?？谑袩崃坝^時空格局與分異特征

李玉杰，盧 娟，陳思佳，付 暉

（1. 湖南科技學院 土木與環(huán)境工程學院，湖南 永州 425199；2. 海南大學 林學院，海南 ?？?570228）

城市化以及隨之而來的人口增長和土地表面變化，增加了人為放熱和下墊面對太陽輻射吸收，導致城市熱島(urban heat island, UHI)[1]。較高的城市溫度會對能源消耗、室外熱舒適度、空氣質量、人類健康等造成不利影響[2]，產生一系列生態(tài)環(huán)境問題，進而影響社會可持續(xù)發(fā)展。過去幾十年對城市熱島的研究集中在時空分異特征、機制與模擬、影響因子、減緩策略以及與城市化響應等方面[2?5]。就氣候區(qū)而言，對熱帶低緯度濱海城市的關注較少[6]。城市是一個復雜的巨系統，具有離散性等級層次；等級理論認為復雜系統具有“可分解性”，通過賦予系統層次關系，可以便捷地研究和描述系統結構與功能、理解其“尺度感”[7]。當前針對城市熱島等級劃分的研究較少[3, 8?9]，隨著景觀生態(tài)學理論引入城市熱島研究，“城市熱力景觀”格局研究出現了新思路。陳云浩等[10]建立了熱力景觀格局評價體系，陳愛蓮等[11]篩選出能較準確描述熱力景觀格局的景觀格局指數，鄧睿等[12]和楊麗萍等[13]引入景觀格局指數描述了熱力景觀的時空演變特征，池騰龍等[14]使用熱環(huán)境變化指數、熱力景觀格局指數和地理信息系統(GIS)標準差橢圓分析描述了武漢市熱環(huán)境時空演變規(guī)律?？梢?，景觀格局指數對熱力景觀格局評價具有適應性。?？谑侵袊湫蜔釒u嶼型省會城市，熱島具有典型性；隨著城鎮(zhèn)化不斷深入，?？诔鞘幸?guī)模不斷擴大，城市熱島問題日益凸顯。王中正[15]使用單期Landsat-8影像論證了溫度反演方法，但未對?？跓釐u時空分異特征進行分析。本研究采用單窗算法對海口5期Landsat遙感影像進行地表溫度反演，利用標準化處理構建熱場變異指數并劃分熱島等級強度，結合目視分析和地理剖面分析研究熱環(huán)境時空演變，用地統計學分析和景觀格局指數法量化熱力景觀時空分異特征，旨在為人居環(huán)境改善、城市生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據。

1 研究對象與方法

1.1 研究區(qū)概況

?？诘靥幒Ｄ蠉u北部、低緯度熱帶北緣，陸域面積2 284.49 km2，海岸線136.23 km，陸域大部為海拔100 m以下的臺地和平原，屬熱帶海洋性季風氣候，年均降水量2 607 mm，年均日照時數2 000 h以上，年平均氣溫24.3 ℃。城市熱島效應在6?8月最為顯著。2019年常住人口232.79萬人，非農業(yè)人口183.39萬人，城鎮(zhèn)化率78.8%。生態(tài)環(huán)境問題嚴重，對居民生活與城市可持續(xù)發(fā)展造成了不利影響。

1.2 數據來源與預處理

數據來源為美國地質調查局(USGS)官網。選取原則：低云量、氣象狀況良好、氣溫接近、時間統一集中(6?8月)；每期由三景影像拼接而成，且以行代號12446的一景為主，其面積占95%以上。詳細參數信息見表1。預處理：影像輻射定標；FLASH模型大氣校正；以谷歌地球(Google Earth)高分影像和海口市總體規(guī)劃圖為參照，進行幾何精校正，誤差控制在0.5個像元內。

