孫宗耀，孫希華，徐新良，黃寧鈺，吳晨，喬治*

1. 山東師范大學地理與環(huán)境學院，山東 濟南 250014；2. 中國科學院地理科學與資源研究所/資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 100101；3. 天津大學環(huán)境科學與工程學院，天津 300072

著名的諾貝爾經(jīng)濟學獎得主斯蒂格利茨（Joseph E. Stiglitz）指出“中國的城市化與美國的高科技發(fā)展將是深刻影響二十一世紀人類發(fā)展的兩大主題”（吳良鏞，2003）。城市化的快速推進導致城市下墊面環(huán)境發(fā)生劇烈改變，土地利用、覆被變化（LUCC）作為城市化進程的直接表現(xiàn)，對熱環(huán)境在不同空間尺度上均產(chǎn)生重要的影響（劉紀遠等，2014）。自19世紀初Howard提出“熱島效應”概念（Howard，1833），國內(nèi)外學者在城市熱島的監(jiān)測與識別（戴曉燕等，2009；周榮衛(wèi)等，2008）、評價與診斷（Oke et al.，1987；Zhang et al.，2012）和模擬與調(diào)控（蒙偉光等，2010；岳文澤等，2010）等方面開展了大量研究，深入揭示了城市熱環(huán)境的時空格局、演化過程和成因機制。

近年來，國內(nèi)外學者對土地利用影響熱環(huán)境的過程和機理進行了深入研究，主要關注特定土地利用類型對特定區(qū)域熱環(huán)境的影響，例如不透水面對城市熱環(huán)境的影響程度（Qiao et al.，2014；郭冠華等，2015；潘濤等，2017），城市綠地與地表溫度的相關性研究（Yang et al.，2017；陳康林等，2016），水面影響地表溫度的時空變化特征（余德等，2014）等。此外，針對典型區(qū)域和城市土地利用格局對熱環(huán)境的影響研究也是熱點之一，王敏等（2013）研究了上海市土地利用空間格局和地表溫度的關系，呂志強等（2010）對珠江口沿岸的土地利用變化及地表熱環(huán)境進行了研究，韓冬銳等（2017）基于土地利用類型分析了長江三角洲熱環(huán)境安全格局。

在研究土地利用與熱環(huán)境定量關系過程中，學者們提出多種衡量熱環(huán)境變化和土地利用變化情況的指標，如借助景觀生態(tài)學中景觀格局指數(shù)研究土地利用景觀格局演進和城市熱環(huán)境的時空格局變化相關性（卞子浩等，2017；陳愛蓮，2014；唐澤等，2017；王迎迎等，2016；鄒春城等，2014），通過遙感手段獲得NDVI等地表參數(shù)，分析其與熱環(huán)境之間的關系（高歆等，2015；喬治等，2015；孫常峰等，2014），建立模型模擬土地利用未來發(fā)展情況并預測熱環(huán)境變化趨勢（劉勇洪等，2014；阮能等，2016；王雅君等，2016）。綜合以上研究發(fā)現(xiàn)，在探索不同土地利用類型對區(qū)域熱環(huán)境作用機理的研究成果中，分析方法大多是建立土地利用類型與地表溫度的線性關系，并分析二者變化趨勢，分析結(jié)果只能說明該土地利用類型與熱環(huán)境變化是否相關。但是，由于城市熱環(huán)境是一個復雜的巨系統(tǒng)，土地利用類型作為城市熱環(huán)境的基質(zhì)對其影響存在時間和空間尺度上的差異。因此，如何在不同空間尺度上定量分析土地利用類型對區(qū)域熱環(huán)境的貢獻，從而為科學高效調(diào)控區(qū)域熱環(huán)境提供理論依據(jù)是本研究的關鍵科學問題。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

