吳 凡, 常 勇, 姚 磊, 孫 碩

(山東師范大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250358)

根據(jù)聯(lián)合國(guó)統(tǒng)計(jì)署發(fā)表的報(bào)告顯示,現(xiàn)在世界上已經(jīng)有超過(guò)一半的人居住在城市之中,《2020年世界城市報(bào)告》顯示,到2050年城市人口占全球總?cè)丝诒壤龑⑦_(dá)到68%[1]。自改革開(kāi)放以來(lái),中國(guó)的城市化進(jìn)程速度不斷加快,第七次人口普查城市化率已經(jīng)達(dá)到63.89%。急速的城市化極大地改變了中國(guó)城市景觀格局和城市熱環(huán)境,城市熱島效應(yīng)是城市熱環(huán)境不斷惡化引發(fā)的城市生態(tài)問(wèn)題之一[2]。城市熱島(UHI)一般被定義為城市比周圍農(nóng)村溫度高的現(xiàn)象[3],不同時(shí)間、不同空間、不同層次,熱島效應(yīng)都有不同的特點(diǎn)。城市化顯著地改變了城市不透水面的結(jié)構(gòu),綠地、水面布局的減少以及人為的熱排放都會(huì)增強(qiáng)熱島效應(yīng)。城市熱島效應(yīng)促使了城市高溫災(zāi)害的形成、加劇了高溫的出現(xiàn)頻率,并帶來(lái)了巨大危害,嚴(yán)重威脅著城市可持續(xù)發(fā)展[4-5]。因此,對(duì)地表熱環(huán)境分布格局及其影響因素的探索是本文研究的重點(diǎn)。

人們普遍認(rèn)為,城市化將提高城市氣溫和地表溫度[6],改變城市熱環(huán)境空間分布狀態(tài),因此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者多關(guān)注于城市擴(kuò)張與城市熱島的空間關(guān)系。胡平[7]通過(guò)劈窗算法反演成都市遙感影像發(fā)現(xiàn),熱島區(qū)域多集中地分布在二環(huán)至繞城區(qū)域,說(shuō)明城市擴(kuò)張現(xiàn)象嚴(yán)重。韓冬銳等[8]發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)三角地區(qū)熱環(huán)境的不安全區(qū)域多發(fā)布在城市建成區(qū)及其周圍,且呈擴(kuò)張趨勢(shì)。錢敏蕾等[9]使用TVX空間法定量研究上海市熱環(huán)境效應(yīng),結(jié)果也表明熱島強(qiáng)度分布與城市化建設(shè)密切相關(guān),呈現(xiàn)“葫蘆串-葡萄串-攤大餅型”的蔓延模式。張偉等[10]提出了一種基于空間統(tǒng)計(jì)特征的城市熱島范圍界定方法,并得出杭州城市熱島的空間形態(tài)日趨復(fù)雜——單中心向多中心擴(kuò)散發(fā)展。胡李發(fā)等[11]利用主成分分析法構(gòu)建城市熱環(huán)境指數(shù),發(fā)現(xiàn)關(guān)中平原城市群熱島強(qiáng)度老城區(qū)增速大于新建城區(qū)。徐雙等[12]通過(guò)分區(qū)統(tǒng)計(jì)法分析了不同熱力景觀等級(jí)下長(zhǎng)沙市各城市景觀的空間格局變化,從中心位置到偏北、偏東和偏南方向上,熱力景觀從市區(qū)向周邊郊區(qū)呈現(xiàn)破碎化,而向西方向上則相反。多數(shù)學(xué)者聚焦于單一城市在城市擴(kuò)張與熱環(huán)境形態(tài)間的關(guān)聯(lián),而較少關(guān)注城市群體系中,各城市與郊區(qū)的熱環(huán)境隨城市化進(jìn)程的變化。因此,本研究將中國(guó)快速城市化的典型地區(qū)京津冀城市群作為研究區(qū)域,重點(diǎn)研究城市群區(qū)域的熱環(huán)境表征情況。

