石蕾潔，楊若雨

1.中聯(lián)西北工程設(shè)計(jì)研究院有限公司；2.西安市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市內(nèi)部資源環(huán)境壓力加劇，生態(tài)環(huán)境問題大量涌現(xiàn)，尤其是全球變暖現(xiàn)象愈加明顯。環(huán)境污染、資源匱乏、交通擁擠等問題使人類賴以生存和發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)受到了巨大的影響[1-2]。Manley于1958年提出了“城市熱島”（Urban Heat Island）的概念，即城市內(nèi)部溫度明顯高于周圍郊區(qū)溫度[3]。城市熱島效應(yīng)已成為中國地理國情監(jiān)測的一項(xiàng)試點(diǎn)內(nèi)容，大量學(xué)者投入到城市熱島效應(yīng)研究中。陳云浩[4]首次提出了“熱力景觀”概念，將景觀生態(tài)學(xué)引入城市熱環(huán)境的研究中，對不同時(shí)期上海市熱環(huán)境的空間結(jié)構(gòu)與格局進(jìn)行了研究；劉宇翔[5]等從全國、氣候帶、城市3個(gè)空間尺度探討了我國347個(gè)城市晝夜地表熱島強(qiáng)度的空間分布特征以及時(shí)間變化規(guī)律；鄧玉嬌[6]等定量分析了粵港澳大灣區(qū)城市熱島的時(shí)空分布特征；孫艷偉[7]等利用MODIS數(shù)據(jù),基于一致性方法定量測度了我國1232個(gè)主要城鎮(zhèn)人居斑塊的熱島強(qiáng)度及其時(shí)空變化模式；高靜[8]等分析了武漢市局部源匯景觀格局對城市地表溫度的貢獻(xiàn)及其效應(yīng)；黃亞平[9]等以武漢市主城區(qū)589個(gè)控規(guī)管理單元為樣本,運(yùn)用RS、GIS的技術(shù)識別熱島空間格局,揭示熱島空間分布的影響要素；丁海勇[10]等對南京市土地利用/覆蓋類型動(dòng)態(tài)變化的空間特征及地表溫度對城市化的響應(yīng)情況進(jìn)行了定量研究；陰瑜鑫[11]等基于GEE平臺，使用城鄉(xiāng)二分法估算長江經(jīng)濟(jì)帶2003—2019年的城市地表熱島強(qiáng)度，再利用城市熱場變異指數(shù)評價(jià)生態(tài)環(huán)境，并利用地理探測器進(jìn)行城市熱島成因分析；李宇[12]等通過城鄉(xiāng)對比法（UMR）和觀測減去再分析方法（OMR）對比分析了中國92個(gè)主要城市的城市化對局地增溫的貢獻(xiàn)。本文將西安-咸陽主城區(qū)作為研究區(qū)，基于Landsat影像反演地表溫度，利用均值-標(biāo)準(zhǔn)差法、標(biāo)準(zhǔn)差橢圓法分析熱力景觀時(shí)空變化特征，為城市生態(tài)環(huán)境的改善、城市的合理規(guī)劃布局等提供了科學(xué)指導(dǎo)。

一、研究區(qū)概況

本文選取大西安都市圈建設(shè)的核心區(qū)域西安-咸陽主城區(qū)作為城市熱環(huán)境研究的典型區(qū)域，總面積約為1664km2。西安-咸陽地區(qū)地處渭河流域中部關(guān)中盆地，四季冷熱分明，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，春季溫暖干燥，夏季炎熱多雨，秋季冷暖適宜，冬季寒冷多霧。近年來，隨著城市的快速發(fā)展，建筑用地不斷增加，西安-咸陽主城區(qū)的生態(tài)環(huán)境問題日益嚴(yán)重，夏季高溫多次創(chuàng)歷史新高。2017年西安成為第一個(gè)夏季高溫破40℃的省會(huì)城市，高溫日數(shù)量連續(xù)排在全國前三位，因此研究西安-咸陽主城區(qū)的熱環(huán)境演變特征并提出緩解措施是具有重大意義的。

二、數(shù)據(jù)與方法

（一）數(shù)據(jù)來源

本文主要使用Landsat影像數(shù)據(jù)進(jìn)行地表溫度的反演，空間分辨率為30m。本文研究的時(shí)間跨度為2000-2019年，根據(jù)影像數(shù)據(jù)的成像情況，分別選取了2000年、2006年、2013年和2019年夏季（6-8月）的Landsat影像數(shù)據(jù)，四期影像數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，且在研究區(qū)范圍內(nèi)基本無云覆蓋，能較好反映地表真實(shí)狀況。本文選取MODIS陸表溫度產(chǎn)品MOD11A1對Landsat數(shù)據(jù)反演得到的地表溫度進(jìn)行精度驗(yàn)證。

（二）研究方法

1.地表溫度反演

本文選用覃志豪單窗算法反演地表溫度。單窗算法是覃志豪[13]等根據(jù)地表熱輻射傳輸傳導(dǎo)方程，推導(dǎo)出的一種利用Landsat TM/ETM+第6波段數(shù)據(jù)反演地表溫度的算法，該算法需要3個(gè)參數(shù)：大氣平均作用溫度、大氣透過率和地表比輻射率。計(jì)算公式如下：

