梁洪武， 阿里木江·卡斯木,2， 趙禾苗， 趙永玉

（1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊830054；2.新疆師范大學(xué)絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶城鎮(zhèn)化發(fā)展研究中心，新疆 烏魯木齊830054）

地表溫度（Land Surface Temperature，LST）是影響陸地與大氣間能量交換和水循環(huán)的關(guān)鍵因素，是地球表面能量平衡的重要體現(xiàn)，也是城市熱環(huán)境最直接的表現(xiàn)形式［1-3］。21 世紀(jì)以來我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，城市化進(jìn)程加快推進(jìn)，每年以1788 km2的速度對外擴(kuò)張［4］。但隨著城市化的大力發(fā)展，大量以水泥、瀝青為主的不透水面破壞了原有的地表覆蓋和自然景觀，引起地表反照率和比輻射率等表面狀態(tài)參數(shù)的變化，導(dǎo)致原有的地表熱平衡被打破，城市熱環(huán)境變化顯著［5-8］。城市熱環(huán)境變化不僅會降低居住環(huán)境的舒適性，對人類身體健康造成危害，也會對城市局部氣候造成嚴(yán)重影響［9］。因此，探究地表覆蓋類型對城市熱環(huán)境的影響，對城市未來的科學(xué)發(fā)展規(guī)劃具有十分重要的意義。

近年來，得益于遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，熱紅外遙感使得定量的獲取精確地表溫度已成為現(xiàn)實(shí)，其已成為目前獲取大區(qū)域尺度上的LST時空分布的唯一有效手段［10-11］。目前，國內(nèi)外學(xué)者針對城市土地利用/覆蓋與地表溫度的作用關(guān)系和機(jī)制的研究主要集中在以下幾個方面，首先是，針對特定土地覆蓋類型變化對地表溫度的影響，如探究城市不透水面和植被覆蓋度變化與城市地表溫度之間的響應(yīng)關(guān)系［12-13］。其次是，探究城市藍(lán)綠景觀對降低地表溫度和緩解城市熱島效應(yīng)的作用，大量研究表明適當(dāng)比例的綠地和水域?qū)ζ胶獬鞘袩崮茌椛浜徒档偷乇頊囟染哂兄匾淖饔茫?4-15］。有學(xué)者通過建立湖泊水面和城市公園綠地的緩沖區(qū)探究其對城市的降溫效應(yīng)［16-17］，以及運(yùn)用景觀生態(tài)學(xué)中的景觀格局指數(shù)，研究土地覆蓋景觀格局與地表溫度之間的關(guān)系，如探究城市建設(shè)用地和綠地斑塊聚集度（AI）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、景觀面積百分比（PLAND）等景觀格局指數(shù)與地表溫度之間的關(guān)系［18-19］。綜上研究，多以線性關(guān)系探究單一土地利用/覆蓋類型或土地利用景觀格局與地表溫度之間的關(guān)系。然而，土地利用變化對地表溫度影響極為復(fù)雜，現(xiàn)實(shí)情況中都是多種土地利用類型共同影響地表溫度，因此，本研究綜合考慮各土地利用類型探究其對城市熱環(huán)境的影響。

國家在“十四五”規(guī)劃綱要中提出推動城市群一體化發(fā)展，天山北坡城市群是重點(diǎn)培育發(fā)展的城市群之一，是新疆城鎮(zhèn)化建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略核心區(qū)域［20-21］。在國家大戰(zhàn)略背景的推動下，天山北坡城市群的經(jīng)濟(jì)、工業(yè)快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化推進(jìn)勢必會導(dǎo)致土地利用/覆蓋劇烈變化，進(jìn)而導(dǎo)致城市熱環(huán)境變化。本文以天山北坡城市群為研究區(qū)，探究不同時相地表溫度的時空變化以及空間聚集性，并結(jié)合貢獻(xiàn)度指數(shù)綜合分析不同土地利用類型對地表溫度的貢獻(xiàn)度，以期為天山北坡城市群在未來規(guī)劃建設(shè)中如何優(yōu)化平衡土地利用組合結(jié)構(gòu)來平衡熱環(huán)境變化提供一定的科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

