贛江新區(qū)熱島效應(yīng)及土地利用時(shí)空變化分析

溫新龍，彭王敏子*，蔣 帥，孫 擎

（1.江西省氣象科學(xué)研究所，江西 南昌 330096；2.南京信息工程大學(xué) 應(yīng)用氣象學(xué)院，江蘇 南京 210044；3.中國(guó)氣象科學(xué)研究院，北京 100081）

0 引言

熱島效應(yīng)是指城區(qū)溫度高于周圍郊區(qū)的現(xiàn)象，是城市氣候最明顯的特征之一［1］。熱島效應(yīng)的成因與城鎮(zhèn)化的發(fā)展密切相關(guān)，主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：一是城鎮(zhèn)區(qū)域密集的人類活動(dòng)所排放的人為熱多于郊區(qū)；二是城郊下墊面的差異，城鎮(zhèn)區(qū)域的不透水面代替了原有的可滲透地面、植被和水體等；三是城區(qū)大氣氣溶膠帶來的保溫效應(yīng)。熱島效應(yīng)會(huì)給經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人類健康產(chǎn)生負(fù)面影響，比如增加能源消耗、降低空氣質(zhì)量、引發(fā)物候異常、增加疾病發(fā)病率和死亡率等［2-3］。在城鎮(zhèn)化背景下，受氣候變暖和極端天氣氣候事件多發(fā)、頻發(fā)的影響，包括熱島效應(yīng)在內(nèi)的城市生態(tài)環(huán)境問題引起了越來越多的關(guān)注［4-6］。梁珂等［7］基于地表溫度和MODIS數(shù)據(jù)，研究了2005—2019年珠三角城市群城市熱島的年際和季節(jié)變化特征及其地表覆蓋的時(shí)空變化情況；陰瑜鑫等［8］對(duì)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶城市群熱島特征及影響因素進(jìn)行了研究，并指出土地覆蓋類型、空氣質(zhì)量、人口密度等是熱島效應(yīng)的重要影響因素。

2016年6月6日，國(guó)務(wù)院批復(fù)設(shè)立江西贛江新區(qū)，同年10月20日贛江新區(qū)正式掛牌，成為中部地區(qū)第2個(gè)、全國(guó)第18個(gè)國(guó)家級(jí)新區(qū)。近年來，贛江新區(qū)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)增速位居19個(gè)國(guó)家級(jí)新區(qū)“第一方陣”，2022年地區(qū)生產(chǎn)總值首次突破千億元大關(guān)。作為全國(guó)區(qū)域面積最小的國(guó)家級(jí)新區(qū)，城市發(fā)展與生態(tài)環(huán)境、土地利用之間的矛盾也逐步顯現(xiàn)［9-10］，生態(tài)環(huán)境、土地資源是制約贛江新區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要因素。因此，研究贛江新區(qū)熱島效應(yīng)與土地利用的時(shí)空變化特征，對(duì)于改善熱島效應(yīng)、建設(shè)宜居新區(qū)和指導(dǎo)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

贛江新區(qū)包括南昌經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、南昌臨空經(jīng)濟(jì)區(qū)和九江市共青城市、永修縣的部分街道和鄉(xiāng)鎮(zhèn)，規(guī)劃范圍465 km2，為狹長(zhǎng)帶形，南北長(zhǎng)約70 km，東西最寬處10 km，最窄處不足5 km，呈現(xiàn)“兩廊（昌九產(chǎn)業(yè)走廊、濱湖生態(tài)廊道）、一帶（昌九新型城鎮(zhèn)帶）、四組團(tuán)（經(jīng)開組團(tuán)、臨空組團(tuán)、永修組團(tuán)和共青組團(tuán)）”的發(fā)展格局（圖1）。贛江新區(qū)的戰(zhàn)略定位是長(zhǎng)江中游新型城鎮(zhèn)化示范區(qū)、中部地區(qū)先進(jìn)制造業(yè)基地、內(nèi)陸地區(qū)重要開放高地和美麗中國(guó)“江西樣板”先行區(qū)。

圖1 研究區(qū)域概況圖

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)及預(yù)處理

本研究實(shí)測(cè)氣溫?cái)?shù)據(jù)來自于贛江新區(qū)8個(gè)氣象站點(diǎn)（圖1），所用衛(wèi)星數(shù)據(jù)為L(zhǎng)andsat-8衛(wèi)星的陸地成像儀(Operational Land Imager，OLI)和熱紅外傳感器(Thermal Infrared Sensor，TIRS)數(shù)據(jù)［11］，來源于美國(guó)地質(zhì)勘探局(USGS)網(wǎng)站(https://earthexplorer.usgs.gov/)。Landsat-8衛(wèi)星于2013年2月11日發(fā)射成功，每16 d可以實(shí)現(xiàn)一次全球覆蓋，共有11個(gè)波段，其中波段1~7和波段9的空間分辨率為30 m，波段10~11的空間分辨率為100 m，波段8為15 m分辨率的全色波段。