表1 ?？谑羞b感影像數據信息Table 1 POI data classification statistics

1.3 研究方法

1.3.1 地表溫度反演 參照王中正[15]方法基于單窗算法進行地表溫度 (land surface temperature，LST)反演，獲取海口市地表溫度數據集；地面氣溫參數源于國家氣象科學數據共享服務平臺。單幅影像利用ENVI 5.0處理生成LST圖，各期3幅LST圖導入Erdas 8.6進行交叉邊界裁剪、融合，之后基于行政邊界進行裁剪，生成分辨率為30 m的LST柵格數據(圖1)，精度可滿足研究需求[16?17]。由于大面積云層及陰影會干擾后續(xù)分析，因此2000和2005年分別裁剪掉65.662 6和19.359 0 km2的異常低溫區(qū)域。

圖1 研究區(qū)地表溫度反演結果示意圖Figure 1 Inversion results of land surface temperature

1.3.2 熱島強度計算及等級劃分 采用熱場變異指數 (heat index, HI)界定熱島強度[16]，標準化處理后，對熱環(huán)境景觀的時空格局進行縱向比較與分析(圖2)。計算公式為：IH＝(Tn?Tmean)/Tmean。其中，IH表示相對地表溫度，無量綱；Tn表示研究區(qū)域內第n點的地表溫度；Tmean表示研究范圍內的平均地表溫度。根據武鵬飛等[17]研究，基于自然斷點法劃分10個熱島強度空間等級：Ⅰ表示極強冷島，Ⅱ表示較強冷島，Ⅲ表示中等冷島，Ⅳ表示較弱冷島，Ⅴ表示弱冷島，Ⅵ表示弱熱島，Ⅶ表示較弱熱島，Ⅷ表示中等熱島，Ⅸ表示較強熱島，Ⅹ表示極強熱島。

圖2 研究區(qū)熱場變異指數分布格局示意圖Figure 2 Distribution pattern of heat index

1.3.3 地表溫度圖像剖面線分型 基于 ArcGIS 平臺的 3D Analyst工具，繪制地表溫度剖面圖。分析剖面線的城市熱島時空分異規(guī)律，推斷城市熱島在空間方向上的發(fā)展態(tài)勢；結合地物特征，分析“山脊”“谷”“高原”“盆地”和“高峰”及其波動變化的原因[18]，判讀熱島景觀格局的時空異質性。

1.3.4 熱環(huán)境演變特征指標 ①熱環(huán)境變化指數。熱力景觀變化主要包括速度與強度，可用變化速度指數 (change speed index，ICS)和變化強度指數 (change intensity index，ICI)進行量化，單位均為 %。其中，ICS表征變化速度與趨勢；ICI是通過空間單元將擴張速度標準化，以描述單位面積可承受的最大強度[14]。ICS和ICI越大，表明相對高溫區(qū)域擴張速度越快，趨勢越明顯，熱環(huán)境效應越強。計算公式為：ICS＝(ΔAij/AiΔt)×100%，ICI＝(ΔAij/SΔt)×100%。其中，ΔAij表示相對高溫區(qū)從第 i年到第 j年間的變化面積；Ai表示第i年的相對高溫區(qū)域面積；Δt表示研究的時間長度；S表示研究區(qū)域總面積。②熱力景觀格局指數。使用30 m精度的柵格數據，基于Fragstats 4.2軟件平臺計算熱力景觀格局指數。結合研究需求從斑塊類型水平上選取斑塊密度(PD)、平均斑塊面積(AREA_MN)、最大斑塊指數(LPI)、面積加權平均形狀指數(SHAPE_AM)、斑塊內聚力指數(COHESION)、景觀形狀指數(LSI)和聚合度(AI)等7個指標，從景觀水平上選取斑塊數量(NP)、PD、AI、AREA_MN、SHAPE_AM、多樣性指數(SHDI)和均勻度指數(SHEI)等7個指標，從數量、形狀和結構角度表征熱力景觀格局時空變化[11?12]。

1.3.5 不透水面數據獲取 熱力景觀演變與城市發(fā)展密切相關，結合Landsat與谷歌地球影像數據目視解譯，得到5個時段不透水面的格局變化圖(圖3)，以與熱力景觀格局相呼應。

