長三角地區(qū)地表覆蓋與城市熱島時(shí)空演變分析

熊曉峰，張德州

（1.河南省地球物理空間信息研究院，河南 鄭州 450000）

改革開放以來，我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)得到了飛速發(fā)展，截至2018年，我國城市化率已達(dá)到59.6%[1]。城市化進(jìn)程的加快，帶來了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，同時(shí)將導(dǎo)致一系列的環(huán)境問題。城市熱島現(xiàn)象是快速城市化帶來的氣候問題，是指城市中心區(qū)域的溫度高于周圍郊區(qū)溫度的一種現(xiàn)象。城市熱島問題關(guān)乎城市居民的居住舒適度[2-4]，近年來受到城市規(guī)劃者與管理部門的重視。長三角城市群作為我國三大城市群之一，是我國城市化水平最高、人口密度最大的區(qū)域。因此，對(duì)長三角城市群的城市熱島進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有重要意義。

目前針對(duì)城市熱島的監(jiān)測(cè)研究主要分為兩種： ①氣象資料觀測(cè)法[5-7]，該方法雖能獲得長時(shí)間序列的歷史資料，但“點(diǎn)”數(shù)據(jù)難以展示城市熱島的空間變化特征；②隨著遙感技術(shù)的進(jìn)步，采用遙感影像對(duì)城市熱島進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析已成為目前研究的主要手段?？捎糜谘芯砍鞘袩釐u的遙感數(shù)據(jù)包括Landsat 系列影像、NOAA/AVHRR影像、ASTER影像和MODIS影像 等[8-9]，其中MODIS地表溫度數(shù)據(jù)精度可靠，適用于大區(qū)域尺度的城市熱島研究。目前，已有較多學(xué)者對(duì)長三角城市群做了不同程度的研究[10-15]，但大多采用單個(gè)季節(jié)或單個(gè)時(shí)間段的影像，且集中于2010年前的城市熱島監(jiān)測(cè)，很難得到近年長時(shí)間序列的城市熱島變化；此外，大部分研究只分析了長三角城市群的城市熱島時(shí)空變化，而對(duì)于導(dǎo)致城市熱島的主要原因，即城市化進(jìn)程導(dǎo)致的城市地表覆蓋變化的研究較少。

因此，本文結(jié)合近16 a的全年MODIS土地利用類型數(shù)據(jù)和地表溫度數(shù)據(jù)，分析了長三角地表覆蓋的時(shí)空變化特征，研究了長三角城市群城市熱島的時(shí)空演變規(guī)律，探究了各土地利用類型對(duì)地表溫度的響應(yīng)，并找出了緩解城市熱島的有效渠道。

1 研究區(qū)概況

長三角城市群位于長江中下游，地理范圍為32e34′～29e20′N、115e46′～123e25′E。研究區(qū)概況如圖1所示，可以看出，長三角城市群地理區(qū)劃涵蓋三省一市共26個(gè)城市，分別為上海市、江蘇省 9個(gè)城市、安徽省8個(gè)城市和浙江省8個(gè)城市，涵蓋面積為35 800 km2，約占據(jù)我國總面積的2.2%。長三角城市群是我國三大城市群之一，也是世界六大城市群之一，因此城市化水平很高，截至2014年，其人口已達(dá)1.5億，約占我國總?cè)丝诘?1%。長三角城市群屬亞熱帶季風(fēng)氣候，近年來由于城市化進(jìn)程的加快，其年均氣溫、年均最高氣溫和年均最低氣溫均有上升趨勢(shì)，因此對(duì)其城市熱島進(jìn)行監(jiān)測(cè)是很有必要的。

圖1 長三角城市群概況 （審圖號(hào)：GS(2011)6006）

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本文采用兩種MODIS數(shù)據(jù)，首先利用MODIS土地利用類型數(shù)據(jù)（MCD 12Q1）對(duì)長三角地表覆蓋變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究，其空間分辨率為500 m，時(shí)間分辨率為 1 a；再利用MODIS地表溫度產(chǎn)品對(duì)長三角城市熱島進(jìn)行監(jiān)測(cè)。MODIS衛(wèi)星包括上午星（Aqua）和下午星（Terra），其中Aqua的過境時(shí)刻為當(dāng)?shù)貢r(shí)間的 10：30 am和10：30 pm，而Terra的過境時(shí)刻為當(dāng)?shù)貢r(shí)間的1：30 pm和1：30 am。由于白天城市熱島通常在中午1：00點(diǎn)左右表現(xiàn)最大值，因此本文所用的地表溫度產(chǎn)品數(shù)據(jù)為MODIS Terra衛(wèi)星反演獲取的地表溫度（MYD 11A2），空間分辨率為1 km，時(shí)間分辨率為8 d合成影像。