為避免季節(jié)差異、植被覆蓋差異等因素的影響，保證地表溫度反演的客觀性和研究的對(duì)比性，選取了研究區(qū)域同一季節(jié)、晴空條件下的三景L1T級(jí)別（輻射校正數(shù)據(jù)經(jīng)過幾何精校正處理）衛(wèi)星影像，分別為2014年9月6日、2017年11月1日和2020年9月6日（表1）。使用遙感影像專業(yè)處理軟件ENVI進(jìn)行輻射定標(biāo)和影像裁剪等預(yù)處理，得到研究區(qū)域的輻射亮度圖像。

表1 所采用的衛(wèi)星影像信息

2.2 地表溫度反演及精度驗(yàn)證

基于Landsat-8數(shù)據(jù)的地表溫度反演有多種方法，常見的有劈窗算法、單窗算法等［12］。本研究采用被證實(shí)的具有較高精度的大氣校正法，通過獲取成像時(shí)刻的大氣剖面參數(shù)和地表比輻射率參數(shù)進(jìn)行贛江新區(qū)地表溫度反演，具體步驟參照文獻(xiàn)［13］。

將反演的地表溫度與研究區(qū)域內(nèi)衛(wèi)星過境時(shí)刻的氣象站實(shí)測(cè)溫度進(jìn)行擬合。由擬合結(jié)果（圖2）可知，地表溫度反演值與氣象站實(shí)測(cè)值具有顯著的相關(guān)關(guān)系（R2=0.97，P＜0.05），說明反演方法可行性高、精度較好，存在的擬合誤差主要是由于反演的是地表溫度，而氣象站實(shí)測(cè)的是離地面1.5 m高度的氣溫，因此可以將該結(jié)果作為后續(xù)分析的依據(jù)。

圖2 地表溫度反演值與氣象站實(shí)測(cè)溫度的擬合結(jié)果

2.3 熱島強(qiáng)度分級(jí)

熱島強(qiáng)度是定量衡量熱島效應(yīng)的一個(gè)重要指標(biāo)，最常用、最普遍的表征方法是城市與鄉(xiāng)村的溫度差值。基于遙感反演地表溫度研究城市熱島強(qiáng)度一般有2種方式：一是所謂的城鄉(xiāng)溫度閾值法，先劃定城鄉(xiāng)范圍，在此基礎(chǔ)上提取一定溫度差作為熱島的識(shí)別閾值；一是直接以溫度分布特征為基礎(chǔ)提取熱島范圍，無需劃定城鄉(xiāng)范圍，包括溫度等級(jí)閾值法、高斯擬合參數(shù)法和溫度衰減突變法等。本研究引用熱場(chǎng)變異指數(shù)(HI)來衡量某個(gè)像元相對(duì)于整個(gè)研究區(qū)域的熱島強(qiáng)度情況［14］，計(jì)算公式為：

式（1）中：HI為熱場(chǎng)變異指數(shù)；Ts為反演的某像元的地表溫度（℃）；Tmean為研究區(qū)域的平均溫度（℃）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，將熱島強(qiáng)度分為4個(gè)等級(jí)，如表2所示。

表2 熱島強(qiáng)度等級(jí)劃分及含義

2.4 土地利用分類與變化分析

參照《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB/T 21010—2017）和贛江新區(qū)相關(guān)規(guī)劃，對(duì)研究區(qū)域三景Landsat-8 OLI遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行目視判讀，結(jié)合光譜特征信息，以其土地利用及覆蓋現(xiàn)狀為參考，使用最大似然估計(jì)法對(duì)土地利用及覆蓋類型進(jìn)行監(jiān)督分類，將贛江新區(qū)土地利用類型劃分為耕地、林地、建設(shè)用地和水域4大類，分類精度總體介于85.13%~90.22%，Kappa系數(shù)在0.857以上，滿足研究需求，再使用ArcGIS 10.2軟件對(duì)土地利用分類數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

采用土地利用動(dòng)態(tài)度來衡量一定時(shí)間段，研究區(qū)域內(nèi)某一種土地利用類型的面積變化速度。土地利用動(dòng)態(tài)度的絕對(duì)值越大說明在該段時(shí)間內(nèi)土地利用變化程度越大，反之則變化程度越小。計(jì)算公式為：

