牛 陸,張正峰*,彭 中,姜亞珍,劉 萌,周孝明,唐榮林

中國(guó)地表城市熱島驅(qū)動(dòng)因素及其空間異質(zhì)性

牛 陸1,張正峰1*,彭 中2,3,姜亞珍2,3,劉 萌4,周孝明5,唐榮林2,3

(1.中國(guó)人民大學(xué)公共管理學(xué)院,北京 100872；2.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049；4.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081；5.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)

基于MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),計(jì)算了中國(guó)284個(gè)地級(jí)市2018年的年平均地表城市熱島強(qiáng)度,分析了中國(guó)地表城市熱島的空間分布規(guī)律和空間集聚模式.結(jié)合多元遙感數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),利用地理加權(quán)回歸模型分析了日間和夜間地表城市熱島強(qiáng)度主要驅(qū)動(dòng)因素的空間異質(zhì)性.結(jié)果表明,中國(guó)地表城市熱島強(qiáng)度的空間分布存在明顯的空間自相關(guān)性;地理加權(quán)模型相比傳統(tǒng)的普通最小二乘模型,極大地提高了驅(qū)動(dòng)因素的解釋程度,日間和夜間的決定系數(shù)分別由最小二乘模型的0.659和0.189提高到了0.876和0.651并且具有更低的殘差平方和以及赤池信息準(zhǔn)則值,從驅(qū)動(dòng)因素來(lái)看,除日間的植被因素對(duì)地表城市熱島強(qiáng)度的影響顯著為負(fù)外,其余因素的影響方向均會(huì)隨著地理位置的改變存在結(jié)構(gòu)性的差異.總體來(lái)講,日間的地表城市熱島強(qiáng)度受城鄉(xiāng)植被差異的影響最大,而在夜間則更容易受社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的影響.

城市熱島；城市環(huán)境；熱紅外遙感；土地利用；MODIS；空間異質(zhì)性；地理加權(quán)回歸；驅(qū)動(dòng)因素

城市熱島作為城市化進(jìn)程中人類影響自然環(huán)境所導(dǎo)致的最為直觀的現(xiàn)象之一,長(zhǎng)期以來(lái)都備受學(xué)者們的關(guān)注[1].傳統(tǒng)的城市熱島研究由于數(shù)據(jù)的限制,通常只能借助由地面站點(diǎn)監(jiān)測(cè)獲取的氣溫對(duì)局部的城市熱環(huán)境進(jìn)行描繪和分析(即冠層城市熱島,canopy UHI)[2].直到20世紀(jì)70年代衛(wèi)星遙感技術(shù)的不斷興起,憑借其低成本、全地表觀測(cè)等諸多優(yōu)勢(shì),才使得大空間尺度的城市熱島研究成為可能.

隨著越來(lái)越多搭載著熱紅外傳感器的衛(wèi)星的發(fā)射和高質(zhì)量熱紅外遙感產(chǎn)品的出現(xiàn),國(guó)內(nèi)外地表城市熱島(SUHI)的研究在最近10a里取得了飛速的發(fā)展[3-10].研究的重點(diǎn)集中在SUHI的時(shí)空分布規(guī)律及其驅(qū)動(dòng)因素的分析,主要目的是為城市熱島減緩提供相應(yīng)的科學(xué)參考依據(jù).Peng 等[11]首次基于MODIS地表溫度產(chǎn)品對(duì)全球419個(gè)大城市的地表城市熱島強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算,研究發(fā)現(xiàn)日間的SUHI強(qiáng)度低于夜間,而植被是日間城市熱島最主要的驅(qū)動(dòng)因素;Zhou等[12]則對(duì)中國(guó)32個(gè)主要城市SUHI強(qiáng)度的時(shí)空分布規(guī)律和驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行了分析,研究發(fā)現(xiàn)日間SUHI強(qiáng)度的空間分布模式與人類熱排放、植被活動(dòng)和氣候有關(guān),而夜間則與反照率、人類熱排放和建筑強(qiáng)度的關(guān)系更密切;Manoli等[13]則開(kāi)發(fā)了一個(gè)連接人口、背景氣候和SUHI強(qiáng)度的粗粒度(coarse- grained)模型,發(fā)現(xiàn)城鄉(xiāng)間蒸散發(fā)和對(duì)流效率的差異是SUHI的決定因素.盡管上述里程碑式的大空間尺度研究不僅極大提高了人們對(duì)于城市熱島現(xiàn)象的理解,也從空氣動(dòng)力學(xué)等角度拓展了城市熱島研究的理論基礎(chǔ)[14],但大多是從全局的角度出發(fā)對(duì)驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行分析,忽略了相關(guān)驅(qū)動(dòng)因素與SUHI關(guān)系(即空間過(guò)程,)的空間異質(zhì)性,這導(dǎo)致相關(guān)的研究結(jié)論可能存在著一定程度上的區(qū)域間偏誤.因此,本文基于MODIS地表溫度產(chǎn)品,使用探索性空間數(shù)據(jù)分析和地理加權(quán)回歸模型等方法對(duì)2018年中國(guó)284個(gè)地級(jí)市的日間及夜間地表城市熱島強(qiáng)度的驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行分析,研究中國(guó)地表城市熱島的空間集聚模式,中國(guó)地表城市熱島與其主要驅(qū)動(dòng)因素在空間上的關(guān)系的異質(zhì)性.

