李薇，李曉燕

(1.吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春 130061；2.南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院，南京 210023)

0 引言

熱島效應(yīng)作為城市氣候最具代表性的特征之一，能形成城郊環(huán)流，積聚空氣污染物，破壞生態(tài)環(huán)境，威脅人民身體健康，是生態(tài)環(huán)境課題的重要研究?jī)?nèi)容。要緩解城市熱島效應(yīng)帶來(lái)的一系列問(wèn)題，需要研究其形成機(jī)理及演變機(jī)制。而城鎮(zhèn)化使自然景觀轉(zhuǎn)換為城市建設(shè)用地，對(duì)城市內(nèi)熱量循環(huán)產(chǎn)生阻礙作用，是導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)的重要原因之一。由于長(zhǎng)春的城市化建設(shè)蓬勃開(kāi)展，熱島效應(yīng)問(wèn)題也逐漸凸顯。有數(shù)據(jù)顯示1998—2004年長(zhǎng)春市熱島強(qiáng)度每年平均增速0.15 ℃[1]。因此，深入探究長(zhǎng)春市城市擴(kuò)張與微氣候之間的響應(yīng)關(guān)系，分析建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，明確城市熱島的影響范圍與作用，對(duì)于提高城市內(nèi)人們的生產(chǎn)生活環(huán)境有著非凡的意義。

城市建設(shè)用地的增加會(huì)改變地表的大氣輻射等特征，城市化也會(huì)使生產(chǎn)活動(dòng)聚集、人口增加，消耗能源產(chǎn)生熱量，城市與郊區(qū)氣溫差異增大。已有研究以氣象站點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，研究城郊?xì)鉁氐牟町惒⒑饬繜釐u效應(yīng)，分析城市化過(guò)程中熱島效應(yīng)的時(shí)空演變[2-3]。這些研究對(duì)于推動(dòng)熱島效應(yīng)研究，證實(shí)城市擴(kuò)張與區(qū)域微氣候變化有協(xié)同關(guān)系起到重要作用。但是由于地面氣象站分布不均、空間精度不夠，以點(diǎn)帶面具有較大誤差。遙感技術(shù)具有宏觀性、同步性、周期性和經(jīng)濟(jì)性，在熱島效應(yīng)研究中得到了廣泛的應(yīng)用。研究通過(guò)對(duì)比多期城市建設(shè)用地和地表溫度數(shù)據(jù)，量化分析城市擴(kuò)張及其熱島效應(yīng)[4]，可以直觀地反映二者關(guān)系的有效途徑之一。該方法彌補(bǔ)了由于氣象站點(diǎn)有限帶來(lái)的不足，目前研究多集中在土地利用類型對(duì)城市熱島效應(yīng)的影響[5]、城市景觀格局對(duì)于相對(duì)熱島效應(yīng)的作用[6-7]、城市擴(kuò)張形態(tài)與熱島效應(yīng)的關(guān)系和熱島效應(yīng)驅(qū)動(dòng)力研究方面[8]?？傮w上說(shuō)，對(duì)于城市熱島效應(yīng)的形成原因和特征描述方面較多，量化衡量建設(shè)用地?cái)U(kuò)張對(duì)于熱島分布作用方面的研究尚為鮮見(jiàn)。

本文以長(zhǎng)春市區(qū)為研究區(qū)，基于遙感反演與GIS空間分析技術(shù)，分析1990—2016年間長(zhǎng)春市城市擴(kuò)張強(qiáng)度、擴(kuò)張模式及城市熱環(huán)境的演變規(guī)律，并量化分析了城市擴(kuò)張的微氣候響應(yīng)。研究結(jié)果可為合理進(jìn)行城市規(guī)劃、改善城市生態(tài)環(huán)境，建設(shè)生態(tài)城市提供基礎(chǔ)。

