楊 鵬，程巳陽，高 祺，智利輝，張艷品，周靜博，周 陽

（1.石家莊市氣象局，石家莊 050081；2.中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室，北京 100081；3.河北省石家莊生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，石家莊 050022；4.河北省第二測繪院，石家莊 050031）

城市化是人類社會發(fā)展的共同趨勢，也是推動多種環(huán)境變化的重要因素［1-3］。隨著城市化的發(fā)展，許多城市的土地利用/覆蓋和景觀格局都發(fā)生劇烈變化，水泥、瀝青等不透水面組成的建成區(qū)持續(xù)擴張，天然植被、水體等構(gòu)建的生態(tài)空間不斷萎縮，交通及路網(wǎng)用地密度提升，這些都加劇了城市化進程對土地利用類型和格局完整性的破壞［4-7］。城市下墊面的改變，使城市氣候發(fā)生變化，尤其是城市熱島現(xiàn)象異常明顯。由于缺乏可持續(xù)的土地利用規(guī)劃和發(fā)展措施，帶有較大隨意性的城市擴展和舊城區(qū)更新改造產(chǎn)生了嚴重的城市熱環(huán)境惡化后果［8，9］。下墊面類型的改變還會導致反照率、植被覆蓋度、粗糙度以及土壤濕度等下墊面屬性的變化，使下墊面格局的復雜度增加，地面熱容量和導熱率增加，會改變局地地-氣系統(tǒng)的水分和能量收支，進而影響城市熱環(huán)境，直接威脅著城市、社會的可持續(xù)發(fā)展和人們的日常生活［10-14］。城市熱環(huán)境問題一直倍受關(guān)注，已成為生態(tài)學和氣象學研究的一個熱點問題［15］。

自1818年，Howard［16］就倫敦城市中心的氣溫比郊區(qū)氣溫高的重大發(fā)現(xiàn)，第一次提出了“城市熱島”的概念以來，城市熱環(huán)境問題已引起人們的廣泛關(guān)注，國內(nèi)外專家學者從不同方面、采取不同方法研究其成因、分布、影響及對策。Haashemi 等［17］分析了覆蓋類型、土地利用、建筑材料和活動方式不同所引起的熱差異；Sailor［18］利用MODIS 數(shù)據(jù)對伊朗德黑蘭2年的晝夜地表城市熱島進行研究；Grossmanclarke 等［19］在菲尼克斯地區(qū)應用MM5 模型模擬近地表溫度和風速，研究土地覆蓋類型改變和城市發(fā)展對地表能量的影響；Weng 等［20］利用景觀格局指數(shù)研究不同土地利用景觀格局對熱環(huán)境的影響。祝寧等［21］利用TM 遙感數(shù)據(jù)和GIS 技術(shù)對哈爾濱市瞬時熱力場空間格局現(xiàn)狀進行了多角度分析，并分析了綠地面積覆蓋率、建筑容積因素與城市熱力場空間格局的關(guān)系；喬治等［22］通過多時相衛(wèi)星資料分析了北京市地表熱力景觀時空分異特征及演變規(guī)律；周紅妹［23］、岳文澤［24，25］通過多時相衛(wèi)星資料研究上海市的熱島動態(tài)變化特征，并分析了城市熱場分布與綠地分布的對應關(guān)系；劉勇洪等［26］利用MODIS 和NOAA 遙感資料分析了京津冀城市群11 個平原城市熱島時空變化。

近年來，石家莊城市迅速擴張，城市熱環(huán)境問題日益凸顯，關(guān)于該地城市熱環(huán)境問題的研究更多停留在單一年份下墊面與地表溫度（LST）之間的定量關(guān)系，缺乏從多年份定量研究熱環(huán)境與下墊面的時空演變及其相互關(guān)系。鑒于此，以石家莊市主城區(qū)為研究區(qū)，本研究利用1987—2019年3 期Landsat 遙感數(shù)據(jù)，借助遙感、地理信息系統(tǒng)、景觀生態(tài)學和統(tǒng)計分析等技術(shù)方法，分析下墊面類型和熱環(huán)境時空演變及其相互關(guān)系，旨在研究不同下墊面和熱環(huán)境空間分布特征及重心演變以及不同下墊面空間分布和結(jié)構(gòu)特征對城市熱環(huán)境的影響，以期為城市的合理規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境改善以及可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