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)及研究數(shù)據(jù)

本研究選擇中國(guó)284個(gè)地級(jí)市為研究區(qū),涵蓋了中國(guó)約94%的人口,所采用的數(shù)據(jù)共分為以下幾個(gè)部分:①地表溫度數(shù)據(jù).本研究采用2018年中國(guó)區(qū)域的1km空間分辨率的MODIS 8d合成地表溫度產(chǎn)品(MOD11A2,MYD11A2,Version 006,),來(lái)計(jì)算日間和夜間的地表城市熱島強(qiáng)度[15];②土地利用數(shù)據(jù).由于地表溫度產(chǎn)品空間分辨率(1km)的限制,單純提高土地利用數(shù)據(jù)集的分辨率對(duì)SUHI強(qiáng)度計(jì)算準(zhǔn)確性并沒(méi)有太大提升,綜合考慮分類精度和數(shù)據(jù)的可獲得性,本研究采用2018年歐空局氣候變化倡議(European Space Agency's Climate Change Initiative) 300m空間分辨率的中國(guó)區(qū)域的土地利用數(shù)據(jù)(http://maps.elie.ucl.ac.be/CCI/)對(duì)城市熱島強(qiáng)度計(jì)算中城鄉(xiāng)區(qū)域進(jìn)行劃定,并計(jì)算城市建成區(qū)面積;③高程數(shù)據(jù).中國(guó)數(shù)字高程(DEM)空間分布數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)的雷達(dá)地形測(cè)繪SRTM(SRTM)數(shù)據(jù)(www.resdc.cn),用來(lái)剔除高程對(duì)SUHI強(qiáng)度的影響;④歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù).使用2018年中國(guó)區(qū)域的1km空間分辨率的MODIS 16d合成NDVI數(shù)據(jù)(MCD11A3v006,ftp://ladsftp.nascom. nasa.gov)來(lái)計(jì)算城鄉(xiāng)間植被的差異作為驅(qū)動(dòng)因素;⑤PM2.5數(shù)據(jù).使用基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法,利用多源衛(wèi)星及觀測(cè)數(shù)據(jù)生產(chǎn)的中國(guó)高分辨率空氣污染數(shù)據(jù)集(,CHAP)中2018年1km分辨率的PM2.5數(shù)據(jù)[16],分析空氣污染對(duì)SUHI的影響;⑥降水?dāng)?shù)據(jù).使用中國(guó)2018年1km分辨率的逐月降水?dāng)?shù)據(jù)(http://www. geodata.cn/),分析氣候?qū)UHI的影響[17];⑦夜間燈光數(shù)據(jù).使用經(jīng)校正過(guò)的2018年中國(guó)區(qū)域的1km分辨率夜間燈光數(shù)據(jù)(https://figshare.com/),分析城市發(fā)展強(qiáng)度對(duì)SUHI的影響[18];⑧地級(jí)市尺度的年末總?cè)丝跀?shù)據(jù)用于分析人類活動(dòng)對(duì)SUHI強(qiáng)度的影響,數(shù)據(jù)整理自《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒》[19].