在城市熱島與景觀指數(shù)結(jié)合的領(lǐng)域,李玉杰等[13]通過(guò)地統(tǒng)計(jì)學(xué)和景觀格局的結(jié)合發(fā)現(xiàn),海口市近19a熱島效應(yīng)先增后減,熱島斑塊前期縮小后期擴(kuò)張,斑塊形狀區(qū)域平穩(wěn)。高靜等[14]創(chuàng)新性地引用大氣污染中的“源”“匯”概念,研究了武漢市主城區(qū)內(nèi)的源匯景觀組對(duì)城市熱島的作用,發(fā)現(xiàn)兩者存在極強(qiáng)的相關(guān)性,即匯-源景觀面積比大于0.89時(shí),景觀組對(duì)城市熱島具有緩解作用。

城市熱環(huán)境受下墊面的影響[15],特別是城市化過(guò)程中大量自然植被被人工不透水面取代,使生態(tài)環(huán)境壓力提升[16],部分學(xué)者探究了土地覆被對(duì)城市熱島的影響。邱海玲[17]以北京市為研究區(qū),發(fā)現(xiàn)綠地面積與降溫作用一定范圍內(nèi)呈對(duì)數(shù)關(guān)系,且降溫幅度與綠地面積等大小沒(méi)有明顯的相關(guān)性。楊雅君等[18]基于熱紅外成像技術(shù)觀測(cè)地表溫度,綜合分析6種典型城市下墊面,發(fā)現(xiàn)嵌草磚的熱環(huán)境穩(wěn)定性較草地和大理石要好,瀝青路面最能代表下墊面地表溫度的時(shí)空變化特征。而樊智宇、聶芹、郭宇、黃奕欽、吳昌廣等[19-23]研究發(fā)現(xiàn)不透水面是城市熱環(huán)境惡化的主要驅(qū)動(dòng)因素。在城市擴(kuò)張與土地覆被狀況及其景觀格局的共同影響下,城市熱環(huán)境的格局不斷發(fā)生變化,而這種影響與變化在京津冀城市群演化中的體現(xiàn),也是本研究的探討內(nèi)容。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,中國(guó)的城市化進(jìn)程正朝著大城市集群方向發(fā)展。京津冀地區(qū)作為中國(guó)城市最密集、城市化水平最高的地區(qū)之一[24],自20世紀(jì)80年代以來(lái),經(jīng)歷了城市化快速發(fā)展時(shí)期。發(fā)達(dá)的工業(yè)、頻繁的人類活動(dòng)導(dǎo)致該區(qū)域城市熱島現(xiàn)象日趨嚴(yán)重,并對(duì)區(qū)域氣候和人類生活造成了不可忽略的影響[5,25]。而京津冀城市群作為中國(guó)核心經(jīng)濟(jì)區(qū)的重要組成部分,肩負(fù)國(guó)家應(yīng)對(duì)全球競(jìng)爭(zhēng)的重大使命。因此,探究區(qū)域地表熱環(huán)境的分布及演化對(duì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的京津冀地區(qū)來(lái)說(shuō)十分必要。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域

京津冀城市群由首都經(jīng)濟(jì)圈發(fā)展而來(lái),位于113°27′～119°50′E、36°1′～42°37′N之間,總面積2.18×105 km2(圖1)。京津冀地區(qū)屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)型氣候,夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥,年均降水量300～800 mm。上世紀(jì)80年代中期國(guó)家將京津冀地區(qū)作為“四大”試點(diǎn)地區(qū)之一,在實(shí)施國(guó)土整治戰(zhàn)略、開(kāi)展跨區(qū)域分工協(xié)作、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)和人口布局等方面的探索具有重要意義。截至2019年,該區(qū)域占國(guó)土面積的2.35%,卻居住著全國(guó)7.24%的人口,GDP占全國(guó)的8.6%。據(jù)《中國(guó)城市營(yíng)銷發(fā)展報(bào)告(2019)》顯示,京津冀城市群位列城市群品牌第三位。與此同時(shí),京津冀地區(qū)也面臨城鎮(zhèn)化發(fā)展失衡、區(qū)域熱環(huán)境加劇的問(wèn)題。然而,由于缺乏區(qū)域統(tǒng)籌,熱環(huán)境應(yīng)對(duì)策略常常只針對(duì)特定區(qū)域,特別是兩個(gè)直轄市,其政策與戰(zhàn)略總是與河北省分離。

