快速城市化區(qū)域城市熱島效應(yīng)與驅(qū)動機(jī)制研究

韓雅敏 鄒明亮 賴嘉娛

摘 要：以肇慶新區(qū)為研究區(qū)，利用2013年、2015年、2017年、2019年和2021年夏季的Landsat8遙感影像反演研究區(qū)地表亮度溫度，基于地表亮度溫度數(shù)據(jù)識別和提取熱島區(qū)，分析城市熱島效應(yīng)的演變過程和驅(qū)動機(jī)制。研究結(jié)果表明：①利用Landsat8遙感影像反演的地表亮度溫度，能便捷有效地識別和提取城市熱島區(qū)，為城市熱島效應(yīng)的研究提供科學(xué)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；②近10 a來，肇慶新區(qū)熱島效應(yīng)逐年加劇，尤其是在2017—2019年大開發(fā)大建設(shè)期間，城市熱島效應(yīng)擴(kuò)張最為顯著；③城鄉(xiāng)建設(shè)用地與城市熱島區(qū)在時間變化和空間分布上均高度耦合，城市化的快速擴(kuò)張是城市熱島效應(yīng)的主要驅(qū)動因素；④面積較大的湖泊、河流、坑塘等水域，能將集中連片的城鄉(xiāng)建設(shè)用地進(jìn)行切割，進(jìn)而有效緩解城市熱島效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：熱島效應(yīng)；城市化；驅(qū)動機(jī)制；肇慶新區(qū)

中圖分類號：X16文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1673-9655（2023）01-0-05

0 引言

城市熱島效應(yīng)（Urban Heat Island Effect， UHIE）是指由于城市建筑及人類活動引起熱量在城區(qū)空間范圍內(nèi)積聚，導(dǎo)致城郊間溫差明顯的現(xiàn)象[1]。城市熱島效應(yīng)除了直接通過高溫酷熱的天氣條件危害人們身心健康外，還能通過改變城市微氣候條件，增加風(fēng)阻，使大氣污染物在城區(qū)上空聚集，進(jìn)而引發(fā)各類心腦血管和呼吸系統(tǒng)疾病[2]。甚至有研究表明，新冠病毒氣溶膠的傳播與城市熱島效應(yīng)具有密切聯(lián)系[3]，武漢、西安、南京、杭州等受新冠疫情肆虐的城市均為我國著名“火爐城市”。深入研究城市熱島效應(yīng)的演變過程和形成機(jī)理，對合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化城市形態(tài)，改善城市通風(fēng)條件，緩解城市熱島效應(yīng)具有重要的意義。

城市熱島的動態(tài)監(jiān)測是研究城市熱島效應(yīng)的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)性工作[4]。國內(nèi)外對于城市熱島的監(jiān)測，常見的方法主要有氣象站點(diǎn)法、定點(diǎn)觀測法、運(yùn)動樣帶法、模擬預(yù)測法以及遙感監(jiān)測法等[1]。遙感技術(shù)因具有大面積的同步觀測、時效性、經(jīng)濟(jì)性、數(shù)據(jù)的綜合性和可比性等優(yōu)勢[5]，已成為監(jiān)測熱島效應(yīng)的核心技術(shù)手段。應(yīng)用遙感技術(shù)監(jiān)測熱島效應(yīng)常見的做法是，利用LandsatTM/ETM+[6-8]或MODIS[9-11]等遙感影像數(shù)據(jù)，通過反演地表亮度溫度[12-14]或地表溫度[15-17]來識別和提取城市熱島區(qū)，最后定量分析熱島效應(yīng)的時空變化規(guī)律。對比上述兩種常用數(shù)據(jù)，LandsatTM/ETM+數(shù)據(jù)具有更高的空間分辨率，更適用于城市等中小尺度區(qū)域的熱島監(jiān)測；對比上述兩種常用反演方法，地表亮度溫度的反演因不需要大氣和地表的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算過程簡單且精確度高，包含了更豐富的大氣和地表溫度信息[18]。因此，本文利用Landsat8遙感影像數(shù)據(jù)，通過反演地表亮度溫度對肇慶新區(qū)熱島效應(yīng)的演變過程進(jìn)行監(jiān)測。

1 研究區(qū)概況

肇慶新區(qū)隸屬廣東省肇慶市，地處鼎湖區(qū)中部，位于粵港澳大灣區(qū)連通東盟經(jīng)濟(jì)區(qū)和大西南地區(qū)的咽喉位置，東鄰肇慶國家高新區(qū)和佛山市三水區(qū)，南靠高要區(qū)，西倚端州區(qū)，北接四會市，面積約168 km2，大體可分為核心區(qū)、健康宜居區(qū)、工業(yè)園片區(qū)以及產(chǎn)業(yè)發(fā)展預(yù)留區(qū)等4大分區(qū)，如圖1所示。