圖3 研究區(qū)不透水面分布示意圖Figure 3 Impervious surface distribution

2 結果與分析

2.1 熱島強度時空分布與結構

2.1.1 熱島強度面積特征 斑塊尺度與時空分布是景觀要素研究的重要參數，可為景觀水平的生態(tài)保護研究提供理論依據[19]。依據熱場變異指數劃分的熱島強度等級面積擬合曲線，由圖4可知：5期均為“中間大，兩頭小”的正態(tài)分布特征，峰值均集中在Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ 等3個等級，3級之和依次占總面積的67.51%、68.19%、60.52%、68.05%和50.25%，表明19 a間Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ 等3個等級占主導格局地位；Ⅰ、Ⅱ、Ⅸ、Ⅹ 等4級之和依次占總面積的8.74%、3.93%、6.83%、6.69%和13.98%，同時Ⅰ和Ⅹ 之和占比依次為1.72%、0.37%、1.70%、2.04%和3.24%，表明存在冷、熱島強度等級中心。

圖4 熱島強度等級面積擬合曲線Figure 4 Heat island intensity grade area fitting curve

2.1.2 熱島強度等級斑塊空間分布特征 綜合熱場變異指數空間分布 (圖 2)與不透水面分布 (圖 3)發(fā)現：5期熱島強度等級斑塊主要與其城鄉(xiāng)建設用地分布相吻合，集中在開發(fā)強度大的工商業(yè)集中區(qū)、人口密集區(qū)和部分裸地區(qū)域，熱場變異指數以這些區(qū)域為核心向郊區(qū)不斷降低，但5期熱場變異指數等級內部有明顯的時空差異。2000年熱島等級中心呈“單一連片中心主導，多中心散布”形式；“單一連片中心”分布于粵海通道、金沙灣和西海岸片區(qū)，是因這一區(qū)域正處于開發(fā)建設期；“多中心”于主城區(qū)主要在舊城、中心商務、水城和靈山片區(qū)、藥谷和金盤工業(yè)園、獅子嶺開發(fā)區(qū)及美蘭機場，郊區(qū)主要在鄉(xiāng)鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)和裸露河灘。2005年為“多中心散布”；主城區(qū)主要在粵海通道、金沙灣、西海岸、金貿、海甸、中心商務、水城和桂林洋濱海片區(qū)、藥谷和金盤工業(yè)園，2000年的“單一連片中心”依然是高溫集中區(qū)，但不再連結成片；郊區(qū)中心較2000年減少很多。2010年呈“單一中心主導，多次中心集中”及“多中心”的形式；“單一中心”指金沙灣和西海岸片區(qū)的高強度開發(fā)帶；“多次中心”集中于中心城區(qū)的秀英、金盤片、大英山和府城片區(qū)，城建活動頻繁且分布廣致使裸地增多、熱島中心集中；“多中心”在主城區(qū)有新埠島、水城、靈山和桂林洋綜合片區(qū)，獅子嶺開發(fā)區(qū)、火車南站下方的裸地、美蘭機場和省教育科研基地，這些區(qū)域同樣處于快速建設階段，“多中心”在郊區(qū)分布同前。2015年呈“連片中心主導，多中心散布”形式；“連片中心”指中心城區(qū)主要片區(qū)都存在熱島中心，表明中心城區(qū)產熱量大、散熱不足；“多中心”在主城區(qū)有獅子嶺開發(fā)區(qū)、水城片區(qū)及其西側的開發(fā)用地、靈山、桂林洋綜合片區(qū)、美蘭機場，郊區(qū)主要是各集中居民點、裸露河灘，郊區(qū)綠地多、散熱功能較城區(qū)更好，因而無大片極強熱島。2019年呈“主城區(qū)多中心集中，郊區(qū)多中心散布”的形式；“主城區(qū)多中心”指除靈山片區(qū)以外的主要功能區(qū)都有極端熱島分布，尤以江東新區(qū)極端熱島增長最為顯著，其城建范圍與速度增長均較快，形成新的熱島集中區(qū)，這與?？凇皷|優(yōu)”發(fā)展戰(zhàn)略、國際自貿港建設的政策導向相吻合；“郊區(qū)多中心”指極端熱島與較集中的聚居點或高強度開發(fā)的地點相一致。綜上，從2000到2019年熱島等級中心集中區(qū)呈“西海岸→建成區(qū)→江東新區(qū)”和“西海岸→西南老城方向”的轉移態(tài)勢，且不斷向城鄉(xiāng)交錯帶擴散，呈范圍擴散、速度遞增的趨勢。極強熱島在郊區(qū)分散于主要鎮(zhèn)區(qū)或者裸地，未形成規(guī)模?？梢?，主要熱島中心分布在主城區(qū)，與城鎮(zhèn)擴張模式與城市發(fā)展階段密切相關，“攤大餅”式的主城區(qū)擴張模式使得人口、建筑密集、城市綠化不足，導致自然散熱條件差，因此形成極端熱島集中區(qū)；而衛(wèi)星城鎮(zhèn)的密集式開發(fā)，亦會形成小型熱島中心。