圖1 京津冀地區(qū)地理位置

總體而言,京津冀地區(qū)是中國(guó)城市群發(fā)展的典型代表,了解其區(qū)域熱環(huán)境的時(shí)空演變格局,有助于為其政策規(guī)劃提供參考,同時(shí)對(duì)于城市化飛速發(fā)展的其他區(qū)域的環(huán)境治理具有重要借鑒意義。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

MODIS傳感器作為Aqua和Terra衛(wèi)星上的重要載荷,提供了豐富的大氣、陸地與海洋系列標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品?？紤]到研究時(shí)間的跨度,本文使用的數(shù)據(jù)包括MODIS月均溫?cái)?shù)據(jù)和土地覆被數(shù)據(jù)。地表溫度數(shù)據(jù)為2000年、2005年、2010年、2015年和2020年1～12月的月均地表溫度數(shù)據(jù),空間分辨率為1 km,該數(shù)據(jù)從地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn/)下載,已被廣泛應(yīng)用于區(qū)域和全球尺度的熱環(huán)境研究。土地覆被數(shù)據(jù)來(lái)自于自然資源部30 m全球地表覆蓋數(shù)據(jù)集(http://www.globallandcover.com/),參考中科院土地利用分類標(biāo)準(zhǔn),將土地利用數(shù)據(jù)重新分類為林地、草地、水體、耕地、建成區(qū)、裸地6種土地覆被類型(圖2)。為統(tǒng)一研究數(shù)據(jù)空間分辨率[26-27],本文將地溫?cái)?shù)據(jù)與地表覆被數(shù)據(jù)重分類為3 km分辨率的影像以作進(jìn)一步研究。

圖2 京津冀土地覆蓋分類

2000—2020年,京津冀水體及耕地面積占比連續(xù)下降,草地面積占比則以2005年為轉(zhuǎn)折點(diǎn)表現(xiàn)為先上升后下降,林地、建成區(qū)面積逐漸增加,建成區(qū)增長(zhǎng)率也呈上升趨勢(shì),其絕對(duì)份額由9.97%增長(zhǎng)至14.74%,面積增加8 187.26 km2,說(shuō)明20年間城市建成區(qū)正處于快速擴(kuò)張階段(圖3)。2000年,各城市的建成區(qū)規(guī)模相對(duì)較小且相互隔離,多集中在城市化程度較高的行政中心,如北京、天津、石家莊等地。2000—2020年,建成區(qū)擴(kuò)張主要體現(xiàn)在各城市行政區(qū)劃范圍內(nèi)的近郊地區(qū),如邢臺(tái)、邯鄲、保定等次等級(jí)城市的建成區(qū)也逐漸連點(diǎn)成片。

圖3 京津冀土地覆蓋率的變化

1.3 研究方法

1.3.1相對(duì)地表溫度的計(jì)算

考慮到不同年份間整體地表溫度的差異,并方便后續(xù)對(duì)不同區(qū)域?qū)岘h(huán)境的貢獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),本文選取地表溫度的相對(duì)值來(lái)代表區(qū)域熱島的強(qiáng)度[28],其公式為:

(1)

1.3.2相對(duì)地表溫度的計(jì)算

標(biāo)準(zhǔn)差橢圓是一種用于揭示空間要素分布及變化的空間統(tǒng)計(jì)法。選用用標(biāo)準(zhǔn)差橢圓法以RLST等級(jí)為權(quán)重識(shí)別京津冀地區(qū)熱島的整體情況,分析20年來(lái)京津冀各溫區(qū)熱環(huán)境的演變趨勢(shì)和趨向性,其公式為:

(2)

(3)

