重慶市主城都市區(qū)熱島效應(yīng)定量評(píng)估

張德軍 楊世琦* 祝 好 葉勤玉 何澤能 饒智杰

1）（重慶市氣象科學(xué)研究所，重慶 401147）

2）（重慶市農(nóng)業(yè)氣象與衛(wèi)星遙感工程技術(shù)研究中心，重慶 401147）

3）（四川省南充市儀隴縣氣象局，南充 637000）

引 言

地表城市熱島是指由城市內(nèi)大量的人工發(fā)熱、建筑物和道路等高蓄熱體及綠化減少等因素導(dǎo)致的城市高溫化，即城市中心地表溫度高于周?chē)紖^(qū)溫度的現(xiàn)象［1-3］。由于熱島中心區(qū)域地表溫度高，與周?chē)紖^(qū)形成氣壓差，郊區(qū)近地面大氣向熱島中心區(qū)輻合，在城市中心形成低壓漩渦，導(dǎo)致人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的大氣污染物質(zhì)在熱島中心區(qū)域聚集，對(duì)人類(lèi)身體健康和生命安全構(gòu)成潛在威脅［4-6］。及時(shí)準(zhǔn)確掌握城市熱島效應(yīng)的時(shí)空變化特征，對(duì)緩解城市熱島效應(yīng)以及解決與之相關(guān)的環(huán)境污染、能源消耗、公共健康等問(wèn)題具有重要意義［7-10］。

遙感技術(shù)具有宏觀(guān)、快速、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)［11］，能彌補(bǔ)氣象站點(diǎn)空間分布的不足［12-13］，是實(shí)現(xiàn)區(qū)域或全球尺度城市熱島效應(yīng)監(jiān)測(cè)的唯一方法［8，14-15］。為了定量評(píng)估地表城市熱島的時(shí)空分布特征，人們基于遙感技術(shù)提出了諸多可行算法［16-18］。其中，城鄉(xiāng)二分法是目前應(yīng)用最為廣泛的方法之一［19］，但如何劃分郊區(qū)背景是利用城鄉(xiāng)二分法估算地表城市熱島的難點(diǎn)［20］。常用的郊區(qū)背景劃分方法有緩沖區(qū)法和規(guī)模法兩種［1，10］：緩沖區(qū)法是以城市建成區(qū)外1～50 km 的緩沖區(qū)范圍作為郊區(qū)背景［21-22］，規(guī)模法是在確定城市建成區(qū)后，以城區(qū)外1.5倍或2倍建成區(qū)面積作為郊區(qū)背景［23-24］。Li等［1］認(rèn)為簡(jiǎn)單地將城市外固定緩沖區(qū)或固定面積區(qū)域作為郊區(qū)背景，會(huì)導(dǎo)致城市熱島強(qiáng)度監(jiān)測(cè)出現(xiàn)誤差。Lai等［25］認(rèn)為使用相同的緩沖區(qū)評(píng)估不同地理和社會(huì)經(jīng)濟(jì)特征的城市熱島效應(yīng)不合理，尤其是下墊面較為復(fù)雜的山地城市，復(fù)雜的地形環(huán)境使城區(qū)和郊區(qū)海拔差異較大，城區(qū)和郊區(qū)溫差隨海拔差異的增大而增加，簡(jiǎn)單地采用城市外固定區(qū)域作為郊區(qū)背景將加大二者溫差，造成山地城市熱島效應(yīng)評(píng)估誤差，因而簡(jiǎn)單地利用緩沖區(qū)法和規(guī)模法估算山地城市熱島效應(yīng)不合理。

