京津冀城市群土地利用變化對地表熱環(huán)境的影響研究

孫 碩， 李 君,2， 王一旭， 姚 磊

(1.山東師范大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院， 山東 濟南 250358； 2.南京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院， 江蘇 南京 210023)

城市空間熱環(huán)境狀況是城市空間環(huán)境在熱力場中的綜合體現(xiàn)，其演變過程與人類活動有著密切聯(lián)系[1-2]。近年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化進程不斷加快，在提高了人民生活水平的同時，也引發(fā)了城市下墊面性質(zhì)的改變和人為熱源的增加，導(dǎo)致了大氣污染、生態(tài)失衡、城市熱島等一系列的生態(tài)環(huán)境問題[3-5]。其中，以熱島效應(yīng)為主要表現(xiàn)的城市空間熱環(huán)境惡化已成為全球氣候變化和生態(tài)環(huán)境問題的顯著特征之一，并對城市人居環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)造成了嚴重的影響[6-8]。

根據(jù)《2012中國新型城市化報告》，1992年至2016年，中國城市化處于快速發(fā)展階段[9]。都市圈、城市群、城市帶和中心城市的發(fā)展也標(biāo)志著城市化水平的提高。與此同時，由城市化引發(fā)的城市熱島效應(yīng)也在進一步加劇[10]。當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者采用了多種方法對不同研究區(qū)的城市空間熱環(huán)境開展了大量研究，探討了城市空間熱環(huán)境的形成機制和城市熱島的緩解方法等，這對改善城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和促進可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和現(xiàn)實意義[11-14]。

1833年，Lake Howard[15]首次在《倫敦氣象》雜志中提出了城市氣溫高于郊區(qū)氣溫的現(xiàn)象。隨后在1958年，Manley[16]提出了“城市熱島”的概念。此后，國內(nèi)外學(xué)者針對城市熱島效應(yīng)開展了一系列研究。城市熱島效應(yīng)是指城市溫度高于周邊郊區(qū)溫度，在建筑物密集、人為熱量釋放較多的中心城區(qū)形成明顯高溫區(qū)的現(xiàn)象[17-19]。之后，相關(guān)學(xué)者在城市熱島效應(yīng)概念的基礎(chǔ)上，進一步提出了城市空間熱環(huán)境的概念，將關(guān)于城鄉(xiāng)溫度差異的研究擴展到了包括城市邊界層、冠層和地表層在內(nèi)的城市生態(tài)、物理環(huán)境中的熱場狀況的研究[2,20-21]。土地利用作為影響下墊面性質(zhì)的主要因素，與地表溫度的分布具有密切關(guān)系，而快速的城市化進程導(dǎo)致城區(qū)的土地利用/覆被類型發(fā)生了較大變化，主要表現(xiàn)為建設(shè)用地面積和密度的增加，由瀝青、水泥等材料構(gòu)成的不透水面面積增大等，這嚴重影響了地表的熱量平衡，是地表熱環(huán)境的主要驅(qū)動力之一。很多研究基于土地利用/覆被數(shù)據(jù)，來探討景觀格局對城市熱環(huán)境的影響。不同大小和形狀的景觀要素在城市內(nèi)部排列組合，形成了一定的景觀格局，影響著城市生態(tài)過程[22]。謝啟姣等[23]從斑塊、斑塊類型、景觀水平3個方面選取了常見的景觀指數(shù)，劃分了規(guī)則格網(wǎng)，對各景觀指數(shù)與地表溫度進行主成分回歸分析，發(fā)現(xiàn)大部分景觀指數(shù)與地表溫度具有顯著相關(guān)性，且景觀指數(shù)之間信息交叉嚴重。黃麗明等[24]引入重心轉(zhuǎn)移指數(shù)，研究了廣州市花都區(qū)的熱力重心與建設(shè)用地重心變化的關(guān)系，并基于移動窗口計算景觀指數(shù)，分析其與地表溫度的相關(guān)性，研究結(jié)果表明，熱島效應(yīng)隨建設(shè)用地的擴張而增強，且景觀格局多樣性與地表溫度關(guān)系密切。大量研究表明，不同的景觀格局對熱環(huán)境的影響程度不同，合理的景觀配置可以有效降低地表溫度。因此，定量分析不同土地利用/覆被類型與地表溫度的相關(guān)關(guān)系及其對地表熱環(huán)境的貢獻程度，對緩解城市熱環(huán)境問題具有重要意義。