式（1）中，Ts為地表真實(shí)溫度（K）；a和b是常量，分別為-67..355351和0. 458606；和是中間變量，，，其中是地表比輻射率，是大氣透射率；T6是衛(wèi)星高度上傳感器所探測到的像元亮度溫度（K）；Ta為大氣平均作用溫度。

本文選取MODIS陸表溫度產(chǎn)品MOD11A1對Landsat數(shù)據(jù)反演得到的地表溫度進(jìn)行精度驗(yàn)證。

2.城市熱力景觀等級劃分

均值-標(biāo)準(zhǔn)差法利用地表溫度的平均值和不同標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)的組合劃分城市熱力景觀等級。本文將熱力景觀等級劃分為6級，分別為：低溫區(qū)、次中溫區(qū)、中溫區(qū)、次高溫區(qū)、高溫區(qū)和特高溫區(qū)（見表1）。

表1 城市熱力景觀等級劃分

3.標(biāo)準(zhǔn)差橢圓法

標(biāo)準(zhǔn)差橢圓法來源于中心形態(tài)學(xué)，它能精準(zhǔn)地概括地理要素的空間特征，如中心趨勢、離散和方向趨勢，其形態(tài)可在一定程度上反映要素空間分布的方向性特征。橢圓的方位角反映要素分布的主趨勢方向，主輔軸反映要素分布的主次方向和聚集離散程度。

三、結(jié)果與分析

（一）城市地表溫度變化特征

利用覃志豪單窗算法反演得到研究區(qū)年夏季地表溫度。2000年地表平均溫度為32.31℃。最低溫度為20.62℃，位于秦都區(qū)內(nèi)渭河水面上。最高溫度為41.29℃，位于蓮湖區(qū)；2006年地表平均溫度為30.54℃，較2000年降低了1.77℃。最低溫度為22.82℃，位于渭城區(qū)內(nèi)渭河水面上。最高溫度為45.54℃，也位于蓮湖區(qū)內(nèi)。2006年平均地表溫度低于2000年，而最低和最高溫度均高于2000年，標(biāo)準(zhǔn)差為1.80，也略低于2000年，說明2006年地表溫度值相對于2000年分布較為聚集，大部分?jǐn)?shù)值較為接近平均值；2013年升溫幅度較大，平均地表溫度為35.46℃，較2006年升高了約16.11%。最低溫度也位于渭城區(qū)的渭河水面上，但較2006年升高了2.86℃。2013年最高溫度基本與2006年持平，為45.84℃，位于新城區(qū)內(nèi)。而標(biāo)準(zhǔn)差明顯增大，說明2013年地表溫度值離散程度較大，高值和低值趨于兩極化分布；2019年平均地表溫度持續(xù)升高，達(dá)到了39.67℃，較2013年升高了約11.87%。最低溫度為24.12℃，位于灞橋區(qū)內(nèi)灞河水面上。最高溫度為49.52℃，較2013年升高了3.68℃，位于長安區(qū)內(nèi)。標(biāo)準(zhǔn)差與2013年持平，地表溫度值繼續(xù)保持離散分布狀態(tài)?？傮w來看，2000-2019年研究區(qū)內(nèi)平均地表溫度呈持續(xù)上升的趨勢，2006年稍有降低，平均溫度共升高了7.36℃。溫度低值點(diǎn)多位于渭河和灞河水面處。