1.2 城市熱島強(qiáng)度計(jì)算

從城市熱島本身的概念(即城市溫度高于周圍郊區(qū)的現(xiàn)象)出發(fā)計(jì)算城市熱島強(qiáng)度是目前城市熱島研究中廣泛采用的手段,因此城鄉(xiāng)區(qū)域的劃定成為了SUHI強(qiáng)度計(jì)算的核心問(wèn)題.以往研究通常將土地利用圖像中建成區(qū)的像元直接或經(jīng)過(guò)空間聚合等操作作為城市區(qū)域,得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用.而郊區(qū)范圍的劃定則存在較大的差異,也是造成不同研究計(jì)算SUHI強(qiáng)度的結(jié)果存在差異的主要原因.第一類劃定郊區(qū)的算法是緩沖區(qū)方法,通常將城市地區(qū)1～50km或城市區(qū)域面積的50%～300%的緩沖區(qū)作為郊區(qū).此類方法最大的問(wèn)題是難以確定緩沖區(qū)的具體大小,不同研究者的劃定結(jié)果可能相差幾倍甚至幾十倍的,這導(dǎo)致其研究的結(jié)論也存在明顯差異甚至相反[20].第二類則是固定范圍的郊區(qū)劃定方法,例如Chakraborty等[7]首次利用基于美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制的urban area數(shù)據(jù)作為郊區(qū)范圍基于谷歌地球云計(jì)算平臺(tái)對(duì)全球城市熱島強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算,Lai等[2]則將行政區(qū)范圍作為每個(gè)城市的郊區(qū)邊界計(jì)算了中國(guó)的城市熱島強(qiáng)度,分析了SUHI的典型晝夜模式.與第一類方法相比,使用第二類方法所得到的城市熱島強(qiáng)度物理意義更加明確,即人類活動(dòng)和城市化對(duì)某個(gè)邊界范圍內(nèi)熱環(huán)境的擾動(dòng).而行政區(qū)作為開(kāi)展城市治理與社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)的基本單位,具有更強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義,基于此得到的城市熱島強(qiáng)度也更有政策指導(dǎo)價(jià)值.綜合考慮上述因素,本研究采用地級(jí)市的行政區(qū)邊界作為城市熱島強(qiáng)度計(jì)算中的郊區(qū)范圍邊界.年平均城市熱島強(qiáng)度的計(jì)算公式如下:

式中:SUHI為城市熱島強(qiáng)度,℃;LST為城市地區(qū)的平均溫度,℃;LST為行政區(qū)內(nèi)其余地區(qū)(即本文所劃定的郊區(qū)范圍)的平均溫度,℃;

在計(jì)算過(guò)程中,為了避免水體和永久冰雪對(duì)SUHI的影響,剔除了LST數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)上述2種土地利用類型的像元.并且為了減少高程對(duì)SUHI的影響,同樣剔除了郊區(qū)中高程值高于或低于城市區(qū)域平均高程50m的LST像元.使用同樣的方法計(jì)算了DNDVI和Δ降水.

除此之外,為了降低MODIS產(chǎn)品本身反演誤差對(duì)結(jié)果的影響,在SUHI強(qiáng)度計(jì)算之前,參考Lai 等[21]對(duì)于遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制對(duì)SUHI強(qiáng)度影響的研究結(jié)論,本文依據(jù)MODIS LST產(chǎn)品中質(zhì)量控制波段給出的信息,剔除了部分有云及誤差>3K的影像.

1.3 探索性空間數(shù)據(jù)分析

為了分析中國(guó)SUHI強(qiáng)度分布的空間集聚特征,本研究選擇經(jīng)典的全局Moran's指數(shù)[22]檢驗(yàn)全國(guó)尺度下SUHI強(qiáng)度的空間自相關(guān)性,當(dāng)全局Moran's指數(shù)顯著且大于0時(shí),表示SUHI強(qiáng)度呈現(xiàn)正向的空間自相關(guān),其數(shù)值越大表明SUHI強(qiáng)度的集聚性特征越強(qiáng);當(dāng)全局 Moran's指數(shù)顯著且小于0時(shí),表明SUHI呈現(xiàn)的負(fù)向的空間自相關(guān),其值越小表明空間離散性特征越強(qiáng),全局Moran's指數(shù)的計(jì)算公式如下:

除此之外,本文利用局部Moran's指數(shù)進(jìn)一步探索SUHI強(qiáng)度在全國(guó)區(qū)域的空間集聚位置,識(shí)別SUHI強(qiáng)度的空間聚集特征.根據(jù)局部Moran's指數(shù)的顯著程度和正負(fù),空間集聚的模式可以被劃分為5類,即高-高集聚、高-低集聚、低-低集聚和低-高集聚和不顯著,分別代表高值周圍是高值、高值周圍是低值、低值周圍是低值、低值周圍是高值和無(wú)顯著集聚5種情況,即該城市的SUHI與周圍地區(qū)SUHI是否存在空間分布規(guī)律上的聯(lián)系.