地表溫度數(shù)據(jù)和大氣溫度數(shù)據(jù)是城市空間熱環(huán)境研究的主要數(shù)據(jù)來源，前者主要通過遙感數(shù)據(jù)反演獲得，后者主要為氣象數(shù)據(jù)[25-27]。早期對熱島效應(yīng)的研究主要依靠大氣溫度數(shù)據(jù)，研究對象實際是城市大氣熱島，主要包括城市邊界層和城市冠層熱島；隨著熱紅外遙感技術(shù)的發(fā)展，地表溫度數(shù)據(jù)逐漸取代了大氣溫度數(shù)據(jù)，成為了城市空間熱環(huán)境研究的主要數(shù)據(jù)源，主要研究范圍也由城市大氣熱島轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘械乇韺訜釐u[28]。

相對于城市大氣熱環(huán)境，地表熱環(huán)境能更好地反映城市地表輻射以及熱量平衡，因此，本文基于遙感反演的地表溫度數(shù)據(jù)，以京津冀城市群為研究區(qū)，主要探討城市群整體和各地市地表熱環(huán)境的時空分布及變化特征、土地利用/覆被時空變化特征及其熱環(huán)境效應(yīng)，分析不同土地利用類型與熱環(huán)境的相關(guān)關(guān)系并計算熱效應(yīng)貢獻度，以期為城市規(guī)劃提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)域為京津冀地區(qū)，位于東經(jīng)113°52′～119°49′，北緯36°15′～42°34′，地勢由西北向東南傾斜，西北高東南低。該地區(qū)屬溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，春季干旱少雨、夏季炎熱多雨。京津冀城市群以首都為中心，是中國七大城市群之一，包括北京市、天津市和河北省的邯鄲市、邢臺市、衡水市、石家莊市、保定市、滄州市、廊坊市、香河縣、秦皇島市、唐山市、張家口市和承德市，共14個城區(qū)(其中香河縣隸屬于河北省廊坊市)，總面積約2.1×105km2，占國土面積的2.26%，如圖1所示。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

京津冀城市群是中國北方經(jīng)濟規(guī)模最大的城市群，城市化發(fā)展迅速，城區(qū)總面積由1990年的2 010.82 km2增加到了2015年的4 339.68 km2[29-30]，地表熱環(huán)境問題日益突出。作為當(dāng)前中國三大發(fā)展戰(zhàn)略之一“京津冀協(xié)同發(fā)展”的核心區(qū)，京津冀城市群戰(zhàn)略意義重大，深入研究其地表熱環(huán)境的時空格局及其與土地利用的相互作用機理，對因地制宜地指導(dǎo)國土空間規(guī)劃、緩解城市熱環(huán)境問題具有重要意義。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1地表溫度數(shù)據(jù)

采用的地表溫度數(shù)據(jù)是由美國國家航空航天局NASA提供的MODIS地表溫度數(shù)據(jù)(MODIS Land Surface Temperature)，分析時段為2000—2015年。選用搭載在Terra衛(wèi)星上的地表溫度8天合成產(chǎn)品(MOD11A2)。

1.2.2土地利用/覆被數(shù)據(jù)

基于Landsat TM影像，采用最大似然分類方法，解譯得到2000年、2005年、2010年和2015年4期土地利用/覆被數(shù)據(jù)，包括林地、草地、濕地、耕地、建設(shè)用地和其他共6個地類，分類精度達到94.2%，滿足研究的基本要求，空間分辨率為30 m，不同年份的面積及比例如表1所示。

表1 2000—2015年京津冀城市群土地利用/覆被類型面積及比例Tab.1 Land use/cover type area and proportion of Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration from 2000 to 2015