1 材料與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)春坐落于歐亞大陸東岸的中國(guó)東北平原腹地松遼平原，124°18′E～127°05′E，43°05′N～45°15′N，地勢(shì)東高西低。在氣候上，長(zhǎng)春屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，雨熱同季，氣溫由西向東遞減，年平均氣溫4.6 ℃，降水自西向東遞增，年降水量600～700 mm。

改革開(kāi)放前，在以工業(yè)為主導(dǎo)和優(yōu)先發(fā)展重工業(yè)的政策的影響下，長(zhǎng)春城市規(guī)模占全國(guó)領(lǐng)先水平，其城市化水平曾一度高于全國(guó)平均水平。改革開(kāi)放后，由于體制性和結(jié)構(gòu)性矛盾日趨顯現(xiàn)，作為中國(guó)資源型產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，隨著資源變化的制約和影響及其產(chǎn)生資源枯竭等一系列的問(wèn)題，長(zhǎng)春城市發(fā)展一度緩滯，經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度逐漸落后于東部沿海地區(qū)，城市化進(jìn)程緩慢。2007年《東北地區(qū)振興規(guī)劃》實(shí)施以來(lái)，長(zhǎng)春城市化速度明顯提高，成為東北城市化發(fā)展速度最快的城市之一。

1.2 數(shù)據(jù)收集與預(yù)處理

獲取覆蓋長(zhǎng)春市的1990、2000、2010、2016年Landsat TM/OLI遙感影像的灰度值數(shù)據(jù)和地表反射率數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(http：//glovis.usgs.gov/)。研究區(qū)所在遙感影像圖幅編號(hào)為118029和118030。為方便控制變量和數(shù)據(jù)處理，均選擇云量較少的夏季影像(7、8 月份)。在ENVI平臺(tái)中對(duì)下載的遙感影像進(jìn)行了幾何校正，校正的整體誤差控制在0.5個(gè)像元以內(nèi)，對(duì)地表反射率遙感影像進(jìn)行了合成、拼接、剪裁等預(yù)處理，得到整個(gè)研究區(qū)的影像數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行城市建設(shè)用地提取和地表溫度反演。

1.3 城市建設(shè)用地提取

根據(jù)研究?jī)?nèi)容和研究區(qū)特點(diǎn)，城市建設(shè)用地提取采用廣義城市地表下墊面組分模型(vegetation impervious surface-soil，VIS)將景觀分為3類：水體、植被和土壤、建設(shè)用地。用歸一化差異水指數(shù)用于分離出水體，再結(jié)合土壤調(diào)整植被指數(shù)和歸一化建筑指數(shù)，共同組合合成新的指數(shù)：歸一化差分復(fù)合指數(shù)(NDCI)。它利用不同地物的光譜曲線特點(diǎn)有效地將三者分開(kāi)。

在ENVI5.1平臺(tái)計(jì)算來(lái)得到歸一化差分復(fù)合指數(shù)計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：NDWI是歸一化差異水指數(shù)；SAVI是土壤調(diào)整植被指數(shù)；NDBI是歸一化建筑指數(shù)；NIR是近紅外波段；SWIR是短波近紅外波段；GREEN是綠波段。

根據(jù)區(qū)域影像特征建立解譯標(biāo)志，對(duì)不同類型內(nèi)歸一化差分復(fù)合指數(shù)數(shù)據(jù)的數(shù)值分布范圍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析閾值對(duì)歸一化差分復(fù)合指數(shù)進(jìn)行圖密度分割。在ArcGIS 10.2 軟件平臺(tái)中進(jìn)行數(shù)據(jù)二值化、重分類、去噪值、合并碎小斑塊等處理，對(duì)建設(shè)用地進(jìn)行概括提取、自動(dòng)矢量化，再手動(dòng)去除由于異物同譜產(chǎn)生的非建設(shè)用地斑塊，提高精度，得到長(zhǎng)春市1990—2016年建設(shè)用地圖(圖1)。