1.4 地理加權(quán)回歸模型

應(yīng)用經(jīng)典的線性回歸模型(OLS)進(jìn)行分析時(shí),本質(zhì)上假定了一個(gè)靜止的過(guò)程,因此自變量對(duì)因變量在空間的不同區(qū)域也會(huì)有同樣的影響(即回歸方程的系數(shù)在空間上保持不變).然而在很多情況下,自變量與因變量之間的關(guān)系會(huì)在空間上發(fā)生變化,地理加權(quán)回歸就是一種空間變系數(shù)的模型,可以分析驅(qū)動(dòng)因素在空間上的異質(zhì)性.其公式如下:

式中:為被解釋變量矩陣;是解釋變量矩陣;()為觀察點(diǎn)上第個(gè)回歸系數(shù);為模型殘差.

從式(3)可以看出,GWR模型的回歸參數(shù)可以隨著空間位置的變化而變化,其表達(dá)式為:

式中:為GWR模型中的空間權(quán)重矩陣,本文選擇Gauss形式的核函數(shù)來(lái)計(jì)算GWR模型中的空間權(quán)重矩陣,表達(dá)式如下:

式中:表示城市和城市之間的權(quán)重影響;為模型的帶寬,帶寬越大,則“借點(diǎn)”的個(gè)數(shù)越多,權(quán)重影響隨著距離d的增加,衰減的越慢,反之亦然;帶寬是地理加權(quán)回歸模型中除核函數(shù)形式外最為重要的參數(shù),本研究依據(jù)赤池信息準(zhǔn)則(AICc)來(lái)確定模型的最優(yōu)帶寬[23].

2 結(jié)果與討論

2.1 中國(guó)城市熱島的空間分布模式

從圖1中可以看出,中國(guó)的絕大多數(shù)城市存在著明顯的城市熱島現(xiàn)象,從日間來(lái)看,華北和西北地區(qū)的SUHI強(qiáng)度明顯低于南方,甚至部分城市出現(xiàn)了“城市冷島”的現(xiàn)象,即城市地區(qū)溫度低于周圍郊區(qū).大部分城市的SUHI數(shù)值處于1～2℃之間,個(gè)別城市超過(guò)了3℃.從夜間來(lái)看,SUHI強(qiáng)度沒(méi)有明顯的緯度差異,絕大多數(shù)城市的SUHI強(qiáng)度集中在0.5～1℃之間.

圖1 中國(guó)地表城市熱島強(qiáng)度的空間分布模式

審圖號(hào):GS(2021)3719號(hào),灰色表示未納入計(jì)算的地區(qū),下同

為了進(jìn)一步量化分析SUHI強(qiáng)度的空間模式,分別計(jì)算了日間和夜間的全局Moran's指數(shù),結(jié)果顯示日間和夜間的Moran's指數(shù)分別是0.448和0.286,對(duì)應(yīng)的值分別為17.62和10.51.這說(shuō)明SUHI強(qiáng)度具有顯著的正向空間自相關(guān)性,并且日間明顯高于夜間.為了確定出現(xiàn)空間集聚的地區(qū),本文計(jì)算了日間和夜間SUHI強(qiáng)度的局部Moran's指數(shù),并繪制了其空間分布的Lisa聚集分布(圖2,).從圖2可以看出,日間SUHI的高-高集聚主要集中在東南沿海地區(qū)及中部地區(qū),而低-低集聚則主要集中在京津冀、內(nèi)蒙古等華北地區(qū).夜間SUHI的空間集聚模式與日間有很大差異,不僅出現(xiàn)顯著集聚情況的地區(qū)明顯減少,集聚的方式也出現(xiàn)相反的特征.低-低集聚僅出現(xiàn)在東南沿海的杭州及其周邊地區(qū)、西南的川渝及其周邊地區(qū),高-高集聚僅出現(xiàn)在中部的開(kāi)封、阜陽(yáng)及周邊地區(qū)、東北的沈陽(yáng)及其周邊地區(qū)以及內(nèi)蒙古的呼包鄂地區(qū).