除緩沖區(qū)法和規(guī)模法外，劉勇洪等［19］提出一種在農(nóng)田基礎(chǔ)上，結(jié)合地形、土地利用、植被覆蓋和城市夜間燈光數(shù)據(jù)確定郊區(qū)背景的城市熱島強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)方法，分析與評(píng)估京津冀城市群11個(gè)平原城市熱島時(shí)空變化。鄧玉嬌等［26］選擇以大面積覆蓋，且與城市中心海拔相差較小的開(kāi)闊農(nóng)田作為郊區(qū)背景，定量分析粵港澳大灣區(qū)城市群城市熱島的時(shí)空分布特征，并采用多元線(xiàn)性回歸，綜合分析城市熱島的驅(qū)動(dòng)因素。以上研究結(jié)果表明：地形、土地利用、植被覆蓋和城市夜間燈光指數(shù)等在滿(mǎn)足一定條件時(shí)，以農(nóng)田或林地信息為郊區(qū)背景反演城市熱島強(qiáng)度是一種可行方法［27-28］。但不同于以上研究區(qū)，山地城市地表覆蓋類(lèi)型主要以植被與作物鑲嵌類(lèi)型和林地類(lèi)型為主，農(nóng)作物種植區(qū)域零散分布，不存在大范圍連片種植區(qū)，且林地多集中在與城區(qū)海拔差異較大的區(qū)域，因而在中等分辨率尺度下（空間分辨率為1000 m），單一采用農(nóng)田或林地信息作為郊區(qū)背景估算山地城市地表城市熱島不準(zhǔn)確。為解決山地城市熱島效應(yīng)監(jiān)測(cè)過(guò)程的郊區(qū)背景劃分問(wèn)題，本文結(jié)合城市夜間燈光數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)及地表分類(lèi)數(shù)據(jù)，提出一種針對(duì)山地城市郊區(qū)背景劃分的方法，并采用城鄉(xiāng)二分法定量評(píng)估2001—2020年重慶市主城都市區(qū)城市熱島時(shí)空變化，分析社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子對(duì)城市熱島強(qiáng)度的影響。

本文插圖中所涉及的行政區(qū)域界線(xiàn)基于審圖號(hào)為GS（2019）3333號(hào)標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無(wú)修改。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

重慶市別稱(chēng)山城，地處我國(guó)內(nèi)陸西南部，位于長(zhǎng)江上游，總面積為8.24×104km2，東西相距470 km，南北相距450 km，東依湖南、湖北，西接四川，北靠陜西，南抵貴州［29］。轄區(qū)主要分布在長(zhǎng)江沿線(xiàn)，是我國(guó)西南地區(qū)主要的經(jīng)濟(jì)文化中心。重慶市地形起伏較大，轄區(qū)內(nèi)海拔高度為16～2721 m，平均海拔高度為400 m，中部和西北部主要以丘陵和低山為主，北部和東南部主要為構(gòu)成四川盆地邊緣山地的群山，東有巫山，南有大婁山，東南方向有武陵山，北部有大巴山，地勢(shì)呈現(xiàn)一山一嶺、一山一槽二嶺的形貌［30］。2020年5月9日重慶市主城區(qū)由原9區(qū)擴(kuò)容至21區(qū)，擴(kuò)容后的主城區(qū)被稱(chēng)為主城都市區(qū)，原主城區(qū)被稱(chēng)為中心城區(qū)。主城都市區(qū)（圖1）主要集中在重慶市西部，海拔高度為131～2184 m，平均海拔高度為478 m。不同于平原大城市，重慶市主城區(qū)地表覆蓋類(lèi)型主要以混交林、城市和建筑區(qū)、草地以及作物和自然植被鑲嵌類(lèi)等地物為主，其面積占比分別為7.8%，4.6%，35.6%和48.8%。

圖1 重慶市主城都市區(qū)數(shù)字高程和地表分類(lèi)Fig.1 Digital elevation and land-cover of the metropolitan circle of Chongqing

1.2 數(shù) 據(jù)

1.2.1 地表溫度

本文選用MODIS 地表溫度產(chǎn)品數(shù)據(jù)（MOD-11A1 V006）定量評(píng)估重慶市主城都市區(qū)熱島效應(yīng)時(shí)空分布特征。MOD11A1 V006是Wan［31］結(jié)合廣義分裂窗算法［32］和晝夜算法［33］反演的第6代MODIS LST 產(chǎn)品數(shù)據(jù)，其空間分辨率為1 km，時(shí)間分辨率為1 d。Wan［34］和Duan等［35］研究表明：在均質(zhì)場(chǎng)地處MODIS LST 的誤差小于1 K。由于精度高且易獲取，MODIS LST 被廣泛應(yīng)用在城市熱島、地表土壤水分變化等研究領(lǐng)域。主城都市區(qū)城市熱島季節(jié)和年產(chǎn)品數(shù)據(jù)為L(zhǎng)ST 日產(chǎn)品數(shù)據(jù)采用平均值合成法得到，其中冬季為前一年12月—2月、春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，年度為1—12月。