1.3.3聚類分析

空間聚類分析可以根據(jù)空間對(duì)象的屬性對(duì)空間對(duì)象將“屬性相似,空間臨近”進(jìn)行分類劃分,已被廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測(cè)、地震預(yù)報(bào)等領(lǐng)域,也是空間數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域的重要分支。為了對(duì)區(qū)域熱島模式進(jìn)行多尺度的空間集聚格局分析,本文選用RipleyL函數(shù)法[29、32],對(duì)各梯度下京津冀各溫區(qū)熱環(huán)境的集聚格局進(jìn)行探究。最近鄰比是隨機(jī)條件下最近鄰平均觀測(cè)距離與最近鄰平均預(yù)期距離之比,可以顯示景觀要素的空間集聚格局,但是受尺度影響較大,而RipleyL函數(shù)法則更有助于確定動(dòng)態(tài)尺度下的空間格局,計(jì)算公式為:

(4)

(5)

式中:d代表尺度;n是特征的數(shù)量;A為特征總面積;ki,j為權(quán)重。L(d)>0表示在距離d處出現(xiàn)高溫聚集現(xiàn)象,L(d)<0表示其在距離d處是分散的。NRR=1表示空間格局呈隨機(jī)分布,NRR<1和NRR>1分別表示空間格局是集群或分散的。

1.3.4景觀格局

景觀指數(shù)能定量反映景觀的結(jié)構(gòu)組成與空間配置,是濃縮景觀格局信息的指標(biāo)。為了分析區(qū)域熱島各溫區(qū)的形態(tài)及分布特征,本文基于Fragstats(v4.2)軟件平臺(tái),綜合考慮數(shù)據(jù)的空間分辨率,并參考相關(guān)文獻(xiàn)[33-35],選取了斑塊類型總面積(TA)、斑塊數(shù)量(NP)、平均斑塊面積(ARER_MN)和斑塊所占景觀面積比例(PLAND)四個(gè)斑塊水平景觀指數(shù)作為分析基礎(chǔ),對(duì)京津冀地區(qū)各溫區(qū)的空間形態(tài)進(jìn)行分析,對(duì)景觀指數(shù)的具體描述見(jiàn)表1。

表1 景觀指數(shù)及其含義

1.3.5相關(guān)性分析

地表熱環(huán)境的分布格局與地區(qū)地表覆被類型密切相關(guān),本文結(jié)合前人研究[36],將地表覆被密度的概念引入,以此表示地表覆被特征,計(jì)算公式為:

(6)

式中:i表示林地、草地、水體、耕地、建成區(qū)、裸地6種土地覆被類型;LCD表示地表覆被密度;ni表示該網(wǎng)格內(nèi)i土地覆被類型所占像素?cái)?shù);sr表示單個(gè)像素的固定面積;S表示單個(gè)格網(wǎng)總面積。基于現(xiàn)實(shí)的考慮以及數(shù)據(jù)的可操作性,選取LCD>5%的數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)分析,對(duì)于LCD≤5%的土地覆被數(shù)據(jù),忽略其對(duì)該格網(wǎng)內(nèi)相對(duì)地表溫度的影響。

如上文所述,城市地表溫度的異質(zhì)性是多種因素共同作用的結(jié)果,包括自然覆被、建成區(qū)不透水地表、城市建筑形態(tài)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等因素。鑒于本文的研究目的,本文選取Spearman相關(guān)系數(shù)探索各時(shí)期土地覆被密度與相對(duì)地表溫度之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 京津冀熱環(huán)境變化趨勢(shì)分析