圖2 中國(guó)地表城市熱島的空間集聚模式

通過(guò)上述對(duì)空間特征的分析,發(fā)現(xiàn)中國(guó)城市空間的SUHI強(qiáng)度存在明顯的空間自相關(guān),并且日間和夜間的模式也有很大的不同.因此,使用包括普通多元線性回歸在內(nèi)的各種全局模型分析SUHI的驅(qū)動(dòng)因素時(shí),難以避免的會(huì)忽略其數(shù)據(jù)本身存在的空間異質(zhì)性,因此有必要引入地理加權(quán)回歸模型進(jìn)行分析.

2.2 地理加權(quán)回歸結(jié)果分析

對(duì)于驅(qū)動(dòng)因素的選擇,主要依照兩項(xiàng)原則:①已有研究使用過(guò)且顯示為顯著;②盡可能精簡(jiǎn).因此本文所選取的驅(qū)動(dòng)因素共6個(gè),包括3個(gè)自然因素變量:城鄉(xiāng)植被差異(DNDVI)、城鄉(xiāng)降水差異(Dprecipitation)以及城市的空氣污染水平(PM2.5),3個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素變量:平均夜間燈光值(NTL)、人口(population)以及建成區(qū)面積(built-up area).

表1為GWR模型運(yùn)算結(jié)果的匯總.為了便于分析各驅(qū)動(dòng)因素對(duì)SUHI強(qiáng)度的相對(duì)貢獻(xiàn)大小,本研究對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化,因此模型運(yùn)算得到的回歸系數(shù)均為無(wú)量綱的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù),同一模型內(nèi)可以直接比較不同驅(qū)動(dòng)因素對(duì)SUHI的相對(duì)貢獻(xiàn)程度.通過(guò)對(duì)GWR系數(shù)結(jié)果的整理與統(tǒng)計(jì),共構(gòu)建了最大值、最小值、平均值、中位數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差5項(xiàng)統(tǒng)計(jì)指標(biāo).模型診斷信息部分匯報(bào)了GWR模型和對(duì)應(yīng)的OLS模型的決定系數(shù)、調(diào)整決定系數(shù)、赤池信息準(zhǔn)則值和殘差平方和4項(xiàng),從而分析GWR模型相比傳統(tǒng)全局模型的優(yōu)劣.從結(jié)果來(lái)看,日間和夜間模型的最佳帶寬分別為79和80,帶寬即GWR模型運(yùn)算中“借點(diǎn)”的個(gè)數(shù),相比于模型總體變量數(shù)(284)可以大致認(rèn)為本模型為省級(jí)尺度和全國(guó)級(jí)尺度之間的局部區(qū)域模型.日間和夜間GWR的模型解釋力分別為0.876和0.651,日間模型的解釋程度明顯高于夜間,并且日間模型也具有更低的AICC值和更小的殘差平方和.但是相比于OLS模型,夜間的GWR模型明顯具有更大的提升,決定系數(shù)提升了超過(guò)3倍,這在一定程度上表明,夜間的SUHI強(qiáng)度的空間過(guò)程存在更顯著的空間變異性.針對(duì)具體的驅(qū)動(dòng)因素來(lái)看,除日間GWR模型中植被的系數(shù)均為負(fù)值外,其余變量的影響方向會(huì)改變,這種情況的出現(xiàn)表明,各驅(qū)動(dòng)因素對(duì)SUHI的影響會(huì)隨著空間位置的變化有著結(jié)構(gòu)性的差異.總體來(lái)看,植被和建成區(qū)面積通常對(duì)于SUHI具有更顯著的影響,但僅從統(tǒng)計(jì)表無(wú)法分析驅(qū)動(dòng)因素在局部空間的異質(zhì)性.

表1 GWR模型結(jié)果匯總

從圖3中可以看出,日間模型的整體解釋程度更高,日間和夜間的決定系數(shù)區(qū)間分別是0.28～0.93以及0.27～0.78.無(wú)論是日間和夜間,模型在中部和西部地區(qū)的解釋程度相對(duì)更高,日間解釋程度最低的地區(qū)位于西南云貴地區(qū)、東部的浙江地區(qū)和北部的山東地區(qū),而夜間解釋程度最低的地區(qū)則主要集中在東北.這說(shuō)明上述地區(qū)可能由于其相對(duì)獨(dú)特的城市發(fā)展模式、建筑特征和能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)等難以量化的因素對(duì)SUHI有較大的影響,導(dǎo)致現(xiàn)有模型無(wú)法對(duì)上述地區(qū)SUHI強(qiáng)度的變化規(guī)律進(jìn)行良好的解釋.