肇慶新區(qū)于2012年10月正式掛牌成立。2016—2018年期間為迎接省運(yùn)會的順利召開，肇慶新區(qū)進(jìn)入“大開發(fā)大建設(shè)”階段，各類市政基礎(chǔ)設(shè)施和重點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)如火如荼，城市框架雛形已基本形成。2019年開始，肇慶新區(qū)大力推進(jìn)園區(qū)建設(shè)，加速開展產(chǎn)業(yè)招商落地工作，促進(jìn)產(chǎn)城融合發(fā)展。

2021年肇慶新區(qū)實(shí)現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值71.71億元，同比增長10.0%；規(guī)模以上工業(yè)增加值21.99億元，同比增長14.9%；固定資產(chǎn)投資完成160.02億元，同比增長12.6%。

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2. 1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

2. 1. 1 遙感影像數(shù)據(jù)

Landsat8遙感影像數(shù)據(jù)產(chǎn)品可從美國國家航空航天局網(wǎng)站下載（https：//earthexplorer.usgs.gov/），空間范圍為P123，R44?？紤]Landsat8遙感影像數(shù)據(jù)的可獲取性，研究所用遙感影像數(shù)據(jù)時間間隔均為2 a左右，即時間范圍為2013年、2015年、2017年、2019年以及2021年夏季（6—8月）。遙感影像數(shù)據(jù)獲取后，需要對遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行投影變換、幾何校正、大氣校正、裁剪等一系列的預(yù)處理操作。

2. 1. 2 土地利用/覆蓋變化數(shù)據(jù)

土地利用/覆蓋變化數(shù)據(jù)（LUCC）從地理國情監(jiān)測云平臺（http：//www.dsac.cn/）獲得，時間范圍包括2013年、2015年、2017年、2019年以及2021年，共5期。該數(shù)據(jù)是基于LandsatETM/OLI遙感影像，結(jié)合野外GPS采樣數(shù)據(jù)，參考中科院土地利用/覆蓋分類體系一級類型標(biāo)準(zhǔn)，采用人機(jī)交互方式解譯而成。LUCC數(shù)據(jù)空間分辨率為30 m，分為耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)建設(shè)用地、未利用地等6大類。

2. 2 地表亮度溫度反演

地表亮度溫度又稱地表輻射溫度，是遙感傳感器在衛(wèi)星高度所觀測的熱輻射強(qiáng)度相對應(yīng)的溫度，地表亮度溫度包括大氣和地表對熱輻射傳導(dǎo)的影響，它反映出與觀測物體具有相等輻射能量的黑體溫度。由于熱島區(qū)的識別和提取主要基于城鄉(xiāng)溫度差異特征實(shí)現(xiàn)，地表實(shí)際溫度和地表亮度溫度的趨勢基本表現(xiàn)為一致，均能體現(xiàn)城鄉(xiāng)間的溫度差異特征。但地表亮度溫度的反演不需要各種大氣和地表參數(shù)，計(jì)算方法簡單且精確度高，所以可直接通過反演地表亮度溫度來對熱島效應(yīng)進(jìn)行識別和提取。計(jì)算公式如下：

式（1）中：L—絕對輻射亮度值；gain—增益系數(shù)；offset—偏移系數(shù)。增益系數(shù)和偏移系數(shù)均從影像頭文件獲??；

式（2）中：T—亮度溫度；K1、K2—常數(shù)，其中K1=774.89W/（m?·sr·m），K2=1321.08K。

通過反演肇慶新區(qū)范圍2013年、2015年、2017年、2019年以及2021年的地表亮度溫度，利用ArcGIS平臺自然間斷點(diǎn)分級法，將歷年地表亮度溫度值分為強(qiáng)熱島區(qū)、弱熱島區(qū)和非熱島區(qū)3類，分別統(tǒng)計(jì)強(qiáng)熱島區(qū)、弱熱島區(qū)和非熱島區(qū)的面積和比例（表１），并繪制空間分布圖（圖2）。

3 結(jié)果與分析

3. 1 熱島區(qū)時空變化規(guī)律

觀察表1和圖2可知，肇慶新區(qū)強(qiáng)熱島區(qū)和弱熱島區(qū)在2013—2021年均呈現(xiàn)逐年遞增的規(guī)律，其中強(qiáng)熱島區(qū)在2017—2019年增速最快，增幅約為171.49%，而弱熱島區(qū)在2019—2021年增速最快，增幅約為15.48%。其中：

