珠三角城市群城市熱島與地表覆蓋時(shí)空變化分析

梁珂，任秀波，張洋，劉偉東，李鴻軼

（1.自然資源部第一大地測(cè)量隊(duì)，陜西 西安 710054）

城市化進(jìn)程的加快促進(jìn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的繁榮，同時(shí)衍生而來(lái)的是一系列環(huán)境問(wèn)題，如城市熱環(huán)境問(wèn)題等。城市熱島是城市熱環(huán)境問(wèn)題中的一項(xiàng)重要評(píng)估指標(biāo)，是指城市溫度高于周?chē)紖^(qū)溫度而形成的溫度島嶼現(xiàn)象[1]。城市熱島與城市人口健康、居民舒適度等息息相關(guān)，因此對(duì)城市熱島進(jìn)行實(shí)時(shí)有效監(jiān)測(cè)是很有必要的[2]。根據(jù)觀測(cè)手段的不同，城市熱島可分為大氣城市熱島和地表城市熱島。大氣城市熱島通過(guò)氣象站點(diǎn)觀測(cè)的氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[3-5]，該數(shù)據(jù)雖然具有較長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)資料，但由于站點(diǎn)稀疏，難以準(zhǔn)確捕捉城市熱島的空間分布。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，利用衛(wèi)星觀測(cè)的熱紅外遙感影像反演的地表溫度監(jiān)測(cè)城市熱島變化被廣泛應(yīng)用，其中MODIS衛(wèi)星因具有相對(duì)較高的時(shí)間分辨率和空間分辨率，且其地表溫度產(chǎn)品精度可靠，被廣泛應(yīng)用于大區(qū)域尺度城市熱島的研究中[6-14]。鑒于此，本文以珠三角城市群為研究區(qū)，基于2005—2019年MODIS地表溫度數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)，研究了其城市熱島的時(shí)空變化特征，并揭示了其形成機(jī)制。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

珠三角城市群位于我國(guó)華南地區(qū)，珠江下游，與長(zhǎng)三角城市群、京津冀城市群并列為我國(guó)三大城市群。珠三角城市群地處廣東省東南部，由廣東省15個(gè)城市組成，土地覆蓋面積為4.22萬(wàn)km2；絕大部分地區(qū)屬于熱帶，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，常年高溫多雨。珠三角城市群作為我國(guó)核心城市群，具有得天獨(dú)厚的發(fā)展優(yōu)勢(shì)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，近年來(lái)呈現(xiàn)城市化進(jìn)程加快、農(nóng)村工業(yè)化程度高的特點(diǎn)，導(dǎo)致其城市熱島現(xiàn)象十分明顯。因此，對(duì)珠三角城市群的城市熱島進(jìn)行實(shí)時(shí)有效監(jiān)測(cè)是十分必要的。

1.2 研究數(shù)據(jù)與預(yù)處理

本文采用MYD11A2與MCD12Q1兩種MODIS產(chǎn)品。MYD11A2為美國(guó)宇航局（NASA）制作的8 d地表溫度合成產(chǎn)品，由MODIS日地表溫度產(chǎn)品合成而來(lái)，在空間上提高了其覆蓋率，是目前使用最多的地表溫度產(chǎn)品。該產(chǎn)品的空間分辨率為1 km，適合大區(qū)域的城市熱島研究；包含兩個(gè)時(shí)刻的地表溫度，分別為當(dāng)?shù)貢r(shí)間的下午13：30與夜晚01：30。本文采用的研究數(shù)據(jù)為2005—2019年珠三角城市群日地表溫度數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)源為hdf格式文件，通過(guò)IDL調(diào)用MODIS數(shù)據(jù)處理軟件（MRT）批量進(jìn)行影像拼接、投影和裁剪，最終得到珠三角城市群的地表溫度影像。為分析研究區(qū)城市熱島季節(jié)及其年際變化特征，本文對(duì)8 d合成地表溫度影像進(jìn)行季節(jié)均值合成，得到4個(gè)季節(jié)的地表溫度影像，并采用同樣的方法進(jìn)行年地表溫度合成。MCD12Q1為NASA制作的全球土地利用數(shù)據(jù)產(chǎn)品，時(shí)間分辨率為1 a，空間分辨率為500 m。MODIS土地利用數(shù)據(jù)包括多種分類(lèi)方案，本文采用IGBP全球植被分類(lèi)方案土地覆蓋類(lèi)型，該方案將全球地表分為17種用地類(lèi)型。在Matlab中將其進(jìn)行進(jìn)一步處理，合并為林地、灌木、草地、耕地、建成區(qū)、裸土、濕地和水體8種用地類(lèi)型。為與地表溫度影像的空間分辨率保持一致，將其統(tǒng)一重采樣至1 km。