1.2.2 地表覆蓋類(lèi)型

MCD12Q1是MODIS三級(jí)土地覆蓋類(lèi)型產(chǎn)品數(shù)據(jù)［36-37］。根據(jù)國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃的描述，MCD12Q1包含17個(gè)主要土地覆蓋類(lèi)型和1 個(gè)未分類(lèi)，其中17個(gè)主要土地覆蓋類(lèi)型包含11個(gè)自然植被類(lèi)型、3個(gè)土地開(kāi)發(fā)和鑲嵌的地類(lèi)和3個(gè)非草木土地類(lèi)型定義類(lèi)［38-39］。由于數(shù)據(jù)空間分辨率為500 m，為匹配MODIS11A1數(shù)據(jù)的空間分辨率，本文采用MODIS二次投影工具（MODIS reprojection tool，MRT），對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、投影轉(zhuǎn)換、重采樣等處理，生成2001—2020年重慶市地表覆蓋類(lèi)型數(shù)據(jù)集。

1.2.3 夜間燈光數(shù)據(jù)

夜間燈光數(shù)據(jù)灰度值多用于提取城市建成區(qū)和反映人類(lèi)活動(dòng)的影響范圍［40］。當(dāng)前常用的夜間燈光數(shù)據(jù)主要來(lái)自DMSP（Defense Meteorological Satellite Program）和Suomi NPP 衛(wèi) 星［41-42］。DMSP 衛(wèi) 星上搭載的Operational Linescan System（OLS）傳感器可生產(chǎn)1000 m 分辨率的夜間燈光數(shù)據(jù)產(chǎn)品。Suomi NPP衛(wèi)星上搭載的可見(jiàn)光／紅外輻射成像儀（visible infrared imaging radiometer suit，VIIRS）能夠獲取新的夜間燈光遙感影像，空間分辨率提高至750 m，生產(chǎn)的夜間燈光數(shù)據(jù)產(chǎn)品空間分辨率為500 m。本文利用DMSP／OLS 數(shù)據(jù)（2001—2013 年）和Suomi NPP／VIIRS數(shù)據(jù)（2014—2020年）劃分城市建成區(qū)和幾乎不受人類(lèi)活動(dòng)影響的郊區(qū)背景區(qū)域。

1.2.4 社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子

本文收集2001—2020年重慶市總?cè)丝跀?shù)、城鎮(zhèn)人口數(shù)、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值、能源消耗總量、車(chē)輛保有量和建成區(qū)面積等經(jīng)濟(jì)因子數(shù)據(jù)，用于定量評(píng)估重慶市主城都市區(qū)城鎮(zhèn)化進(jìn)程對(duì)城市熱島強(qiáng)度的影響。社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子數(shù)據(jù)來(lái)源于重慶市統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的歷年統(tǒng)計(jì)年鑒。

2 研究方法

不同于平原地區(qū)，重慶市主城都市區(qū)地形起伏較大，下墊面覆蓋類(lèi)型相對(duì)復(fù)雜，在1 km 尺度下作物與自然植被鑲嵌分布，基于傳統(tǒng)緩沖區(qū)法和規(guī)模法劃分的郊區(qū)參考背景無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估主城都市區(qū)城市熱島效應(yīng)的時(shí)空分布特征。為解決山地城市熱島效應(yīng)監(jiān)測(cè)過(guò)程中郊區(qū)背景難以劃分的問(wèn)題，本文結(jié)合夜間燈光指數(shù)、地表覆蓋類(lèi)型及高程等數(shù)據(jù)，提出一種適用于山地城市郊區(qū)背景劃分的方法，并利用劃分的郊區(qū)背景和城區(qū)范圍，采用城鄉(xiāng)二分法定量評(píng)估主城都市區(qū)地表城市熱島時(shí)空分布特征，具體步驟：①利用MODIS 土地覆蓋類(lèi)型數(shù)據(jù)（MCD-12Q1），采用傳統(tǒng)緩沖區(qū)算法提取主城區(qū)外5～25 km 范圍的緩沖區(qū)；②篩選出緩沖區(qū)內(nèi)與城區(qū)平均海拔高差小于50 m 的像元；③選擇夜間燈光值小于15的像元用于確定不受人類(lèi)活動(dòng)影響的區(qū)域，即為一般不存在熱島影響的郊區(qū)背景區(qū)域。