1.3 研究方法

1.3.1年均地表溫度與分級

1) 全區(qū)及各地市年均地表溫度計算。為滿足本研究需要，需對地表溫度產(chǎn)品進行年度合成，基于每年46份(見表2)8天合成溫度的計算結(jié)果[31]，逐像元計算2000年、2005年、2010年、2015年每年的平均溫度值，并對各地市的年均地表溫度進行了分區(qū)統(tǒng)計。

2) 地表溫度分級。采用均值-標(biāo)準(zhǔn)差法，以地表溫度相對于平均溫度的偏離程度為依據(jù)進行溫度等級的劃分。首先對溫度進行歸一化處理，計算公式為：

(1)

式中：Ti為第i個像元歸一化后的溫度值；Ti0為第i個像元的原始溫度值；Tmax和Tmin分別為京津冀城市群地表溫度的最大值和最小值。

使用歸一化后的像元均值和標(biāo)準(zhǔn)差進行地表溫度等級的劃分，將京津冀城市群地表溫度劃分為特高溫區(qū)、高溫區(qū)、次高溫區(qū)、中溫區(qū)、次中溫區(qū)和低溫區(qū)6個等級[30]，具體劃分標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表2 數(shù)據(jù)編號與時間對應(yīng)表Tab.2 Data number and time corresponding table

表3 地表溫度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Standard for classification of surface temperature

和標(biāo)準(zhǔn)差。

1.3.2土地利用/覆被轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣反映了一定區(qū)域在一定時期內(nèi)不同土地利用類型的轉(zhuǎn)移方向和轉(zhuǎn)移數(shù)量[32]，通用形式為：

(2)

式中：n代表土地利用類型的數(shù)量；Sij代表由i地類轉(zhuǎn)化為j地類的面積(i,j=1,2,…,n)。

1.3.3土地利用/覆被熱效應(yīng)貢獻度

熱效應(yīng)貢獻度是指不同的土地利用/覆被類型對區(qū)域平均溫度的影響程度，即對區(qū)域溫度的貢獻度，用某種土地利用/覆被類型的面積比例與該地類的溫度距平值(該地類平均溫度和區(qū)域平均溫度的差值)的乘積來表示[32]。熱效應(yīng)貢獻度的正負分別代表升溫和降溫作用，絕對值的大小則代表升溫和降溫的強度。計算公式為：

(3)

式中：Hi代表i地類的熱效應(yīng)貢獻度；Si和Ti分別代表i地類的面積和平均溫度；S和T分別代表整個區(qū)域的總面積和平均溫度。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用/覆被時空格局分析

2.1.1土地利用/覆被時空變化特征

由圖2可知，在空間分布上，建設(shè)用地主要集中分布在各地市的中心城區(qū)，而且在北京市、天津市、唐山市和石家莊市分布最為集中,所占面積最大，在其他地市分布較為破碎，并未出現(xiàn)大范圍集中成片現(xiàn)象；耕地分布范圍最廣，所占研究區(qū)面積最大，大部分分布在華北平原，位于研究區(qū)中部和東南部，覆蓋了東部濱海發(fā)展區(qū)、中部核心功能區(qū)和南部功能擴展區(qū)；林地主要分布在燕山和太行山脈，位于西北部生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)；草地主要分布于張家口市西部以及環(huán)繞在林地周圍；濕地面積較小，主要分布于渤海灣沿岸、天津市海河沿岸、北部于橋水庫和南部北大港水庫、北京市東北部密云水庫和西北部官廳水庫以及保定市東部；其他用地類型面積極小，主要分布在張家口市西部和承德市西北部，包括稀疏林草地和裸地等。

對比4期土地利用/覆被分布圖發(fā)現(xiàn)，建設(shè)用地的擴張在全區(qū)范圍內(nèi)均較為明顯，且多數(shù)由耕地轉(zhuǎn)化而來，北京市和天津市的城區(qū)擴張尤為顯著，各地市建設(shè)用地主要在原有主城區(qū)的基礎(chǔ)上進行擴張，這在不同程度上形成了新的建設(shè)用地斑塊。