天山北坡城市群位于亞歐大陸中心，地理位置位于83°24′～91°54′E，41°11′～46°18′N，地處新疆天山北麓、準(zhǔn)噶爾盆地南部；北接古爾班通古特沙漠，西鄰博爾塔拉蒙古自治州精河縣，東邊毗鄰哈密市巴里坤哈薩克自治縣；平均海拔1000 m。天山北坡城市群包括烏魯木齊市、五家渠市、昌吉回族自治州、吐魯番市、石河子市、克拉瑪依市、伊犁州的奎屯市以及塔城地區(qū)烏蘇市和沙灣縣（圖1）。天山北坡城市群是當(dāng)前新疆經(jīng)濟(jì)水平最高、交通最發(fā)達(dá)、人口最密集、產(chǎn)業(yè)最集中的地區(qū)，2018 年底城市群總?cè)丝?91.71×104人約占全疆總?cè)丝诘?/5，GDP達(dá)6566.45×108元約占全疆總GDP 的1/2；是未來引領(lǐng)新疆地區(qū)新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的主體區(qū)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略核心區(qū)［22-23］。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Overview of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

MODIS 傳感器波段范圍廣，時間分辨率高，包括海洋、陸地、大氣等要素的系列標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。目前MODIS 傳感器由Terra 和Aqua 雙星搭載，Terra 衛(wèi)星大約為地方時上午10:30和夜晚22:30過境，Aqua衛(wèi)星大約在地方時下午13:30 和凌晨1:30 過境［24］。本研究使用來自Aqua 衛(wèi)星2005 年和2018 年6—8 月的8 d 合成白天和夜晚LST 產(chǎn)品MYD21A2 數(shù)據(jù)，從NASA 網(wǎng) 站（https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/）下載獲取，并使用MODIS 的官方重投影工具（MODIS Reprojection Tool，MRT）對數(shù)據(jù)進(jìn)行重投影和鑲嵌。MYD21 數(shù)據(jù)集是新一代的LST 產(chǎn)品，通過NASA 的陸地進(jìn)程分布式活動存檔中心（https://lpdaac.usgs.gov/）查詢可知，MYD21數(shù)據(jù)集目前已通過全球范圍內(nèi)基于溫度和輻射的方法組合驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果顯示相較于傳統(tǒng)MYD11數(shù)據(jù)集MYD21數(shù)據(jù)集的均方根誤差（RMSE）更小。Li 等［25］通過驗(yàn)證了MYD11和MYD21數(shù)據(jù)集在我國西北地區(qū)的精度發(fā)現(xiàn)，MYD21 相較于MYD11 數(shù)據(jù)精度更高，說明MYD21A2數(shù)據(jù)具有較高的可信度。

土地利用數(shù)據(jù)采用中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（https://www.resdc.cn/）的2005 年、2018年30 m 分辨率全國土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)集。該土地利用分類數(shù)據(jù)集包含耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6 個一級類型、25 個二級類型。該數(shù)據(jù)集是基于Landsat遙感影像，通過人工目視解譯生成，已被廣泛應(yīng)用于各個研究領(lǐng)域，精度可靠。本研究根據(jù)研究區(qū)的土地利用現(xiàn)狀特征，將冰川單獨(dú)分為一類，其余按原一級類劃分，分為耕地、林地、水域、冰川、草地、建設(shè)用地和未利用土地7種土地利用類型。