選取石家莊市主城區(qū)作為研究對象，如圖1 所示。石家莊市地處河北省中南部，太行山東麓，位于北緯37°27'—38°47'，東經(jīng)113°30'—115°20'。石家莊市屬于溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候，太陽輻射的季節(jié)性變化顯著，四季分明。由于城市化進程加快，使得主城區(qū)綠地越來越少，不透水地表持續(xù)擴張，城市熱島效應顯著。近年來，滹沱河區(qū)域開展生態(tài)綜合治理，蓄水和綠化工程使得滹沱河區(qū)域水體和綠地面積大量增加，城市下墊面組分和結(jié)構(gòu)特征發(fā)生明顯改變。

圖1 研究區(qū)示意

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)源及預處理

選取1987、2004、2019年采集日期相對接近的Landsat 遙感影像數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源（表1），該數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/），條帶號/行編號為124/34。利用ENVI 軟件對數(shù)據(jù)進行輻射定標、幾何校正和大氣校正等預處理。

表1 選取的Landsat遙感數(shù)據(jù)信息

2.2 地表溫度反演及熱力等級劃分

針對Landsat 5 TM 數(shù)據(jù)，采用單窗算法反演地表溫度［27］；針對Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)，采用劈窗算法反演地表溫度［28］。為使不同時期的地表溫度數(shù)據(jù)具有較好的可比性，采用極差標準化方法進行標準化處理，公式如下［12］。

式中，Ni表示第i個像元標準化后的值；Ti表示第i個像元的地表溫度值；Tmax表示地表溫度的最大值；Tmin表示地表溫度的最小值。

通過標準化處理后，利用均值-標準差方法將熱力等級劃分為低溫區(qū)、次低溫區(qū)、中溫區(qū)、次高溫區(qū)和高溫區(qū)，其閾值范圍分別為［0，μ-std］、（μ-std，μ-0.5std］、（μ-0.5std，μ+0.5std］、（μ+0.5std，μ+std］和（μ+std，1］，μ為標準化后的平均值，std為標準化后的標準差。其中，本研究將高溫區(qū)和次高溫區(qū)定義為熱島區(qū)。

2.3 空間重心模型

空間重心模型能夠很好地從空間上描述下墊面類型的時空演變特征，能夠有效反映研究區(qū)下墊面景觀格局演變趨勢。下墊面空間重心模型構(gòu)建過程是將研究區(qū)內(nèi)每個小斑塊重心的橫、縱坐標與其面積相乘后分別累加，然后除以區(qū)域的總面積，公式如下［3］。

重心轉(zhuǎn)移距離公式為：

式中，Xt、Yt為研究區(qū)內(nèi)某一下墊面類型t時期的重心坐標值；Cti為t時期第i個斑塊的面積；Xi、Yi為第i個研究區(qū)的坐標值；m為斑塊數(shù)量；C為某一下墊面類型在t1～t2 時間段內(nèi)重心移動距離；Xt1、Xt2分別為某一下墊面類型t1、t2 時期的橫坐標值；Yt1、Yt2分別為t1、t2 時期的縱坐標值。

2.4 景觀格局指數(shù)

為了全面分析石家莊市主城區(qū)下墊面類型結(jié)構(gòu)特征對熱環(huán)境的影響，本研究采用景觀格局指數(shù)表征下墊面類型結(jié)構(gòu)特征，選取景觀類型百分比（PLAND）、最大斑塊指數(shù)（LPI）和聚集度指數(shù)（AI），從景觀格局、景觀優(yōu)勢度以及聚集程度等方面分析研究區(qū)不同下墊面類型結(jié)構(gòu)特征與熱環(huán)境之間的相關(guān)性。采用Fragstats 4.2 軟件計算景觀格局指數(shù)［29］，利用ArcGIS 10.2 中的Fishnet 工具統(tǒng)計各網(wǎng)格內(nèi)的平均LST，在SPSS 20.0 軟件中計算相關(guān)系數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 下墊面類型時空演變特征