同時，為定量表征2000—2015年京津冀城市群各土地利用/覆被類型的變化特征及轉(zhuǎn)化方向，基于4期土地利用/覆被數(shù)據(jù)，構(gòu)建土地利用/覆被轉(zhuǎn)移矩陣(見表4)?？傮w來看，2000—2015年，京津冀城市群土地利用/覆被變化方式主要以耕地減少和建設(shè)用地擴張為主，且主要轉(zhuǎn)移方向為耕地→建設(shè)用地、耕地→林地、耕地→草地、耕地→濕地、草地→林地、草地→建設(shè)用地、林地→建設(shè)用地、濕地→建設(shè)用地。另外，林地、草地和濕地間均存在不同程度的相互轉(zhuǎn)化。

2.1.2各地市土地利用/覆被時空變化特征

為了進一步分析京津冀城市群中各地市的土地利用/覆被結(jié)構(gòu)及其變化特征，結(jié)合不同土地利用/覆被類型對地表熱環(huán)境的影響程度，將林地、草地、濕地和其他土地統(tǒng)一劃歸為綠地，將土地利用/覆被重新劃分為建設(shè)用地、綠地和耕地三大類，計算2000年各地市各土地利用/覆被類型所占面積(見圖3)。京津冀城市群中建設(shè)用地面積最大的是北京市，保定市次之；綠地面積最大的是承德市，張家口市次之；耕地面積最大的是張家口市，滄州市次之。天津市、唐山市、石家莊市、邯鄲市和邢臺市的土地利用/覆被結(jié)構(gòu)及各土地利用/覆被類型所占面積基本一致，均為耕地面積最大，綠地面積次之，建設(shè)用地面積最小。滄州市、衡水市和廊坊市土地利用/覆被結(jié)構(gòu)相似，均為耕地面積大于建設(shè)用地面積，綠地面積均較小。保定市綠地和耕地所占面積相近，且三類土地利用/覆被類型面積均較大。秦皇島市各土地利用/覆被類型面積均較小，市內(nèi)林地面積比例最大。

圖3 2000年各地市各土地利用/覆被類型所占面積柱形圖Fig.3 Bar chart of area occupied by land use/cover type in each city in 2000

2.2 熱環(huán)境時空格局分析

2.2.1熱環(huán)境時空分布特征

根據(jù)溫度分級結(jié)果，制作溫度等級分布圖(見圖4)，以定量描述京津冀地區(qū)地表溫度的時空變化特征。如圖4所示，低溫區(qū)主要分布在承德市全區(qū)和張家口市北部，隨著時間增長，承德市北部的低溫區(qū)破碎度降低，逐漸連接成片；次中溫區(qū)分布在低溫區(qū)周圍，且隨時間增長，面積逐漸增大，至2015年幾乎覆蓋了承德市南部、張家口市東北部和西北部地區(qū)；中溫區(qū)主要分布在北京市西南部和保定市西部，在張家口市、秦皇島市和唐山市也有零散分布，中溫區(qū)面積總體呈減少趨勢，2010—2015年，張家口市西北部的中溫區(qū)轉(zhuǎn)變成低溫區(qū)；次高溫區(qū)主要分布在唐山市、秦皇島市、香河縣、保定市中部和石家莊市東部，面積呈減少趨勢，至2015年保定市中部和石家莊市東部的次高溫區(qū)幾乎全部轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷貐^(qū)；高溫區(qū)主要分布在北京市東部、保定市東部和衡水市，高溫區(qū)域逐年向外擴張；特高溫區(qū)主要分布在廊坊市、滄州市、保定市、石家莊市、邢臺市和邯鄲市的中心城區(qū)，2005年和2010年廊坊市和滄州市的特高溫區(qū)面積較2000年有所減少，至2015年又有所增加。

圖4 2000—2015年京津冀城市群溫度等級分布圖Fig.4 Temperature grade distribution map of Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration from 2000 to 2015

