基于InVEST模型的大連城區(qū)降溫效果時空評估

王 耕，暢天宇

(遼寧師范大學 地理科學學院，遼寧 大連 116029)

1 引言

隨著經濟社會發(fā)展，人口持續(xù)增長，城市化擴張，土地利用/覆蓋(LUCC)的驟變[1]凸顯，原有的自然覆蓋類型已被水泥等城市材料取代[2]，引發(fā)諸多生態(tài)問題，如森林及草場退化、耕地面積縮減，影響了生態(tài)系統、局地氣候和人類生活質量[3]。人類生產生活活動及人工建筑的存在，使得區(qū)域內產熱量大，且由于地表粗糙，風力較小，熱量交流困難，使城市區(qū)域溫度上升[4]，對人類健康產生不良影響[3,5]。綠地公園等GUI(Green Urban Infrastructures)[6]可產生減溫作用，減少電能的使用。已有研究多從反演遙感影像Landsat數據得到地表溫度(LST)[7]或建立相關模型如ICAM[8]以對城市熱島效應(UHI)[9]進行深入研究，本文使用InVEST模型中的Urban Cooling模型，量化評價城市，與反演Landsat數據得到地表溫度相比，模型同時使用蒸散發(fā)和土地利用類型，在計算時模擬度更高，可估算地塊降溫效果以得到GUI的減溫作用，為減少能源消耗提供城市熱環(huán)境的解決方案。

2 數據來源與處理

2.1 研究區(qū)概況

大連市地理坐標為120.994°E～123.533°E，38.484°N～40.215°N，位于遼寧省南端沿海區(qū)，與京津冀地區(qū)隔渤海，與膠東半島隔黃海、渤海，與朝鮮半島隔黃海相望。氣候受海洋影響較大，屬暖溫帶濕潤大陸性季風氣候。地形為北高南低，內陸高沿海低，如圖1a所示，海拔最高處位于莊河市內，約為1108 m。土地利用類型多樣，多為林地和旱地為主的耕地，如圖1b所示。該市人口主要分布在南部沿海地區(qū)，總體分布為人口密度北低南高，如圖1(c)所示，淺色高、深色低。

2.2 數據來源

本文蒸散發(fā)(Evapotranspiration，ET)數據來源于MOD16，為美國NASA官網的MODIS衛(wèi)星數據(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov)，分別采用2000年、2010年、2020年6月的數據進行處理，土地利用(LUCC)數據、大連市行政邊界數據和夜間燈光數據均來源于中國科學院資源環(huán)境信息科學與數據中心資源環(huán)境數據云平臺(www.resdc.cn)，DEM高程數據來源于地理空間數據云(www.gscloud.cn)。

2.3 研究方法

主要使用InVest 3.8.9模型中的Urban Cooling模塊，對大連市進行分析。首先該模塊根據局部陰影系數(local shade)、蒸散發(fā)(evapotranspiration)和反照率(albedo)計算每個像素的冷卻能力(Cooling Capacity, CC)指數，其中局部陰影為不同土地利用類型(LUCC)樹冠對地表覆蓋情況的比例：

圖1 研究區(qū)概況

CCi=0.6·shade+0.2·albedo+0.2·ETI

(1)

式(1)中系數來源于經驗[6]，可根據實際情況進行調整，陰影指數、反照率則根據不同的土地利用類型變化，具體值參考斯坦福提供的已有的分類匹配表，ETI為表示蒸散發(fā)的標準值，通過ET0和來源于土地利用類型的裁剪系數Kc計算得到：

(2)

若有對應于每個土地利用類型的建筑密度數據(Building intensity)，則CC指數可以由式(3)求得：

CCi=1-building.intensity

(3)

其次，模型通過分析大型綠地的減溫冷卻作用，得到城市熱量緩解指數(Urban Heat Mitigation, HM)：

(4)

(5)

(6)