1.3 研究方法

1.3.1 MODIS數(shù)據(jù)處理 MYD21A2數(shù)據(jù)記錄8 d內(nèi)無云條件下的數(shù)據(jù)，然后再根據(jù)簡單平均算法計(jì)算得出8 d 復(fù)合LST 產(chǎn)品，通過LP DAAC 網(wǎng)站查詢其有效值范圍在［7500，65535］之間，換算系數(shù)為0.02；通過地理信息系統(tǒng)軟件計(jì)算得到真實(shí)的LST 值，計(jì)算公式為：

式中：TS表示地表溫度值（℃）；DN表示像元亮度值。

為對比白天和夜間夏季不同土地利用類型對地表溫度的貢獻(xiàn)度差異，在計(jì)算得到地表溫度值后，通過地理信息系統(tǒng)軟件分別計(jì)算夏季（6—8月）白天和夜間各12期數(shù)據(jù)的平均值。

1.3.2 地表溫度等級劃分 采用均值標(biāo)準(zhǔn)差法將地表溫度劃分為5 個等級，該方法利用均值與不同標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)進(jìn)行組合能良好的表征溫度的集中性與波動性［26］。具體地表溫度等級劃分如表1所示。

表1 地表溫度等級劃分Tab.1 Criteria for classification of LST

1.3.3 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓（Standard Deviation Ellipse，SDE）是一種能夠精確揭示地理要素空間分布中心性、方向性和變化方向偏差的空間統(tǒng)計(jì)學(xué)模型［27-28］。通過標(biāo)準(zhǔn)差橢圓方法分析高溫度等級（高溫區(qū)和特高溫區(qū)）區(qū)域的空間中心分布與方向分布。標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的中心坐標(biāo)表示地理要素相對空間位置；長、短軸方向分別表示地理要素在空間上的主、次分布方向，長、短軸長度表示地理要素在主、次分布方向上的離散性；方位角表征地理要素空間分布的主導(dǎo)方向［29-30］。中心坐標(biāo)、方向性、離散性、方位角計(jì)算公式如下：

式中：M為標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的中心點(diǎn)坐標(biāo)；xi和yi為第i個地理要素的二維空間坐標(biāo)；n為地理要素的數(shù)量；D為方向性；S為離散性；R為標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的方位角。

1.3.4 空間自相關(guān)分析 空間自相關(guān)可以解釋地理要素的空間聚集特征以及空間關(guān)聯(lián)程度，分為全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)，一般通過莫蘭指數(shù)（Moran’sI）來衡量［31］。全局莫蘭指數(shù)（Global Moran’sI）用于衡量地理要素全局區(qū)域內(nèi)臨近地理要素的空間聚集性，局部莫蘭指數(shù)（Local Global Moran’sI）用于衡量局部區(qū)域中地理要素分布空間相關(guān)性［32］。運(yùn)用GeoDa 軟件來進(jìn)行空間自相關(guān)分析，全局莫蘭指數(shù)可用于度量全域地表溫度的全局空間關(guān)聯(lián)性，指數(shù)越大關(guān)聯(lián)性越強(qiáng)，地表溫度在空間上更加聚集，其計(jì)算公式為：

式中：I為全局莫蘭指數(shù)；n為斑塊總數(shù)；xi、xj分別為斑塊i、j的地表溫度等級；Wij為空間權(quán)重矩陣；為所有斑塊的平均值；wij表示斑塊i、j的權(quán)重；S表示標(biāo)準(zhǔn)差。

局部莫蘭指數(shù)用于分析每一個斑塊在局部區(qū)域的空間相關(guān)性，且基于Z（I）顯著性檢驗(yàn)的LISA圖能直觀的反映地表溫度的區(qū)域聚集和分異特征。其中Z（I）檢驗(yàn)和局部莫蘭指數(shù)公式如下：