京津冀城市群位于中國東部、華北平原北部，是以北京、天津、保定、廊坊為中部核心功能區(qū)的世界級城市群，處于 113°27′～119°50′E，36°05′～42°40′N 之間，總面積約 2.18×105km2（圖 1）。發(fā)揮北京的輻射帶動作用，全方位對接支持雄安新區(qū)規(guī)劃建設，加大區(qū)域環(huán)境治理力度，嚴控人口規(guī)模和城鎮(zhèn)開發(fā)強度，防止城鎮(zhèn)貼邊連片發(fā)展，對于促進區(qū)域整體協(xié)同發(fā)展改革、生態(tài)修復環(huán)境改善具有重要戰(zhàn)略意義。京津冀城市群地勢呈西北高東南低，以平原地貌為主，屬于溫帶季風氣候，雨量集中，干濕季明顯，年均降水量400 mm以上，降水量分布特點為東南多西北少。從時間序列來看，京津冀城市群自 1990年城市化快速發(fā)展以來，高溫日數(shù)明顯增加（張國華等，2012），熱島強度呈現(xiàn)上升趨勢，其中以北京最強，天津次之（劉偉東等，2016）。研究區(qū)內(nèi)白天的熱島效應在春夏季較明顯，夜間熱島效應主要受人為熱源影響，92.8%以上的城鎮(zhèn)表現(xiàn)為熱島效應，季節(jié)變化不大（胡姝婧等，2009；陳彬輝等，2016）。京津冀城市群中北京市、天津市、唐山市和石家莊市在夏季白天熱島面積較大并出現(xiàn)連塊成片的趨勢（劉勇洪等，2017）。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所采用的地表溫度數(shù)據(jù)來源于美國宇航局NASA提供的MODIS 8天合成地表溫度產(chǎn)品（MYD11）（喬治等，2014；王建凱等，2007），原始數(shù)據(jù)由Aqua衛(wèi)星于13:30和01:30兩次過境時獲取，分別表征地表升溫和降溫時段地表反射情況（Peng et al.，2014）。該數(shù)據(jù)產(chǎn)品經(jīng)分裂窗算法反演獲得，精度可達到1 K（Wan et al.，2004）。

圖1 2005—2015年京津冀城市群土地利用現(xiàn)狀圖Fig. 1 The spatial distribution of land use from 2005 to 2015 in Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration

本研究采用的土地利用數(shù)據(jù)來自中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心所提供的 1∶10萬中國土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集包括耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)、工礦、居民用地和未利用土地6個一級土地利用類型和25個二級類以及部分三級分類。經(jīng)驗證，其中耕地和城鄉(xiāng)、工礦、居民用地平均分類精度達到85%以上，其他土地利用類型平均分類精度達75%以上。該數(shù)據(jù)集已被廣泛應用于城市熱環(huán)境時空格局分析和生態(tài)環(huán)境綜合評估等領域（劉紀遠等，2003）。本研究為對比分析城鄉(xiāng)熱環(huán)境差異，將城鄉(xiāng)、工礦、居民用地二級分類中的城鎮(zhèn)用地和其他建設用地重分類為城市建設用地，農(nóng)村居民點單獨劃為一類。其他土地利用類型仍使用一級分類。

2 研究方法

2.1 地表溫度數(shù)據(jù)處理

MODIS地表溫度產(chǎn)品僅記錄無云條件下的地表熱輻射值，需要將其轉(zhuǎn)化為地表溫度，通過查找數(shù)據(jù)頭文件，得到產(chǎn)品的輻射縮放比為0.02，輻射縮放截距為0。地表溫度（單位：℃）計算公式為：

式中，ts為地表溫度值（單位為：℃）；DN為像元亮度值。

為對比不同土地利用類型對城市群熱環(huán)境影響的時間差異，在此基礎上，進一步利用地表溫度8天合成數(shù)據(jù)分別統(tǒng)計其春（3—5月）、夏（6—8月）、秋（9—11月）、冬（12—次年2月）季節(jié)、晝夜平均值。

2.2 貢獻度指數(shù)

城市下墊面是由多種土地利用類型所構(gòu)成的綜合體，不同城市因其地形地貌、功能定位和發(fā)展階段不同，土地利用空間格局呈現(xiàn)較大空間異質(zhì)性，因此其對區(qū)域熱環(huán)境的影響機理也表現(xiàn)出一定的差異性。根據(jù)不同土地利用類型對城市熱環(huán)境影響作用的不同，分別構(gòu)成了城市熱環(huán)境的源和匯。源匯景觀對城市熱環(huán)境的貢獻程度可通過貢獻度指數(shù)（Contribution index，CI）定量表征，為某種土地利用類型的地表平均溫度與區(qū)域地表平均溫度的差值和該土地利用類型面積占區(qū)域面積比例的乘積（Xu，2009；Chen et al.，2013；Qiao et al.，2013）。貢獻度指數(shù)的正負值分別表征土地利用類型對城市熱環(huán)境的升溫（源）和降溫（匯）作用，其大小則代表該土地利用類型對城市熱環(huán)境的貢獻強度。