利用最大似然法的監(jiān)督分類方法將研究區(qū)分為綠地、水體、不透水地表和未利用地等4 種下墊面類型，總體精度和Kappa 系數(shù)均在0.95 以上，精度符合要求（圖2）。統(tǒng)計了各下墊面類型的面積和占比，由表2 可以看出，綠地和不透水地表是研究區(qū)主要的下墊面類型，為優(yōu)勢景觀，水體和未利用地占比相對較少。1987年綠地和不透水地表的占比分別為69.10% 和19.43%，兩者之和占研究區(qū)總面積的88.53%；2004年綠地和不透水的占比分別為54.34%和39.76%，兩者之和占研究區(qū)總面積的94.10%；2019年綠地和不透水的占比分別為31.14% 和65.65%，兩者之和占研究區(qū)總面積的96.79%。1987—2019年綠地逐漸減少，不透水地表不斷增加，綠地和不透水地表2 種類型之和不斷增加，說明不透水地表增加的面積比綠地的減少面積大，由圖2 和表2 可以看出，水體面積也在增加，未利用地逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌杆乇?，?987年的11.27%減少到2019年的2.08%。這與城市化快速發(fā)展有直接關(guān)系，人為建筑的增加必然導致自然地表的減少。

表2 1987、2004、2019年4 種下墊面類型面積和占比

圖2 1987、2004、2019年下墊面類型分類結(jié)果

由表2、圖3 可以看出，1987—2004年綠地占比由69.10%下降至54.34%，下降了14.76 個百分點，年平均下降速率為0.87%；2004—2019年綠地由54.34%下降至31.14%，下降了23.20 個百分點，年平均下降速率為1.55%；2004—2019年綠地的下降速率比1987—2004年快。1987—2004年不透水地表由19.43%增加至39.76%，增加了20.33 個百分點，年平均增長速率為1.20%；2004—2019年不透水地表由39.76%增加至65.65%，增加了25.89 個百分點，年平均增長速率為1.73%；2004—2019年不透水地表的增長速率比1987—2004年快?？梢?，綠地和不透水地表景觀動態(tài)變化較大，2004—2019年城市發(fā)展比1987—2004年更加迅速。

圖3 研究區(qū)下墊面類型年平均變化速率

為了弄清不同下墊面類型之間的轉(zhuǎn)移情況，利用ENVI 5.2 軟件空間分析模塊分別計算1987—2004年和2004—2019年4 種下墊面類型的轉(zhuǎn)移矩陣。由表3、表4 可以看出，1987—2004年，112.79 km2的綠地轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌杆乇恚?7.98 km2的綠地轉(zhuǎn)變?yōu)槲蠢玫兀?.69 km2的綠地轉(zhuǎn)變?yōu)樗w；2004—2019年，165.24 km2的綠地轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌杆乇恚?.39 km2的綠地轉(zhuǎn)變?yōu)槲蠢玫兀?.65 km2的綠地轉(zhuǎn)變?yōu)樗w。可見，減少的綠地絕大部分都轉(zhuǎn)為不透水地表，隨著城市化進程的加快，大量的農(nóng)田、城區(qū)綠地等生態(tài)性用地不斷被密集建筑群、街區(qū)道路、高架橋等城市用地所取代。

表3 1987—2004年下墊面類型轉(zhuǎn)移面積統(tǒng)計（單位：km2）

表4 2004—2019年下墊面類型轉(zhuǎn)移面積統(tǒng)計（單位：km2）

基于ArcGIS 10.2 分別計算1987、2004、2019年不同下墊面的重心坐標，并計算相鄰年份重心間的轉(zhuǎn)移方向、轉(zhuǎn)移距離和速度（表5），各下墊面類型重心轉(zhuǎn)移示意如圖4 所示。由圖4 可以看出，1987—2019年綠地和水體遷移較為明顯，水體的轉(zhuǎn)移距離最大。水體重心在1987—2004年和2004—2019年兩個時期持續(xù)向北移動，表明滹沱河長期治理工程取得成效。2004—2019年水體重心轉(zhuǎn)移速度比1987—2004年快，表明近年來滹沱河蓄水工程進展加快，水域蓄水面積大幅增加。不透水地表景觀重心緩慢向東北移動，表明石家莊市主城區(qū)城市化進程向東北有所推進。