式中：Z（I）為莫蘭指數(shù)的顯著性；E（I）為指數(shù)的期望值；Var（I）為指數(shù)的方差；IL為局部莫蘭指數(shù)。

1.3.5 貢獻(xiàn)度指數(shù) 城市下墊面由多種土地利用類型共同構(gòu)成，且共同影響著城市地表溫度。不同土地利用類型由于其熱通量、比熱容等性質(zhì)的不同對城市地表溫度的影響不同，在不同時相對城市地表溫度影響也可能存在較大的差異；因此根據(jù)不同土地利用類型對地表溫度影響的差異性，可將不同土地利用類型分為源或匯景觀［33］。不同土地類型對城市地表溫度的貢獻(xiàn)程度可通過貢獻(xiàn)度指數(shù)（Contribution Index，CI）來定量表示［34］。計(jì)算公式如下：

式中：CIi為研究區(qū)內(nèi)第i種土地利用類型對地表溫度的貢獻(xiàn)度，其絕對值大小代表貢獻(xiàn)強(qiáng)度，絕對值越大貢獻(xiàn)度越大；其正負(fù)值分別表征對地表溫度的升溫（源）和降溫（匯）作用。Di為第i種土地利用類型的平均地表溫度與整個研究區(qū)內(nèi)平均地表溫度的差值；Si和S分別為第i種土地利用類型的面積和整個研究區(qū)的面積。

各城市由于發(fā)展程度、地理環(huán)境位置、功能地位的不同，其土地利用空間格局不同，對整個區(qū)域地表溫度的影響存在較大的差異。根據(jù)貢獻(xiàn)度指數(shù)，探究不同城市對城市群地表溫度的貢獻(xiàn)度，即各城市平均LST與城市群平均LST的差值乘以各城市面積與城市群總面積的比值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用/覆蓋變化特征

對2005年和2018年的土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類，并統(tǒng)計(jì)各土地利用/覆蓋類型的面積、百分比及其變化率（圖2，表2），從結(jié)果可知，2005—2018年天山北坡城市群土地利用/覆蓋變化顯著，土地利用/覆蓋類型以草地和未利用地為主，其兩者的面積占比在2005 年和2018 年均在80%以上。從時間上來看，建設(shè)用地和冰川的變化比例較高，變化比例的絕對值均在50%以上。2005—2018 年天山北坡城市群城市化進(jìn)程顯著，建設(shè)用地變化比例最高，達(dá)77.65%，面積從1817.92 km2增長到了3229.49 km2，以“烏—昌”經(jīng)濟(jì)圈最為顯著。冰川從2005 年的2680.10 km2減少至2018 年的930.84 km2，變化比例為-65.27%。其次，林地、水域和耕地的變化也較為顯著，其中林地變化比例為-49.78%，天山北坡的林地減少尤為明顯，這可能是由于耕地的擴(kuò)張，侵占了部分平原地區(qū)的灌木林地所致。水域變化比例為33.89%，可能與冰川的消融有關(guān)；耕地?cái)U(kuò)張迅速，從2005 年 的16432.88 km2增 長 到2018 年 的22543.51 km2，變化比例達(dá)37.19%。草地和未利用地面積占比雖占主導(dǎo)，但變化比例的絕對值都低于5%?？傮w上，天山北坡城市群生態(tài)系統(tǒng)脆弱，以草地和未利用地占主導(dǎo)，且在城市化、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、農(nóng)業(yè)發(fā)展中對自然資源的侵占、生態(tài)環(huán)境破壞較為嚴(yán)重，表現(xiàn)為林地和冰川的大量減少。

圖2 2005年和2018年天山北坡城市群土地利用/覆蓋空間分布Fig.2 Spatial distribution land use/cover of urban agglomeration on the northern slope of the Tianshan Mountains in 2005 and 2018

表2 2005―2018年土地利用/覆蓋類型面積變化統(tǒng)計(jì)Tab.2 Area statistics of land use/cover types from 2005 to 2018