式中，CI為研究區(qū)內(nèi)土地利用類型對熱環(huán)境的貢獻度指數(shù)；Dt為該區(qū)域某種土地利用類型地表平均溫度與區(qū)域地表平均溫度差值；S為該區(qū)域某種土地利用類型占區(qū)域面積的比例。同理，如計算不同城市對區(qū)域熱環(huán)境的貢獻度，即為不同城市地表平均溫度與區(qū)域差值和該城市面積占區(qū)域面積比例的乘積。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同城市對城市群熱環(huán)境貢獻度差異

3.1.1 年際差異

以地級市作為統(tǒng)計單元，分別計算 2005年和2015年晝夜間不同城市對京津冀城市群熱環(huán)境的年平均貢獻度指數(shù)（圖2）。

分析 2005—2015年不同城市對京津冀城市群熱環(huán)境貢獻度。從城市類型上看，張家口市、承德市對京津冀城市群熱環(huán)境晝夜貢獻度指數(shù)均小于0，說明城市地表平均溫度低于區(qū)域地表平均溫度，表現(xiàn)出對京津冀城市群降溫的作用，即為京津冀城市群熱環(huán)境的匯；北京市和秦皇島市白天貢獻度指數(shù)小于 0，夜間貢獻度指數(shù)大于 0，晝夜變化中，城市熱環(huán)境的源匯角色發(fā)生轉(zhuǎn)變，白天呈現(xiàn)降溫作用，疏解城市群熱島效應，夜間表現(xiàn)出升溫作用，轉(zhuǎn)變?yōu)榫┙蚣匠鞘腥旱臒嵩闯鞘校黄渌鞘袝円关暙I度指數(shù)均大于 0，說明這些城市平均溫度始終高于城市群，呈現(xiàn)出京津冀城市群熱源城市的角色。根據(jù)上述分析可知，京津冀城市群內(nèi) 13個城市對京津冀城市群熱環(huán)境的年均貢獻可分為3種類型，晝夜熱源型城市（CI＞0）、晝匯夜源型城市（白天CI＞0，夜間 CI＜0）和晝夜熱匯型城市（CI＜0），3種類型分別以天津市、北京市和張家口市作為典型代表。

對比 2005—2015年城市對城市群熱環(huán)境貢獻度年際變化可知，白天，除北京市和邢臺市稍有下降，2015年其他城市對城市群熱環(huán)境貢獻度絕對值均大于 2005年。各城市熱環(huán)境源匯角色沒有發(fā)生變化，但是影響城市群熱環(huán)境的程度增強，其中張家口市作為晝夜熱匯型代表城市，貢獻度指數(shù)由-0.25下降為-0.41，晝夜熱源型代表城市——天津市熱環(huán)境貢獻度指數(shù)由0.02上升為0.07，而晝匯夜源型代表城市——北京市和秦皇島市則幾乎無變化。2005—2015年京津冀城市群各城市白天源匯強度差異越來越大，城市熱環(huán)境效應更加明顯；夜間相變化較白天小，各城市熱環(huán)境源匯角色未發(fā)生改變。與白天不同的是，天津市、石家莊市和邯鄲市夜間對城市群熱環(huán)境貢獻度指數(shù)分別下降了0.015、0.005和0.01，3個城市夜間熱源貢獻稍有減小。綜上分析，2015年夜間各城市對城市群熱環(huán)境貢獻作用強度與 2005年無顯著差別，夜間城市對城市群熱環(huán)境的影響趨于平穩(wěn)，總體呈小幅上升趨勢，僅個別城市熱環(huán)境貢獻度呈下降的情況。

圖2 2005—2015年不同城市對京津冀城市群熱環(huán)境年貢獻度指數(shù)Fig. 2 The thermal environment contribution indices of 13 cities for the urban agglomeration from 2005 to 2015

3.1.2 季節(jié)差異

統(tǒng)計 2015年京津冀城市群不同城市對城市群熱環(huán)境的季節(jié)貢獻度（圖3）。從城市類型上分析，與年際貢獻度特征相似，張家口市和承德市不同季節(jié)熱環(huán)境貢獻度指數(shù)均小于 0，符合晝夜熱匯型城市的特點，并且夜間降溫效應明顯高于白天；北京市和秦皇島市熱環(huán)境貢獻度指數(shù)在0上下浮動，白天貢獻度指數(shù)小于 0，夜間貢獻度指數(shù)大于 0，白天其對于京津冀城市群表現(xiàn)為匯的角色，夜晚則為城市群熱源城市，但是北京市夜間熱環(huán)境貢獻度明顯大于秦皇島市；其他城市不同季節(jié)熱環(huán)境貢獻度指數(shù)均大于 0，表示無論季節(jié)和晝夜變化，這些城市對城市群熱環(huán)境均起到熱源作用。

