷城市熱島效應(yīng)的高溫區(qū)和特高溫區(qū)破碎化和割裂化最嚴重，斑塊間的外部連接較差;2014 年城市化水平極大提高，割裂的斑塊集聚形成了組團，景觀破碎化減弱。在景觀水平上，熱力景觀斑塊數(shù)先增后減，熱力景觀越來越集聚化，SHDI 和SHEI不斷增長，熱力景觀的異質(zhì)性呈增加趨勢。

3.2 與地表熱環(huán)境時空分布的相關(guān)性 土地利用/覆被變化是城市地表熱環(huán)境變化的基礎(chǔ)，其類型、性質(zhì)、持續(xù)時間、變化劇烈程度等均會引起地表熱環(huán)境的相應(yīng)變化，兩者之間存在一定的關(guān)聯(lián)性。陳明輝等[23]研究發(fā)現(xiàn)：東莞市在近15年間城市主要表現(xiàn)為熱島由零散的點狀分布向帶狀和條狀分布格局發(fā)展，離城鎮(zhèn)較遠的山區(qū)以及河流、水庫等地一直保持冷島狀態(tài)。東莞市熱格局的形成與發(fā)展與建筑密度相關(guān)，熱島效應(yīng)隨離交通干道距離的增加而逐漸較弱。彭文甫等[17]基于空間建模等方法研究發(fā)現(xiàn)，成都市不透水面的熱效應(yīng)與距離市中心區(qū)距離的關(guān)系表現(xiàn)為較顯著的負相關(guān)性，而與城市不透水能力的關(guān)系表現(xiàn)為較顯著的正相關(guān)。對蘭州市城市熱場的局部自相關(guān)分析表明：其城區(qū)建設(shè)用地和未利用地分布區(qū)形成高溫中心，呈現(xiàn)高—高空間關(guān)聯(lián)模式;黃河等水體和部分綠地形成低溫區(qū)，呈現(xiàn)低—低空間關(guān)聯(lián)模式;黃河等水體周邊分布部分高溫區(qū)，呈現(xiàn)出高—低空間關(guān)聯(lián)模式;城市建設(shè)用地中存在部分低溫區(qū)域，呈現(xiàn)低—高空間關(guān)聯(lián)模式[24]。

景觀類型組成、空間格局與地表溫度空間分異之間存在一定的聯(lián)系。Azhdari A等[25]采用SHDI、LSI、分形維數(shù)指數(shù)等探討伊朗半干旱城市設(shè)拉子建成區(qū)格局與地表溫度的關(guān)系。結(jié)果顯示：各變量與地表溫度的相關(guān)性均較強，景觀多樣性和破碎化程度與地表溫度的相關(guān)性最高。葉露萍等[16]對武漢市城市熱島效應(yīng)周邊土地利用的分形格局進行了分析，發(fā)現(xiàn)未利用地的半徑維數(shù)接近2，說明未利用地從高溫中心向四周低溫區(qū)分布較為均勻，對城市熱環(huán)境的效應(yīng)不明顯;建設(shè)用地的半徑維數(shù)小于2，表示隨著遠離高溫中心建設(shè)用地的密度急劇減小，其城市熱環(huán)境表現(xiàn)為正效應(yīng);水域、林地及農(nóng)用地的半徑維數(shù)均大于2，表明林地、農(nóng)用地及水域表現(xiàn)為負效應(yīng)，對熱島效應(yīng)有較好的緩解作用。

4 結(jié)語

當前，隨著世界范圍內(nèi)城市化的快速發(fā)展，城市建設(shè)用地不斷增加，林地、河流等自然表面不斷減少，深刻改變了城市地表性質(zhì)，使得不同土地利用類型、不同空間布局及時空變化下地表溫度發(fā)生了顯著變化，產(chǎn)生了不同的熱環(huán)境效應(yīng)，對人居環(huán)境、城市可持續(xù)發(fā)展等產(chǎn)生了一定的影響。目前，城市土地利用/覆被變化的地表熱環(huán)境效應(yīng)已有較多的研究，但土地利用/覆被變化對城市熱環(huán)境的影響過程、作用機理極其復(fù)雜，今后應(yīng)加強該方面的研究，從而促進城市地表熱環(huán)境研究的深入發(fā)展。

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（責(zé)編：徐世紅）