地表城市熱島表征城市地表溫度與郊區(qū)地表溫度的差異。本文采用葉彩華等［43］提出的熱島強(qiáng)度指數(shù)及等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)定量評(píng)估重慶市主城區(qū)城市熱島的時(shí)空變化規(guī)律。城市化進(jìn)程以及郊區(qū)城鎮(zhèn)化會(huì)影響城市熱島效應(yīng)的強(qiáng)度，本文通過(guò)分析各社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子與城市熱島強(qiáng)度間的相關(guān)性定量評(píng)估城市化對(duì)地表城市熱島的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 郊區(qū)背景劃分對(duì)比

圖2為基于傳統(tǒng)緩沖區(qū)法和本文提出的綜合緩沖區(qū)法在5～25 km 尺度下提取的重慶市主城都市區(qū)郊區(qū)背景空間分布。由圖2可知，不同緩沖區(qū)尺度下，傳統(tǒng)緩沖區(qū)法和綜合緩沖區(qū)法提取的郊區(qū)背景區(qū)域存在明顯差異，主要集中在主城都市區(qū)的東部、西部部分區(qū)域及中心城區(qū)山脈處。郊區(qū)背景存在差異的區(qū)域與城郊高程差大于50 m 的區(qū)域重合，說(shuō)明兩算法提取的郊區(qū)背景差異主要源自是城區(qū)、郊區(qū)高程差的限制。傳統(tǒng)緩沖區(qū)法僅以城區(qū)外固定范圍的緩沖區(qū)作為郊區(qū)背景，該方法適用于城區(qū)與郊區(qū)海拔高差較小的平原地區(qū)。對(duì)于地形復(fù)雜的山地城市，城區(qū)與郊區(qū)海拔差異較大，且城區(qū)外固定范圍內(nèi)地表覆蓋類(lèi)型復(fù)雜，采用傳統(tǒng)緩沖區(qū)算法提取的郊區(qū)背景中包含大量高海拔林地像元，較大的海拔差會(huì)對(duì)城區(qū)、郊區(qū)的溫差造成一定影響，從而影響城市熱島效應(yīng)的監(jiān)測(cè)精度。本文提出的綜合緩沖區(qū)法考慮了城區(qū)與郊區(qū)的高程差以及零星分布的城鎮(zhèn)對(duì)城市熱島監(jiān)測(cè)的影響，剔除了傳統(tǒng)緩沖區(qū)范圍內(nèi)與城區(qū)平均海拔高程差大于50 m 的區(qū)域，以降低海拔高程差對(duì)城市熱島監(jiān)測(cè)精度的影響。

圖2 傳統(tǒng)緩沖區(qū)法和綜合緩沖區(qū)法在5～25 km 尺度下提取的主城都市區(qū)郊區(qū)背景空間分布Fig.2 Rural reference map of the metropolitan circle of Chongqing extracted at the scale from 5 km to 25 km based on traditional buffer algorithm and comprehensive buffer algorithm

圖3為2001—2020年基于傳統(tǒng)緩沖區(qū)法和綜合緩沖區(qū)法在25 km 緩沖區(qū)尺度下提取的主城都市區(qū)郊區(qū)背景面積，城區(qū)面積和夜間燈光指數(shù)大于15的區(qū)域面積隨時(shí)間的變化結(jié)果。由于傳統(tǒng)緩沖區(qū)法以固定緩沖區(qū)范圍作為郊區(qū)背景，在25 km 緩沖區(qū)尺度下，傳統(tǒng)緩沖區(qū)法提取的郊區(qū)背景面積只隨著城區(qū)面積的增加而減少，且郊區(qū)背景面積年際變化相對(duì)較小。綜合緩沖區(qū)法剔除了傳統(tǒng)緩沖區(qū)范圍內(nèi)夜間燈光指數(shù)大于15的像元，在25 km 尺度下提取的郊區(qū)背景面積隨城區(qū)外夜間燈光指數(shù)大于15的區(qū)域面積的增加而減少，說(shuō)明在忽略海拔高度對(duì)郊區(qū)背景面積變化的影響下，綜合緩沖區(qū)法提取郊區(qū)背景的另一個(gè)影響因素為衛(wèi)星城鎮(zhèn)分布。城區(qū)外夜間燈光指數(shù)大于15 的區(qū)域面積增大，表明2001—2020年重慶市主城都市區(qū)郊區(qū)衛(wèi)星城鎮(zhèn)迅速擴(kuò)張，但這部分像元在地表覆蓋類(lèi)型產(chǎn)品上未被標(biāo)識(shí)為城鎮(zhèn)和居民用地，這勢(shì)必對(duì)城市熱島監(jiān)測(cè)精度造成一定誤差，因此剔除郊區(qū)范圍內(nèi)夜間燈光指數(shù)大于15的像元可降低衛(wèi)星城鎮(zhèn)對(duì)城市熱島監(jiān)測(cè)精度的影響。