圖3 2015年京津冀城市群各城市季節(jié)熱環(huán)境貢獻度Fig. 3 The seasonal CIs of 13 cities in the beijing-tianjin-hebei urban agglomeration in 2015

分析不同城市對城市群熱環(huán)境貢獻度的季節(jié)差異特征。冬季熱環(huán)境貢獻度指數(shù)絕對值普遍較高，晝夜熱匯類型的代表城市——張家口市冬季晝夜熱環(huán)境貢獻度指數(shù)分別為-0.83和-0.96，貢獻度之差僅有0.13，遠小于春季（0.68）和夏季（0.54），春季熱環(huán)境貢獻度之差最大，秋季最??；晝夜熱源城市類型中以邯鄲市最為典型，冬季晝夜平均貢獻度指數(shù)為0.29，高于春季平均值0.15、夏季0.12，秋季0.24；以北京市和秦皇島市為代表的晝匯夜源型城市四季較為平均。不同季節(jié)夜間熱環(huán)境貢獻度指數(shù)相似，唐山市夏季夜間熱環(huán)境貢獻度指數(shù)高于其他三季，天津市、秦皇島市、滄州市和廊坊市四季貢獻度差異較小，其他城市對城市群熱環(huán)境貢獻度指數(shù)均表現(xiàn)為夏季明顯低于其他季節(jié)，春秋季相似，冬季較高。白天各城市除了冬季熱環(huán)境貢獻度指數(shù)較高外，春夏秋熱環(huán)境貢獻度指數(shù)規(guī)律不明顯。呈晝匯夜源的北京市和秦皇島市熱環(huán)境貢獻度指數(shù)不足0.1。

3.2 不同土地利用類型對城市群熱環(huán)境貢獻度差異

3.2.1 土地利用類型對城市群熱環(huán)境貢獻度年際差異

根據(jù)京津冀城市群土地利用類型空間分布和變化情況，分別統(tǒng)計2005年和2015年白天地表平均溫度，計算2005年和2015年各土地利用類型對城市群熱環(huán)境的年平均貢獻度指數(shù)，結(jié)果如表 1所示。

分析京津冀城市群土地利用熱環(huán)境貢獻度年際差異，盡管耕地面積減小，但仍是區(qū)域內(nèi)面積最大的土地利用類型，占區(qū)域面積的47.40%，城市建設用地和農(nóng)村居民點用地面積增加，其他土地利用類型面積變化不大。分析 2015年各土地利用類型平均溫度與區(qū)域平均溫度差值，林地、草地、水域和未利用地平均溫度均低于區(qū)域平均溫度，為城市群熱環(huán)境的匯。其中，林地與區(qū)域平均溫度的差值絕對值最大，達到-3.44 ℃，其次是未利用地、草地和水域；城市建設用地、農(nóng)村居民點和耕地作為城市群熱環(huán)境的源，平均溫度明顯高于區(qū)域平均溫度，其中城市建設用地與區(qū)域平均溫度差值最大，達到2.42 ℃。對比2005—2015年各土地利用類型溫度與區(qū)域差值，未利用地和草地溫度降幅分別為-0.84 ℃和0.57 ℃，而城市建設用地和農(nóng)村居民點則表現(xiàn)出一定的增幅。

分析 2005—2015年土地利用類型對城市群熱環(huán)境貢獻度的變化，作為城市群熱源的土地利用類型中，耕地類型的貢獻度指數(shù)沒有變化，城市建設用地和農(nóng)村居民點類型的貢獻度分別從0.05和0.11上升為0.14和0.16；作為城市群匯的土地利用類型中，水域和未利用地兩種土地利用類型熱環(huán)境貢獻度沒有變化，林地由-0.67減小為-0.73，草地由-0.16減小為-0.24。

