赵志刚,余德,何宁,韩成云

1.宜春学院,宜春 336000

2.中国地质大学（武汉）公共管理学院,武汉 430074

0 前言

随着城镇化、工业化的快速推进,城市人口与建设用地面积不断增加,占用了大量自然景观用地,这一变化在中小尺度水平上对城市气候产生了重要影响[1]。作为城镇化生态环境效应最重要的指标之一,城市热岛效应(Heat Island Effect)越来越受到人们的关注[2]。城市热岛是由于下垫面的改变,植被覆盖的土壤变成了建筑密集、柏油路和水泥路等硬质铺装覆盖,致使比热容减小,因而城市地区升温更快;同时植被面积减少,使得地面热量消耗少,造成城市的温度高于郊区温度的现象。它不仅会引起严重的生态环境问题,如导致空气质量下降、影响降水量与降水频率、加重污染等,严重时甚至还会影响人们健康和生活质量[3-4]。郭伏等人研究表明,人体舒适的最佳温度范围是24—26 ,℃ 当超过33 ℃时人体的舒适程度逐步降低,引发人心理和生理的不适[5]。此外,另有研究表明随着环境温度的升高,会增加心脏、脑血管等一系列身体疾病的发生几率,严重影响人们的正常生活和工作[6-7]。

目前,国内学者利用遥感技术对城市热岛效应的形态与结构、过程与变化、机制与模拟等开展了大量研究,但研究区多以我国大城市为主,对近些年发展较快的中小城市关注较少,也缺少对相邻城市热岛效应的横向比较[8-13]。鉴于此,本文选取赣西三座中小城市(萍乡、宜春、新余),利用遥感和地理信息系统技术,通过横向/纵向比较分析各城区的热环境时空演变特征,并通过热力景观指数、热环境效应贡献指数及土地利用/覆被等多角度探讨城市热环境的影响因素,以期为改善赣西城市生态环境及城市规划建设提供参考。

1 资料来源与研究方法

1.1 研究区域概况

赣西地处中国华东地区的江西省的西部,范围为东经113°57′ — 115°40′,北纬27°32′ — 28°11′。地形以江南丘陵、山地为主,主要山脉有九岭山和罗霄山脉。总占地面积为2.5635 万km2,人口数量约870 万。因热岛效应需在一定规模的城市才较为明显,故本文选取萍乡市安源区与湘东区、宜春市袁州区、新余市渝水区为研究区。 据影像数据统计,萍乡、宜春、新余市市区总面积分别是1141.54 km²、 2550.07 km² 和1816.81 km²(图1)。

本文选取2002、2016年2 个时段,轨道号为122/41 和123/41 的TM/OLI/TIRS 影像为主要数据,各期影像含云量均低于5%,具体信息见表1。其中TM 的热红外波段采用B62 波段,TIRS 采用第10 波 段;通过遥感影像数据,借助ArcGIS 10.2 软件,对研究区像元辐射亮度温度(以下简称“亮温”)时空变化特征进行分析。

图1 研究区示意图 Figure1 Sketch map of the study area

表1 影像信息表 Table1 Image information

1.2 研究方法

(1)亮温反演

由于亮温、气温和地表温度三者关系密切,如果只研究温度的空间分布及其时空变化特征,可以直接采用亮温代表城市热场进行分析,称为“城市亮温热场”[14-16]。亮温反演过程主要为2 个步骤:

第一,在反演亮温之前,需对遥感影像进行辐射定标,即将影像的像元灰度值(DN 值)转化为辐射强度值,辐射定标[17]的计算公式为:

公式中:Lλ为所需波段的辐射强度值(W·m-2·sr-1·um-1),Gain 为特定波段的增益值,Bias为偏置值,这些参数均可从影像元数据中获取,单位为W·m-2·sr-1·um-1,DN为遥感影像的像元灰度值;

第二,根据辐射强度值推算出像元亮温[18],其计算公式为:

公式中:Tb为像元亮温,K1、K2为转换参数,各热红外传感器类型对应参数如下:TM:K1=607.76W·m-2·sr-1·um-1,K2=1260.56K;TIRS10:K1=774.89W·m-2·sr-1·um-1,K2= 1321.08K,通过这两个步骤即可得到研究区的辐射亮度温度。

(2)亮度温度归一化分级计算

由于研究时期跨度较大,各遥感影像的热红外波段分辨率不一致,为了便于比较,将各期亮度温 度的分辨率重采样至120 m。同时,为了消除遥感影像的时期和背景误差,增加结果的可靠性与准确性,采用公式(3)计算[19]:

公式中:将亮度温度值标准化至0—1 范围,Ni为归一化后的像元值,LSTi为第i个像元的亮度温度反演值,LSTmax为范围内的最大LST值,LSTmin为范围内的最小LST值。

然后,采用均值—标准差法对归一化后的亮度温度进行分级得到相对亮温分布图(图2),使各期的亮度温度具有可比性,将各期数据分为低温区、次中温区、中温区、次高温区和高温区5 个等级,具体分类方法如表2,m 为归一化后亮度温度的平均值,s 为标准差。由于研究区东西跨度较大,为了减少由于区域空间差异性导致的分级误差,本研究中对研究区域按照表2方法进行分级。