式(5)、(6)中cellarea是一個研究單元的面積，gj為是否綠地，dcool是綠地可產生冷卻作用的距離。

未產生空氣混合的空氣溫度:

Tairnomix,i=Tair,ref+(1-HMi)·UHImax

(7)

式(7)中UHI值為城市尺度熱島效應等級，單位為℃，可通過耶魯大學開發(fā)的Global Surface UHI Explorer(https://yceo.users.earthengine)或相關網站進行查詢，Tair,ref為農村參考溫度即未發(fā)生城市熱島效應地區(qū)的溫度，Tair實際氣溫即混合后的氣溫使用有核半徑r的高斯函數對未產生空氣混合的空氣溫度進行平均得出，表現出當前數據模式下的地區(qū)溫度。

夜間燈光數據不僅具有空間性也具有強度性，可以表現出人類夜間活動頻度，而人類活動頻度則可以指示該地人口密度，有大量研究表明人口密度與夜間燈光數據有強正相關[10]，本文使用夜間燈光指數表征人口密度以進行分析。

3 結果分析

本次研究選取2000年、2010年和2020年共三期數據使用InVEST模型中Urban Cooling模型進行了實驗模型分析，通過每期數據對大連市整體的城市降溫效果進行模擬和分析，得出城區(qū)時空降溫效果。

3.1 大連市城區(qū)冷卻降溫效果時間差異

縱向比較圖2、圖3中2000年、2010年和2020年三期結果，北部地區(qū)降溫效果強的區(qū)域在時間跨度上有一定擴展，從2000年開始面積不斷擴大，鑒于這些地塊主要為有林地等植被覆蓋區(qū)，可以看出大連市在近20年間，植樹造林成效顯著，且該區(qū)域內有遼寧仙人洞等自然保護區(qū)和森林公園，植被覆蓋區(qū)面積的擴大也可說明這些自然保護區(qū)和森林公園發(fā)展良好，北部森林植被覆蓋區(qū)的面積擴大，增強了北部山區(qū)的降溫效果，進而緩解城區(qū)的熱島效應。南部地區(qū)降溫效果弱的城市建成區(qū)面積同樣也有一定程度的擴大，尤其是甘井子區(qū)沙河口區(qū)中山區(qū)瓦房店市等部分區(qū)域，CC值從2000年約0.1569變?yōu)?020年約0.156，由于城市化不斷發(fā)展，城區(qū)面積擴大，將原有的自然景觀轉變?yōu)槿嗽炀坝^，從而造成區(qū)域降溫效果的下降。

由圖3知，在三期數據中，HM指數最高值均為1，但值為1的范圍并不相同，像元數分別為2000年3472，2010年3329，2020年1563，可得HM高值區(qū)面積在縮減，在2010～2020年間下降速度較前變大，雖然前述北部地區(qū)CC值高值區(qū)面積擴大，但綜合分析，北部地區(qū)的綠地類型出現了化整為零的現象，雖然總體占地面積有所擴大，但大型綠地數量減少。今后大連北部山區(qū)應在擴大綠化面積的同時提高林地郁閉度，提高植被地表覆蓋度，切實提高區(qū)域降溫效果，建設更完備更和諧更平衡的保護區(qū)和國家公園。

圖2 研究區(qū)冷卻能力分布

圖3 研究區(qū)熱量緩解指數分布

3.2 大連市城區(qū)冷卻降溫效果空間差異

經InVEST中Urban Cooling模型計算得出，每個像素的冷卻能力(Cooling Capacity, CC)指數如圖2， 分別在圖2每期數據內部進行比較以得出城市不同區(qū)域冷卻能力的景觀空間差異，雖然每期數據不同冷卻能力區(qū)域的范圍和面積并不完全相同，但高值區(qū)和低值區(qū)的普遍分布規(guī)律在空間上并無太大變化，均為北高南低，具體表現為：

