王駟鷂， 趙春雷， 陳霞， 劉丹

(1.唐山市氣象局，唐山 063000； 2.河北省氣象科學(xué)研究所，石家莊 050000；3.河北省氣象與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050000； 4.河北省氣候中心，石家莊 050000； 5.唐山市豐南區(qū)氣象局，唐山 063000)

0 引言

城市環(huán)境問(wèn)題是當(dāng)今世界面臨的人口、資源與環(huán)境三大問(wèn)題的重要內(nèi)容之一[1]，而城市熱島是城市環(huán)境問(wèn)題研究的重要方向。城市熱島效應(yīng)(urban heat island effect, UHI)指在城市化發(fā)展過(guò)程中，由于城區(qū)下墊面性質(zhì)及結(jié)構(gòu)變化，人為熱的排放、建筑及道路密集等導(dǎo)致的城區(qū)溫度明顯高于郊區(qū)，形成類似“高溫島嶼”的現(xiàn)象[2]。隨著全球氣候變暖，極端天氣事件頻發(fā)，高溫事件呈現(xiàn)越來(lái)越多的趨勢(shì)，城市熱島加劇了這種現(xiàn)象，已經(jīng)開(kāi)始影響居住環(huán)境和人體健康，因此成為很多學(xué)者研究對(duì)象。

已有大量研究表明，城市熱島變化特征與城市發(fā)展特征高度相似，由于城市人口密集，土地利用類型多為建筑用地，大量釋放的人為熱等導(dǎo)致城市熱島現(xiàn)象普遍存在[3-5]。城市冷島效應(yīng)是隨著城市熱島效應(yīng)研究深入而發(fā)展起來(lái)的，在城市熱島內(nèi)部，零星散布著明顯低于周圍環(huán)境溫度的冷點(diǎn)區(qū)域，這一現(xiàn)象被稱為冷島效應(yīng)[6]。一般來(lái)說(shuō)，城市中的綠色空間能夠有效減輕熱島效應(yīng)程度[7]，這些綠色空間由林地、草地、水體、濕地等土地利用類型組成。林草地具有蒸騰、遮陰作用[8]，水體自身具有高熱容性、流動(dòng)性、低熱輻射率等特點(diǎn)[9]，濕地則同時(shí)具有以上兩種作用[10]，這些綠色空間通過(guò)降溫、增濕來(lái)調(diào)節(jié)局地氣候[11]，形成冷島效應(yīng)。近年來(lái)，城市綠色空間對(duì)熱島效應(yīng)影響的相關(guān)研究逐步增加[12]，尤其是2009年以后，有學(xué)者開(kāi)始深入探究城市熱島的形成機(jī)制，并將綠地格局作為研究切入點(diǎn)[13-15]。研究表明，城市綠地的空間組成對(duì)城市熱島效應(yīng)有顯著影響[16-17]，但綠地斑塊所占比例和總面積對(duì)熱島效應(yīng)改善影響有區(qū)別[18-19]。此外，城市綠地空間配置也對(duì)城市熱島效應(yīng)有影響，主要表現(xiàn)為城市綠地的形狀、密度、邊界、聚集度、離散度及城鄉(xiāng)梯度上綠地分布格局的差異[20-21]。已有研究對(duì)于不同土地利用類型，尤其是綠色空間對(duì)城市熱島效應(yīng)的影響已經(jīng)較為深入[22]，但是城市綠色空間的演化對(duì)于熱島溫度變化的影響研究較為匱乏。有學(xué)者以福建省福州市為例研究了城市綠色空間演化過(guò)程對(duì)溫度變化的影響[23]，但是北方城市水體較少、綠植較稀疏的綠色空間演化對(duì)溫度影響是否與南方城市相同有待進(jìn)一步研究。因此，本研究選取華北地區(qū)典型工業(yè)化城市唐山為研究對(duì)象，利用遙感、GIS軟件及相關(guān)統(tǒng)計(jì)方法，著重分析城市綠色空間的演化對(duì)于地表溫度的影響。研究能給地方政府部門(mén)城市規(guī)劃尤其是綠色空間的規(guī)劃提供理論指導(dǎo)，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

唐山市(117°31′～119°19′E，38°55′～40°28′N)地處渤海灣中部，河北省東部，是中國(guó)北方的重要工業(yè)城市。近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，唐山正經(jīng)歷城市快速發(fā)展階段，城市人口越來(lái)越多[24]，城鎮(zhèn)用地規(guī)模不斷擴(kuò)大[25]。并且由于生態(tài)文明建設(shè)的需求，面臨工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、鋼鐵企業(yè)去產(chǎn)能搬遷等問(wèn)題，城市下墊面用地類型改變較大，城市熱島問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)。根據(jù)唐山市城市分布特點(diǎn)，本研究選取唐山市中心城區(qū)為研究對(duì)象，主要包括路南區(qū)、路北區(qū)部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)、街道，總面積約為167 km2。