圖1 長(zhǎng)春市1990—2016年建設(shè)用地圖

依據(jù)隨機(jī)采樣法生成100個(gè)參照點(diǎn)，將分類數(shù)據(jù)與天地圖高清影像進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行精度驗(yàn)證，平均正確率為86%，4年Kappa系數(shù)分別為0.71、0.76、0.73、0.61，具有較高的一致性，完全滿足研究需要。

1.4 城市擴(kuò)張強(qiáng)度計(jì)算

這里的擴(kuò)張強(qiáng)度主要是針對(duì)建設(shè)用地，計(jì)算公式如下：

G=ΔA/TA×T-1×100

(5)

式中：ΔA為單位時(shí)間內(nèi)城市擴(kuò)張的凈增面積，單位為km2；TA為研究區(qū)總面積，單位為km2；T為該時(shí)段長(zhǎng)度，單位為a。

1.5 地表溫度反演及熱島效應(yīng)表征

1)地表溫度反演。用輻射傳輸方程(radiative transfer equation，RTE)進(jìn)行地表溫度反演。反演時(shí)首先預(yù)估大氣對(duì)地表熱輻射的影響，然后把大氣輻射影響從衛(wèi)星傳感器所觀測(cè)到的熱輻射總量中減去得到地表熱輻射強(qiáng)度，最后把熱輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的地表溫度。在ENVI 5.1 平臺(tái)中完成影像的輻射定標(biāo)和大氣校正。輻射傳輸方程如下：

(6)

(7)

結(jié)合ETM+和TM波段特征，將其轉(zhuǎn)換為：

(8)

式中：K1、K2為發(fā)射前預(yù)設(shè)常量。

TM 5：K1=60.776(mgWgcm-2gsr-1gμm-1)，K2=1 260.56 K；

ETM 8：K1=77.489(mgWgcm-2gsr-1gμm-1)，K2=1 321.08 K。

2)熱島效應(yīng)的表征指數(shù)。為了能在同一水平進(jìn)行較為科學(xué)的比較，采用歸一化和杰克森斷點(diǎn)法密度分割的方法進(jìn)行處理，以便分析熱島效應(yīng)變化。熱島效應(yīng)的量化指數(shù)為相對(duì)熱島效應(yīng)指數(shù)、熱貢獻(xiàn)指數(shù)、冷貢獻(xiàn)指數(shù)，具體公式為：

U=LST城市建設(shè)用地-LST平均

(9)

式中：LST城市建設(shè)用地是研究區(qū)中建設(shè)用地的地表平均溫度；LST平均是研究區(qū)的平均地表溫度。

(10)

(11)

式中：m-為建設(shè)用地中低于研究區(qū)平均溫度的像元數(shù)量；LST-城市建設(shè)用地為建設(shè)用地中低于研究區(qū)平均溫度的第j個(gè)像元的溫度值；n-為研究區(qū)低于平均溫度的像元數(shù)量。

1.6 城市擴(kuò)張與地表溫度耦合分析

利用漁網(wǎng)功能建立 2 km的格網(wǎng)，對(duì)單位格網(wǎng)里建設(shè)用地所占的面積比例與格網(wǎng)的平均溫度進(jìn)行相關(guān)性分析。將二者建立一元線性回歸方程。然后將建設(shè)用地占格網(wǎng)面積的百分比按5%為一級(jí)，分成20個(gè)等級(jí)，對(duì)各等級(jí)的平均地表溫度進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 1990—2016年間長(zhǎng)春市城市化進(jìn)程

從圖1可以看出長(zhǎng)春市在1990—2016年城市化過(guò)程顯著，建設(shè)用地范圍不斷擴(kuò)大，由1990年的165.63 km2增加到2016年的774.48 km2，共增加608.85 km2，平均年增加24.35 km2。長(zhǎng)春市建設(shè)用地面積整體呈現(xiàn)快速擴(kuò)張的趨勢(shì)，而且速度越來(lái)越快，強(qiáng)度也越來(lái)越強(qiáng)，均在2008年前后完成級(jí)別躍遷(建設(shè)用地?cái)U(kuò)張速度由快速擴(kuò)張型到高速擴(kuò)張型，擴(kuò)張強(qiáng)度由低速擴(kuò)展越過(guò)中速擴(kuò)展直接到高速擴(kuò)展型)，之后不管是擴(kuò)張速度還是擴(kuò)張強(qiáng)度都有增無(wú)減，擴(kuò)張速度由14.46 km2/a提高到27.26 km2/a，擴(kuò)張強(qiáng)度由1.26提高到2.87(表1)。