在北部山地地區(qū)，地塊冷卻能力最大，2000年最高值出現在莊河市仙人洞鎮(zhèn)后四道溝附近，為0.83，2010年最高值出現在瓦房店市松樹鎮(zhèn)西溝附近，為0.83，2020年最高值出現在瓦房店市松樹鎮(zhèn)北嶺附近，為0.83。由圖1(a)此區(qū)域海拔較高，且由圖1(b)土地利用類型為林地，多為喬木等植被覆蓋區(qū)，屬等綠化面積較大的區(qū)域，由圖1(c)看出人口密度相對較低，可以得出以林地為主，人口密度較低的區(qū)域對城市冷卻能力的貢獻最大。冷卻能力高值區(qū)相應的城市溫度較低(圖4)，北部地區(qū)較南部城鎮(zhèn)區(qū)溫度高約3 ℃。

圖4 研究區(qū)混合溫度分布

由圖2中部平原區(qū)降溫效果次之，其CC值分布在中間范圍，約為0.2～0.66之間，由圖1b，此區(qū)域土地利用類型多樣，以林地和灌木林為主，圖1(c)區(qū)域人口密度為中間值，較為平均，此區(qū)域在各方面均為中值，且面積在所有3個區(qū)域中最大。

在研究區(qū)南部尤其是沿海地區(qū)集中出現降溫效果最弱的區(qū)域，是以中西沙甘等區(qū)為代表的中心人口密集城區(qū)，包括莊河市和普蘭店區(qū)等地的政府所在地，2000年CC值最低值出現在普蘭店區(qū)皮口鎮(zhèn)，為0.1546，2010年CC值最低值出現在瓦房店市紅沿河鎮(zhèn)黃泥洞附近，為0.0553，2020年CC值最低值出現在莊河市趙咀一帶，為0.055，但這些值的像元個數僅為1，為避免誤差干擾，選取像元值較多的低值，為2000年的0.1569，2010年的0.156，2020年也是0.156，這些區(qū)域由圖1(b)和圖1(c)可知，主要為城市建成區(qū)，區(qū)內人工建筑覆蓋度高，人口主要集中在此區(qū)域，由圖4可得出，主要城市建成區(qū)氣溫明顯高于周圍地區(qū)，從圖4中可以明顯提取出各區(qū)縣中心區(qū)，與圖1b所示人口密度分布一致，人口密度大的區(qū)域溫度也相應高，區(qū)內植被與北部地區(qū)相比較少，綠化區(qū)域主要為人工草坪和行道樹等點狀和線狀綠地，也存在公園等小型面狀綠地，但面積較小且分散，由圖2可得此類區(qū)域降溫效果較弱。

HM指數的趨勢在年內如圖3所示，與圖2一致，均為北高南低。HM指數在距公園等大型綠地較近時，受綠地影響大，為與綠地距離相關的CCpark值，距離較遠時，認為不受大型綠地影響，受該處土地利用類型影響大，為CC值。所以在值的高低方面的一定程度上，尤其是低值方面，HM指數與CC值具有一致性，但在高值方面仍有不同表現，具體表現在面積方面，這部分內容在上一節(jié)中進行具體討論，但高值均為1，且廣泛分布在北部地區(qū)，與前所述一致。

4 結論與討論

通過分析大連市2000年、2010年和2020年的全市降溫能力，得出結論如下：①大連市全市降溫效果總體來看北高南低，北部山區(qū)高，南部沿海城鎮(zhèn)區(qū)域低；②林地灌木林等植被覆蓋高的土地利用類型降溫效果好，城鎮(zhèn)用地等人造水泥混凝土土地利用類型降溫效果差；③人口密度低的區(qū)域降溫效果強，海拔較高的山區(qū)降溫效果強；④2000年以后，大連市北部地區(qū)冷卻能力強的有林地總面積擴大，但連續(xù)性下降，尤其是2010年后，連續(xù)性的下降速率加快，大型綠地數量持續(xù)減少；⑤南部城市地區(qū)，降溫效果差的城市建成區(qū)面積擴大，城市化進程提高。