綜上所述，京津冀城市群的溫度自北向南呈增加趨勢，且南部溫差有所降低，全區(qū)溫差有所升高；各溫度分區(qū)的破碎度均有所降低，以特高溫區(qū)為中心，溫度向四周遞減，溫度相近的區(qū)域呈集聚狀態(tài)[31,33]。

同時，統(tǒng)計不同溫度分區(qū)所占面積(見圖5)，定量分析2000—2015年不同溫度分區(qū)的面積變化。2000年各溫度分區(qū)的面積由大到小依次為：次中溫區(qū)、中溫區(qū)、特高溫區(qū)、次高溫區(qū)、低溫區(qū)、高溫區(qū)；2005年各溫度分區(qū)的面積由大到小依次為：次中溫區(qū)、特高溫區(qū)、中溫區(qū)、高溫區(qū)、低溫區(qū)、次高溫區(qū)；2010年各溫度分區(qū)的面積由大到小依次為：次中溫區(qū)、特高溫區(qū)、中溫區(qū)、低溫區(qū)、高溫區(qū)、次高溫區(qū)；2015年各溫度分區(qū)的面積由大到小依次為：次中溫區(qū)、特高溫區(qū)、高溫區(qū)、低溫區(qū)、中溫區(qū)、次高溫區(qū)。

在4個年份中，京津冀城市群的次中溫區(qū)面積均為最大，特高溫區(qū)和次中溫區(qū)面積在一定程度的波動下最終都有所增加，高溫區(qū)面積持續(xù)增加，次高溫區(qū)和中溫區(qū)面積在一定程度的波動下最終都有所減少，低溫區(qū)面積在多年的波動下最終無明顯變化。

總體而言，16年來溫度等級變化的總體趨勢為次高溫區(qū)和中溫區(qū)向特高溫區(qū)、高溫區(qū)和次中溫區(qū)轉(zhuǎn)化，說明2000—2015年京津冀城市群的地表溫度值分布明顯向高溫和低溫集中，中溫區(qū)域大幅減少，全區(qū)溫差在逐漸增大。

圖5 2000—2015年京津冀城市群不同溫度分區(qū)所占面積柱形圖Fig.5 Bar chart of area occupied by different temperature zones of Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration from 2000 to 2015

2.2.2各地市熱環(huán)境時空變化特征

為進一步分析2000—2015年各地市內(nèi)部的溫度變化情況，統(tǒng)計各地市不同溫度等級所占面積，制作柱形圖(見圖6)。

由圖6可知，京津冀全區(qū)的低溫區(qū)將近一半都分布在承德市，且在承德市的土地利用/覆被中占有較大比例，并逐年增加，2000年承德市分布有次高溫區(qū)、高溫區(qū)和特高溫區(qū)，至2015年，次高溫區(qū)面積由3 313 km2減少為225 km2，已不存在高溫區(qū)和特高溫區(qū)，說明承德市溫度呈下降趨勢；張家口市低溫區(qū)、次中溫區(qū)和中溫區(qū)面積較大，中溫區(qū)面積波動較大，低溫區(qū)和次中溫區(qū)面積有小幅增減；北京市各溫度分區(qū)面積比例相近，特高溫區(qū)和高溫區(qū)面積有所增加；保定市各溫度分區(qū)面積呈近似的正態(tài)分布，高溫區(qū)面積持續(xù)增加，特高溫區(qū)面積有小幅增加，次高溫區(qū)面積有所減少；秦皇島市中溫區(qū)和次中溫區(qū)面積有所減少，高溫區(qū)面積增加，并于2015年出現(xiàn)了特高溫區(qū)；邯鄲市和邢臺市主要以特高溫區(qū)和高溫區(qū)為主，其他溫度分區(qū)占比較小，至2010年特高溫區(qū)面積明顯增加，高溫區(qū)面積有所減小，至2015年兩者面積又呈相近狀態(tài)；滄州市主要以高溫區(qū)為主，特高溫區(qū)在2000年時面積較大，之后在不斷波動中有所縮減；香河縣的主要溫度分區(qū)由次高溫區(qū)轉(zhuǎn)變成了高溫區(qū)，其他溫度分區(qū)面積極小；廊坊市只分布有次高溫區(qū)及特高溫區(qū)，且次高溫區(qū)面積減少，特高溫區(qū)面積增加；石家莊市次高溫區(qū)面積持續(xù)減少，高溫區(qū)和特高溫區(qū)面積有所增加；衡水市主要以高溫區(qū)為主，其他溫度分區(qū)面積較小，且波動較??；天津市低溫區(qū)面積減少，高溫區(qū)面積增加；唐山市次高溫區(qū)面積比重最大，低溫區(qū)和中溫區(qū)面積減少，2010—2015年高溫區(qū)面積明顯增加。