1.2 數(shù)據(jù)源及其預(yù)處理

本研究采用的數(shù)據(jù)均為L(zhǎng)andsat系列衛(wèi)星影像，其中4景為L(zhǎng)andsat5影像，分別是1993年、2000年、2003年和2009年，3景為L(zhǎng)andsat8影像，分別為2014年、2018年和2019年，這7景影像基本包含了唐山城市建設(shè)快速發(fā)展的時(shí)段。影像來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)勘探局(USGS)官網(wǎng)，采集時(shí)間為6月底至8月初，研究區(qū)無(wú)云覆蓋。數(shù)據(jù)需進(jìn)行輻射校正、大氣校正等預(yù)處理。

2 研究方法

2.1 地表溫度反演

不同學(xué)者針對(duì)Landsat數(shù)據(jù)反演地表溫度提出了多種不同算法[26]，主要有單窗算法[27]、單通道算法[28]、輻射傳輸方程法[29]、劈窗算法[30]等，大量研究均已證明這些算法的可行性，本文選取輻射傳輸方程法進(jìn)行地表溫度的反演。

2.1.1 輻射傳輸方程

輻射傳輸方程法，也稱大氣校正法(radiative transfer equation algorithm，RTE)?；驹頌樾l(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值Lλ由3部分組成： 大氣上行輻射亮度Lup、地面真實(shí)輻射亮度經(jīng)過(guò)大氣層后到達(dá)衛(wèi)星傳感器的輻射亮度以及大氣下行輻射亮度Ldown，表達(dá)式(輻射傳輸方程)可以寫(xiě)為：

Lλ=εBTs+1-εLdownτ+Lup

，

(1)

式中：ε為地表比輻射率；Ts為地表真實(shí)溫度，K；BTs為黑體熱輻射亮度；τ為大氣在熱紅外波段的透過(guò)率； 大氣剖面參數(shù)τ，Lup，Ldown可在NASA網(wǎng)站查詢。Ts可以用普朗克公式獲?。?/p>

Ts=K2/lnK1/BTs+1

，

(2)

式中： 對(duì)于不同的Landsat數(shù)據(jù)，K1和K2的取值不同，對(duì)于TM數(shù)據(jù)，K1=607.76 W·m-2·sr-1·μm-1,K2=1 260.56 K； 對(duì)于TIRS Band10，K1=774.89 W·m-2·sr-1·μm-1，K2=1 321.08 K。

2.1.2 地表比輻射率計(jì)算

地表比輻射率是指地表發(fā)射能力的大小，用于反演地表溫度，值位于0～1之間，不同地物類型，地表比輻射率差別較大，根據(jù)已有學(xué)者的研究[31-32]，計(jì)算公式如下：

εbuilding=PvRvεv+1-PvRmεm+dε，

光纖復(fù)合架空地線(即OPGW光纜)不但能通過(guò)其內(nèi)部的光纖傳輸數(shù)據(jù)信息，還可以作為避雷線起到輸電線路防雷功能。OPGW光纜一般與新建線路工程同步架設(shè)，檢修和改造時(shí)必須停電作業(yè)。近年來(lái)，舟山的OPGW光纜運(yùn)行總體安全穩(wěn)定，但也存在若干隱患和缺陷。

(3)

εsurface=PvRvεv+1-PvRsεs+dε

，

(4)

εwater=0.995

，

(5)

式中：εbuilding，εsurface和εwater分別為建筑、自然表面、水體的地表比輻射率；Pv為植被覆蓋度；Rv,Rm和Rs分別為植被、建筑和裸土的溫度比率，可由Pv計(jì)算求得；εv,εm和εs分別為植被、建筑和裸土的地表發(fā)射率，其值分別為0.986,0.970和0.972；dε為比輻射率修正項(xiàng)，可由以下公式計(jì)算：

Pv≤0.5,dε=0.003 8Pv

，

(6)

Pv>0.5,dε=0.003 81-Pv

。

(7)

2.1.3 溫度標(biāo)準(zhǔn)化分級(jí)

為了消除因傳感器、采集時(shí)間不同導(dǎo)致的數(shù)據(jù)誤差，增加溫度數(shù)據(jù)的可比性，采用溫度標(biāo)準(zhǔn)化分級(jí)公式對(duì)溫度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并采用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法[33]重分類，分類后的低溫區(qū)和次低溫區(qū)為冷島區(qū)域，次高溫區(qū)、高溫區(qū)和超高溫區(qū)為熱島區(qū)域(見(jiàn)圖1)。