圖3 GWR模型的決定系數(shù)空間分布

2.3 驅(qū)動(dòng)因素的空間異質(zhì)性分析

圖4和圖5分別為日間和夜間GWR模型中各個(gè)驅(qū)動(dòng)因素系數(shù)的空間分布,只對(duì)在10%的水平上顯著的觀測(cè)樣本進(jìn)行了繪制.

從日間來(lái)看,城鄉(xiāng)植被的差異基本在全國(guó)范圍都顯著,并且在西北的影響程度明顯高于東南地區(qū),這可能是由于西北地區(qū)干旱風(fēng)險(xiǎn)的存在極大的提高了植被對(duì)SUHI強(qiáng)度的控制作用;空氣污染在京津冀、甘肅和內(nèi)蒙古自治區(qū)等北方地區(qū)對(duì)城市熱島有顯著的正向影響,因此針對(duì)“2+26”通道城市開(kāi)展的PM2.5治理環(huán)境政策同樣有助于日間城市熱環(huán)境的改善,除此之外,PM2.5在安徽、河南、山東、湖北等中東部地區(qū),廣西、湖南等南部地區(qū)有著負(fù)向的影響,這說(shuō)明日間城市熱島受PM2.5影響的規(guī)律隨著緯度變化可能會(huì)有所改變,PM2.5濃度的增加并非總會(huì)增強(qiáng)SUHI的水平;城鄉(xiāng)降水差異對(duì)城市熱島的影響在大部分地區(qū)均為正向,并且在華中地區(qū)有著明顯的集聚,這可能是由于城市化進(jìn)程改變了局地的氣候,從而進(jìn)一步惡化了城市熱環(huán)境;從社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)因素的角度來(lái)看,人口對(duì)城市熱島的影響在部分地區(qū)顯著為負(fù),這與前人的研究有較大差異,例如Peng 等[11]的研究中發(fā)現(xiàn),人口對(duì)SUHI強(qiáng)度的影響在多數(shù)情況下為負(fù)向但不顯著,而Manoli 等[13]的研究則顯示人口對(duì)SUHI強(qiáng)度通常有正向的影響.造成該結(jié)果的原因可能是以統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中的年末總?cè)丝谶@項(xiàng)指標(biāo)表征人類活動(dòng)強(qiáng)度分析其對(duì)SUHI的影響可能存在著一定程度不合理,因此導(dǎo)致包括本文在內(nèi)多項(xiàng)研究對(duì)其分析結(jié)果并不穩(wěn)健,甚至得到相反的結(jié)論.但由于本文的研究重點(diǎn)是SUHI強(qiáng)度驅(qū)動(dòng)因素的空間異質(zhì)性拓展分析,而年末總?cè)丝谝彩谴罅縎UHI驅(qū)動(dòng)因素分析中最常用的指標(biāo)之一,為了更好的與既往研究相比較,仍然采用了本指標(biāo).綜合討論本研究與以往文獻(xiàn)對(duì)于人口指標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)分析結(jié)果表明,基于目前行政區(qū)尺度的人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),人類活動(dòng)對(duì)城市熱島的影響機(jī)制尚不明確,因此大都市人口疏解對(duì)區(qū)域熱環(huán)境改善的結(jié)果可能需要借助更多公共政策分析的工具才能準(zhǔn)確量化.相較而言,建成區(qū)面積在大部分地區(qū)都對(duì)日間SUHI有著正向影響,在甘肅、湖南、湖北及貴州等地區(qū)最為顯著.這說(shuō)明部分地區(qū)城市建成區(qū)的擴(kuò)張會(huì)極大地提高日間SUHI,但并非北京、上?；蛏钲诘冉?jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū),并且在江蘇、浙江的部分城市,建成區(qū)面積的影響甚至為負(fù),因此通過(guò)限制城市面積的擴(kuò)張對(duì)城市熱環(huán)境的改善作用需根據(jù)不同地區(qū)具體分析.夜間燈光強(qiáng)度表征著城市化的強(qiáng)度,在上海、甘肅和內(nèi)蒙古等地區(qū)對(duì)SUHI具有顯著的正向影響,在陜西、湖南和重慶等地區(qū)的影響則顯著為負(fù),但在北京、深圳和廣州等地區(qū)的影響則并不顯著.這說(shuō)明城市化水平對(duì)SUHI影響的機(jī)制十分復(fù)雜,應(yīng)更充分考慮其與其他生態(tài)、社會(huì)指標(biāo)的耦合協(xié)同控制作用從而進(jìn)行綜合評(píng)估.本文對(duì)于夜間燈光變量的分析相比于Li等[24]同樣利用本指標(biāo)的研究,提供了更多空間細(xì)節(jié)上的經(jīng)驗(yàn)證據(jù),可以更有助于分析特定地區(qū)城市化強(qiáng)度對(duì)SUHI的影響.