圖3 2001—2020年傳統(tǒng)緩沖區(qū)法和綜合緩沖區(qū)法在25 km 尺度下提取的重慶市主城都市區(qū)郊區(qū)背景面積、城區(qū)面積和夜間燈光指數(shù)大于15的區(qū)域面積Fig.3 Rural reference areas of the metropolitan circle of Chongqing extracted at 25 km scale by traditional buffer algorithm and comprehensive buffer algorithm，city area and area of nighttime light great than 15 from 2001 to 2020

3.2 地表城市熱島監(jiān)測(cè)及評(píng)估

3.2.1 地表城市熱島監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

基于傳統(tǒng)緩沖區(qū)法和綜合緩沖區(qū)法提取的郊區(qū)背景估算的主城都市區(qū)地表城市熱島空間分布差異如圖4所示。由圖4可知，兩種方法計(jì)算的較強(qiáng)熱島和強(qiáng)熱島區(qū)空間分布較為一致，均主要分布在渝北區(qū)西南部、渝中區(qū)、江北區(qū)西部、沙坪壩東部以及九龍坡區(qū)東北部等區(qū)域，這與重慶市主城都市區(qū)城市和建筑區(qū)主要集中群位置一致（圖1）。但傳統(tǒng)緩沖區(qū)法估算的弱熱島區(qū)域面積明顯大于綜合緩沖區(qū)法的估算結(jié)果。傳統(tǒng)緩沖區(qū)法估算結(jié)果除大足區(qū)、榮昌區(qū)、潼南區(qū)以及武陵山區(qū)外，其余區(qū)縣均受大范圍的弱熱島影響。綜合緩沖區(qū)法估算結(jié)果的弱熱島區(qū)域主要分布在較強(qiáng)熱島和強(qiáng)熱島附近區(qū)域以及江津區(qū)北部。結(jié)果存在明顯差異的原因是傳統(tǒng)緩沖區(qū)法提取的郊區(qū)背景包含了大量的高海拔林地像元，降低了郊區(qū)背景平均溫度，從而加大了城區(qū)和郊區(qū)溫度差，使一些非城鎮(zhèn)區(qū)域出現(xiàn)了假熱島現(xiàn)象。

圖4 傳統(tǒng)緩沖區(qū)法和綜合緩沖區(qū)法提取郊區(qū)背景估算的重慶市主城都市區(qū)城市熱島空間分布Fig.4 Spatial distribution of the surface urban heat island in the metropolitan circle of Chongqing estimated by traditional buffer algorithm and comprehensive buffer algorithm

3.2.2 緩沖區(qū)尺度對(duì)地表城市熱島的影響

圖5為2020 年夏季郊區(qū)尺度從5 km 增加到25 km 重慶市主城都市區(qū)城市熱島的空間變化。由圖5可以看到，重慶市主城都市區(qū)熱島等級(jí)隨著緩沖區(qū)尺度的增大而增大，熱島等級(jí)升高的區(qū)域面積為2302 km2，占總面積的8.02%。圖6為不同緩沖區(qū)尺度主城都市區(qū)城市熱島等級(jí)面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由圖6可知，隨著緩沖區(qū)尺度的增大，較強(qiáng)熱島和強(qiáng)熱島面積逐漸增加，但強(qiáng)冷島和較強(qiáng)冷島的面積逐漸減小，變化幅度隨緩沖區(qū)尺度的增加而減小。這是由于緩沖區(qū)尺度過(guò)小時(shí)，算法提取的郊區(qū)背景像元主要集中在城區(qū)像元附近，此時(shí)城區(qū)和郊區(qū)像元間溫差較小，隨著緩沖區(qū)尺度逐漸增大，郊區(qū)背景范圍覆蓋區(qū)域逐漸遠(yuǎn)離城區(qū)，此時(shí)城區(qū)和郊區(qū)溫差擴(kuò)大。