為了監(jiān)測(cè)長三角城市群地表覆蓋與城市熱島的時(shí)空變化特征，本文采用2003年、2011年和2018年的MODIS地表溫度和土地利用類型數(shù)據(jù)，兩種數(shù)據(jù)的原格式均為hdf格式，需利用MODIS數(shù)據(jù)批處理工具M(jìn)RT進(jìn)行圖幅拼接、投影轉(zhuǎn)換、重采樣和影像裁剪等處理；再利用Albert等面積投影和WGS84坐標(biāo)系將空間分辨率統(tǒng)一重采樣為1 km，所有處理步驟均通過IDL調(diào)用MRT軟件實(shí)現(xiàn)。為了客觀表現(xiàn)長三角城市群城市熱島的變化特征，對(duì)8 d合成的MODIS地表溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行年合成，得到3期年均地表溫度影像。

2.2 地表覆蓋劃分

MODIS土地利用類型數(shù)據(jù)包括5種不同的地表覆蓋分類方案，本文采用第二種分類方案（馬里蘭大學(xué)分類體系）。該方案將地表覆蓋分為17種類別，其中包括11種植被分類、3種土地利用和土地鑲嵌以及 3種無植生土地利用。本文根據(jù)長三角地表覆蓋的特點(diǎn)，進(jìn)一步將該分類結(jié)果進(jìn)行歸類，主要分為7種土地利用類型，分別為建成區(qū)、水體、林地、草地、濕地、耕地和裸地。通過空間上的定性分析與定量統(tǒng)計(jì)，分析了長三角城市群地表覆蓋的變化特征。

2.3 城市熱島劃分與熱島強(qiáng)度計(jì)算

本文分別通過空間上的定性分析與定量計(jì)算，分析了長三角城市群近16 a的城市熱島時(shí)空演變特征。在空間定性分析上，利用均值標(biāo)準(zhǔn)差法劃分城市熱島等級(jí)。相關(guān)研究表明，該方法能避免不同時(shí)相間影像的差異，適合大區(qū)域城市熱島的時(shí)空變化研究[16]，通過地表溫度的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差的倍數(shù)關(guān)系，劃分城市熱島等級(jí)。根據(jù)方慧婷[13]等的劃分方法，本文將城市熱島分為7個(gè)等級(jí)。為了定性分析長三角城市群城市熱島的變化特征，根據(jù)城市熱島的定義，本文利用城郊溫差法計(jì)算城市熱島強(qiáng)度。其計(jì)算公式為：

式中，UHII為城市熱島強(qiáng)度；LSTurban、LSTrural分別為城市和郊區(qū)的地表溫度均值。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 長三角城市群地表覆蓋變化特征

長三角城市群2003－2018年土地利用變化空間特征如圖2所示，可以看出，長三角城市群地表覆蓋表現(xiàn)出很強(qiáng)的空間差異，土地利用類型南北差異較大，南北地形差異很大；浙江省的杭州、金華、臺(tái)州和安徽省的宣城、安慶等南部地區(qū)的主要土地利用類型為林地和草地，這些城市的地貌大多屬于丘陵地帶，分布有較多的山地；而江蘇省的鹽城、泰州、揚(yáng)州、南通以及安徽省的滁州、合肥、馬鞍山等北部地區(qū)的主要土地利用類型為耕地，這些城市多為平原地貌，以農(nóng)業(yè)為主；此外，長三角城市群2003－2018年城市化進(jìn)程明顯，表現(xiàn)出明顯的城市擴(kuò)張，城區(qū)范圍逐年擴(kuò)大；在2003－2011年和2011－2018年兩個(gè)時(shí)段，以上海市為主導(dǎo)，蘇錫常都市圈、南京都市圈、合肥都市圈、杭州都市圈以及寧波都市圈周圍地帶的城市建成區(qū)面積均逐年增加。