(a) 1993年唐山LST(b) 2000年唐山LST(c) 2003年唐山市LST(d) 2009年唐山市LST

(c) 2014年唐山市LST(f) 2018年唐山市LST(g) 2019年唐山市LST

2.2 土地利用分類及綠色空間演化

2.2.1 監(jiān)督分類

2.2.2 綠色空間演化

分類結(jié)果根據(jù)已有研究學(xué)者對(duì)綠色空間的界定[34-35]，將林/草地、農(nóng)業(yè)用地、水體確定為綠色空間。將綠色空間的演化過(guò)程分為以下3種情況： 綠色空間擴(kuò)張、綠色空間損失、綠色空間不變，分別表示非綠色空間向綠色空間轉(zhuǎn)變、綠色空間向非綠色空間轉(zhuǎn)變，綠色空間類型未發(fā)生改變。

根據(jù)以上界定，對(duì)監(jiān)督分類后影像的各個(gè)類型進(jìn)行疊置分析，如前后2景影像均為水體，則表示為綠色空間不變； 如由水體演變成城鎮(zhèn)，則表示為綠色空間損失，以此類推。各年份之間綠色空間動(dòng)態(tài)演化情況如圖2所示。

(a) 1993—2000年綠色空間演化(b) 2000—2003年綠色空間演化(c) 2003—2009年綠色空間演化

(d) 2009—2014年綠色空間演化(e) 2014—2018年綠色空間演化(f) 2018—2019年綠色空間演化

圖2 唐山市中心城區(qū)1993—2019年綠色空間演化圖

2.3 統(tǒng)計(jì)分析

2.3.1 重心分析

從溫度分級(jí)圖中分別提取出冷島、熱島區(qū)域，從土地利用分類圖中分別提取出城鎮(zhèn)、綠色空間區(qū)域，計(jì)算各區(qū)域重心，用于分析冷熱島變化趨勢(shì)和城市不同用地類型演化之間的關(guān)系。

2.3.2 隨機(jī)采樣統(tǒng)計(jì)

對(duì)研究區(qū)范圍內(nèi)隨機(jī)采樣100個(gè)點(diǎn)，疊加1993年、2019年土地利用類型、地表溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，用于量化分析綠色空間演化對(duì)溫度的影響。

3 結(jié)果與討論

3.1 城市熱島變化特征

圖1可見(jiàn)，20世紀(jì)90年代研究區(qū)的熱島區(qū)域集中分布于城市中東部，2003年開(kāi)始逐步向西北方向蔓延，2018年以后熱島區(qū)域較為分散且分布較廣，不再有明顯熱島中心。而20世紀(jì)90年代研究區(qū)并不存在明顯冷島中心，冷島區(qū)域主要分布在研究區(qū)邊緣地帶，2000—2009年南部區(qū)域開(kāi)始出現(xiàn)冷島中心，2009年之后，中南部地區(qū)冷島中心較為明顯。據(jù)了解，研究區(qū)城市建設(shè)經(jīng)歷了幾個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期，1996年開(kāi)始對(duì)城市南部采煤塌陷區(qū)進(jìn)行綜合整治，在此基礎(chǔ)上建設(shè)了南湖公園并于2009年對(duì)外開(kāi)放，逐步成為了研究區(qū)冷島中心。2008年研究區(qū)西北部的“鳳凰新城”項(xiàng)目開(kāi)始建設(shè)，2014年研究區(qū)西南部的“站西片區(qū)”開(kāi)始建設(shè)，這些大規(guī)模的城市規(guī)劃建設(shè)項(xiàng)目與研究區(qū)熱島發(fā)展方向和時(shí)間都較為一致。