隨著城市化進程加速，2005—2015年京津冀城市群土地利用類型面積變化顯著，耕地向農(nóng)村居民點和城市建設用地轉(zhuǎn)化的趨勢明顯。與城市群平均溫度相比，各土地利用類型與平均溫度之間差異增大，結(jié)合土地利用變化情況分析其成因，主要在于相同類型的土地利用斑塊在空間上集聚，形成更大面積的土地利用斑塊，進一步加大了土地利用對城市熱環(huán)境的影響。作為城市群熱環(huán)境的匯，林地和草地對區(qū)域的降溫效應表現(xiàn)為兩種不同的方式。林地面積與區(qū)域平均溫度差值的絕對值均有所增加，其對區(qū)域熱環(huán)境貢獻度絕對值也有所增加；盡管草地面積減少，但是其與區(qū)域平均溫度差值絕對值明顯增加，對區(qū)域熱環(huán)境貢獻度絕對值亦明顯增加。林地和草地分別從面積和強度兩方面表現(xiàn)出對區(qū)域的降溫作用。作為城市群熱環(huán)境的源，耕地與區(qū)域平均溫度差值升高了 0.1 ℃，但是面積比例減少 3.52%，因此其熱環(huán)境貢獻度未發(fā)生變化?？傮w而言，耕地對于區(qū)域熱環(huán)境影響強度不大，但是其面積遠高于其他用地，因此貢獻度較高。然而，隨著耕地面積減小，其貢獻度呈現(xiàn)急劇下降的趨勢；城市建設用地和農(nóng)村居民點對城市群熱環(huán)境的影響機理與之相似。2005—2015年城市建設用地和農(nóng)村居民點面積增加，并且空間聚集度增加，建筑強度增大，導致地表溫度與區(qū)域平均溫度差值增加，因此熱環(huán)境貢獻度指數(shù)明顯增加。由于兩種土地利用類型面積比例較低，所以其對城市群熱環(huán)境影響程度有限，貢獻度分別為0.13和0.17。

表1 2005年和2015年京津冀城市群各土地利用類型熱環(huán)境貢獻度指數(shù)Table 1 CI of different land use types for urban agglomeration thermal environment from 2005 to 2015

3.2.2 土地利用類型對城市群熱環(huán)境貢獻度季節(jié)差異

按照不同土地利用類型分別統(tǒng)計 2015年不同季節(jié)熱環(huán)境貢獻度指數(shù)，結(jié)果如圖4所示。

水域和未利用地對城市群熱環(huán)境貢獻度接近0，主要原因為水域和未利用地占區(qū)域面積較小，分別為2.19%和0.66%，所以該土地利用類型熱環(huán)境貢獻度不顯著。然而，水域?qū)Τ鞘腥簾岘h(huán)境的貢獻度在晝夜間存在顯著差異，白天水域地表溫度小于區(qū)域地表平均溫度，但差異不大，距平值小于0.2 ℃；夜間水域地表溫度大于區(qū)域地表平均溫度，由于水的比熱容較大，溫度變化所需要的熱量更多，水體晝夜溫差較小，所以水體在夜間轉(zhuǎn)變?yōu)闊嵩?。林地和草地在不同季?jié)和晝夜條件下對城市群熱環(huán)境貢獻度指數(shù)均小于 0，表現(xiàn)為較強的降溫效應。草地類型熱環(huán)境貢獻度絕對值最大值出現(xiàn)在冬季夜間，與區(qū)域地表平均溫度差值為 2.80 ℃。草地白天匯的作用弱于夜間，白天隨著季節(jié)變化，其降溫效應顯著增強，而夜間春冬季降溫效果明顯，冬秋季稍弱。林地對京津冀城市群熱環(huán)境的貢獻度指數(shù)在晝夜間差異顯著，白天降溫效果明顯強于夜間，其中夏季貢獻度指數(shù)為-0.90，秋季夜間與區(qū)域地表平均溫度之差絕對值最小，僅為 1.25 ℃，貢獻度僅有-0.28。耕地熱環(huán)境貢獻度晝夜差異性顯著。白天，耕地作為熱源，由于面積較大，具有較高的熱環(huán)境貢獻度指數(shù)。夜間，春、冬季耕地溫度低于區(qū)域地表平均溫度，因此從區(qū)域熱源轉(zhuǎn)為匯，貢獻度指數(shù)分別為-0.40和-0.37；夏季夜間耕地溫度仍高于區(qū)域地表平均溫度，貢獻度指數(shù)為0.25，仍是所有土地利用類型中最為顯著的熱源；秋季夜間熱環(huán)境貢獻度指數(shù)接近 0。分析耕地熱環(huán)境貢獻度季節(jié)和晝夜變化規(guī)律，太陽輻射是決定耕地作為熱源還是匯的重要因素。此外，作物的季節(jié)性特征也是影響耕地作為區(qū)域熱環(huán)境貢獻度的重要原因。