式（2）中：K為土地利用動(dòng)態(tài)度；Ua、Ub分別表示研究初期和末期該類土地利用類型的面積；T為研究時(shí)間間隔（本研究為年間隔）。

3 結(jié)果與分析

3.1 地表溫度分布特征

由贛江新區(qū)3期遙感影像地表溫度反演結(jié)果（圖3）可知，地表溫度分布與天氣背景、土地利用類型有關(guān)。結(jié)合表1中成像當(dāng)日天氣背景及圖2氣象站實(shí)測(cè)氣溫來看，研究區(qū)域3期影像的天氣背景相似，均為多云和晴天，風(fēng)力小于3級(jí)；不同的是，2014年9月6日與2020年9月6日氣溫幾乎接近，但比2017年11月1日高10～12 ℃。對(duì)比圖3a、圖3b可知，受城鎮(zhèn)化影響，2017年低于27 ℃的區(qū)域明顯少于2014年的，但由于2017年11月1日氣溫偏低10～12 ℃，即使2017年城鎮(zhèn)化水平高于2014年的，但高于31 ℃的區(qū)域并沒有明顯擴(kuò)大。對(duì)比圖3a、圖3c可知，隨著城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，地表溫度超過31 ℃的范圍由零星點(diǎn)狀向成片帶狀變化，面積從2014年的14.9 km2擴(kuò)大到2020年的99.6 km2，占比由3.2%擴(kuò)大到21.4%，而地表溫度超過32 ℃的面積則是從2014年的5.6 km2擴(kuò)大到2020年的58.1 km2，占比從1.2%擴(kuò)大到12.5%。

圖3 贛江新區(qū)地表溫度反演結(jié)果

3.2 熱島強(qiáng)度特征

由贛江新區(qū)熱島強(qiáng)度分級(jí)結(jié)果（圖4）可以看出，贛江新區(qū)熱島現(xiàn)象明顯，與地表溫度高值區(qū)域一致，主要分布在各組團(tuán)的城鎮(zhèn)化區(qū)域。隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，熱島面積在逐步擴(kuò)大，增加最明顯的區(qū)域是經(jīng)開組團(tuán)、臨空組團(tuán)的樵舍鎮(zhèn)、永修組團(tuán)的艾城鎮(zhèn)和共青組團(tuán)的江益鎮(zhèn)。從各級(jí)像元個(gè)數(shù)和占比（表3）來看，各期均為無熱島區(qū)域的占比最大，其次是弱熱島和一般熱島區(qū)域，強(qiáng)熱島區(qū)域占比最小，熱島區(qū)域占比由2014年的19.3%增加到2020年的26.2%。強(qiáng)熱島區(qū)域占比從2014年的0.6%增加到2017年的0.9%，再增加到2020年的1.2%；一般熱島區(qū)域從2014年的8.4%下降到2017年的7.7%，隨后又增加至2020年的12.3%；弱熱島區(qū)域從2014年的10.3%增長(zhǎng)到2017年的15.7%，再減少到2020年的12.7%。對(duì)比圖4a、圖4c可知，相比2014年，2020年各等級(jí)熱島區(qū)域面積均呈增加趨勢(shì)。

表3 贛江新區(qū)熱島強(qiáng)度分級(jí)統(tǒng)計(jì)情況

圖4 贛江新區(qū)熱島強(qiáng)度分級(jí)示意圖

3.3 土地利用分類及變化特征

根據(jù)贛江新區(qū)2014、2017和2020年3期遙感影像土地利用分類結(jié)果（圖5），統(tǒng)計(jì)得到各土地類型面積和占比（表4），并分別計(jì)算2014—2017、2017—2020和2014—2020年這3個(gè)時(shí)間段的土地利用動(dòng)態(tài)度（表5）。

表4 贛江新區(qū)土地利用類型面積統(tǒng)計(jì)情況

表5 贛江新區(qū)土地利用動(dòng)態(tài)度變化情況

圖5 贛江新區(qū)土地利用時(shí)空變化特征

圖6 贛江新區(qū)各期不同土地利用類型的地表溫度

贛江新區(qū)2014、2017和2020年的土地利用類型中面積最大的均為林地，面積占比分別為45%、50%和40%，均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，減少的區(qū)域主要在經(jīng)開組團(tuán)的中北部和臨空組團(tuán)樵舍鎮(zhèn)的南部。耕地呈現(xiàn)逐年減少的趨勢(shì)，面積由2014年的167 km2減少為2017年的102 km2，再到2020年的88 km2，由2014年排名第二降為2017和2020年的排名第三。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，建設(shè)用地面積呈逐年增加趨勢(shì)，面積從2014年的74 km2增加至2017年的112 km2，再到2020年的140 km2，2020年建設(shè)用地面積是2014年的1.89倍，增加區(qū)域主要是在各組團(tuán)已有城鎮(zhèn)化區(qū)域上向周邊擴(kuò)張，致使周邊林地和耕地減少。水域面積不斷增加，占比從2014年的3%上升到2017年的4%，再上升到2020年的11%，增加區(qū)域主要在贛江新區(qū)東面，這與江西加快鄱陽湖流域生態(tài)修復(fù)，實(shí)施退耕還濕等生態(tài)項(xiàng)目有關(guān)。