從冷熱島轉(zhuǎn)移面積上來(lái)看(圖3(a))，2009年以前，熱島區(qū)轉(zhuǎn)為冷島區(qū)的面積多于冷島區(qū)轉(zhuǎn)為熱島區(qū)的面積，全區(qū)的熱島面積有所下降，僅2000—2003年3年時(shí)間，熱島區(qū)轉(zhuǎn)為冷島區(qū)的面積就達(dá)22.53 km2，轉(zhuǎn)化速率為7.51 km2·a-1； 2009年以后，僅有極少量的熱島區(qū)轉(zhuǎn)為冷島區(qū)，而冷島區(qū)轉(zhuǎn)為熱島區(qū)的面積卻大幅上升，2014—2018年4 a時(shí)間，冷島區(qū)轉(zhuǎn)為熱島區(qū)的面積就增加了23.68 km2，轉(zhuǎn)化速率為5.92 km2·a-1，這也與研究區(qū)大規(guī)模城市規(guī)劃建設(shè)項(xiàng)目時(shí)間相對(duì)應(yīng)。2018年以后冷島區(qū)轉(zhuǎn)熱島區(qū)面積幾乎沒(méi)有增加，而熱島區(qū)轉(zhuǎn)冷島區(qū)面積有增加趨勢(shì)，這是由于研究區(qū)范圍內(nèi)大規(guī)模城市建設(shè)已經(jīng)基本完成，并且由于生態(tài)文明建設(shè)的要求，地方政府較重視城市綠化，綠色空間開(kāi)始緩慢增長(zhǎng)。從轉(zhuǎn)化速率上來(lái)看(圖3(b))，研究時(shí)段內(nèi)，冷島區(qū)轉(zhuǎn)熱島區(qū)的速率呈明顯增加趨勢(shì)，熱島區(qū)轉(zhuǎn)冷島區(qū)的速率呈明顯降低趨勢(shì)。

(a) 冷熱島、綠色空間面積變化(b) 冷熱島、綠色空間面積變化速率

圖3 冷熱島、綠色空間面積及轉(zhuǎn)化速率變化趨勢(shì)圖

從溫度等級(jí)面積轉(zhuǎn)化來(lái)看(表1)，1993年次高溫區(qū)面積最大，為44.28 km2，其次分別為中溫區(qū)(38.99 km2)、次低溫區(qū)(36.76 km2)； 2019年，次高溫區(qū)面積依然最大，為54.60 km2，但面積排名第二變?yōu)楦邷貐^(qū)(43.97 km2)。1993—2019年，冷島區(qū)面積均出現(xiàn)損失，其中次低溫區(qū)面積損失最大，達(dá)22.86 km2； 熱島區(qū)面積均有所增長(zhǎng)，其中高溫區(qū)面積增長(zhǎng)最大，達(dá)13.65 km2，次高溫區(qū)次之，達(dá)10.32 km2。

表1 研究區(qū)溫度等級(jí)面積轉(zhuǎn)化

3.2 城市綠色空間變化特征

隨著城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，城市綠色空間范圍也不斷縮小，1993—2018年，綠色空間損失的面積均明顯大于綠色空間擴(kuò)張面積，綠色空間損失區(qū)域大部分位于研究區(qū)西北部，僅在中南部存在小范圍的綠色空間擴(kuò)張； 2019年綠色空間面積有小幅增加(圖2)。綠色空間面積損失最大的是1993—2000年，損失面積達(dá)36.36 km2，損失速率最快的為2000—2003年，損失速率達(dá)8.92 km2·a-1； 綠色空間面積擴(kuò)張最大的是2003—2009年，擴(kuò)張面積達(dá)14.02 km2，擴(kuò)張速率最快的是2018—2019年，達(dá)5.32 km2·a-1(表2)。1993年面積最大的土地利用類型為農(nóng)業(yè)用地，面積達(dá)86.1 km2，2019年面積最大的土地利用類型為城鎮(zhèn)，面積達(dá)118.12 km2。1993—2019年，土地利用類型面積損失最大的為農(nóng)業(yè)用地，達(dá)55.79 km2，面積擴(kuò)張最大的為城鎮(zhèn)，增長(zhǎng)面積達(dá)47.85 km2(表3)。

表2 研究區(qū)綠色空間演化面積及變化速率

表3 研究區(qū)土地利用轉(zhuǎn)化面積

自1993—2018年，綠色空間損失的面積是呈遞減趨勢(shì)的，綠色空間擴(kuò)張的面積相對(duì)較為穩(wěn)定，面積變化速率趨勢(shì)也大致相同，但冷熱島面積相互轉(zhuǎn)換的趨勢(shì)在1993—2003年時(shí)間段內(nèi)并沒(méi)有與之相一致，甚至出現(xiàn)綠色空間降低，熱島面積也減少的情況。2009—2019年時(shí)間段內(nèi)，冷熱島面積相互轉(zhuǎn)換的趨勢(shì)與綠色空間面積轉(zhuǎn)換趨勢(shì)趨于一致(圖3)。表明在城市發(fā)展的不同階段，綠色空間的演化引起地表溫度變化的效果有所區(qū)別，在城市發(fā)展早期，城鎮(zhèn)化程度較低，綠色空間面積較大，城市熱島效應(yīng)不明顯，此時(shí)如果損失少量的綠色空間并不會(huì)導(dǎo)致熱島效應(yīng)迅速增強(qiáng)。在城市發(fā)展了一段時(shí)間后，城鎮(zhèn)化程度已經(jīng)相當(dāng)高，除了濕地公園外綠色空間僅斑塊狀存在，這時(shí)增加少量的城鎮(zhèn)面積就會(huì)導(dǎo)致熱島效應(yīng)顯著增強(qiáng)，而增加少量的綠色空間對(duì)于緩解城市熱島效應(yīng)效果不明顯，這與已有學(xué)者的研究結(jié)果相吻合[12,23]。顯然，城市綠色空間轉(zhuǎn)移對(duì)于熱島效應(yīng)的影響是與城市綠色空間存量存在一定的關(guān)系，具體的量化指標(biāo)還有待進(jìn)一步研究。