表5 下墊面類型轉(zhuǎn)移方向、距離和速度

圖4 四種下墊面類型重心轉(zhuǎn)移示意

3.2 熱環(huán)境時空演變特征

從1987、2004、2019年熱力等級分布（圖5）可以看出，隨著城市化的發(fā)展，石家莊市區(qū)熱環(huán)境空間格局發(fā)生巨大變化，時空差異特征明顯。1987年和2004年熱島區(qū)占比分別為25.50%和34.08%，熱島區(qū)不斷增加；2019年熱島區(qū)占比為33.68%，熱島區(qū)比2004年略有減少，呈先增加、后減少的趨勢（表6）。1987—2004年，在滹沱河河道及附近存在一條比較明顯的“高溫帶”，其中心的LST高于市區(qū)中心，這是由于該區(qū)域主要為沙灘地，受太陽輻射影響導致LST很高，隨著滹沱河生態(tài)環(huán)境的改善，沙灘地景觀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗w和綠地景觀，2019年滹沱河河道及附近的“高溫帶”消失，并已演變成石家莊市主城區(qū)的“生態(tài)冷源”?？梢姡w和綠地景觀具有重要的城市生態(tài)系統(tǒng)服務功能，在降低LST方面起到十分重要的作用。

表6 研究區(qū)范圍內(nèi)5 個熱力等級面積和占比統(tǒng)計

圖5 1987、2004、2019年熱力等級分布

由各個熱力等級空間重心轉(zhuǎn)移（圖6、表7）可以看出，1987—2019年低溫區(qū)和次低溫區(qū)轉(zhuǎn)移距離分別為9.05、2.83 km，逐漸向西北轉(zhuǎn)移，這與滹沱河水體逐漸增多有關(guān)，水體的熱慣量大降低了周邊的LST；熱島區(qū)轉(zhuǎn)移距離為2.39 km，重心逐漸向東南轉(zhuǎn)移，這與不透水地表向東北方向發(fā)展結(jié)論不一致，這主要是因為滹沱河的蓄水和綠化工程直接阻斷了熱島區(qū)向東北方向蔓延，有效遏制了該區(qū)域的城市熱島。可見在城市中心規(guī)劃大型水體和綠地，可有效改善城市熱環(huán)境、削弱城市熱島效應。

表7 不同熱力等級轉(zhuǎn)移方向和距離

圖6 不同熱力等級的重心轉(zhuǎn)移

3.3 下墊面類型與熱環(huán)境的相互關(guān)系

為了分析不同下墊面類型對熱環(huán)境的影響，利用ENVI 5.2 軟件統(tǒng)計不同時期、不同下墊面類型的平均LST和標準差，由表8 可以看出，不透水地表和未利用地的平均LST最高，綠地次之，水體最低。1987—2019年不透水地表和未利用地平均LST差值不斷縮小，這主要是因為之前未利用地主要集中分布在滹沱河河道附近，該區(qū)域主要為沙灘地，受太陽輻射影響導致LST很高，隨著滹沱河生態(tài)環(huán)境的不斷改善，沙灘地逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫G地和水體景觀，城區(qū)中未利用地開發(fā)殆盡，少量零星分布且受相鄰下墊面類型斑塊的影響，LST不會過高。從表8 還可以看出，綠地的標準差較其他地表類型最低，且比較穩(wěn)定，說明綠地的熱環(huán)境波動較小。

表8 研究區(qū)內(nèi)4 種下墊面類型平均LST 和標準差統(tǒng)計

由圖7 可以看出，水體基本出現(xiàn)在低溫區(qū)，極少量水體斑塊出現(xiàn)在次低溫區(qū)，這是因為水體熱慣量大；綠地主要分布在低溫區(qū)、次低溫區(qū)和中溫區(qū)；不透水地表在高溫區(qū)和次高溫區(qū)的百分比最高，這是因為城區(qū)建筑、街區(qū)道路等不透水地表吸熱快且熱容量小，較水體和綠地等自然地表升溫更快，造成地表溫度明顯升高。從時間序列上分析，中溫區(qū)、次高溫區(qū)和高溫區(qū)中綠地面積百分比逐漸減少，不透水地表百分比逐漸增加，由此可見，城市土地利用方式和下墊面類型組成是造成LST空間差異的主要原因，合理規(guī)劃城市土地利用規(guī)模、結(jié)構(gòu)及空間布局是改善城市熱環(huán)境的有效途徑。