城市建設用地和農(nóng)村居民點熱環(huán)境貢獻度隨季節(jié)變化較小。城市建設用地熱環(huán)境貢獻度指數(shù)在夏季白天最高，春季夜間最低。夜間農(nóng)村居民點熱環(huán)境貢獻度指數(shù)與城市建設用地變化趨勢相同，且均低于城市建設用地。但是，白天農(nóng)村居民點熱環(huán)境貢獻度指數(shù)與城市建設用地有所不同，除夏季熱環(huán)境貢獻度低于城市建設用地，其他季節(jié)均高于城市建設用地，并且冬季熱環(huán)境貢獻度最高。

3.3 城市內(nèi)部不同土地利用類型熱環(huán)境貢獻度差異

為進一步研究土地利用熱環(huán)境貢獻度空間差異，以地級市為研究單元，計算不同土地利用類型在不同時段（季節(jié)、晝夜）貢獻度指數(shù)，結(jié)果如圖5所示。

圖4 2015年京津冀城市群各土地利用類型季節(jié)熱環(huán)境貢獻度Fig. 4 The seasonal Cis of different land use types for urban agglomeration thermal environment in 2015

圖5 2015年京津冀城市群地級市土地利用類型熱環(huán)境貢獻度指數(shù)Fig. 5 CI of land use types for 13 cities in beijing-tianjin-hebei urban agglomeration in 2015Abbreviations: F=Farmland; FL=Forest Land; G=Grassland; W=Water Area; UCL=Urban Construction Land R=Rural Settlement; UL=Unused Land

對比分析不同土地利用類型白天對不同地級市熱環(huán)境貢獻度的季節(jié)性差異。春季，耕地和林地城市熱環(huán)境貢獻度指數(shù)最顯著。大部分城市耕地作為熱源，林地作為匯。其中，北京市、秦皇島市和張家口市耕地熱環(huán)境貢獻度指數(shù)超過 0.5，而邯鄲市和衡水市耕地表現(xiàn)為城市熱環(huán)境的匯；北京市林地熱環(huán)境貢獻度指數(shù)絕對值最大，達到-1.15，降溫效果最強。林地在秦皇島、保定、張家口和承德市也作為重要的匯；水域?qū)Τ鞘袩岘h(huán)境影響最為顯著的是天津市，貢獻度為-0.36；北京市城市建設用地熱環(huán)境貢獻度明顯高于其他城市，達到0.47。邯鄲和石家莊市城市建設用地熱環(huán)境貢獻度次之，均超過0.13。其他城市建設用地并未表現(xiàn)出顯著的升溫作用。夏季各城市中土地利用類型熱環(huán)境貢獻度基本與春季一致。天津市、唐山和廊坊市耕地由熱源轉(zhuǎn)為匯，并且廊坊市耕地熱環(huán)境貢獻度指數(shù)達到-0.10，表現(xiàn)出一定的降溫效應；林地作為匯，降溫效應進一步增加；草地熱環(huán)境貢獻度有所改變，除承德市外，其他城市草地的降溫效應逐步加強；天津市水域熱環(huán)境貢獻度指數(shù)絕對值減??；城市建設用地和農(nóng)村居民點城市熱環(huán)境貢獻度指數(shù)顯著增加。秋季各土地利用類型熱環(huán)境貢獻度指數(shù)在各城市間差異縮小，土地利用對城市熱環(huán)境的作用強度下降。秋季耕地在所有城市中均表現(xiàn)為熱源，其中保定市耕地熱環(huán)境貢獻度最大，達到0.43；林地和草地對不同城市熱環(huán)境均表現(xiàn)為匯，但影響強度有所下降；城市建設用地和農(nóng)村居民點在各城市的熱環(huán)境貢獻度絕對值較夏季和春季也有一定程度減小。冬季植被變化較大，林地和草地的熱環(huán)境貢獻度絕對值減??；城市建設用地熱環(huán)境貢獻度指數(shù)也有所下降，耕地成為各城市最顯著的熱源。綜合對比白天各城市土地利用類型對城市熱環(huán)境貢獻，土地利用類型的熱環(huán)境源匯角色并未發(fā)生明顯改變。隨季節(jié)變化，土地利用類型對城市熱環(huán)境影響強度有所變化，土地利用類型熱環(huán)境貢獻度指數(shù)在春夏季城市間的差異大于秋冬季。