圖5 2020年夏季郊區(qū)尺度從5 km 增加到25 km 重慶市主城都市區(qū)城市熱島空間變化Fig.5 Areas variation of the surface urban heat island in the metropolitan circle of Chongqing with buffer zone scale increasing from 5 km to 25 km in summer of 2020

圖6 2020年夏季不同郊區(qū)緩沖區(qū)尺度下重慶市主城都市區(qū)城市熱島等級(jí)面積Fig.6 Areas of different surface urban heat island level in the metropolitan circle of Chongqing at different buffer zone scales in summer of 2020

3.2.3 主城都市區(qū)地表城市熱島時(shí)空分布特征

地表城市熱島表征城市地表下墊面對(duì)城郊溫差的影響。在分析熱島效應(yīng)年際變化前，本文首先分析2001，2008，2013年和2020年重慶市主城都市區(qū)城區(qū)面積變化。2001年重慶市主城都市區(qū)城市面積為718 km2，面積占比為2.5%；2008年城區(qū)面積擴(kuò)大為1046 km2，面積占比為3.6%，擴(kuò)大區(qū)域主要集中在中心城區(qū)的西部以及各區(qū)縣駐地附近；2013年主城都市區(qū)城區(qū)面積進(jìn)一步擴(kuò)大至1139 km2，面積占比為4.0%；2020 年主城都市區(qū)城區(qū)面積為1386 km2，面積占比為4.8%。2001年至2020年重慶市主城都市區(qū)城區(qū)面積擴(kuò)大了668 km2，城區(qū)面積增速為33.4 km2·a-1。

圖7為2001，2008，2013年和2020年基于綜合緩沖區(qū)法估算的重慶市主城都市區(qū)城市熱島年平均空間分布。主城都市區(qū)城市熱島效應(yīng)與城市建成區(qū)空間分布較為一致，且熱島區(qū)面積隨城市建成區(qū)面積擴(kuò)大而增加。2001年主城都市熱島區(qū)面積較小，較強(qiáng)熱島等級(jí)以上區(qū)域主要集中在渝北區(qū)、渝中區(qū)和九龍坡區(qū)駐地所在區(qū)域，區(qū)域面積占比為0.5%，弱熱島影響區(qū)域面積占比為12.91%，無(wú)熱島及冷島區(qū)域面積占比為86.59%。2008年城市化進(jìn)程加快以及城鎮(zhèn)人口增加，受較強(qiáng)熱島以上等級(jí)區(qū)域面積占比增加為1.0%，弱熱島影響區(qū)域面積占比增長(zhǎng)為10.44%，無(wú)熱島及冷島區(qū)域面積占比為88.56%。與2008年相比，2013年較強(qiáng)熱島以上等級(jí)區(qū)域面積明顯增大，長(zhǎng)壽、涪陵、南岸等區(qū)（縣）出現(xiàn)較強(qiáng)熱島現(xiàn)象，面積占比增加為3.26%，弱熱島區(qū)域面積占比增加為17.47%，無(wú)熱島及冷島區(qū)域面積占比則減少為79.27%。2020年隨著地表覆蓋類(lèi)型的改變，受熱島效應(yīng)影響區(qū)域面積繼續(xù)擴(kuò)大，主城都市區(qū)各區(qū)、縣政府駐地附近均出現(xiàn)了熱島效應(yīng)，受較強(qiáng)熱島以上等級(jí)影響區(qū)域面積占比達(dá)到3.73%，弱熱島影響區(qū)域面積占比為19.33%，無(wú)熱島及受冷島影響區(qū)域面積占比為76.94%。圖8 為2001—2020 年主城都市區(qū)熱島面積占比隨時(shí)間的變化。由圖8可知，主城都市區(qū)較強(qiáng)熱島和強(qiáng)熱島面積均隨時(shí)間的增長(zhǎng)呈波動(dòng)上升的趨勢(shì)，較強(qiáng)熱島面積占比從2001年的0.5%增長(zhǎng)為2020年的2.95%，年增速為0.12%；強(qiáng)熱島面積占比從2001年的0.21%增長(zhǎng)為2020年的0.78%，年增速為0.03%。以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：2001—2020年主城都市區(qū)熱島區(qū)域主要分布在中心城區(qū)及各區(qū)（縣）政府駐地區(qū)域，熱島影響范圍隨著時(shí)間的推移逐漸擴(kuò)大，且熱島影響等級(jí)也逐漸增大。