圖2 長三角城市群地表覆蓋空間分布

長三角城市群城市化進(jìn)程加快，主要表現(xiàn)為城市建成區(qū)面積的增加，但同時(shí)可能導(dǎo)致一些負(fù)面問題。2003－2018年長三角城市群各土地利用類型所占面積以及各土地利用類型變化情況如圖3、4所示，可以看出，耕地和草地為長三角土地利用類型的主導(dǎo)，其次是林地和建成區(qū)，再次是水體和濕地，裸地涵蓋面積最少；2003－2018年建成區(qū)面積逐年增加，2018年 的建成區(qū)面積比2003年增長了6 438 km2，2003－ 2011年比2011－2018年的建成區(qū)面積增加得多， 兩個(gè)時(shí)段建成區(qū)面積分別增長3 799 km2和2 639 km2；而對(duì)于自然土地利用類型，耕地面積在這兩個(gè)時(shí)間段均為減少，特別是2003－2011年減少了7 020 km2；草地面積雖在2011年增加了1 978 km2，但2011－2018年又減少了3 857 km2，因此草地總體是減少的；水體在2003－2018年的變動(dòng)不大，2018年水體面積總體減少了11 km2；濕地面積雖在2011年減少了 250 km2，但在2018年增加了1 264 km2，因此濕地面積總體增加了1 014 km2，這可能與近年來湖泊周圍養(yǎng)殖業(yè)的增多有關(guān)；值得關(guān)注的是，林地面積在兩個(gè)時(shí)段內(nèi)都是增加的，這可能與國家政策有關(guān)，2003年以來國家全面實(shí)行了退耕還林政策。綜上所述，城市化進(jìn)程導(dǎo)致城市建成區(qū)面積的增加，而建成區(qū)面積的增加需不斷地將草地、裸地和耕地等原有的自然地表覆蓋開發(fā)為人類建設(shè)區(qū)域，導(dǎo)致這些自然地表覆蓋的減少。

圖3 長三角城市群各土地利用類型面積統(tǒng)計(jì)

圖4 不同時(shí)段長三角城市群各土地利用類型面積變化情況

3.2 長三角城市群城市熱島時(shí)空分布特征

2003－2018年長三角城市群城市熱島的空間分布情況如圖5所示，可以看出，長三角城市群城市熱島現(xiàn)象明顯，2003－2018年均表現(xiàn)出明顯的熱中心；長三角城市群城市熱島在空間上總體表現(xiàn)為由西向東的M形擴(kuò)張和由北向南的Z形擴(kuò)張，2003－2018年這種擴(kuò)張形式愈加明顯；對(duì)于長三角城市群的單個(gè)城市，其城市熱島擴(kuò)張表現(xiàn)為由主城區(qū)向周圍擴(kuò)展，如上海、合肥和蘇錫常地區(qū)以圍繞主城區(qū)的“攤餅狀”擴(kuò)展，南京、南通、寧波和金華等城市以“條帶狀”擴(kuò)展，其他城市主要以“星羅點(diǎn)狀”擴(kuò)展；2003－2018年長三角城市群的城市熱島強(qiáng)度逐漸增大，特別是蘇錫常地區(qū)、合肥、寧波以及南通等地區(qū)，這些城市的強(qiáng)熱島和較強(qiáng)熱島面積均比前一階段有所增加。

圖5 長三角城市群2003－2018年城市熱島空間分布

近16 a長三角城市群各城市熱島等級(jí)所占比例如圖6所示，可以看出，2003－2018年長三角城市群城市熱島現(xiàn)象是增強(qiáng)的；2003－2011年雖然長三角城市群的強(qiáng)熱島面積減少了1.1%，但較強(qiáng)熱島和弱熱島面積都增加了，比2003年分別增加了1.34%和2.3%，無熱島和弱負(fù)熱島面積分別減少了2.8%和2.4%，說明長三角城市群在2003－2011年的城市熱島效應(yīng)是增強(qiáng)的，其地表溫度有上升趨勢(shì)；2011－2018年長三角城市群的強(qiáng)熱島面積增加了1.07%，但較強(qiáng)熱島和弱熱島分別減少了0.6%和2%，強(qiáng)負(fù)熱島、較強(qiáng)負(fù)熱島和無熱島面積分別減少了0.49%、0.48%和0.7%，說明長三角城市群的地表溫度有由低溫向高溫轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，其城市熱島強(qiáng)度雖在該階段仍有增加，但增長速度放緩，這可能與國家近年來重視環(huán)保、綠化和環(huán)境問題有很大關(guān)系。