本文利用ArcGIS 10.2統(tǒng)計(jì)分析2000—2020年京津冀地區(qū)RLST的轉(zhuǎn)化情況,并通過(guò)轉(zhuǎn)移矩陣將其進(jìn)行可視化分析,以揭示在此期間京津冀地區(qū)地表熱環(huán)境效應(yīng)的時(shí)空演化規(guī)律。2000—2020年,京津冀地區(qū)RLST的總體表現(xiàn)為中溫區(qū)的面積大幅下降,由2000年的66 877 km2變?yōu)?015年的34 857 km2,主要轉(zhuǎn)換為低溫區(qū)、次高溫區(qū)、高溫區(qū),面積分別為8 516 km2、32 042 km2和631 km2,特別是2000—2005年期間,有26 702 km2轉(zhuǎn)換為次高溫區(qū)(圖5)。2010年前,中溫區(qū)持續(xù)下降,高溫區(qū)持續(xù)上升,熱環(huán)境形勢(shì)趨于惡化,而在2010年后,低溫區(qū)及高溫區(qū)的面積有所回退,中溫區(qū)及次高溫區(qū)面積小幅增加,區(qū)域熱環(huán)境呈好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。在京津冀地區(qū)地表溫區(qū)的轉(zhuǎn)換(面積大于50 km2)中,由高等級(jí)向低等級(jí)轉(zhuǎn)換的主要類型有4種,面積達(dá)16 139 km2,而由低等級(jí)向高等級(jí)轉(zhuǎn)換的主要類型有5種,面積高達(dá)42 842 km2,為高等級(jí)向低等級(jí)轉(zhuǎn)換的2.65倍?？傮w來(lái)說(shuō),京津冀地區(qū)隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展,社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)土地利用模式的影響增加,區(qū)域熱環(huán)境格局變化明顯,整體溫區(qū)等級(jí)走高,2010年前熱環(huán)境兩極化持續(xù)加劇,2010—2020年有所好轉(zhuǎn)。

圖5 京津冀的地表溫區(qū)轉(zhuǎn)移

在此本文將京津冀熱環(huán)境發(fā)展分為兩大階段,一階段(2000—2010年),二階段(2010—2020年),以便于后續(xù)分析與驗(yàn)證。

標(biāo)準(zhǔn)差橢圓用于分析京津冀地區(qū)各溫區(qū)的分布趨勢(shì)及隨時(shí)間的變化(圖6)。從其結(jié)果來(lái)看,京津冀地區(qū)各溫區(qū)及整體的標(biāo)準(zhǔn)差橢圓具有一定的方向性特征,熱環(huán)境形勢(shì)的空間發(fā)展方向(橢圓的長(zhǎng)軸方向)大致為西南-東北走向。這與土地覆被分類圖(圖2)中,耕地和建成區(qū)這些人類活動(dòng)密集頻繁的區(qū)域分布趨勢(shì)相似,說(shuō)明京津冀地區(qū)熱環(huán)境的發(fā)展情況與人類活動(dòng)密不可分。中溫區(qū)于一階段標(biāo)準(zhǔn)差橢圓中心朝東北方向移動(dòng),標(biāo)準(zhǔn)差橢圓方向性逐漸減小,離散性逐漸增大,后于二階段向西南方向移動(dòng)。次高溫區(qū)變化幅度較小,由于高溫區(qū)面積占比較小,分布較為分散,變化幅度被放大,二階段大致朝東南方向移動(dòng),標(biāo)準(zhǔn)差橢圓半徑縮短,方向性有所減小。在一階段,各溫區(qū)標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的長(zhǎng)軸均呈縮短趨勢(shì),面積呈現(xiàn)縮小趨勢(shì),說(shuō)明在西南-東北方向呈收縮集中趨勢(shì),整體聚集性升高。而在二階段,趨勢(shì)呈反轉(zhuǎn)狀況,說(shuō)明京津冀地區(qū)熱環(huán)境的中高溫區(qū)集聚性有所降低,呈分散特征,形勢(shì)轉(zhuǎn)好。各溫區(qū)整體而言,變化趨勢(shì)由中溫區(qū)主導(dǎo),次高溫區(qū)變化幅度較小,且隨著溫區(qū)等級(jí)的提升標(biāo)準(zhǔn)差橢圓中心逐漸向西南方向移動(dòng)。而與京津冀整體的標(biāo)準(zhǔn)差橢圓變化對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),京津冀地區(qū)熱環(huán)境整體變化趨勢(shì)受次高溫區(qū)影響較大,隨著京津冀地區(qū)城市化進(jìn)程的快速發(fā)展,區(qū)域熱環(huán)境的空間格局逐漸由自東北向西南到自西南向東北方向轉(zhuǎn)變。

圖6 京津冀各溫區(qū)標(biāo)準(zhǔn)差橢圓變化趨勢(shì)