2.1.3 熱力景觀格局溫度剖面分析 結合?？谑胁煌杆鏀U散與轉移方向(圖3)，設置3條地表溫度剖面，其中，樣線的“谷”和“盆地”多表示密林、水域、濕地或生長期稻田，稻田生長階段不同會導致其LST差別明顯；而“山脊”“高原”和“高峰”則多為密集建筑區(qū)、裸地和工業(yè)區(qū)，尤其人口密集的市中心熱輻射較嚴重。由北—南地表溫度剖面圖(圖5A)可知： 2000、2010和2015年地表溫度呈“減—增—波動”的特征，2005年整體“遞減”，2019年為“減—增—減—增”態(tài)勢。具體來看，0～15 km的主城區(qū)段一直處于“高原”區(qū)，5期均波動遞減，“谷”出現在3.1 km處的海甸溪、8.7 km處的五公祠附近和14.8 km處的玉龍泉濕地公園，“高峰”各期均不一致；0～15 km的郊區(qū)段各年變化均不一致，但“谷”和水域、密林等冷島區(qū)域對應，“高峰”與鄉(xiāng)鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)或裸地對應。2000年18～36 km呈“盆地”特征，36～66 km段“山脊”“谷”“高峰”交替出現。2005年36～66 km段波動無明顯規(guī)律，結合熱遙感影像可知，此時該段農田大量裸露，60～63 km出現的“山脊”屬異常值。2010年22～31 km段集中出現“谷”。2019年整體平穩(wěn)，28 km處的“高峰”與熱島強度等級中心對應。由西北—東南地表溫度剖面圖(圖5B)可知：5期在0～39 km區(qū)段上變化較一致，均為“減—增—減—增—減”的特征；西海岸段(0～15 km)遞減，主城區(qū)段(9～27 km)是“高原”區(qū)，南渡江流域(27～30 km)為“谷”，美蘭機場區(qū)域(30～39 km)是“高峰”密集區(qū)。區(qū)別在于2000?2010年西海岸段(0～15 km)處于高速開發(fā)階段，有明顯“高峰”，而到2015?2019年隨著老城區(qū)更新、江東新區(qū)開發(fā)熱，“高峰”消失；三江鎮(zhèn)區(qū)域(39～54 km)耕地、林地和養(yǎng)殖塘交叉分布，且耕地或采收或處于生長期，5期特點各不相同。由東北—西南地表溫度剖面圖(圖5C)可知：5期在0～18 km區(qū)段上變化規(guī)律類似，均為“減—增—減”趨勢；新埠島(0～3 km)由“高峰”(西坡新村)驟降到“谷”(橫溝河)；中心城區(qū)(3～15 km)是“高原”區(qū)，多“高峰”在金盤工業(yè)園；獅子嶺開發(fā)區(qū)(15～21 km)未連成片，與河流、坑塘、林地和耕地相交錯，因而“高峰”“谷”交替出現。