表1 長(zhǎng)春市1990—2016年建設(shè)用地面積表

從空間特征來(lái)看，長(zhǎng)春經(jīng)歷了帶狀擴(kuò)張、跳躍式擴(kuò)張、面狀擴(kuò)張階段。1990—2000年間的擴(kuò)張主要集中在北部寬城區(qū)和東部二道區(qū)，沿著東北向S101鐵路交通路線呈帶狀擴(kuò)張；2000—2008年間的擴(kuò)張集中在西南方向高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)，南關(guān)區(qū)呈跳躍式擴(kuò)張，主要交通路線如鐵路公路沿線均有帶狀擴(kuò)張；2008—2016年的擴(kuò)張主要表現(xiàn)為向四周大幅度均勻擴(kuò)張，伊通河沿岸帶狀擴(kuò)張明顯。總體來(lái)看，長(zhǎng)春市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張速度表現(xiàn)為由慢到快，擴(kuò)展范圍表現(xiàn)為由局部到整體的特征。模式上由圈層擴(kuò)張、跳躍擴(kuò)張和帶狀擴(kuò)張逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槊鏍钔卣?圖2)。

圖2 長(zhǎng)春市1990—2016年建設(shè)用地?cái)U(kuò)張圖

2.2 長(zhǎng)春市地表溫度時(shí)空分異

從長(zhǎng)春市1990—2016年溫度分級(jí)圖(圖3)中可以看出長(zhǎng)春市已經(jīng)形成了明顯的城市島狀高溫區(qū)，并沿道路呈帶狀伸展。2000年島狀高溫區(qū)規(guī)模明顯擴(kuò)大，成斑塊聚積狀出現(xiàn)在城市中心及道路沿線，2008年外圍區(qū)域溫度明顯升高，高溫區(qū)域呈破碎化趨勢(shì)，至2016年高溫區(qū)域明顯縮小且高溫斑塊更加破碎。

圖3 長(zhǎng)春市1990—2016年溫度分級(jí)圖

高于研究區(qū)平均溫度的區(qū)域?yàn)闊釐u區(qū)域，熱島區(qū)域占研究區(qū)的總面積百分比為熱島比例。由表2可知熱島比例逐年加大，從7.08%增長(zhǎng)到43.78%，這表明：研究區(qū)內(nèi)高于平均溫度的區(qū)域明顯擴(kuò)大。1990年的低溫級(jí)別占比較大的比例；2000年四級(jí)高溫地區(qū)比例的大幅提升，高等級(jí)熱島景觀比較聚集；2000年之后高溫比例有下降趨勢(shì)，低溫比例有上升趨勢(shì)；2008—2016年4、5級(jí)高溫斑塊有割裂化、破碎化趨勢(shì)。

表2 地表溫度比例表

隨著城市的擴(kuò)張，高級(jí)別的熱島斑塊面積增大，并且?guī)?dòng)了周圍低級(jí)別熱島面積向高級(jí)別上升，使得熱島效應(yīng)的影響在面積上不斷擴(kuò)大。但是2000年后4、5級(jí)高溫級(jí)別所占面積比例下降，而且斑塊破碎程度明顯上升，說(shuō)明熱島效應(yīng)影響范圍廣，但是強(qiáng)度呈減小趨勢(shì)(圖4)。