2.2 地表溫度時空變化特征

依據(jù)表1 對地表溫度進(jìn)行分級，并統(tǒng)計(jì)白天與夜間各溫度等級的面積及變化量（表3，圖3），從結(jié)果可知，白天和夜間的極低溫區(qū)域都主要分布在天山北坡城市群的高海拔地區(qū)，如烏魯木齊東邊的博格達(dá)山，西南邊的天山北坡、以及東北角的北塔山；其面積變化雖不顯著，但白天與夜間都在減少，這與冰川減少相呼應(yīng)。特高溫區(qū)域白天和夜間雖都分布在低海拔的吐魯番盆地，但白天與夜間有一定差異。白天特高溫區(qū)主要分布在吐魯番鄯善縣的庫木塔格沙漠，從變化上看其面積在減少，這與近年來實(shí)施的“荒漠綠化”工程，對荒漠環(huán)境的治理取得了一定的效果密切相關(guān)。而到了夜間沙漠降溫，特高溫區(qū)西移，分布在吐魯番盆地的綠洲區(qū)域；相較于白天，夜間的特高溫區(qū)面積變化較為明顯，2005—2018 年增加了1086.22 km2。結(jié)合圖2 可知，低溫區(qū)除嵌套分布在極低溫區(qū)周圍外，白天還大量分布于除吐魯番地區(qū)以外的耕地區(qū)域；白天低溫區(qū)面積顯著增加，增加量達(dá)5850.42 km2，驗(yàn)證了2005—2018 年天山北坡城市群耕地面積在大量增加。中溫區(qū)白天分布集中于草地區(qū)域，夜間除分布于草地區(qū)域外，還大量分布于未利用地，其中，白天與夜間中溫區(qū)面積都減少明顯，分別減少了8432.42 km2和5655.44 km2。高溫區(qū)白天分布集中于吐魯番地區(qū)和研究區(qū)北部的未利用地；夜間在吐魯番地區(qū)分布較為集中，部分分布于建設(shè)用地和研究區(qū)北部的未利用地；未利用地白天與夜間高溫區(qū)面積都呈增加的特征?？傮w而言，研究區(qū)內(nèi)地表溫度等級的分布、變化與海拔、土地利用/覆蓋變化等密切相關(guān)，白天與夜間地表溫度等級變化在綠洲及未利用地較為明顯。

表3 2005年和2018年白天、夜間LST等級面積統(tǒng)計(jì)Tab.3 Area statistics of LST grade during day and night in 2005 and 2018

圖3 2005年和2018年白天、夜間LST等級空間分布Fig.3 Spatial distribution of LST grade during day and night in 2005 and 2018

2.3 地表溫度空間聚集性特征

為探究天山北坡城市群LST 空間聚集性，以及空間關(guān)聯(lián)性，運(yùn)用Geoda 軟件計(jì)算LST 莫蘭指數(shù)和局部莫蘭指數(shù)，結(jié)果如表4 和圖4 所示，2005 年、2018 年白天、夜間4 個時相的Moran’sI均大于0.9，P均小于0.001，且總體呈增加的特征，白天的Moran’sI大于夜間；說明研究區(qū)內(nèi)LST 呈較強(qiáng)的空間正相關(guān)關(guān)系，并有加強(qiáng)的特征，且白天強(qiáng)于夜間。

表4 地表溫度全局空間自相關(guān)顯著性檢驗(yàn)Tab.4 Significance test of global spatial autocorrelation of LST