圖4 日間GWR模型中變量回歸系數(shù)的空間分布

a.城鄉(xiāng)NDVI差異;b.PM2.5;c.城鄉(xiāng)降水差異;d.夜間燈光;e.人口;f.建成區(qū)面積

從夜間來(lái)看,植被對(duì)SUHI的影響明顯小于日間,并且在華北、西南和東北等地區(qū)存在著顯著的正向影響,但是在中部等地區(qū)與日間同樣存在著負(fù)向的影響,這表明植被類型和氣候等因素會(huì)導(dǎo)致城鄉(xiāng)植被的差異對(duì)SUHI強(qiáng)度的控制方式不同.前人研究通常認(rèn)為植被對(duì)夜間SUHI有著負(fù)向的影響,但本文發(fā)現(xiàn)這種規(guī)律在空間上存在著明顯的結(jié)構(gòu)上的異質(zhì)性.PM2.5對(duì)夜間SUHI的影響僅在東部和南方的部分地區(qū)有著顯著的影響,且絕大多數(shù)情況下為正值,在安徽和湖北等地區(qū)的影響最強(qiáng),說(shuō)明PM2.5在經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的地區(qū)會(huì)顯著影響夜間熱環(huán)境,與日間的規(guī)律存在著緯度上的差異.而城鄉(xiāng)降水差異則在華北和西北地區(qū)對(duì)SUHI有著顯著的正向影響,同樣與其日間的規(guī)律在緯度上來(lái)看有很大的不同.上述對(duì)PM2.5和城鄉(xiāng)降水差異與SUHI關(guān)系的分析說(shuō)明,自然因素對(duì)SUHI的控制情況隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的改變有著明顯差異,甚至存在著截然相反的控制規(guī)律,對(duì)城鄉(xiāng)環(huán)境的改善需充分考慮日間和夜間的特點(diǎn)從而采取不同的措施.社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)因素對(duì)SUHI的影響無(wú)論是強(qiáng)度和顯著的范圍相比日間明顯有所增大.夜間燈光在北方基本對(duì)所有城市均有著顯著的影響,且絕大多數(shù)地區(qū)均為正值,這說(shuō)明北方地區(qū)城市的發(fā)展強(qiáng)度顯著提高了SUHI.人口對(duì)SUHI的影響在西部地區(qū)的甘肅、云南、廣西等地區(qū)顯著為負(fù),而在東北地區(qū)則顯著為正,建成區(qū)面積對(duì)SUHI的影響則恰好相反,在東北地區(qū)為負(fù),西部地區(qū)為正.這說(shuō)明人類的活動(dòng)與城市發(fā)展對(duì)夜間SUHI的影響機(jī)制存在較大的差異,針對(duì)夜間的城市熱島減緩需要權(quán)衡兩者之間的關(guān)系從而針對(duì)不同地區(qū)制定相關(guān)的國(guó)土空間規(guī)劃或人口政策.

綜合分析本研究所涉及的6項(xiàng)驅(qū)動(dòng)因素發(fā)現(xiàn),所有因素對(duì)SUHI影響的空間異質(zhì)性都十分顯著,說(shuō)明了本研究應(yīng)用GWR模型進(jìn)行分析的必要性. GWR模型的結(jié)果相比傳統(tǒng)的全局線性回歸模型提供了大量包含空間位置信息的具體細(xì)節(jié),因此對(duì)于驅(qū)動(dòng)因素的分析則更側(cè)重于得到不同城市、地區(qū)的針對(duì)性結(jié)論.但總體來(lái)看,植被作為城市溫度的調(diào)節(jié)器對(duì)SUHI的控制作用最為強(qiáng)烈,日間顯著為負(fù),而夜間則根據(jù)地理位置的不同在部分地區(qū)存在正向的影響;其次為夜間燈光、人口和建成區(qū)等社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素,最后為降水和PM2.5等自然和氣象因素.