由不同時(shí)期溫度變化圖(圖5)可以看出：1990—2000年升溫區(qū)域主要在長(zhǎng)春市區(qū)西南部(高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū))，降溫地區(qū)為遠(yuǎn)離長(zhǎng)春周邊1990年的耕地；2000—2008年升溫區(qū)域主要是城市周圍西北部、西部、南部，而市中心溫度基本保持不變；2008—2016年大部分地區(qū)溫度基本不變或呈下降趨勢(shì)，西南部高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)和東北部北湖開(kāi)發(fā)區(qū)有部分地區(qū)呈上升趨勢(shì)，但上升幅度不大。

圖4 長(zhǎng)春市1990—2016年建設(shè)用地溫度分級(jí)累計(jì)百分比圖

圖5 長(zhǎng)春市1990—2016年不同時(shí)期溫度變化分布圖

隨著長(zhǎng)春城市的擴(kuò)張，熱貢獻(xiàn)指數(shù)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。特別是2008年到2016年，熱貢獻(xiàn)指數(shù)呈現(xiàn)出成倍增長(zhǎng)，這與建設(shè)用地面積比例由2008年的24.31%增加到47.28%密切相關(guān)，因?yàn)殡S著城市建設(shè)用地的增加，自然熱力循環(huán)受到影響，建設(shè)用地地區(qū)的熱島效應(yīng)增強(qiáng)。冷貢獻(xiàn)指數(shù)體現(xiàn)了建設(shè)用地中的低溫斑塊，多為城市綠地與水體。從表3中可以看出1990年到2000年冷貢獻(xiàn)輕微減弱，2000—2016年冷貢獻(xiàn)指數(shù)增強(qiáng)，尤其是2008—2016年冷貢獻(xiàn)指數(shù)大幅度增強(qiáng)，這與城市內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化有關(guān)，因?yàn)槌鞘袃?nèi)部增加了綠地的面積，并合理分布城市建設(shè)用地，使得建設(shè)用地對(duì)熱力環(huán)流的影響減弱，熱島效應(yīng)下降，建設(shè)用地氣溫有下降趨勢(shì)。熱貢獻(xiàn)指數(shù)與冷貢獻(xiàn)指數(shù)綜合，導(dǎo)致相對(duì)熱島效應(yīng)指數(shù)先上升后下降，在2000年達(dá)到最大6.01，說(shuō)明城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張過(guò)程中，初期城市熱島效應(yīng)明顯，后期雖然熱島面積增大，但是高溫區(qū)域破碎化趨勢(shì)明顯，熱島強(qiáng)度下降。

表3 熱島指數(shù)

1)長(zhǎng)春城市建設(shè)用地與地表溫度的相關(guān)性分析。對(duì)單位格網(wǎng)里內(nèi)城市建設(shè)用地所占的面積與平均地表溫度進(jìn)行了相關(guān)性分析(圖6)。結(jié)果表明，1990年模擬擬合度較低；2000、2008、2016年模型在p=0.01 水平上顯著相關(guān)，R2從0.366上升到0.435，建設(shè)用地占面積比例與其平均溫度呈明顯線性正相關(guān)。

圖6 長(zhǎng)春市1990—2016年溫度與建設(shè)用地相關(guān)性

單元格網(wǎng)內(nèi)建設(shè)用地所占比例與平均地表溫度統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明(圖7)，1990年溫度隨建設(shè)用地比例的變化折線在建設(shè)用地所占比例為55%處出現(xiàn)斷點(diǎn)，在單位面積內(nèi)建設(shè)用地所占比例為50%、75%和90%處溫度出現(xiàn)陡增，總體變化規(guī)律不明顯。2000—2016年間變化趨勢(shì)一致，當(dāng)單位格網(wǎng)內(nèi)城市建設(shè)用地面積比例達(dá)到40%以后，地表溫度出現(xiàn)有明顯上升趨勢(shì)。