圖6 2000—2015年各地市不同溫度分區(qū)所占面積柱形圖Fig.6 Bar chart of the area occupied by different temperature zones in different cities from 2000 to 2015

綜上所述，各地市溫度分區(qū)的面積變化特征差異較大，承德市明顯降溫，北京市、秦皇島市、天津市和石家莊市明顯升溫，其他各地市在波動中呈小幅的升、降溫，而全區(qū)平均溫度有所升高，這與全區(qū)建設(shè)用地明顯增加，不透水面面積增大有一定關(guān)系。由于研究區(qū)范圍較大，各地市對全區(qū)地表溫度的擾動較大，區(qū)域升溫與降溫在一定程度上相互抵消，導(dǎo)致研究區(qū)的溫度多年來沒有太大波動，整體的變化趨勢不太明顯。

2.3 土地利用/覆被變化的熱環(huán)境效應(yīng)分析

2.3.1土地利用熱環(huán)境貢獻度及年際差異分析

通過分析土地利用/覆被和地表溫度的時空分布特征，發(fā)現(xiàn)高溫區(qū)域主要分布在中心城區(qū)和建設(shè)用地密集區(qū)域，低溫區(qū)域主要分布在林地和草地區(qū)域。為進一步定量分析不同土地利用/覆被類型的升降溫作用，基于4期土地利用/覆被和溫度數(shù)據(jù)，計算了各土地利用/覆被類型的熱效應(yīng)貢獻度(見表5、表6)。

表5 2000年和2005年京津冀城市群各土地利用類型的熱效應(yīng)貢獻度Tab.5 Contribution of land use types to thermal effect in Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration in 2000 and 2005

表6 2010年和2015年京津冀城市群各土地利用類型的熱效應(yīng)貢獻度Tab.6 Contribution of land use types to thermal effect in Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration in 2010 and 2015

根據(jù)熱效應(yīng)貢獻度，建設(shè)用地和耕地具有升溫作用，林地、草地、濕地和其他土地利用/覆被類型具有降溫作用。

由表5和表6還可知，隨時間變化，林地、草地、耕地、建設(shè)用地的溫度距平值的絕對值越來越大，濕地的溫度距平值的絕對值越來越小，這可能與各土地利用/覆被類型的破碎度變化有關(guān)，由土地利用/覆被的時空變化特征可知，相同類型的土地利用/覆被在空間上呈集聚狀態(tài)，隨時間增長，部分土地利用/覆被類型在空間上進一步整合，形成了更大的斑塊，部分土地利用/覆被類型被分割成更小的斑塊，密集度減小，導(dǎo)致不同土地利用/覆被類型對熱環(huán)境的作用強度有所增加或減小。

由溫度距平值可知，耕地對熱環(huán)境的影響強度低于建設(shè)用地，但其貢獻度卻高于建設(shè)用地，這是由于全區(qū)內(nèi)耕地面積遠大于建設(shè)用地面積，說明土地利用/覆被對區(qū)域熱環(huán)境的影響程度由其面積和強度共同決定。京津冀地區(qū)由四個天然農(nóng)業(yè)區(qū)組成，其中耕地大多由一年一季的旱地組成，主要分布在北部山區(qū)和東部平原地區(qū)，而南部地區(qū)能達到一年兩季或三季[34]，故大部分時間耕地的下墊面狀態(tài)為裸露地表，因此會導(dǎo)致地面升溫更快。