(3)热环境景观指数计算

利用Fragstats4.1软件对研究区域2002 和2016年的热环境景观格局指数进行计算,从景观尺度和类型尺度对研究区域的热环境景观格局变化进行分析,选取斑块密度(PD)、最大斑块所占面积比例(LPI)、平均斑块大小(AREA-MN)、面积加权的平均形状指数(SHAPE-AM)等指标,采用8 个cell 的邻距对不同时段的热环境景观格局特征变化进行计算与分析。

(4)土地利用分类

将研究区分为耕地、林地、草地、城乡建设用地、水体和未利用地6 类,在ENVI 5.3 中将遥感影像、DEM、坡度等数据构建新的数据集,并结合实地调查、谷歌影像比对等选择感兴趣区(Region of interest,ROI)样本,然后通过基于CART 的决策树分类方法获得研究区土地利用分类图。然后在ENVI软件中通过真实ROI 样本进行精度验证,结果表明2002 和2016年总体分类精度分别达98.2%和94.1%,Kappa 系数分别为0.98、0.93,分类结果较好,最后统计得到2002 和2016年土地利用面积,并提取各土地利用类型进行相关分析。

表2 热环境等级划分标准 Table2 Standard for classification of thermal environment

(5)热环境效应贡献指数

为体现热环境的空间差异,尤其是不同土地利用类型对区域热环境的贡献程度,本文参考其他学者的研究成果[20],采用土地利用类型的总体热环境贡献指数(Total Heat Effect Index,THI),表达各类土地利用的平均温度与区域平均温度的偏离度,并计算各土地利用类型的面积加权热环境效应贡献指数(Weighted Heat Effect Index,WHI),借此分析各土地利用类型的热环境贡献程度,具体计算见参考文献[20]。

2 结果与分析

2.1 热环境时空演变特征分析

通过亮温反演结果可知:2002年,萍乡亮温为24.62—35.73 ℃,平均亮温为32.25 ℃;宜春亮温为15.87—27.62 ℃,平均亮温为22.25 ℃;新余亮温为17.72—29.61 ℃,平均亮温为23.07 ℃。2016年,萍乡亮温为4.9—14.65 ℃,平均亮温为11.21 ℃;宜春亮温为16.54—25.74 ℃,平均亮温为19.64 ℃;新余亮温为15.51—28.25 ℃,平均亮温为21.45 ℃。由于三市影像获取时间不一致,若将亮温直接进行对比恐难获得科学的结果,故首先对亮温进行标准化及标准差分级,得到研究区域2002 和2016年的温度等级空间分布图(图2),并对各年份的温度等级面积进行统计(表3)。

分析表3可知,赣西三市城区在2002年热环境面积以中温为主,均达到50%以上,随着近15年间的城市发展,中温区面积减少较多,次低温区和次高温区增加较多;其中,萍乡城区中温区面积在三市中减少比例最高,为26.89%,其次宜春为21.70%,新余为17.89%;此外,除萍乡次低温区面积减少5.03%外,三市其他温度区域面积都有所增加,其中萍乡城区次高温区面积比例增长最大,达到27.99%;宜春城区次高温面积增长为10.01,但次低温面积也增加了8.17%;新余增长最多为此低温区,为5.53%,次高温区面积增长在三市中最低,为4.69%;三市高温区与低温区面积比例均有所增长,宜春高温区面积增长相对较多,为3.13%,而低温区面积增长相对较少,仅为0.39%;萍乡高温区与低温区面积比例增加较为接近,分别为1.96%和1.97%;新余低温区面积增加高于高温区,分别是4.72%与2.95%。

由图2可以看出,2002年赣西三市城区低温区均主要分布在各市的南部,高温区主要分布在城市中心区域,次高温区多分布在市区北部;2016年赣西三市城区高温、次高温扩张明显,对周边地区产生了明显的热辐射。其中萍乡北部形成连片次高温;宜春中部区域高温与次高温面积增加明显,且形成连片趋势;新余市高温区主要集中在中部区域。通过对比2002 和2016年来看,萍乡与宜春热岛效应增加显著,次高温区和高温区分布范围较广,呈现出区域整体变暖的态势;值得一提的是,三市的南部部分区域,次低温区和低温区分布范围有一定程度的增加。总体来看,城区增温(次高温+高温面积比例)幅度顺序分别为萍乡＞宜春＞新余,城区低温(次低温+低温面积比例)幅度顺序分别为新余＞宜春＞萍乡。

2.2 热环境景观格局演变分析

根据计算得到的研究区域温度等级斑块类型水平指数可以发现,赣西三市的热环境景观格局在2002—2016年发生了较大变化(图3)。斑块密度(PD)与平均斑块面积(AREA_MN)都是反映出景观类型斑块破碎度的主要指标。从PD 指标看,三市低温区、中温区与高温区PD 值增加,次高温区和次低温区PD 值降低;从AREA_MN 指标看,三市中温区AREA_MN 值下降明显,次高温区与次低温区AREA_MN 值相对增加较多,这些结果表明中温区斑块破碎化加强,次高温区与次低温区斑块连接加强,破碎程度变小。