圖5 地表溫度空間剖面對照Figure 5 Spatial profile control for land surface temperature

2.2 熱力景觀格局指數變化特征

2.2.1 熱環(huán)境變化指數分析 將Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ 等3個等級作為相對高溫區(qū)量化熱島轉移特征。由表2可知：2000?2005年和2005?2010年高溫斑塊擴張較多，ICS和ICI也較高；2010?2015年ICS和ICI很小，2015?2019年甚至成為負值。結合?？谛略龈邷匕邏K時空變化(圖6)與不透水面分布(圖3)可知：就主城區(qū)而言，2000?2005年高溫斑塊擴張主要發(fā)生在西海岸、長流、金盤和秀英片區(qū)及獅子嶺和金鹿工業(yè)區(qū)、省教育科研基地，2005?2010年主要發(fā)生在長流、海甸、府城、濱江和白龍片區(qū)及獅子嶺和金鹿工業(yè)區(qū)，2010?2015年主要發(fā)生在長流片區(qū)及西南老城方向，2015?2019年主要發(fā)生在江東片區(qū)的美蘭機場到桂林洋濱海片區(qū)一帶及西南老城方向。2000?2005年和 2005?2010年郊區(qū)溫斑塊擴張較多，主要是觀瀾湖地區(qū)開發(fā)，其次是小型城鎮(zhèn)、耕地或河灘的擴張。

圖6 ?？?4個時間段新增高溫斑塊分布示意圖Figure 6 Distribution of new high-temperature plaques in 4 time periods in Haikou

表2 ?？谑懈邷匕邏K擴張的變化速度指數和變化強度指數Table 2 ICS and ICI of high-temperature plaque expansion in Haikou

2.2.2 斑塊類型水平上的熱力景觀格局演變分析 由圖7可知：?？跓崃坝^格局在2000?2019年變化較大。就斑塊密度來看，Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ等 5個等級都在2010年達到峰值，之后逐漸減??；表明在城市化過程中，熱島斑塊先縮小后擴張，由大而集中到小而分散再到大而集中，熱力景觀斑塊破碎度隨之體現為先增加后減小。對于平均斑塊面積而言，Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ 都在2010年達到谷值，之后逐漸增大，2019年數值分別是2010年的11、19、18倍，說明熱島斑塊先逐漸分解后連接成片。5期數據中，最大斑塊指數分別出現在Ⅴ、Ⅵ、Ⅵ、Ⅳ、Ⅳ級，表明Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ 優(yōu)勢度最大；Ⅹ級的最大斑塊指數由2000年的0.13增加到2010年的0.24再減小到2019年的0.15，即優(yōu)勢度先增大后減小，反映了研究期間?？跓釐u效應先增強后減弱。由面積加權平均形狀指數來看，5期數據形狀最復雜的分別是Ⅳ、Ⅳ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ級，表明非極端冷、熱島始終占據主導格局；各期由Ⅳ到Ⅶ的變化規(guī)律不一致，但最值均由弱冷島向弱熱島轉移，表明建設活動在一定程度上加劇了熱力景觀的復雜性。測定各期斑塊內聚力指數，Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ級變化各不相同，與熱島集中區(qū)的轉移擴散密不可分，說明?？跓釐u效應具有階段性。不同熱力等級景觀形狀指數Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ級較大；Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ級較小，熱力景觀斑塊也較簡單規(guī)則，且皆以2010年為界先遞增、后平穩(wěn)波動。5期數據中聚合度變化整體呈增大趨勢，Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ 級變化最為顯著，表明雖然面積有限，但高溫斑塊連通性增強，有較強的空間聚合趨勢，易出現連片熱島。

圖7 熱力景觀在斑塊類型水平上的景觀指數變化Figure 7 Change of landscape index on the level of patch type in thermal landscape