2.2 京津冀熱環(huán)境聚集性分析

本文以柵格中心點(diǎn)為點(diǎn)元素,根據(jù)京津冀地區(qū)經(jīng)緯度范圍確定200 km為區(qū)域點(diǎn)元素運(yùn)行RipleyL函數(shù)的最大距離,以12 km為距離增量在ArcMap中進(jìn)行聚類分析(見(jiàn)圖7)。中溫區(qū)、次高溫區(qū)、高溫區(qū)分別在60 km、70 km、45 km附近出現(xiàn)單峰值拐點(diǎn),而京津冀地區(qū)峰值拐點(diǎn)出現(xiàn)在更遠(yuǎn)的80 km附近,表明在0 km到拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)距離范圍內(nèi)集聚性不斷增強(qiáng),在峰值處達(dá)到最大,并在此空間尺度上最顯著。京津冀地區(qū)熱環(huán)境的空間分布格局在較大的距離范圍內(nèi)聚集,且各溫區(qū)總體分布格局基本一致,聚集度隨著空間距離的增加先增強(qiáng)后減弱。從時(shí)間上來(lái)看,各溫區(qū)均在2010年前后呈現(xiàn)出聚集趨勢(shì)的轉(zhuǎn)變,中溫區(qū)與次高溫區(qū)表現(xiàn)在峰值的高低上,聚集性由升高轉(zhuǎn)為降低,高溫區(qū)則是聚集度的峰值由不斷后移的趨勢(shì)轉(zhuǎn)為前移。總的來(lái)說(shuō),京津冀地區(qū)整體熱環(huán)境在286 km范圍內(nèi)呈聚類分布,一階段L(d)值逐漸上升,于二階段有所回落,在更高溫區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)出更強(qiáng)的波動(dòng)性,整體在40～80 km內(nèi)呈現(xiàn)出高聚集性,進(jìn)一步驗(yàn)證了上文提及的京津冀熱環(huán)境發(fā)展的兩大階段。

圖7 Ripley L函數(shù)結(jié)果

圖8 各土地覆蓋類型的平均相對(duì)地表溫度

2.3 京津冀熱環(huán)境形態(tài)特征分析

結(jié)合表2及景觀指數(shù)含義(表1)可知,在2000年的京津冀熱環(huán)境中,中溫區(qū)約是次高溫區(qū)的面積的1.55倍,而兩者的平均斑塊面積卻很接近,說(shuō)明中溫區(qū)的破碎化程度相對(duì)較高;而高溫區(qū)雖然斑塊所占景觀總面積的比例很低,但它在斑塊數(shù)量?jī)H為次高溫區(qū)20%的情況下斑塊平均面積卻達(dá)到了次高溫區(qū)的64%,表明其集聚性很高。一階段期間,中溫區(qū)斑塊面積縮小、斑塊數(shù)量減少、斑塊所占景觀面積比例下降,高溫區(qū)則斑塊面積擴(kuò)大、斑塊數(shù)量增加、斑塊所占景觀面積比例上升。二階段則有輕微的反向波動(dòng)。而次高溫區(qū)在2000—2005年間斑塊面積急劇擴(kuò)張、平均斑塊面積巨幅增大、斑塊所占景觀面積比例暴漲,而在2005年后有少許回落。總體來(lái)看,京津冀熱環(huán)境斑塊組成在2010年前后呈轉(zhuǎn)折性發(fā)展,一階段高溫區(qū)及次高溫區(qū)斑塊呈變大變多趨勢(shì),二階段則反向收縮,再次驗(yàn)證了京津冀熱環(huán)境發(fā)展的兩大階段。

表2 斑塊型景觀指數(shù)按溫區(qū)類型統(tǒng)計(jì)

2.4 熱環(huán)境與下墊面的相關(guān)性分析

就不同土地覆被類型的平均相對(duì)地表溫度及其年際變化而言,建設(shè)用地的平均相對(duì)地表溫度為1.7℃～2.3℃左右,對(duì)京津冀熱環(huán)境的升溫情況關(guān)系密切,林地、草地的平均相對(duì)地表溫度為在-2.7℃～-0.9℃之間,相對(duì)較低。說(shuō)明城市化導(dǎo)致的不透水地表通常會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng),而林地與草地則會(huì)產(chǎn)生冷卻效應(yīng)(圖9)。值得注意的是,耕地的平均地表溫度在0℃以上但在2℃以下,考慮到其植被類型較為單一且為人工管理,區(qū)域內(nèi)人類活動(dòng)頻繁,其降溫作用通常較小或不具備降溫作用。