圖6 長三角城市群2003－2018年各城市熱島等級(jí) 所占比例

城市熱島通常定義為城市溫度高于周圍郊區(qū)溫度的一種現(xiàn)象，因此城市熱島強(qiáng)度即為城市溫度與郊區(qū)溫度的差值。為了進(jìn)一步探討長三角城市群近16 a的城市熱島強(qiáng)度變化情況，本文將建成區(qū)的平均地表溫度視為城區(qū)溫度，將林地的平均地表溫度視為郊區(qū)溫度，長三角城市群近16 a的熱島強(qiáng)度變化情況如圖7所示，可以看出，長三角城市群的城市熱島效應(yīng)明顯，2003年城市熱島強(qiáng)度為3.04℃，而在2011年和2018年分別達(dá)到了4.42℃和4.68℃，因此長三角城市群的熱島強(qiáng)度是逐漸增大的；城市熱島的增長主要體現(xiàn)在2003－2011年，在該時(shí)段增加了1.38℃，在2011－2018年雖然也有所增加，但相比前一階段增加不多，其熱島強(qiáng)度只增加了0.26℃，說明長三角城市群的城市熱島強(qiáng)度增大主要體現(xiàn)在第一階段，這與前面的結(jié)論是一致的。

圖7 長三角城市群2003－2018年城市熱島強(qiáng)度變化

2003－2018年長三角城市群各土地利用類型的地表溫度均值變化情況如圖8所示，可以看出，各土地利用類型的地表溫度均表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，水體的地表溫度是最低的，其次是林地和濕地。由于水體和濕地的水分含量高，水分蒸發(fā)可帶走熱量，從而導(dǎo)致地表溫度相對(duì)較低；另外，植被的蒸騰作用也會(huì)帶走大量熱量，具有降溫作用，從而導(dǎo)致林地的地表溫度較低。建成區(qū)的地表溫度是最高的，因?yàn)槌鞘谢M(jìn)程導(dǎo)致大量自然地表覆蓋轉(zhuǎn)化為水泥路面、建筑等不透水面，這些材料的吸熱性能較好，從而導(dǎo)致建成區(qū)地表溫度明顯高于其他用地類型。因此，應(yīng)采取增強(qiáng)城區(qū)綠化、設(shè)立水池等方式來減輕城市熱島效應(yīng)、減小城市熱島強(qiáng)度。

圖8 長三角城市群2003－2018年各土地利用類型 地表溫度均值變化

4 結(jié) 語

以長三角城市群為研究對(duì)象，采用2003－2018年的MODIS地表溫度和土地利用類型數(shù)據(jù)，通過土地利用類型數(shù)據(jù)分析了近16 a長三角城市群地表覆蓋的時(shí)空變化情況；再通過均值標(biāo)準(zhǔn)差和城郊溫差法分析了長三角城市群城市熱島的時(shí)空變化特征。

1）近16 a來，長三角城市群的城市擴(kuò)張明顯，建成區(qū)范圍逐年增大。水體、草地、耕地和裸地等自然地表覆蓋類型總體呈減少趨勢(shì)；而可能是由于國家退耕還林政策，2003年以來林地一直呈增加趨勢(shì)。

2）2003－2018年長三角城市群城市熱島效應(yīng)明 顯，各大城市均表現(xiàn)出明顯的熱中心。長三角城市群城市熱島在空間上總體表現(xiàn)為由西向東的M形分布擴(kuò)張以及由北向南的Z形分布擴(kuò)張。長三角城市群在2003年、2011年和2018年的城市熱島強(qiáng)度分別為3.04℃、4.42℃和4.68℃。城市熱島強(qiáng)度增加主要在2003－2011年，2011－2018年雖然同樣有所增加，但增加速度放緩。

3）2003－2018年長三角城市群各土地利用類型的地表溫度變化趨勢(shì)一致。水體的地表溫度最低，其次是林地和濕地，建成區(qū)的地表溫度最高。因此，通過植樹造林、設(shè)立水池等方式，可有效緩解城市熱島效應(yīng)。

本文的不足之處在于，只研究了長三角城市群時(shí)間變化中的年際變化特征，未來可進(jìn)一步研究長三角城市群的季節(jié)和日變化規(guī)律。