2.2.3 景觀水平上的熱力景觀格局演變分析 由表3可知：斑塊數、斑塊密度和聚合度以2010年為界，先遞減后遞增，平均斑塊面積波動增大，三者共同反映了?？跓崃坝^破碎度先遞增后銳減；?？诶铣菂^(qū)更新、西海岸與長流一帶以及江東新區(qū)的階段性開發(fā)，導致高溫熱島斑塊出現階段性的聚集與擴散，相應斑塊復雜性先增大后減小。面積加權平均形狀指數呈波動上升的趨勢，斑塊復雜性波動上升。斑塊內聚力指數均大于98.5，表明同類別型斑塊具有高連通性。多樣性指數和均勻度指數皆以2010年為界，先遞減后遞增，表明等級斑塊均勻度先增加后減小，熱力景觀豐度、復雜性和異質性先提升后下降。總體上，熱力景觀破碎度、連通性與聚合度的階段性變化反映了?？跓釐u集中區(qū)轉移、擴散。

表3 熱力景觀在景觀水平上的景觀指數變化Table 3 Landscape index change of thermal landscape at landscape level

3 結論與討論

研究發(fā)現：5期熱島強度等級均符合正態(tài)分布規(guī)律，其中較弱冷島、弱冷島和弱熱島斑塊占主導格局，但極強冷、熱島“兩頭小”的景觀格局依然存在。與陳康林等[3]發(fā)現廣州市弱冷島、弱熱島面積之和約占總面積的58%，且極強熱、冷島等級存在的結果較吻合，表明熱島強度等級會對局域熱環(huán)境產生作用。熱島強度等級中心由西海岸分別向江東新區(qū)和西南老城方向轉移，與不透水面擴張方向保持一致。結合熱環(huán)境變化指數分析可知：2000?2010年高溫區(qū)擴張最快，主要集中在中心城區(qū)和西海岸；2010?2019年擴張很慢，高溫中心轉移到江東新區(qū)和西南老城方向，且在美蘭機場附近形成連片熱島。與雷金睿等[20]發(fā)現?？谥鞒菂^(qū)熱島空間質心分布基本一致；直到2019年，江東新區(qū)快速開發(fā)導致出現連片熱島，與雷金睿等[20]發(fā)現質心僅向西南方向轉移不完全一致，是因為研究時間不同。可見，城市擴張具有極強的政策導向性，相關部門應將熱環(huán)境問題納入城市發(fā)展范疇，以避免江東新區(qū)熱島與中心城區(qū)接連成片。

地表溫度剖面分析表明：中心城區(qū)始終是“高原”區(qū)，19 a來無顯著改善，西海岸的“高峰”隨著城市建設重心的東移逐漸消失，獅子嶺等工業(yè)區(qū)、美蘭機場區(qū)域多“高峰”，“谷”通常出現在水域、林地等降溫效果明顯的地物周邊，進一步驗證了等級理論。從斑塊類型水平來看，2000?2010年海口熱島斑塊不斷縮小、大型板塊逐漸分解、斑塊形狀愈加復雜、熱島效應不斷增強；2010?2019年熱島斑塊不斷擴張、小版塊逐漸連接成片、斑塊形狀變化趨于平穩(wěn)、熱島效應不斷減弱；研究期間熱島斑塊連通性不斷增強、聚合度越來越高，易出現連片熱島。從景觀水平看，2000?2010年冷熱島斑塊破碎度、復雜性和均勻度不斷增大，2010?2019年不斷減小；研究期間同類別熱力斑塊連通性很高。與鄧睿等[12]發(fā)現重慶2001?2014年各景觀指數單續(xù)遞增或遞減的規(guī)律不一致，表明兩市發(fā)展水平及階段不同。

綜上，等級理論為描述熱力景觀的細節(jié)變化奠定了基礎，熱力景觀格局指數利于揭示其空間布局、組成多樣性及時空分異特征，是分析熱力景觀格局的重要工具。當然，熱力景觀格局是具有尺度依賴性與變異性的，需通過不同幅度下的熱力景觀進一步比較研究。深入理解城市熱島在經濟發(fā)展、城市規(guī)劃建設的不同階段的時空變化，對改善城市熱環(huán)境、建設生態(tài)宜居城市意義重大。