Spearman相關(guān)分析顯示(表3),林地密度、水體密度在不同時(shí)間點(diǎn)上,所有LCD均與RLST呈顯著負(fù)相關(guān),且顯著性均呈先增大后減小的趨勢(shì);而耕地密度、建成區(qū)密度則在各時(shí)間點(diǎn)均與RLST呈顯著正相關(guān),前者顯著性在一階段上升,二階段有所下降,而后者在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)均呈上升趨勢(shì),且幅度不斷加大。這與京津冀地區(qū)建成區(qū)面積飛速擴(kuò)張,影響力增強(qiáng)有很大關(guān)系。由于京津冀地區(qū)裸地面積占比較低(圖2),數(shù)據(jù)量過(guò)少,結(jié)果可信度較低。

表3 不同時(shí)期LCD和RLST的Spearman相關(guān)系數(shù)

其中,林地密度與相對(duì)地表溫度的負(fù)相關(guān)關(guān)系最強(qiáng),耕地密度與相對(duì)地表溫度的正相關(guān)關(guān)系最強(qiáng),兩者均于一階段期間呈增強(qiáng)趨勢(shì),二階段則有所回落,在時(shí)間上變化趨勢(shì)一致。這表明林地和耕地是影響京津冀地區(qū)相對(duì)地表溫度的主要因素,建成區(qū)則作為增溫效應(yīng)的新軍影響力飛升,是最值得注意的地表覆被類型,這與各土地覆被類型區(qū)域內(nèi)的平均RLST結(jié)果一致(圖2),可信度較高。

3 討 論

城市的進(jìn)程顯著增強(qiáng)了城市熱島效應(yīng),但對(duì)于城市群規(guī)模的熱環(huán)境影像研究仍然不足。城市化的發(fā)展和城市邊界的加速擴(kuò)張,導(dǎo)致城市間的距離不斷縮小甚至趨于消失。以往的研究也證明了城市熱島效應(yīng)的影響通常具有其現(xiàn)實(shí)意義,有學(xué)者提出城市于郊區(qū)是連續(xù)而流動(dòng)的,并不具有嚴(yán)格意義的分界,可見(jiàn)傳統(tǒng)的城鄉(xiāng)分類在今天已經(jīng)過(guò)時(shí),尤其是在人口稠密的發(fā)展中地區(qū)[37]。因此,結(jié)合前人的研究結(jié)果[30],城市化進(jìn)程中的區(qū)域熱環(huán)境指數(shù)(即區(qū)域熱島)在描述城市群熱環(huán)境方面具有相對(duì)優(yōu)勢(shì)。孤立的建成核心區(qū)從城市中心區(qū)域延伸到郊區(qū)并逐漸相互連接,最終形成城市集群的過(guò)程,這與京津冀熱環(huán)境高溫區(qū)的發(fā)展趨勢(shì)一致(圖2)。此外,RipleyL函數(shù)的結(jié)果表明,區(qū)域熱島于2005年在較小距離下呈聚集趨勢(shì),但于二階段在較大距離上聚集性顯著。