3.3 綠色空間、城鎮(zhèn)重心與冷熱島重心遷移特征

利用GIS軟件提取了城市冷、熱島重心及城鎮(zhèn)、綠色空間的重心(圖4)。可以看出，城市綠色空間重心和冷島重心在2003年之前遷移方向不太一致； 2003年之后，兩者遷移方向趨于一致，均由西北向東南方向移動(dòng)，且重心移動(dòng)距離較長(zhǎng)，可達(dá)4 km左右。城鎮(zhèn)重心和熱島重心在2003年之前同樣遷移方向不一致，并且城鎮(zhèn)重心在2003年之前基本無(wú)變化； 2003年之后，兩者遷移方向趨于一致，均向城市西北方向遷移。由此表明，城市下墊面的改變是造成熱島發(fā)生發(fā)展的重要因素，城市熱島與城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)程關(guān)系密切，城市冷島分布與綠色空間的擴(kuò)張息息相關(guān)。

(a) 綠色空間、冷島重心轉(zhuǎn)移 (b) 城鎮(zhèn)、熱島重心轉(zhuǎn)移

3.4 綠色空間演化對(duì)溫度的影響

研究區(qū)范圍內(nèi)隨機(jī)取樣100個(gè)點(diǎn)，分別統(tǒng)計(jì)1993年，2019年這100個(gè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的地表溫度以及土地利用類型，分析綠色空間演化對(duì)地表溫度的影響。表4可見(jiàn)，綠色空間損失造成的升溫幅度平均值為6.37 ℃，大于綠色空間交換的影響； 而綠色空間擴(kuò)張則造成地表溫度下降，下降幅度平均值為-0.16 ℃。研究表明，綠色空間擴(kuò)張對(duì)于城市地表降溫的作用遠(yuǎn)小于綠色空間損失造成的地表升溫作用。這是由于綠色空間的損失往往是大塊面積的改變，比如房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等； 而綠色空間擴(kuò)張一般是小面積的增加，比如街心公園、沿路的綠化等等，對(duì)于地表降溫影響有限。

表4 綠色空間演化對(duì)地表溫度的影響

4 結(jié)論

本研究利用遙感數(shù)據(jù)反演了唐山中心城區(qū)地表溫度，以多種空間統(tǒng)計(jì)方法分析了研究區(qū)綠色空間的變化及其對(duì)地表溫度的影響。結(jié)果表明：

1)研究時(shí)段內(nèi)，城市熱島面積增加較為明顯，次低溫區(qū)面積損失最大，高溫區(qū)面積增加最大，熱島發(fā)展方向和面積與城市快速發(fā)展的規(guī)模和方向較為一致。

2)每個(gè)時(shí)間段內(nèi)的綠色空間損失面積均大于擴(kuò)張面積，農(nóng)業(yè)用地?fù)p失的面積最大，城鎮(zhèn)增加的面積最大； 且在城市的不同發(fā)展階段，冷熱島演化的趨勢(shì)與綠色空間演化趨勢(shì)不一致，這或許與綠色空間存量有一定關(guān)系。

3)城市下墊面的改變是造成地表溫度改變的重要因素，冷熱島重心的遷移方向和綠色空間、城鎮(zhèn)重心方向較為一致。

4)綠色空間擴(kuò)張對(duì)于城市地表降溫的作用遠(yuǎn)小于綠色空間損失造成的地表升溫作用，這與綠色空間擴(kuò)張、損失的規(guī)模有關(guān)。

綜上所述，城市快速發(fā)展與城市熱島效應(yīng)的增強(qiáng)之間確實(shí)存在密切關(guān)系，但是并非城市發(fā)展就一定會(huì)造成熱島效應(yīng)增強(qiáng)，合理做好城市規(guī)劃，保留足夠的綠色空間存量，且綠色空間規(guī)模達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，便可有效緩解城市熱島效應(yīng)，促進(jìn)城市綠色健康發(fā)展。