2013年強(qiáng)熱島區(qū)面積為3.43 km2，約占全區(qū)總面積的2.03%，主要分布在廣東肇慶工業(yè)園區(qū)以及蓮花鎮(zhèn)、永安鎮(zhèn)、桂城街道、廣利街道等圩鎮(zhèn)周邊。弱熱島區(qū)面積為65.19 km2，約占全區(qū)總面積的38.60%，主要分布在321國道和鼎湖大道沿線兩側(cè)區(qū)域。

2015年強(qiáng)熱島區(qū)面積為4.65 km2，約占全區(qū)總面積的2.76%，弱熱島區(qū)面積為67.45 km2，，約占全區(qū)總面積的39.94%?？臻g分布與2013年相比變化不大，僅在廣東肇慶工業(yè)園以及桂城街道、廣利街道、蓮花鎮(zhèn)等圩鎮(zhèn)附近有輕微的擴(kuò)散趨勢。

2017年強(qiáng)熱島區(qū)面積為4.97 km2，約占全區(qū)總面積的2.95%，弱熱島區(qū)面積為72.05 km2，，約占全區(qū)總面積的42.66%。與2015年相比，分布在廣東肇慶工業(yè)園的強(qiáng)熱島區(qū)輕微向外擴(kuò)張，核心區(qū)范圍內(nèi)的部分新建市政道路也呈現(xiàn)弱熱島的特征。

2019年強(qiáng)熱島區(qū)面積較2017年顯著上升，面積為13.51 km2，約占全區(qū)總面積的8.00%，新增的強(qiáng)熱島區(qū)主要分布在核心區(qū)以及生態(tài)科技產(chǎn)業(yè)園區(qū)附近。弱熱島區(qū)面積為73.74 km2，，約占全區(qū)總面積的43.66%，主要分布在核心區(qū)范圍內(nèi)的市政道路附近，通過弱熱島區(qū)分布情況可以看出核心區(qū)的市政道路路網(wǎng)骨架已基本成型。

2021年強(qiáng)熱島區(qū)面積為16.36 km2，約占全區(qū)總面積的9.69%，新增強(qiáng)熱島區(qū)主要分布在核心區(qū)以及生態(tài)科技產(chǎn)業(yè)園附近。弱熱島區(qū)面積為85.15 km2，，約占全區(qū)總面積的50.42%，較2019年顯著上升，新增的弱熱島區(qū)主要分布在核心區(qū)市政道路附近，市政道路路網(wǎng)骨架在熱島分布圖上已清晰可見。

3. 2 土地利用/覆蓋變化規(guī)律

城市土地利用/覆蓋變化與地表熱環(huán)境有著明顯的空間異質(zhì)性特征，很多研究表明[19-21]熱島效應(yīng)與土地利用/覆蓋密切相關(guān)。為深入研究城市熱島效應(yīng)的驅(qū)動機(jī)制，分別統(tǒng)計(jì)2013年、2015年、2017年、2019年以及2021年土地利用/覆蓋變化數(shù)據(jù)（表2），并繪制歷年土地利用/覆蓋變化分布圖（圖3）。

觀察表2和圖3可知，肇慶新區(qū)面積最多的土地利用類型為水域（包括河渠、湖泊、水庫坑塘等），約占肇慶新區(qū)總面積的48%～51%。2013—2017年水域面積呈現(xiàn)略微下降的趨勢，從85.74 km2下降至82.65 km2，主要是由于核心區(qū)和工業(yè)園片區(qū)填塘建設(shè)造成。2017—2021年水域面積呈現(xiàn)顯著上升的趨勢，從82.65 km2上升至86.77 km2，主要是由于蓮花鎮(zhèn)和永安鎮(zhèn)大面積在耕地挖塘養(yǎng)魚造成。

城鄉(xiāng)建設(shè)用地（包括城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)、其他建設(shè)用地等）約占肇慶新區(qū)總面積的15%～30%。城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積在近10 a呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，尤其是在2017—2019年大開發(fā)大建設(shè)期間，城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積從32.35 km2上升至45.58 km2，增幅約40.91%，主要是由于工業(yè)園片區(qū)以及核心區(qū)范圍內(nèi)的東進(jìn)大道、站前大道、永利大道等項(xiàng)目填塘建房、建路造成的。

耕地（包括水田、旱地、水澆地等）面積約占肇慶新區(qū)總面積的6%～19%。耕地面積在近10 a呈現(xiàn)逐年下降的趨勢，尤其是在2017—2019年，耕地面積從30.32 km2下降至10.44 km2，降幅約64.62%，主要是由于蓮花鎮(zhèn)和永安鎮(zhèn)大面積在耕地挖塘養(yǎng)魚造成。