對比分析夜間不同土地利用類型對不同地級市熱環(huán)境貢獻度的季節(jié)性差異。春季，耕地對各城市熱環(huán)境的貢獻角色由白天的熱源轉(zhuǎn)為匯，其中天津市和張家口市耕地熱環(huán)境貢獻度指數(shù)小于-0.3，具有顯著的降溫效應；林地在不同城市熱環(huán)境貢獻度差異較大，其中北京市、天津市、保定市、滄州市和邯鄲市林地熱環(huán)境貢獻度小于 0，并以北京市和保定市降溫效應最強，貢獻度指數(shù)分別為-0.16和-0.14。而在其他城市，林地均作為城市熱源，其中張家口、承德和秦皇島市熱環(huán)境貢獻度指數(shù)均超過0.15；水域和城市建設用地在所有城市中均為熱源，其中天津市水域熱環(huán)境貢獻度最高，達到 0.15；北京市和天津市城市建設用地熱環(huán)境貢獻度明顯高于其他城市，均超過0.21。夏季，耕地和林地較春季熱環(huán)境貢獻度變化顯著。北京市、石家莊市、秦皇島市、邯鄲市和邢臺市耕地熱環(huán)境貢獻度由負變正，即從城市熱環(huán)境的匯轉(zhuǎn)變?yōu)闊嵩?。保定市耕地對熱環(huán)境的正向影響最為顯著，達到 0.21；林地降溫效應顯著增強，其中北京市林地熱環(huán)境貢獻度指數(shù)從-0.16下降到-0.39；其他土地利用類型熱環(huán)境貢獻度較春季無明顯變化；秋季土地利用類型熱環(huán)境貢獻度指數(shù)整體上與春季相似。耕地在不同城市均表現(xiàn)為匯，天津市和張家口市耕地熱環(huán)境貢獻度指數(shù)分別達到-0.32和-0.31；林地熱環(huán)境貢獻度與春季相似，北京市林地具有較強的降溫效應，張家口市和承德市林地對熱環(huán)境的貢獻度指數(shù)分別達到0.30和0.21；城市建筑用地熱環(huán)境貢獻度指數(shù)較夏季有一定程度的下降。冬季，耕地、林地和草地對城市熱環(huán)境的影響強度顯著增加。耕地作為城市熱環(huán)境最重要的匯，其中張家口市耕地對熱環(huán)境的貢獻度指數(shù)達到-0.51；林地對熱環(huán)境的貢獻度指數(shù)升高，僅次于城市建設用地，成為重要的城市熱源；草地在北京市、秦皇島市和承德市均表現(xiàn)為城市熱環(huán)境的匯，其他城市則表現(xiàn)為熱源，其中邯鄲市草地貢獻度指數(shù)最高，達到 0.19。綜合對比夜間土地利用類型對城市熱環(huán)境貢獻，春夏季具有明顯的相似性，夏季耕地和冬季草地受各自物候影響，在不同城市中分別表現(xiàn)出不同的熱環(huán)境源匯特征。城市建設用地和水域的熱環(huán)境貢獻度的季節(jié)差異性較小。

綜合對比京津冀城市群土地利用類型對不同城市熱環(huán)境貢獻度的季節(jié)差異。從晝夜角度分析，相同土地利用類型對不同城市熱環(huán)境的貢獻度表現(xiàn)為白天差異比夜間顯著，這種差異性在耕地和草地中表現(xiàn)最為顯著。耕地、林地和水域甚至存在城市熱環(huán)境源匯角色的差異。城市建設用地始終作為熱源對城市熱環(huán)境具有顯著影響。從季節(jié)變化來看，不同土地利用類型受太陽輻射和物候變化，其熱環(huán)境貢獻度顯著不同。春季和秋季熱力條件相似，土地利用類型熱環(huán)境貢獻度指數(shù)特征相似，夏季和冬季受熱力背景場影響，不同土地利用類型對熱環(huán)境的影響程度會發(fā)生顯著變化。此外，不同城市由于土地利用類型比例差異、開發(fā)強度差異和空間分布差異，不同土地利用類型對城市熱環(huán)境的影響也會呈現(xiàn)顯著差異。