1.3 城市熱島時(shí)空特征研究方法

為分析珠三角城市群的城市熱島時(shí)空分異特征，本文通過(guò)定性和定量?jī)煞N方法進(jìn)行研究。為揭示珠三角城市群城市熱島的空間分異特征，采用均值標(biāo)準(zhǔn)差法進(jìn)行熱島等級(jí)劃分。為消除不同時(shí)間影像帶來(lái)的差異，首先將地表溫度進(jìn)行歸一化處理，即

式中，Tnorm為歸一化后的地表溫度，范圍為0～1；Tmax、Tmin分別為地表溫度最大值和最小值；T為每個(gè)地表溫度的像元值。

然后，利用均值—標(biāo)準(zhǔn)差法對(duì)歸一化后的地表溫度進(jìn)行熱島劃分。該方法通過(guò)地表溫度均值與標(biāo)準(zhǔn)差的倍數(shù)關(guān)系劃分城市熱島[12]，將研究區(qū)分為強(qiáng)負(fù)熱島、較強(qiáng)負(fù)熱島、弱負(fù)熱島、無(wú)熱島、弱熱島、較強(qiáng)熱島和強(qiáng)熱島7個(gè)城市熱島等級(jí)，可對(duì)珠三角城市群城市熱島的年際和季節(jié)空間變化進(jìn)行定性分析。

為定量研究城市熱島，本文采用城鄉(xiāng)溫差法進(jìn)行城市熱島強(qiáng)度計(jì)算。城市熱島強(qiáng)度是指城市與郊區(qū)地表溫度的差值，將建成區(qū)視為城市區(qū)域，將林地、灌木、草地與耕地等有植被覆蓋的區(qū)域視為郊區(qū)。其計(jì)算公式為：

式中，UHII為城市熱島強(qiáng)度；Turban、Trural分別為城市地表溫度均值和郊區(qū)地表溫度均值。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 珠三角城市群城市熱島時(shí)空變化

2.1.1 年際變化特征

珠三角城市群2005—2019年的城市熱島空間變化情況如圖1所示，可以看出，珠三角城市群城市熱島現(xiàn)象明顯，城市熱島呈倒“U”型增長(zhǎng)趨勢(shì)；2005年城市熱島主要分布在珠江入?？谘匕叮缰楹Ｊ?、中山市南部、深圳市和東菀市，主要為強(qiáng)熱島和較強(qiáng)熱島，其他地市城市熱島零星分布；在2005—2012年和2012—2019年期間城市熱島的倒“U”型趨勢(shì)進(jìn)一步加強(qiáng)，強(qiáng)熱島范圍進(jìn)一步增大，主要體現(xiàn)在廣東省南部地區(qū)、深圳市、中山市和珠海市；城市熱島增長(zhǎng)具有階段性差異，2005—2012年城市熱島增長(zhǎng)快于2012—2019年；城市熱島范圍增長(zhǎng)主要體現(xiàn)在2005—2012年，該時(shí)段內(nèi)珠三角城市群的強(qiáng)熱島面積明顯擴(kuò)大，2012—2019年雖也有擴(kuò)大，但擴(kuò)大范圍比2005—2012年小。

圖1 珠三角城市群城市熱島年空間分布

根據(jù)熱島強(qiáng)度的定義，本文分別統(tǒng)計(jì)珠三角城市群的城市地表溫度和郊區(qū)地表溫度均值，并計(jì)算出二者的差值。珠三角城市群2005—2019年城市溫度、郊區(qū)溫度和熱島強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)如圖2所示，可以看出，2005—2019年城市溫度和郊區(qū)溫度均呈逐漸上升趨勢(shì)，城市溫度由2005年的28.36℃上升到2012年的30.29℃，2012—2019年城市溫度上升了1.0℃；郊區(qū)溫度在2005—2012年和2012—2019年分別上升了0.07℃和0.84℃，因此珠三角城市群近15 a的地表溫度呈逐漸上升趨勢(shì)；2005—2019年城市熱島強(qiáng)度呈逐漸增長(zhǎng)趨勢(shì)，2005年的熱島強(qiáng)度為2.48℃，2012年和2019年分別增長(zhǎng)至4.34℃和4.50℃，可見(jiàn)熱島效應(yīng)越來(lái)越明顯；2005—2012年城市熱島強(qiáng)度增長(zhǎng)較明顯，增長(zhǎng)了1.86℃，2012—2019年也有所增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)較少，只增長(zhǎng)0.16℃。