除2015年其他土地利用/覆被類型的熱效應(yīng)貢獻度絕對值大于濕地，其他年份各土地利用/覆被類型的熱效應(yīng)貢獻度絕對值由大到小依次為：林地、耕地、建設(shè)用地、草地、濕地、其他，說明耕地對全區(qū)的升溫作用最強，而林地對全區(qū)的降溫作用最強。多年來，除濕地貢獻度降低外，其他土地利用/覆被類型的熱效應(yīng)貢獻度均有所增加，其中林地和建設(shè)用地的面積和影響強度均有所增加，耕地面積雖有所減少，但其作用強度逐年增大，所以總體的熱效應(yīng)貢獻度有所增加。

2.3.2土地利用與地表溫度的相關(guān)分析

根據(jù)各土地利用/覆被類型對熱環(huán)境的貢獻度，林地、草地、濕地和其他用地均有降溫作用，濕地貢獻度較小且面積變化較小，所以將林地、草地、濕地和其他用地統(tǒng)一劃歸為綠地，將土地利用/覆被重新劃分為建設(shè)用地、綠地和耕地三大類。選取各地市的土地利用/覆被面積比例和地表溫度數(shù)據(jù)，分別對地表溫度與建設(shè)用地、綠地和耕地的面積比例，地表溫度變化與建設(shè)用地、綠地和耕地面積比例的變化進行相關(guān)分析，并繪制各地市建設(shè)用地、綠地和耕地面積比例與地表溫度的散點圖及擬合曲線(見圖7)。

對各地市建設(shè)用地的面積比例與年均地表溫度進行相關(guān)分析，得出Pearson相關(guān)系數(shù)為0.564，且在0.01水平上呈顯著的正相關(guān)，結(jié)合二者的散點圖和擬合曲線可知，建設(shè)用地面積比例越大，地表溫度越高。對各地市綠地的面積比例與年均地表溫度進行相關(guān)分析，得出Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.795，且在0.01水平上呈顯著的負相關(guān)，結(jié)合二者的散點圖和擬合曲線可知，綠地面積比例越大，地表溫度越低。對各地市耕地的面積比例與年均地表溫度進行相關(guān)分析，得出Pearson相關(guān)系數(shù)為0.759，且在0.01水平上呈顯著的正相關(guān)，結(jié)合二者的散點圖和擬合曲線可知，耕地面積比例越大，地表溫度越高。

對各地市建設(shè)用地的面積比例變化與年均地表溫度變化進行相關(guān)分析，得出Pearson相關(guān)系數(shù)為0.448，且在0.01水平上呈顯著的正相關(guān)，即在一定程度上，建設(shè)用地面積變化量越大，溫度變化幅度就越大。而由二者的散點圖和擬合曲線可知，在建設(shè)用地面積比例增量低于1%時，年均地表溫度呈下降趨勢，且隨建設(shè)用地面積比例增量的增大，降溫幅度下降，部分原因在于當(dāng)建設(shè)用地面積比例增量小于1%時，其增溫作用低于其他土地利用/覆被類型的降溫作用，使得溫度整體有所下降。各地市耕地和綠地的面積比例變化與年均地表溫度變化沒有顯著的相關(guān)關(guān)系。

圖7 各地市土地利用與地表溫度變化散點圖Fig.7 Scatter plot of land use and land surface temperature change in different cities

2.3.3土地利用/覆被結(jié)構(gòu)及其變化對溫度的影響分析

制作各地市建設(shè)用地、綠地、耕地面積變化與地表溫度變化的空間分布圖(見圖8)，進一步探討各地市內(nèi)部土地利用/覆被結(jié)構(gòu)及其變化對地表溫度的影響。