（二）城市熱力景觀空間分布變化特征

在6類熱力景觀中，次高溫區(qū)、高溫區(qū)和特高溫區(qū)3類熱力景觀構(gòu)成了“城市熱島景觀”。2000年，西安市城三區(qū)（碑林區(qū)、新城區(qū)、蓮湖區(qū)，下文同）基本為高溫區(qū)域，在護(hù)城河附近溫度稍有降低，形成了帶狀中溫區(qū)熱力景觀，碑林區(qū)內(nèi)的興慶宮公園由于具有大量綠地與水面，也形成了面狀低溫區(qū)熱力景觀；雁塔區(qū)的高溫中心主要在以大雁塔、小寨、電視塔為中心的商圈范圍，未央?yún)^(qū)以城三區(qū)為中心向北和向西延伸也形成了部分高溫中心，灞橋區(qū)的高溫中心為東三環(huán)、長樂東路、連霍高速所形成的區(qū)域，長安區(qū)的高溫中心位于航天城、鳳棲原區(qū)域，而秦都區(qū)和渭城區(qū)的高溫中心主要位于咸陽市政府和咸陽國際機(jī)場附近；2006年，各轄區(qū)原有高溫中心基本無明顯變化，但高溫區(qū)域均向外發(fā)生擴(kuò)散，尤其是雁塔區(qū)由于高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)迅速發(fā)展，大量工業(yè)企業(yè)坐落于此，城市熱量增加，地表溫度升高；2013年城市熱島景觀斑塊面積有所增加，但整體城市熱力景觀等級有所下降，尤其是城三區(qū)內(nèi)大量高溫區(qū)熱力景觀斑塊轉(zhuǎn)移為次高溫區(qū)熱力景觀斑塊，城市熱量主要向長安區(qū)和未央?yún)^(qū)進(jìn)行輻射。未央?yún)^(qū)為西安市人民政府的坐落地，并且北客站已建成使用，經(jīng)濟(jì)、政治、文化等產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，建設(shè)用地大量增加，使得地表溫度升高。而長安區(qū)已發(fā)展成為西安高校聚集地，原有農(nóng)田被開發(fā)為住宅、商場等建設(shè)用地，城市下墊面性質(zhì)改變，生活設(shè)施逐漸完善，也在一定程度上導(dǎo)致部分人口遷居在此，因此城市熱量大幅度增加。同時(shí)隨著西咸一體化的規(guī)劃開展，咸陽市主城區(qū)及新城區(qū)均迅速發(fā)展；到2019年西咸新區(qū)的發(fā)展對城市熱力景觀的影響較大，新增加的高溫中心主要集中于灃東新城以及秦漢新城?？傮w來看，2000-2006年，西安市城三區(qū)和咸陽市城區(qū)為城市熱島景觀主要區(qū)域，該區(qū)域建筑密度較大，人類活動(dòng)密集，因此地表溫度明顯高于周邊地區(qū)，形成了明顯的“城市熱島”。2006-2019年，隨著其他行政區(qū)尤其是西咸新區(qū)的快速發(fā)展，大量商業(yè)、工業(yè)中心建成，人類活動(dòng)范圍擴(kuò)大，城市熱島景觀向外擴(kuò)散延伸，形成了多個(gè)新的高溫中心，城三區(qū)的資源環(huán)境承載壓力相對減小。

（三）城市熱力景觀方向趨勢變化特征

2019年低溫區(qū)及中溫區(qū)熱力景觀橢圓的方位角大于2000年，說明研究區(qū)低溫區(qū)及中溫區(qū)熱力景觀整體向東南方向傾斜，可能是由于研究區(qū)東部浐河、灞河的水體冷島效應(yīng)，使得低溫區(qū)域方向逐漸趨于河流方向；而城市熱島景觀的方位角均小于2000年，則說明研究區(qū)城市熱島景觀整體向西北方向傾斜，主要原因可能是未央?yún)^(qū)及西咸新區(qū)快速發(fā)展形成新的高溫中心，從而對城市熱島景觀的影響程度逐漸加強(qiáng)。而各類城市熱力景觀的方向趨勢和向心力整體都有所減弱，2000-2013年為變化的主要時(shí)期，2013-2019年變化程度相對較小。2006年以后，三類城市熱島景觀重心整體向西北方向遷移到未央?yún)^(qū)，其重心遷移趨勢與景觀分布方向傾斜趨勢大致相同。

四、結(jié)論與討論

（一）結(jié)論

本文基于Landsat遙感影像反演地表溫度，結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)的研究方法，選取合適的景觀指數(shù)，運(yùn)用拐點(diǎn)法和信息損失評價(jià)法識別城市熱力景觀格局分析的適宜粒度范圍。基于最適宜粒度，研究夏季熱力景觀空間格局演變特征，并基于移動(dòng)窗口法對8個(gè)方向上熱力景觀格局變化特征進(jìn)行梯度分析，主要得到以下結(jié)論。

（1）2000-2019年，研 究區(qū)內(nèi)夏季平均地表溫度呈持續(xù)上升的趨勢，2006年稍有降低，平均地表溫度從32.31℃升高到39.67℃。地表溫度值離散程度較大，高值和低值趨于兩極化分布。2019年研究區(qū)城市熱島景觀斑塊面積約為866.93km2，較2000年約增加112.73km2。2000-2006年，西安市城三區(qū)（碑林區(qū)、新城區(qū)、蓮湖區(qū)）和咸陽市城區(qū)為城市熱島景觀主要區(qū)域，地表溫度明顯高于周邊地區(qū)，形成了明顯的“城市熱島”。2006-2019年，城市熱島景觀向外擴(kuò)散延伸現(xiàn)象明顯，形成了多個(gè)新的高溫中心。

（2）城市熱環(huán)境在空間分布方向上大致呈現(xiàn)“東南-西北”的分布格局，城市熱島景觀分布方向和重心主要向西北方向偏移，而低溫區(qū)及中溫區(qū)熱力景觀的偏移方向與城市熱島景觀相反，大致向東南方向傾斜，分布方向逐漸趨于河流方向，且各類熱力景觀的方向趨勢和向心力程度整體均有所減弱。

（二）討論

本文對城市熱環(huán)境的內(nèi)在特征進(jìn)行了從表象到實(shí)質(zhì)、從整體到局部的解讀和論證，然而，由于城市熱力景觀的形成機(jī)制與影響因素較為復(fù)雜，本文仍存在一些問題值得進(jìn)一步的思考與完善。在后續(xù)的研究中，可細(xì)化研究尺度，從晝夜及季節(jié)兩個(gè)時(shí)間尺度研究城市熱力景觀的演變特征。