圖2 珠三角城市群熱島強(qiáng)度年際變化

2.1.2 季節(jié)變化特征

2005—2019年珠三角城市群城市熱島季節(jié)空間分布特征如圖3所示，可以看出，珠三角城市群的城市熱島具有明顯的季節(jié)性特點(diǎn)，對(duì)于同年的不同季節(jié)，城市熱島均表現(xiàn)為夏季最強(qiáng)，秋季和春季次之，冬季最弱；對(duì)于不同年份的相同季節(jié)，城市熱島在4個(gè)季節(jié)均呈逐漸增強(qiáng)趨勢(shì)，且表現(xiàn)為倒“U”型擴(kuò)張，與年際城市熱島空間分布一致；在冬季，珠三角城市群的西南角和東南角部分區(qū)域呈現(xiàn)強(qiáng)熱島，主要是由于這些區(qū)域分布的是耕地，冬天無(wú)植被覆蓋時(shí)，裸露土地白天可吸收大量熱量，導(dǎo)致這些區(qū)域也呈現(xiàn)強(qiáng)熱島。

圖3 珠三角城市群城市熱島季節(jié)變化

2005—2019年珠三角城市群城市熱島強(qiáng)度季節(jié)變化情況如圖4所示，可以看出，珠三角城市群的城市熱島強(qiáng)度具有明顯的季節(jié)性差異，夏季最強(qiáng)，秋季和春季次之，冬季最弱；所有季節(jié)的熱島強(qiáng)度均在2.15℃以上，夏季熱島強(qiáng)度均在4.46℃以上，2019年夏季的熱島強(qiáng)度達(dá)到6.70℃；2005—2012年城市熱島強(qiáng)度在各季節(jié)的增長(zhǎng)均大于2012—2019年，2005—2012年的城市熱島強(qiáng)度在各季節(jié)分別增長(zhǎng)了0.52～1.99℃，2012—2019年的熱島強(qiáng)度在各季節(jié)分別增長(zhǎng)了0.16～0.91℃。

圖4 珠三角城市群熱島強(qiáng)度季節(jié)變化

2.2 珠三角城市群地表覆蓋時(shí)空變化特征

2005—2019年珠三角城市群各用地類(lèi)型的空間分 布情況如圖5所示，可以看出，珠三角城市群的城鄉(xiāng)界線(xiàn)明顯，城市化進(jìn)程呈逐年加快趨勢(shì)；與城市熱島的空間分布一致，城市范圍主要呈現(xiàn)圍繞珠江入?？诘牡埂癠”型空間分布；建成區(qū)主要表現(xiàn)為強(qiáng)熱島或較強(qiáng)熱島區(qū)域，而林地、水體和濕地等主要體現(xiàn)為負(fù)熱島區(qū)域；珠三角城市群的建成區(qū)范圍逐年擴(kuò)大，表現(xiàn)為明顯的城市擴(kuò)張，且建成區(qū)面積增長(zhǎng)在2005—2012年快于2012—2019年。

圖5 珠三角城市群各用地類(lèi)型的空間分布

2005—2019年珠三角城市群各用地類(lèi)型的面積統(tǒng)計(jì)如圖6所示，可以看出，珠三角城市群的用地類(lèi)型以草地和林地為主，其次為建成區(qū)和耕地，濕地、水體和祼土的面積占比較少。2005—2019年珠三角城市群各用地類(lèi)型的面積變化情況如圖7所示，可以看出，珠三角城市群的建成區(qū)面積呈逐年增加趨勢(shì)，2005—2012年約擴(kuò)張了500 km2，2012—2019年約擴(kuò)張了229 km2；裸土和草地呈減少趨勢(shì)，截至2019年裸土減少了約80 km2，草地減少了15 000 km2，這兩種用地類(lèi)型的減少，一方面表現(xiàn)在城市用地的增加，另一方面是響應(yīng)國(guó)家植樹(shù)造林政策，2005—2019年珠三角城市群的林地面積約增加了12 000 km2。

圖6 珠三角城市群各用地類(lèi)型面積統(tǒng)計(jì)

圖7 不同時(shí)段珠三角城市群各用地類(lèi)型面積變化

2.3 珠三角城市群不同用地類(lèi)型的地表溫度變化情況

2005—2019年珠三角城市群各用地類(lèi)型的地表溫度統(tǒng)計(jì)情況如圖8所示，可以看出，由于地表下墊面的不同，不同用地類(lèi)型表現(xiàn)出不同的熱屬性和溫度分布，2005—2019年各用地類(lèi)型的溫度變化趨勢(shì)呈現(xiàn)相同規(guī)律，均為建成區(qū)地表溫度最高，其原因在于城市化進(jìn)程使得大量自然地表轉(zhuǎn)化為水泥路面、建筑物等不透水面，這些材料具有較好的吸熱性，易在白天吸收大量熱量，導(dǎo)致建成區(qū)地表溫度最高；林地的地表溫度最低，其次為水體和濕地，其原因在于植被的蒸騰作用能帶走大量熱量，具有降溫作用，且水體、濕地含有較高水分，其蒸發(fā)作用也可降溫，因此這些用地類(lèi)型的地表溫度相對(duì)較低。