4 討論

當前，學者已深入研究了土地利用類型對城市熱環(huán)境的影響，尤其注重城市建設用地、城市綠地（林地、草地）、水域空間數(shù)量和形態(tài)對城市熱島效應的影響機理。然而，當前研究通常是針對單一土地利用類型的熱環(huán)境效應，對于多種土地利用類型影響城市熱環(huán)境的時空尺度對比較少。本文通過引入熱環(huán)境貢獻度指數(shù)，對比分析不同土地利用類型對城市熱環(huán)境的年際、季節(jié)、晝夜影響過程，從而區(qū)分城市熱環(huán)境源匯景觀并定量計算其影響程度。研究結(jié)果對于基于植被分區(qū)的城市設計進行城市熱環(huán)境調(diào)控具有理論意義。從區(qū)域熱環(huán)境源匯類型對土地利用類型進行劃分，控制源屬性土地利用類型面積和建設強度，避免因為面積增加和利用強度增強所帶來的熱源集聚和顯熱上升等不利因素所造成的城市熱環(huán)境進一步惡化。緩解城市熱環(huán)境惡化，必須同時考慮源匯景觀，除了阻止熱源土地利用的擴張外，要盡可能地提高熱匯土地利用對熱環(huán)境的降溫效應。

但是通過熱環(huán)境貢獻度指數(shù)研究源匯景觀對區(qū)域熱環(huán)境的影響也存在諸多不確定性因素。首先，熱環(huán)境貢獻度指數(shù)是以土地利用類型的地表溫度差異為結(jié)果，該指數(shù)以土地利用面積作為影響因子。但是熱環(huán)境除受土地利用的影響外，還與地形地貌、人為熱排放、大氣環(huán)境等因素有一定關系。如何控制這些外部因素對研究結(jié)果的影響，獲得更加科學的分析結(jié)果是未來熱環(huán)境貢獻度指數(shù)完善的理論要求；其次，貢獻度指數(shù)未考慮土地利用類型在空間上的配置情況。已有研究證實，不同空間配置的土地利用會產(chǎn)生不同的氣候效應。因此，如何引入形態(tài)因子和空間相關性計算以提高研究精度是未來熱環(huán)境貢獻度指數(shù)完善的技術要求；最后，從研究尺度看，1 km空間分辨率的地表溫度數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)可以滿足京津冀城市群熱環(huán)境研究的需要，但是如果深入研究小尺度土地利用與熱環(huán)境的關系，則需要同時提高土地利用類型分類精度和同時段高分辨率地表溫度數(shù)據(jù)，這是未來熱環(huán)境貢獻度指數(shù)完善的數(shù)據(jù)要求。

5 結(jié)論

本研究以京津冀城市群為研究對象，通過熱環(huán)境貢獻度指數(shù)，針對城市群熱環(huán)境年際、季節(jié)、晝夜特征，以區(qū)域、城市以及土地利用3種空間尺度相結(jié)合，歸納不同城市和土地利用類型對城市群熱環(huán)境貢獻的角色特征、強度差異及變化趨勢。

根據(jù)不同城市對京津冀城市群熱環(huán)境的貢獻，可將京津冀城市群劃分為晝夜熱源型、晝匯夜源型和晝夜熱匯型城市，3種類型分別以天津市、北京市和張家口市作為典型代表。2005—2015年各城市對城市群熱環(huán)境的貢獻度指數(shù)絕對值增大，對城市群熱環(huán)境的源匯作用強度增加。熱環(huán)境貢獻度的季節(jié)性差異在冬季最為明顯。耕地和林地對于區(qū)域熱環(huán)境影響顯著，主要體現(xiàn)在影響面積和影響強度兩個方面。城市建設用地和農(nóng)村居民點熱環(huán)境貢獻度隨季節(jié)變化較小，夏季白天表現(xiàn)出最為顯著的熱環(huán)境效應。土地利用類型對熱環(huán)境的貢獻存在季節(jié)和晝夜源匯角色的變化，而對不同城市熱環(huán)境的影響展現(xiàn)出更為明顯的異質(zhì)性。通過熱環(huán)境源匯景觀識別及數(shù)量、空間配置的設計，控制城市熱源，充分發(fā)揮生態(tài)用地的降溫效果，對降低區(qū)域熱環(huán)境效應具有重要意義。