林地（包括喬木林、竹林地、灌木林、果園、茶園等）面積約占10%～12%。林地面積在近10 a呈現(xiàn)逐年下降的趨勢，林地面積減少的區(qū)域主要分布在北嶺山邊緣、工業(yè)園片區(qū)以及核心區(qū)廣利涌和橫槎涌沿岸。但林地面積下降幅度不大，從2013年的20.49 km2下降至2021年的17.09 km2，面積總體呈現(xiàn)相對平穩(wěn)的狀態(tài)。

草地和未利用地面積較少、比重較低，零星分布在全區(qū)，且在近10 a面積未發(fā)生顯著的變化。

3. 3 熱島區(qū)與土地利用變化耦合關(guān)系

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2013年、2015年、2017年、2019年和2021年的城鄉(xiāng)建設(shè)用地中，分別有11.99%、15.64%、14.71%、23.97%和26.97%為強(qiáng)熱島區(qū)，有76.83%、77.41%、76.86%、65.87%和64.96%為弱熱島區(qū)，歷年均有超過90%的城鄉(xiāng)建設(shè)用地不同程度地出現(xiàn)熱島效應(yīng)的現(xiàn)象。此外，強(qiáng)熱島區(qū)、弱熱島區(qū)與城鄉(xiāng)建設(shè)用地的面積相關(guān)系數(shù)分別為0.99和0.91。由此可見，城鄉(xiāng)建設(shè)用地的擴(kuò)張，尤其是工業(yè)園區(qū)、鎮(zhèn)圩以及市政道路的建設(shè)和擴(kuò)張是造成城市熱島效應(yīng)的主要原因。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2013年、2015年、2017年、2019年和2021年的水域中，僅有0.04%、0.04%、0.04%、1.20%和1.03%為強(qiáng)熱島區(qū)，有17.10%、18.65%、22.09%、23.25%和33.81%為弱熱島區(qū)。水域是各種土地利用類型中，出現(xiàn)強(qiáng)熱島區(qū)和弱熱島區(qū)面積占比最小的地類。由此可見，水域與其他土地利用類型相比，最不容易形成熱島現(xiàn)象。雖然歷年均有一定比例的水域呈現(xiàn)弱熱島的現(xiàn)象，但這些呈現(xiàn)弱熱島現(xiàn)象的水域主要分布在核心區(qū)內(nèi)被路網(wǎng)和建筑分割的、面積較小的坑塘水面附近。這些坑塘水面由于面積較小，且分布零散，容易受到周邊建筑和路網(wǎng)的影響而溫度升高，進(jìn)而形成弱熱島的現(xiàn)象。肇慶新區(qū)核心區(qū)內(nèi)的長利涌、橫槎涌、硯陽湖以及健康宜居區(qū)、工業(yè)園片區(qū)內(nèi)集中連片的坑塘水面則由于水域面積較大，降溫效果明顯，不但沒形成熱島現(xiàn)象，反而能對周邊的建筑和市政道路等城鄉(xiāng)建設(shè)用地起到一定的降溫作用，有效地緩解了周邊的熱島效應(yīng)。

4 總結(jié)與討論

（1）本研究以近年來城市化進(jìn)程快速發(fā)展的肇慶新區(qū)為例，利用Landsat8遙感影像對研究區(qū)地表亮度溫度進(jìn)行反演，識別并提取地表亮度溫度顯著高于全區(qū)平均溫度的區(qū)域（即熱島區(qū)），并對熱島區(qū)的時空分布規(guī)律及其驅(qū)動機(jī)制進(jìn)行了深入研究，說明遙感技術(shù)在城市熱島效應(yīng)研究方面具有可行性和廣闊應(yīng)用前景。

（2）伴隨城市擴(kuò)張而快速增長的城鄉(xiāng)建設(shè)用地（尤其是工業(yè)園區(qū)、鎮(zhèn)圩和市政道路等）是造成城市熱島效應(yīng)的主要驅(qū)動因素，而面積較大的水域（如湖泊、河涌、連片的坑塘）能對熱島效應(yīng)起到有效的緩解作用。

（3）肇慶新區(qū)在將來城市規(guī)劃和建設(shè)過程中，一定要嚴(yán)格控制城市擴(kuò)張的速度和規(guī)模。對于工業(yè)園區(qū)、鎮(zhèn)圩等集中連片且容易出現(xiàn)熱島效應(yīng)的區(qū)域，要適當(dāng)保留湖畔、水渠、河涌等水域。對于市政路網(wǎng)，則要提升市政道路兩旁的綠化水平，利用植被緩解城市熱島效應(yīng)。

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