圖8 珠三角城市群各用地類(lèi)型的溫度統(tǒng)計(jì)

2005—2019年珠三角城市群各用地類(lèi)型地表溫度在4個(gè)季節(jié)的分布情況如圖9所示，可以看出，2005—2019年4個(gè)季節(jié)均表現(xiàn)為建成區(qū)地表溫度最高、林地地表溫度最低，這與年際各用地類(lèi)型的分布是一致的；各年份各用地類(lèi)型的地表溫度均具有季節(jié)性特征，均表現(xiàn)為夏季地表溫度最高，春季和秋季次之，冬季最低。

圖9 珠三角城市群各用地類(lèi)型的季節(jié)地表溫度統(tǒng)計(jì)

由上述分析可知，珠三角城市群的城市熱島現(xiàn)象逐漸增強(qiáng)，主要原因在于城市化進(jìn)程使得建成區(qū)面積不斷增加，大量自然地表轉(zhuǎn)化為不透水面，城市區(qū)域比周?chē)紖^(qū)吸收的熱量多，且由于城市內(nèi)植被覆蓋較少，植被蒸騰作用帶來(lái)的降溫效果不明顯，從而導(dǎo)致城市地表溫度比其他用地類(lèi)型的地表溫度高；而珠三角城市群郊區(qū)的用地類(lèi)型主要為林地，白天蒸騰作用顯著，降溫效果明顯，從而導(dǎo)致郊區(qū)的地表溫度較低，因此較大的城市與郊區(qū)的地表溫度反差，導(dǎo)致了較高的城市熱島強(qiáng)度。珠三角城市群的建成區(qū)面積逐年增加，建成區(qū)地表溫度也逐漸上升，從而導(dǎo)致了逐年增長(zhǎng)的城市熱島強(qiáng)度，因此若想緩解城市熱島效應(yīng)，可在城市區(qū)域內(nèi)多種植樹(shù)木、加強(qiáng)公園綠化，減少城市和郊區(qū)的溫度差；另外，水體、濕地也具有緩解城市熱島的作用，可在城市區(qū)域內(nèi)多建設(shè)池塘、水池、湖泊等。由于珠三角城市群的城市熱島效應(yīng)具有明顯的季節(jié)性特點(diǎn)，因此各用地類(lèi)型也表現(xiàn)為季節(jié)性變化特征。特別是對(duì)于建成區(qū)，其地表溫度在夏季最高，應(yīng)特別注意夏季城市區(qū)域的城市熱島緩解策略，夏季高溫時(shí)可在道路等城市不透水面上多灑水，有利于降低城市內(nèi)部的地表溫度，從而起到緩解城市熱島的作用。

3 結(jié)語(yǔ)

基于MODIS地表溫度數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)，本文研究了2005—2019年珠三角城市群城市熱島的年際變化和季節(jié)變化特征，分析了其地表覆蓋變化情況；并研究了珠三角城市群不同用地類(lèi)型的年際和季節(jié)地表溫度變化情況。

1）珠三角城市群的城市熱島現(xiàn)象明顯，且呈逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)。城市熱島主要呈倒“U”型分布與增長(zhǎng)，強(qiáng)熱島主要分布在珠江入?？谔幍膹V州市、深圳市、佛山市和中山市。2005—2012年珠三角城市群的城市熱島強(qiáng)度增長(zhǎng)快于2012—2019年，各年熱島強(qiáng)度均在2.48℃以上。

2）珠三角城市群的城市熱島具有明顯的季節(jié)特征，表現(xiàn)為夏季最強(qiáng)，秋季和春季次之，冬季最弱。2005—2019年各季節(jié)的熱島強(qiáng)度均在2.15℃以上，夏季均在4.46℃以上。

3）珠三角城市群城市化進(jìn)程逐年加快，建成區(qū)面積逐年增加。2005—2019年珠三角城市群各用地類(lèi)型的地表溫度分布趨勢(shì)一致，均表現(xiàn)為建成區(qū)的地表溫度最高，林地、水體的地表溫度較低。因此，可通過(guò)加強(qiáng)城市內(nèi)部綠化、設(shè)立池塘和水池等方式減緩城市熱島效應(yīng)，特別應(yīng)注意夏季城市熱島的緩解策略。