不透水地表的擴(kuò)張可以解釋快速城市化過(guò)程中城市熱島現(xiàn)象的變化,同樣也可以解釋城市群區(qū)域熱島的變化[38]。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)2005—2015年間,京津冀地區(qū)不透水面的時(shí)空格局經(jīng)歷了兩個(gè)時(shí)期,2010—2015年各自然區(qū)域不透水地表的增長(zhǎng)速度明顯快于前一階段[39]?？傮w來(lái)說(shuō),在城市化的初始階段,城市的擴(kuò)張受到了行政邊界的隔離和制約。隨后,城市從單中心向多中心的擴(kuò)張和城市間大型基礎(chǔ)設(shè)施(交通網(wǎng)絡(luò))的建設(shè)導(dǎo)致了區(qū)域熱島的形成。土地利用類型的變化對(duì)區(qū)域熱島也具有顯著影響。相關(guān)研究表明[16],城市綠地具有緩解城市熱島效應(yīng)的作用,且其降溫作用隨其面積的增加而增加,這與本研究的分析結(jié)論一致。城市群區(qū)域快速城市化引起的一系列區(qū)域熱島問(wèn)題并不能僅靠一個(gè)城市解決,而應(yīng)該從區(qū)域的尺度上制定方案。因此,在區(qū)域尺度上理解熱環(huán)境的時(shí)空格局、成因及其演化規(guī)律,對(duì)于全面理解城市群擴(kuò)張下的熱環(huán)境問(wèn)題并制定解決方案具有重要意義。

京津冀地區(qū)具有典型的夏季高溫多雨的溫帶大陸性季風(fēng)氣候,這使得獲取夏季統(tǒng)一時(shí)間的完全無(wú)云干擾的高質(zhì)量影像數(shù)據(jù)變得極為困難。雖然大部分圖像質(zhì)量非常高,但由于時(shí)空跨度較大,部分區(qū)域的地表溫度數(shù)據(jù)仍受到云層影像而缺失。MODIS圖像數(shù)據(jù)的另一個(gè)局限性在于年度地表溫度數(shù)據(jù)使用了月合成地表溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,可能對(duì)結(jié)果具有一定的影響。為了避免這種時(shí)間維度上的跨越性,在未來(lái)的研究中,可以使用多傳感器融合的方法獲取更準(zhǔn)確的地表溫度數(shù)據(jù)。此外,地形走向與降水情況對(duì)區(qū)域熱環(huán)境的影響也值得更進(jìn)一步的研究。

4 結(jié) 論

本文基于京津冀地區(qū)的MODIS月均溫?cái)?shù)據(jù)和土地覆被數(shù)據(jù),運(yùn)用景觀生態(tài)學(xué)、空間統(tǒng)計(jì)學(xué)的理論與方法,對(duì)不同溫區(qū)等級(jí)下京津冀地區(qū)的地表熱環(huán)境空間分布格局及其與地表覆被類型間的關(guān)系進(jìn)行了探討。

1) 京津冀建成區(qū)面積不斷擴(kuò)張,熱環(huán)境格局演化呈明顯的兩大階段:一階段(2000-2010年)整體溫區(qū)等級(jí)走高,京津冀地區(qū)整體熱環(huán)境趨于兩極化,且整體溫區(qū)等級(jí)走高;二階段(2010-2020年)有所緩和,高溫區(qū)集聚性降低,治理效果初步顯現(xiàn)。

2) 中溫區(qū)、次高溫區(qū)、高溫區(qū)區(qū)域熱島分別在60 km、70 km、45 km尺度上最顯著,總體分布格局基本一致,聚集度隨著空間距離的增加先增強(qiáng)后減弱。各溫區(qū)均在一階段集聚性增強(qiáng),二階段則有所回落,在更高溫區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)出更強(qiáng)的波動(dòng)性,整體在40～80 km內(nèi)呈現(xiàn)出高聚集性。

3) 中溫區(qū)在一階段期間斑塊面積縮小、斑塊數(shù)量減少,破碎程度加大,二階段有所回調(diào);高溫區(qū)則相反,逐漸形成串聯(lián)貫通區(qū)域。京津冀熱環(huán)境斑塊組成在2010年前后呈轉(zhuǎn)折性發(fā)展,一階段高溫區(qū)及次高溫區(qū)斑塊呈變大變多趨勢(shì),二階段呈反向收縮。

4) 林地和耕地是影響京津冀地區(qū)相對(duì)地表溫度的主要因素,建成區(qū)則影響力飛升。林地密度與相對(duì)地表溫度的負(fù)相關(guān)關(guān)系最強(qiáng),耕地密度與相對(duì)地表溫度的正相關(guān)關(guān)系最強(qiáng),兩者均于一階段呈增強(qiáng)趨勢(shì),二階段有所回落。