圖7 1987、2004、2019年石家莊熱力等級中下墊面類型百分比統(tǒng)計

為了進一步分析不同下墊面類型的景觀格局指數(shù)與熱環(huán)境的相關(guān)性，從2019年4 種下墊面類型的PLAND與平均LST的相關(guān)性（圖8）可以看出，綠地和水體PLAND與平均LST呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.844 和-0.598，不透水地表和未利用地PLAND與平均LST呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.911 和0.182，均為極顯著相關(guān)。綠地和不透水PLAND與平均LST的相關(guān)性高于水體，表明在研究區(qū)范圍內(nèi)，綠地為城市地表熱環(huán)境效應抑制的主要貢獻源，不透水地表是造成城市熱島的主要因素。此外，分析相關(guān)系曲線可以得出，綠地和水體PLAND每增加10%，平均LST分別降低0.69 ℃和0.93 ℃；不透水地表PLAND每增加10%，平均LST升高0.75 ℃；說明水體的降溫效果高于綠地，不透水地表對LST的影響力稍大于綠地。這些結(jié)論有力證明了綠地、水體的冷島效應和不透水地表的熱島效應。

圖8 四種類型景觀占比與平均地表溫度的相關(guān)性

由PLAND、LPI和AI與平均LST的相關(guān)性（表9）可以看出，PLAND、LPI和AI與平均LST表現(xiàn)出一致的極顯著相關(guān)關(guān)系，綠地和水體為負相關(guān)，不透水地表和未利用地為正相關(guān)。平均LST與PLAND和LPI的相關(guān)系數(shù)絕對值明顯高于與AI的相關(guān)系數(shù)絕對值，表明一個優(yōu)勢景觀對平均LST的影響明顯大于幾個比較分散或破碎的景觀。由此可以得出，一個較大規(guī)模的綠地（或水體）產(chǎn)生的冷島效應明顯強于幾個較小的分散綠地（或水體）；同理，規(guī)模較大或連片的不透水地表會比幾個較為分散的不透水地表產(chǎn)生更強的熱島效應。

表9 4 種類型景觀格局指數(shù)與平均LST 的相關(guān)性

4 小結(jié)

以石家莊市主城區(qū)為研究區(qū)，基于1987、2004、2019年Landsat 遙感數(shù)據(jù)，本研究運用RS、GIS、景觀生態(tài)學和統(tǒng)計分析等方法，分析下墊面類型和熱環(huán)境時空演變特征及其相互關(guān)系，得出結(jié)論如下。

1）綠地和不透水地表是研究區(qū)主要的下墊面類型，1987—2019年綠地面積逐漸減少，不透水地表面積逐漸增加；2004—2019年比1987—2004年城市擴張速度快，重心轉(zhuǎn)移模型顯示城區(qū)向東北方向發(fā)展，而熱島區(qū)向東南方向發(fā)展，滹沱河的蓄水和綠化工程阻斷了熱島區(qū)向東北方向蔓延，有效遏制了該區(qū)域的城市熱島。

2）較低的LST與綠地和水體分布一致，較高的LST與不透水地表分布一致，水體（滹沱河）和不透水地表分別為石家莊市主城區(qū)的“冷源”和“熱源”；2019年綠地和水體景觀占比每增加10%，平均LST分別降低0.69 ℃和0.93 ℃；不透水地表占比每增加10%，平均LST升高0.75 ℃，水體的降溫效果高于綠地，不透水地表對LST的影響力稍大于綠地，有力證明了綠地、水體的冷島效應和不透水地表的熱島效應。

3）4 種下墊面類型的平均LST與PLAND、LPI和AI均表現(xiàn)出一致的極顯著相關(guān)，綠地和水體為負相關(guān)，不透水地表為正相關(guān)，平均LST與PLAND和LPI的相關(guān)系數(shù)絕對值明顯高于與AI的相關(guān)系數(shù)絕對值，表明一個優(yōu)勢景觀對平均LST的影響明顯大于幾個比較分散或破碎的景觀。

總體而言，下墊面類型和結(jié)構(gòu)是造成熱環(huán)境空間分布差異的主要原因，在城區(qū)規(guī)劃中應當合理增加綠地和水體景觀，優(yōu)化景觀配置，盡量避免熱島區(qū)連成片形成優(yōu)勢景觀，主動規(guī)避無計劃的城市化對熱環(huán)境造成的負面影響。