從土地利用動(dòng)態(tài)度（表5）來看，2014—2020年這6 a間，贛江新區(qū)的建設(shè)用地和水域面積在增加，耕地和林地面積在減少，這與李萬鈺等［15-16］的研究結(jié)論一致。土地利用變化程度由大到小依次為水域＞建設(shè)用地＞耕地＞林地。

3.4 不同土地利用類型的地表溫度特征

利用ArcGIS 10.2軟件將土地利用類型（圖5）與地表溫度反演結(jié)果（圖3）進(jìn)行空間疊加，可以看出不同的土地利用類型其地表溫度存在差異，地表溫度高于29 ℃的區(qū)域主要分布在各組團(tuán)的城鎮(zhèn)區(qū)域，植被覆蓋度較高的區(qū)域及水體的地表溫度一般低于28 ℃。由圖 6可知，4種土地利用類型的地表溫度均值依次為建設(shè)用地＞耕地＞林地＞水域，主要原因在于不同類型下墊面的熱屬性差別，城鎮(zhèn)等建設(shè)用地存在大量的水泥路面等不透水面，它們具有較好的吸熱性，易在白天吸收大量熱量導(dǎo)致其地表溫度最高。受天氣背景影響，2017年贛江新區(qū)各類土地利用類型溫度為這3期中最低，同時(shí)由于城鎮(zhèn)化的發(fā)展，建設(shè)用地逐步增加，更多的耕地、林地轉(zhuǎn)化為不透水面，以致2020年各種土地利用類型的溫度為這3期中最高，其中建設(shè)用地的地表溫度均值達(dá)32.5 ℃。

4 結(jié)論與討論

基于贛江新區(qū)2014、2017和2020年三景Landsat-8衛(wèi)星影像，利用大氣校正法反演了研究區(qū)域地表溫度并與氣象站實(shí)測(cè)氣溫進(jìn)行了精度驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上研究了贛江新區(qū)熱島效應(yīng)與土地利用時(shí)空變化特征，主要結(jié)論為：

（1）地表溫度分布與天氣背景及土地利用類型有關(guān)。2017年地表溫度低于27 ℃的區(qū)域明顯少于2014年的，而高于31 ℃的區(qū)域沒有明顯擴(kuò)大；地表溫度超過31 ℃的范圍由零星點(diǎn)狀向成片帶狀變化，面積從2014年的14.9 km2擴(kuò)大到2020年的99.6 km2。

（2）贛江新區(qū)熱島現(xiàn)象明顯且熱島面積在逐步擴(kuò)大，占比由2014年的19.3%增加到2020年的26.2%，增加最明顯的區(qū)域是經(jīng)開組團(tuán)、臨空組團(tuán)的樵舍鎮(zhèn)、永修組團(tuán)的艾城鎮(zhèn)和共青組團(tuán)的江益鎮(zhèn)；各期均為無熱島區(qū)域占比最大，其次是弱熱島和一般熱島區(qū)域，強(qiáng)熱島區(qū)域占比最小。

（3）3期土地利用類型中面積最大的均為林地，面積占比分別達(dá)到了45%、50%和40%；2014—2020年這6 a間建設(shè)用地和水域面積在增加，耕地和林地面積在減少，土地利用變化程度由大到小依次為水域＞建設(shè)用地＞耕地＞林地。

（4）各土地利用類型地表溫度均值依次為建設(shè)用地＞耕地＞林地＞水域。受天氣背景影響，2017年各類土地利用類型溫度為3期中最低，同時(shí)由于城鎮(zhèn)化的發(fā)展，建設(shè)用地逐步增加，更多的耕地、林地轉(zhuǎn)化為不透水面，以致2020年各種土地利用類型的溫度為3期中最高。

綜上，隨著贛江新區(qū)的快速發(fā)展，其地表溫度、熱島效應(yīng)發(fā)生了顯著變化，并且這種變化與同期的土地利用類型變化存在密不可分的關(guān)系。此外，城市布局、交通密度、人類活動(dòng)、氣象條件等都是地表溫度和熱島效應(yīng)的重要影響因素，這些因素對(duì)贛江新區(qū)的定量影響是今后研究的重要方向。贛江新區(qū)作為江西高質(zhì)量跨越式發(fā)展的“王牌”和“駿馬”，其新型工業(yè)化、信息化和城鎮(zhèn)化將持續(xù)加快，在今后的規(guī)劃中，應(yīng)該注重生態(tài)理念，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境、空間格局的區(qū)域集約和協(xié)同發(fā)展。