由圖4可知，白天高-高聚集區(qū)主要分布于吐魯番地區(qū)以及研究區(qū)北部的未利用地地區(qū)，這些區(qū)域都是高溫和特高溫的主要聚集區(qū)，變化較為平穩(wěn)。低-低聚集區(qū)分布集中于天山北坡以及博格達(dá)山等高海拔地區(qū)，少量分布在城市群的綠洲耕地區(qū)，這些地區(qū)是極低溫和低溫的主要聚集區(qū)，沙灣、烏蘇和奎屯綠洲區(qū)低-低區(qū)2018 年相較于2005 年有較明顯的增加，可能是由于這些地區(qū)耕地的大量增加，使得白天的LST降低。夜間低-低聚集區(qū)僅分布于天山北坡以及博格達(dá)山等高海拔地區(qū)；高-高聚集區(qū)主要分布于吐魯番地區(qū)，2018年研究區(qū)北部的高-高聚集區(qū)相較于2005 年有較明顯的增加，可能與該區(qū)域草地的減少有關(guān)。白天、夜間吐魯番地區(qū)和研究區(qū)北部的未利用地均是高-高聚集的地區(qū)，天山北坡和博格達(dá)山等高海拔地區(qū)均是低-低聚集的地區(qū)，變化均主要發(fā)生在研究區(qū)的綠洲區(qū)域。

圖4 地表溫度局部空間自相關(guān)分布Fig.4 Local spatial autocorrelation distribution of LST

2.4 高溫度等級的空間分布特征

將高溫度等級（高溫、特高溫）區(qū)域，通過地理信息系統(tǒng)軟件進(jìn)行面、點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析并計(jì)算其特征參數(shù)（表5，圖5）。結(jié)果顯示，白天與夜間標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的空間分布差異較為明顯，夜間中心點(diǎn)空間分布相較于白天呈向西北方向移動的特征。2005—2018 年白天的中心點(diǎn)呈向西北方向移動的特征，但移動的幅度不明顯，方向性在減弱，離散性在增強(qiáng)，方位角變小，表明白天高溫度等級區(qū)域大致分布方向由東南—西北向東—西方向轉(zhuǎn)變，在長軸方向上的分布更加離散化。2005—2018年夜間中心點(diǎn)呈向東南方向移動的趨勢，移動幅度較大，從五家渠市移動到烏魯木齊市內(nèi)，方向性增強(qiáng)，離散性減弱，方位角變化不明顯，表明夜間高溫度等級區(qū)域大致分布方向不變，在長軸方向上的分布更加集中，整體有向東南方向移動的趨勢。

圖5 高溫度等級標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的空間分布特征Fig.5 Spatial distribution characteristics of standard deviation ellipse of high temperature grades

表5 高溫度等級標(biāo)準(zhǔn)差橢圓參數(shù)信息Tab.5 Standard deviation ellipse parameter information for high temperature grades

2.5 地表溫度貢獻(xiàn)度分析

2.5.1 不同土地利用/覆蓋的貢獻(xiàn)度時空差異 以2005年和2018年天山北坡城市群土地利用/覆蓋為統(tǒng)計(jì)單元，根據(jù)公式（9）定量計(jì)算各土地利用/覆蓋類型對城市群地表溫度的貢獻(xiàn)度指數(shù)（圖6）。從結(jié)果可知，未利用地各時相的CI 均為正值，表明該地類對城市群的LST 升高作正貢獻(xiàn)，為城市群熱環(huán)境主要源地類，主要由于未利用地面積占比高，且地表裸露程度高，水分含量極低，比熱容小，白天太陽直射升溫快，夜間降溫雖也快，但其平均LST仍高于研究區(qū)平均LST。草地、林地和冰川各時相的CI 均為負(fù)值，表明這3 種地類對城市群LST 升高作負(fù)貢獻(xiàn)，表現(xiàn)為對城市群LST起降溫作用，為城市群熱環(huán)境匯地類，草地和林地通過大面積綠色植被的光合作用和蒸騰作用使得其能夠保持較低的溫度，草地的負(fù)貢獻(xiàn)度絕對值最大可能是由于其面積占比較大造成，冰川的CI 絕對值降低幅度較大，主要是由于其面積大量減少。耕地、建設(shè)用地和水域在白天的CI 為負(fù)值，而到了夜間CI 變?yōu)榱苏?，其城市群熱環(huán)境的源匯角色隨著晝夜的變化而變化；白天為城市群LST升高作負(fù)貢獻(xiàn)，為匯地類；夜間為城市群LST 升高作正貢獻(xiàn)，為源地類。造成地類源匯角色晝夜轉(zhuǎn)變的原因可能由于不同地類其比熱容等物理性質(zhì)不同和人為影響，如水體的比熱容大，其保溫能力強(qiáng)散熱慢，因此，夜間溫度高使得其夜間CI為正。耕地在2005—2018年，白天的負(fù)貢獻(xiàn)度絕對值明顯增大，與其面積增加密不可分；建設(shè)用地和水域CI絕對值都隨著面積的增大而增大。