圖8 2001—2020年重慶市主城都市區(qū)較強(qiáng)熱島和強(qiáng)熱島面積隨時(shí)間變化Fig.8 Area changes of surface urban heat island in the metropolitan areas of Chongqing from 2001 to 2020

圖9為2020年重慶市主城都市區(qū)城市熱島的季節(jié)分布。由圖9可知，重慶市主城都市區(qū)熱島強(qiáng)度空間分布存在明顯季節(jié)差異。春季主城都市區(qū)主要受弱熱島和弱冷島影響，弱熱島分布在中心城區(qū)、潼南和合川等區(qū)（縣），面積占比為10.56%；弱冷島分布在主城都市區(qū)的東部和中心城區(qū)內(nèi)各山脈處，面積占比為30.80%。夏季隨著氣溫的不斷升高，城區(qū)不透水面地表溫度升溫明顯大于郊區(qū)茂密植被和林地區(qū)域，使主城都市區(qū)城郊溫差增大，城市熱島效應(yīng)明顯增強(qiáng)，受較強(qiáng)熱島和強(qiáng)熱島影響區(qū)域明顯增大。較強(qiáng)熱島和強(qiáng)熱島區(qū)域集中在中心城區(qū)及各區(qū)（縣）駐地處，兩者面積占比升高至7.31%。此外受城市增溫輻射影響，部分城、郊結(jié)合區(qū)域受弱熱島影響，影響面積占比為13.13%。秋季主城都市區(qū)主要受弱熱島影響，部分區(qū)域出現(xiàn)較強(qiáng)熱島，弱熱島和較強(qiáng)熱島影響區(qū)域面積占比分別為14.88%和4.53%。秋季高海拔地區(qū)降溫明顯，低海拔地區(qū)降溫緩慢，導(dǎo)致主城都市區(qū)東部出現(xiàn)冷島效應(yīng)，受弱冷島、較強(qiáng)冷島和強(qiáng)冷島影響區(qū)域面積占比分別為32.02%，10.28%和4.24%。冬季主城都市區(qū)超過(guò)一半的區(qū)域不受熱島效應(yīng)影響，中心城區(qū)存在小范圍的弱熱島影響區(qū)域，其面積占比為11.10%，東部地區(qū)則出現(xiàn)弱冷島和較強(qiáng)冷島區(qū)域，區(qū)域面積占比分別為29.30%和6.31%。綜上所述，重慶市主城都市區(qū)城市熱島效應(yīng)主要呈夏季最強(qiáng)、冬季最弱的趨勢(shì)，這與遙感監(jiān)測(cè)城市熱島效應(yīng)結(jié)果一致［44-46］。

圖9 2020年重慶市主城都市區(qū)城市熱島季節(jié)分布Fig.9 Seasonal spatial distribution of surface urban heat island in metropolitan circle of Chongqing in 2020

3.3 城市化進(jìn)程對(duì)地表城市熱島的影響

經(jīng)濟(jì)規(guī)模、能源消耗、機(jī)動(dòng)車(chē)保有量、建成區(qū)面積等是表征城市化進(jìn)程的直接指標(biāo)因子，根據(jù)各社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子與城市熱島面積之間的關(guān)系，可為控制山地大城市發(fā)展方向和規(guī)模，避免城市熱島提供的數(shù)據(jù)依據(jù)。本文利用2001—2020年重慶市統(tǒng)計(jì)年鑒中的總?cè)丝跀?shù)、城鎮(zhèn)人口數(shù)、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值、能源消耗總量、城市建成區(qū)面積及民用車(chē)輛擁有量6個(gè)因子與各年較強(qiáng)熱島等級(jí)以上面積進(jìn)行線(xiàn)性擬合（圖10）。由圖10可見(jiàn)，2001—2020年重慶市總?cè)丝跀?shù)、城鎮(zhèn)人口數(shù)、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值、能源消耗總量、城市建成區(qū)面積及民用車(chē)輛擁有量均與熱島面積間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.91，0.94，0.95，0.94，0.90 和0.96（均 達(dá)到0.01 顯著性水平）。表明在城市發(fā)展過(guò)程中，總?cè)丝跀?shù)、城鎮(zhèn)人口數(shù)、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值、能源消耗總量、城市建成區(qū)面積及民用車(chē)輛擁有量的變化對(duì)重慶市主城都市區(qū)熱島強(qiáng)度的變化均有重要影響。