圖7 長(zhǎng)春市1990—2016年溫度-建設(shè)用地折線圖

3 分析與結(jié)論

城市化改變了下墊面的性質(zhì)，阻礙了自然熱力環(huán)流，進(jìn)而對(duì)區(qū)域微氣候產(chǎn)生重要的影響，本文基于遙感和GIS空間分析，探討了長(zhǎng)春市的城市擴(kuò)張進(jìn)展和城市熱島效應(yīng)時(shí)空演變及其關(guān)系。得到如下主要結(jié)論：

①長(zhǎng)春市在1990—2016年建設(shè)用地呈現(xiàn)出快速擴(kuò)張趨勢(shì)，面積共增加608.85 km2。建設(shè)用地?cái)U(kuò)張速度表現(xiàn)為由慢到快，擴(kuò)展范圍表現(xiàn)為由局部到整體的特征。模式上由跳躍擴(kuò)張、帶狀擴(kuò)張逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槊鏍钔卣?。由于長(zhǎng)春市1990年以來(lái)分別設(shè)立了經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)、高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)、凈月經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)和汽車產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)，城市擴(kuò)張明顯；2000—2008年擴(kuò)張速度明顯提高的驅(qū)動(dòng)力為工業(yè)化的加速發(fā)展[9]，這與2003年黨中央國(guó)務(wù)院發(fā)布《關(guān)于實(shí)施東北地區(qū)等老工業(yè)基地振興戰(zhàn)略的若干意見(jiàn)》時(shí)間吻合，振興東北地區(qū)等老工業(yè)基地戰(zhàn)略對(duì)于推動(dòng)?xùn)|北老工業(yè)基地結(jié)構(gòu)調(diào)整，促進(jìn)東北城市化進(jìn)程有積極的作用。2008—2016年的建設(shè)用地?cái)U(kuò)張與交通發(fā)展、經(jīng)濟(jì)發(fā)展有關(guān)，城市規(guī)劃讓步于經(jīng)濟(jì)發(fā)展，使城市化低密度無(wú)序進(jìn)行，建設(shè)用地大面積擴(kuò)張。該研究結(jié)果與已有研究結(jié)論一致[10]。

②隨著城市的擴(kuò)張，長(zhǎng)春市1990、2000、2008、2016年熱島比例分別為7.08、13.74、22.51、43.78。熱島效應(yīng)主要由城市中心向西南部(高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū))和北湖開(kāi)發(fā)區(qū)擴(kuò)展。1990—2000年長(zhǎng)春市熱島效應(yīng)急速惡化，4、5級(jí)高溫斑塊面積擴(kuò)大且呈現(xiàn)出集聚形態(tài)；2000年后高溫斑塊割裂化和破碎化趨勢(shì)明顯，所占比例也有下降趨勢(shì)，雖然熱島輻射面積逐年增大，但是強(qiáng)度下降。在城市化建設(shè)過(guò)程中，可以通過(guò)城市綠地和水體的合理規(guī)劃，建設(shè)用地中工業(yè)基地、商服用地的分散等途徑，達(dá)到高溫斑塊破碎化的效果，從而緩解熱島效應(yīng)。

③相關(guān)性分析表明單位面積建設(shè)用地所占比例與地表溫度相關(guān)性顯著，2000—2016年間，當(dāng)單位面積內(nèi)建設(shè)用地所占比例超過(guò)40%時(shí)，地表溫度上升顯著。這個(gè)結(jié)論與謝啟姣[11]在《武漢城市擴(kuò)張對(duì)熱場(chǎng)時(shí)空演變的影響》文章中確定的35%～40%為區(qū)分建設(shè)用地的閾值范圍相接近。該結(jié)論對(duì)城市建設(shè)用地的合理布局具有一定的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了在城市擴(kuò)張及地表溫度關(guān)系研究方面城市建設(shè)用地所占面積和地表溫度的關(guān)系，不同的城市格局及城市用地下地表溫度也會(huì)有顯著差異，今后將在城市景觀結(jié)構(gòu)對(duì)局部微氣候影響方面進(jìn)一步開(kāi)展工作。