圖6 各土地利用/覆蓋類型白天、夜間的貢獻(xiàn)度指數(shù)Fig.6 Contribution index of different land use/cover types in day and night

2.5.2 不同城市的貢獻(xiàn)度時空差異 以天山北坡城市群各縣市轄區(qū)為統(tǒng)計(jì)單元，通過分區(qū)統(tǒng)計(jì)獲取LST 均值，計(jì)算各地區(qū)2005 年和2018 年白天、夜間的貢獻(xiàn)度指數(shù)可知（圖7），吐魯番市、克拉瑪依市和五家渠市2005 年和2018 年白天、夜間的貢獻(xiàn)度指數(shù)均為正值，是促進(jìn)研究區(qū)LST升高的貢獻(xiàn)源，為城市群熱環(huán)境源地區(qū)。吐魯番地區(qū)的貢獻(xiàn)度指數(shù)絕對值遠(yuǎn)高于克拉瑪依市和五家渠市，是促進(jìn)研究區(qū)LST 升高的最主要貢獻(xiàn)源，可能是由于其盆地地形加上地表覆蓋類型以未利用地為主，且CI值呈增加的特征。烏魯木齊市、昌吉回族自治州、烏蘇市和沙灣縣2005 年和2018 年白天、夜間的地表溫度CI均為負(fù)值，表明這些地區(qū)的LST 均值始終小于研究區(qū)的LST 均值，表現(xiàn)為對天山北坡城市群降溫的作用，為匯地區(qū)；這些地區(qū)包含了研究區(qū)內(nèi)大部分高海拔地區(qū)，高海拔地區(qū)以低溫和極低溫等級為主，所以其平均LST較低。石河子市白天貢獻(xiàn)度指數(shù)為負(fù)值，但夜間的貢獻(xiàn)度指數(shù)為正值，該地區(qū)的熱環(huán)境源匯角色在隨著晝夜變化而變化，白天對天山北坡城市群地表溫度呈降溫作用，緩解白天城市群熱效應(yīng)，夜間卻對城市群地表溫度呈升溫作用，加劇城市群熱效應(yīng)。天山北坡城市群大部分地區(qū)貢獻(xiàn)度指數(shù)都為負(fù)值，對城市群起降溫作用；吐魯番市在正貢獻(xiàn)度的地區(qū)中占絕對主導(dǎo)作用，且還在呈增加特征，需要引起注意。地區(qū)源匯角色與該地區(qū)的海拔、地形、地表覆蓋等都有密切關(guān)系。

圖7 白天、夜間不同城市貢獻(xiàn)度指數(shù)Fig.7 Day and night contribution index of different cities

3 討論

通過分析2005—2018 年的土地利用類型變化發(fā)現(xiàn)建設(shè)用地、耕地和水域增長較為活躍，主要原因是近年來快速城市化，城市人口的大量增加對于糧食和水資源的需求也不斷遞增，使得大量開墾耕地和水庫的建設(shè)［22］。冰川大量消融與Wang等［35］的研究結(jié)果一致，其表明20世紀(jì)60年代以來，新疆地區(qū)冰川一直處于持續(xù)損失的狀態(tài)，2010年以后有所放緩，溫度升高是導(dǎo)致冰川大量消融的主要因素。林地大量減少主要是由于耕地?cái)U(kuò)張對林地的侵占，加上商品性采伐，導(dǎo)致森林資源大量減少，雖近年來對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)越來越重視，但森林資源的恢復(fù)仍需較長時間［36-37］。