圖5 夜間GWR模型中變量回歸系數(shù)的空間分布

a.城鄉(xiāng)NDVI差異;b.PM2.5;c.城鄉(xiāng)降水差異;d.夜間燈光;e.人口;f.建成區(qū)面積

3 結(jié)論

3.1 中國(guó)的地表城市熱島存在著顯著的空間自相關(guān)性,因此以往利用全局模型忽略了其空間性的驅(qū)動(dòng)因素研究可能存在偏誤.而GWR模型不僅顯著的提高了模型的解釋力,并且從空間變系數(shù)的角度提供了更豐富的驅(qū)動(dòng)力解釋信息.除日間的城鄉(xiāng)植被因素差異外,其余驅(qū)動(dòng)因素對(duì)地表城市熱島強(qiáng)度的影響方向均存在著結(jié)構(gòu)性的差異.

3.2 總體來(lái)講,植被基本在全國(guó)所有地區(qū)都是日間城市熱島最主要的驅(qū)動(dòng)力,城鄉(xiāng)植被差異的減小可以顯著的降低日間的SUHI,而空氣污染和社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)因素對(duì)SUHI的影響則根據(jù)地理位置的不同有著顯著的差異,例如京津冀地區(qū)的空氣污染水平對(duì)SUHI有著顯著的正向影響.

3.2 城市熱環(huán)境的影響機(jī)制復(fù)雜、空間異質(zhì)性強(qiáng),其治理與改善需要社會(huì)多方的長(zhǎng)期努力.本研究建議無(wú)論是面向高質(zhì)量發(fā)展的國(guó)土空間布局優(yōu)化或城市環(huán)境改善的具體政策的制定,都應(yīng)當(dāng)充分考慮區(qū)域間的特點(diǎn)因地制宜的采取不同的舉措.例如,限制城區(qū)面積的擴(kuò)張對(duì)日間城市熱島的減緩可能在一些中部地區(qū)和西北更為有效,而空氣污染的協(xié)同治理則是中東部地區(qū)夜間城市熱環(huán)境改善的最有效的舉措之一.

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China’s surface urban heat island drivers and its spatial heterogeneity.

NIU Lu1, ZHANG Zheng-feng1*, PENG Zhong2,3, JIANG Ya-zhen2,3, LIU Meng4, ZHOU Xiao-min5, TANG Rong-lin2,3

(1.School of Public Administration and Policy, Renmin University of China, Beijing 100872, China；2.State Key Laboratory of Resources and Environment Information System, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China；3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China；4.Key Laboratory of Agricultural Remote Sensing, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China；5.School of Civil Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)., 2022,42(2)：945～953

Based on satellite remote sensing data acquired through Moderate Resolution Imaging Spectrometer (MODIS), not only was the annual mean surface urban heat island intensity of 284prefecture-level cities in 2018 figured out, but spatial distribution patterns and spatial agglomeration models of surface urban heat islands in China were analyzed. Combining multivariate remote sensing data, meteorological data and socioeconomic statistics, a geographically weighted regression model was utilized to analyze spatial heterogeneity in main drivers for surface urban heat island intensity during daytime and nighttime. As demonstrated by relevant results, an obvious spatial autocorrelation existed in spatial distribution of China’s surface urban heat island intensity. Compared with the traditional global ordinary least squares (OLS) model, interpretation of the drivers was significantly improved according to the geographically weighted regression model. Moreover, determination coefficients for daytime and nighttime increased from 0.651 and 0.189 in the OLS model to 0.876 and 0.659 respectively. In addition, both the residual sum of squares and the Akaike information criterion were calculated to be lower by the geographically weighted regression model. In terms of the drivers, vegetation placed a significantly negative influence on surface urban heat island intensity during the daytime, while structural differences were proved to exist in directions of influence that was applied by other factors along with geographic position changes. On the whole, surface urban heat island intensity was most significantly affected by differences in urban and rural vegetation in daytime; but at night, it was susceptible to socio-economic factors.

urban heat island；urban environment；thermal infrared remote sensing；land use；MODIS；spatial heterogeneity；geographically weighted regression；drivers

X87

A

1000-6923(2022)02-0945-09

牛 陸(1993-),男,內(nèi)蒙古烏海人,中國(guó)人民大學(xué)博士研究生,主要從事城市土地管理,城市遙感等方面的研究.發(fā)表論文10余篇.

2021-06-25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(71874196,42077433);中國(guó)人民大學(xué)2021年度拔尖創(chuàng)新人才培育資助計(jì)劃成果

* 責(zé)任作者, 教授, zhangzhengfeng@ruc.edu.cn