如圖8所示，2000—2015年，研究區(qū)內(nèi)耕地轉(zhuǎn)出量大部分轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，對比地表溫度變化圖，地表溫度升高幅度最大的也正是這些區(qū)域，說明建設(shè)用地擴張是區(qū)域升溫的主導(dǎo)因素。其他土地利用/覆被相互轉(zhuǎn)化的斑塊面積及范圍較小，與地表溫度變化的關(guān)系不太明顯。土地利用/覆被類型基本不變的區(qū)域，其地表溫度也保持相對穩(wěn)定狀態(tài)。圖中沒有體現(xiàn)出林地、草地和濕地的相互轉(zhuǎn)化，因此難以進一步地解釋西北部的降溫現(xiàn)象。

綜上所述，各地市的溫度變化都在較大程度上取決于其建設(shè)用地和綠地的面積變化，建設(shè)用地的擴張使大部分地區(qū)的溫度有所上升，而綠地對城市的降溫作用非常明顯。

圖8 2000—2015年京津冀城市群地表溫度變化和土地利用/覆被變化空間分布圖Fig.8 Spatial distribution of land surface temperature change and land use/cover change in Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration from 2000 to 2015

3 結(jié) 論

本文旨在研究長時間序列下京津冀城市群土地利用和地表熱環(huán)境的時空分布與變化特征，以探討土地利用結(jié)構(gòu)及其變化對地表溫度變化的作用機理，可為緩解城市熱環(huán)境問題提供參考依據(jù)。基于上述研究目的，利用2000年、2005年、2010年和2015年4期土地利用數(shù)據(jù)以及MODIS地表溫度產(chǎn)品，分析了2000—2015年京津冀城市群土地利用/覆被的空間分布特征以及城市群地表熱環(huán)境的空間分布狀況；計算了不同土地利用/覆被類型的熱效應(yīng)貢獻度指數(shù)，并在分析了建設(shè)用地、綠地和耕地與地表溫度的相關(guān)關(guān)系的基礎(chǔ)上，進一步對各地市的土地利用/覆被和溫度變化特征進行了解釋。

1) 土地利用/覆被的時空變化特征：①城市群土地利用/覆被類型以耕地和林地為主，其次是草地和建設(shè)用地，濕地和其他類型面積較?。黄渲懈卮蟛糠址植荚谌A北平原，林地主要分布在燕山和太行山脈，草地分布在林地周圍，大部分建設(shè)用地集中在各地市的中心城區(qū)；②2000—2015年京津冀城市群土地利用/覆被的變化方式以各土地利用類型向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化為主，其中來自耕地的轉(zhuǎn)出量最大，占新增建設(shè)用地面積的83.50%。

2) 地表熱環(huán)境的時空變化特征：①京津冀城市群西北部溫度較低，東南部溫度較高；以特高溫區(qū)為中心，溫度向四周遞減，溫度相近的區(qū)域呈集聚狀態(tài)；②2000—2015年，各溫度等級區(qū)域的破碎度均有所降低。

3) 土地利用/覆被變化的熱環(huán)境效應(yīng)：①對比土地利用和地表溫度空間分布圖，發(fā)現(xiàn)高溫區(qū)域主要分布在建設(shè)用地密集區(qū)域，低溫區(qū)域主要分布在林地和草地區(qū)域；②根據(jù)土地利用的熱效應(yīng)貢獻度，建設(shè)用地和耕地具有升溫作用，林地、草地、濕地和其他類型土地具有降溫作用，且影響強度由大到小依次為：林地、耕地、建設(shè)用地、草地、濕地、其他；多年來，除濕地貢獻度(絕對值)降低外，其他土地利用/覆被類型的熱效應(yīng)貢獻度(絕對值)均有所增加；③建設(shè)用地的擴張是城市群溫度上升的主要原因之一，而林地、草地和濕地具有明顯的降溫作用，因此在城市發(fā)展過程中，應(yīng)合理規(guī)劃建設(shè)用地，加大綠化力度，從而有效緩解城市熱環(huán)境問題。

本研究雖討論了土地利用對地表熱環(huán)境的作用機理，但因研究區(qū)范圍較大，緯度跨度較大，各地市的溫度差異也相對較大，其對全區(qū)的溫度變化具有很強的擾動性，未來可以在更小的空間尺度上，結(jié)合多個影響因子進行更深入的綜合熱環(huán)境效應(yīng)研究。