不同地表覆蓋類型其地表反照率、比輻射率、比熱容、粗糙度等性質(zhì)的不同，在相同太陽輻射條件下，其表面溫度不相同，從而引起城市熱（冷）島效應(yīng)［9］。這也解釋了土地利用變化劇烈的區(qū)域也是溫度等級變化顯著的區(qū)域。通過貢獻(xiàn)度發(fā)現(xiàn)天山北坡城市群建設(shè)用地白天貢獻(xiàn)度為負(fù)值，但夜間貢獻(xiàn)度為正值，其源、匯角色隨著晝夜變化而不同，這與Qiao等［38］和孫宗耀等［33］的研究結(jié)果不一致，其發(fā)現(xiàn)建設(shè)用地在白天、夜間的貢獻(xiàn)度均為正值，對地表升溫作正貢獻(xiàn)，為熱環(huán)境源地類，這與干旱區(qū)綠洲城市其獨(dú)特的氣候及地貌特征有關(guān)，綠洲城市外圍的過渡帶多為荒漠裸地以及低覆蓋草地，整體地表裸露程度較大，含水量極低比熱容小，鹽度也相對較高，白天太陽直射升溫快，而建設(shè)用地區(qū)域人造藍(lán)綠景觀較多，含水量相對較高，比熱容大升溫慢，因此，白天建設(shè)用地區(qū)域地表溫度相對較低；而到了夜間則相反［39］。但隨著綠洲城市的發(fā)展，荒漠―綠洲過渡帶在持續(xù)萎縮，城市熱環(huán)境問題勢必更加嚴(yán)峻［40］。

本研究基于貢獻(xiàn)度指數(shù)識別出熱環(huán)境的源匯地類，對天山北坡城市群優(yōu)化土地利用類型組合和結(jié)構(gòu)來調(diào)控城市熱環(huán)境，提供了初步的認(rèn)識。但本文還存在局限性，在數(shù)據(jù)時間連續(xù)性上，僅對2005年和2018年夏季進(jìn)行了研究，未來還需要運(yùn)用多時相遙感數(shù)據(jù)對季節(jié)和年度的變化趨勢進(jìn)行探究，為防控?zé)岘h(huán)境問題提供更加科學(xué)、全面的參考依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）土地利用變化分析可知，2005—2018 年天山北坡城市群發(fā)展迅速，建設(shè)用地面積顯著增加，冰川消融和興建水庫導(dǎo)致水域面積增加；耕地?cái)U(kuò)張和前期商品性采伐導(dǎo)致林地面積大幅減少，說明2005—2018 年天山北坡城市群在城市化、經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展對生態(tài)環(huán)境的負(fù)荷加劇。

（2）LST 的高溫度等級（高溫、極低溫）主要分布于低海拔地區(qū)，且白天分布方向有東南—西北向東—西轉(zhuǎn)變的趨勢，且方向性在變小，離散性在變大，夜間整體有向東南移動的趨勢，且方向性在變大，離散性在變小。而低溫度等級（低溫、極低溫）主要集中分布于高海拔地區(qū)。

（3）貢獻(xiàn)度存在晝夜和地區(qū)差異。從地表覆蓋類型來看，未利用地為晝夜熱源型地類，草地、林地和冰川為晝夜熱匯型地類，耕地、建設(shè)用地和水域?yàn)闀儏R夜源型地類；從行政區(qū)劃來看，吐魯番市、克拉瑪依市和五家渠市為晝夜熱源型區(qū)域，烏魯木齊市、昌吉回族自治州、烏蘇市和沙灣縣為晝夜熱匯型區(qū)域，僅有石河子市為晝匯夜源型地區(qū)。