圖10 2001—2020年重慶市主城都市區(qū)各經(jīng)濟(jì)因子與較強(qiáng)熱島以上面積散點(diǎn)圖Fig.10 Scatter plots of the economic factors and the areas of surface urban heat island in the metropolitan circle of Chongqing from 2001 to 2020

4 結(jié)論與討論

為及時(shí)準(zhǔn)確評(píng)估山地城市熱島效應(yīng)的時(shí)空分布特征，本文提出一種針對(duì)山地大城市郊區(qū)背景劃分的方法，對(duì)2001—2020年重慶市主城都市區(qū)城市熱島時(shí)空變化特征進(jìn)行分析和評(píng)估，得到以下主要結(jié)論：

1）綜合緩沖區(qū)法剔除了與城區(qū)海拔高度差較大的像元和夜間燈光值大于15的像元，估算的地表城市熱島空間分布優(yōu)于傳統(tǒng)緩沖區(qū)法估算結(jié)果。

2）重慶市主城都市區(qū)較強(qiáng)熱島以上等級(jí)區(qū)域主要集中在中心城區(qū)、長(zhǎng)壽區(qū)、涪陵區(qū)以及各區(qū)縣駐地附近區(qū)域，較強(qiáng)冷島和強(qiáng)冷島區(qū)域集中在東南部的高海拔地區(qū)以及中心城區(qū)部分山脈處。

3）2001—2020年重慶市主城都市區(qū)地表城市熱島面積隨時(shí)間增長(zhǎng)呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，其中較強(qiáng)熱島面積占比從2001 年的0.5%增長(zhǎng)為2020 年的2.95%，平均年增速為0.12%；強(qiáng)熱島面積占比從2001年的0.21%增長(zhǎng)為2020年的0.78%，平均年增速為0.03%。此外，地表城市熱島具有明顯的季節(jié)特性，夏季最強(qiáng)、冬季最弱。

4）2001—2020 年重慶市總?cè)丝跀?shù)、城鎮(zhèn)人口數(shù)、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值、能源消耗總量、城市建成區(qū)面積及民用車(chē)輛擁有量均與熱島面積間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，表明社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子對(duì)重慶市主城都市區(qū)熱島強(qiáng)度的變化具有重要影響。

本文綜合采用夜間燈光數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)及地表分類(lèi)數(shù)據(jù)，提出一種適用于山地城市熱島效應(yīng)監(jiān)測(cè)的郊區(qū)背景劃分方法，并討論不同緩沖區(qū)尺度對(duì)熱島效應(yīng)監(jiān)測(cè)的影響，同時(shí)分析社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子對(duì)城市熱島時(shí)空變化的驅(qū)動(dòng)作用。但仍存在一些關(guān)鍵問(wèn)題：①為剔除山地城市中衛(wèi)星城鎮(zhèn)對(duì)地表城市熱島監(jiān)測(cè)精度的影響，本文參考劉勇洪等［19］的研究成果，將夜間燈光值小于15的像元認(rèn)定為完全不受人類(lèi)活動(dòng)影響的區(qū)域，但未討論該閾值在重慶主城都市區(qū)的適用性。后續(xù)將詳細(xì)研究適用于山地城市的城區(qū)和郊區(qū)夜間燈光閾值。②由于目前缺乏評(píng)估地表城市熱島監(jiān)測(cè)精度的指標(biāo)，在討論緩沖區(qū)尺度對(duì)地表城市熱島監(jiān)測(cè)精度的影響時(shí)，本文僅能解釋不同緩沖區(qū)尺度下地表城市熱島的監(jiān)測(cè)結(jié)果，無(wú)法確定地表城市熱島監(jiān)測(cè)的最佳尺度。③城市化進(jìn)程是影響地表城市熱島的因素，本文通過(guò)線(xiàn)性相關(guān)分析社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子對(duì)地表城市熱島的可能影響，但未從機(jī)理上解釋各因子對(duì)地表城市熱島的具體影響。局地天氣形勢(shì)與氣象條件是影響地表城市熱島的外部因素［47-49］，風(fēng)速、云量、大氣環(huán)流等氣象條件均是影響地表城市熱島的重要因素，下一步將考慮結(jié)合數(shù)值模式分析天氣系統(tǒng)對(duì)地表城市熱島的影響機(jī)制。