根据面积加权平均形状指数(SHAPE_AM)可以发现,形状复杂值最高的是中温区斑块,但近15年来其复杂程度出现下降,次低温区形状复杂值上升加快,上升顺序分别为萍乡、宜春和新余;2002年间三市中最大斑块指数(LPI)值最大的均为中温区斑块,这表明了中温区景观斑块的优势度最高。但在2002—2016年三市的中温区LPI 值均有大幅下降,而次高温区LPI 值增幅较大,这些说明三市中温区优势降低,次高温优势度增加,萍乡次高温区在2016年已成为优势度最高斑块,同时萍乡次低温区LPI 值也有所降低,宜春、新余次低温区LPI 值有所升高,说明次低温斑块优势度有所增强。

图2 2002—2016年研究区域温度等级空间分布图 Figure2 Spatial distribution of temperature grades in the study area in 2002—2016

表3 2002—2016年研究区域温度等级面积及变化率 Table3 Area and change rate of each temperature grade in the study area in 2002—2016

图3 研究区域热环境类型尺度景观指数 Figure3 Landscape index of thermal environment type scale in the study area

2.3 影响热环境演变因素分析

以热岛效应显著的2016年为例,应用GIS 空间分析模块,把亮度温度与城市土地利用分类结果进行叠加,然后运用地统计分析模块,得到研究区不同年份内不同土地覆盖类型的地面温度平均值,在此基础上,进一步计算总体热环境贡献指数(THI)与热环境效应贡献指数(WHI)(表4)。

从表4可以看出,按平均温度由高到低的顺序排列表现为建设用地＞耕地＞草地＞水体＞林地,建筑地温度最高,这是由于其下垫面主要由非渗透性表面构成,地表蒸散能力较低,其热容量小,而热传导率和热扩散率大,在接受太阳辐射后导致周围的大气扩散,致使周围温度比有植被覆盖的地区要高;水体与林地平均温度较低,主要是水体和高大植被 可以通过蒸发或蒸腾作用降低所处地表中的热量。本研究城市水体的平均温度比林地稍大,这应与水体的分布以及周边地类有关,林地地形均较高且连片分布,受其他地类的热辐射影响较小,而水体周边多有建设用地且地势较低,因而温度较林地稍高。本研究中耕地温度较高,这应与研究所用影像处于非耕作时期有关,耕地温度受人为影响比较大,当气候适宜、被耕种时,植被覆盖率高;气候偏干、被人为撂荒时,则植被覆盖率低,甚至与裸地无异。

从各土地利用类型的总体热环境贡献指数(TPI)来看,其大小排序与平均温度排序一致,建设用地、耕地和草地指数为正,表明建设用地、耕地和草地的平均温度高于区域平均温度,而水体和林地则低于平均温度。从各土地利用类型的面积加权热环境贡献指数(WHI)来看,对热环境贡献最大的地类为建设用地,其贡献指数为0.1,其次为耕地,指数为0.06,再是草地,指数为0.04,林地和水体对热环境有抑制效果,贡献指数分别为-0.15 和-0.05,林地对热环境效应的抑制效果远远优于水体,与其特有的空间分布、面积占比及空间形态密切相关。

表4 2016年研究区域各土地利用类型的热环境效应 Table4 Thermal environmental effects of land use types in the study area in 2016

为了进一步研究各温度等级在研究区域土地利用类型上的分布情况,本文利用GIS 统计2016年各种地类内部不同地温等级的面积比例(表5)。从表5可以看出,不同土地利用类型内各相对地温等级所占比例相差很大,建设用地均在高温区、次高温区2 个等级中所占面积最大,研究时段的耕地在高温区所占比率较大,草地在次高温区所占比率较大,而水体、林地则在低温与次低温区2 个等级中占非常大的比例。由此可见,建设用地与耕地对赣西城市热岛效应的贡献最大,而水体和林地则对热岛效应有非常显著的抑制作用。

表5 2016年各土地利用类型地表热环境等级比例(%) Table5 Ratio of surface thermal environment grades of each land use type in the study area in 2016 (%)

3 讨论与结论

大量研究表明,多数大型城市中心区域的温度高于郊区,低温一般分布于海拔较高、植被覆盖度高的区域和水体[21-23],这是由于城市人口与经济的高速增长,引起区域土地利用/覆被变化,一些自然植被、土壤表面逐步被不透水面代替,城市下垫面的热辐射性质发生显著的变化,从而造成城市空间 地表热环境的巨大差异[24-25],本文的研究也有类似结果。对于中小城市而言,近些年来热岛效应也具有快速增长的趋势,如本研究中萍乡、宜春和新余城区高温与次高温区面积比例明显增加,从城市热力景观格局的变化来看,次高温区斑块破碎程度变小,连接加强,且其优势度也在增加,三市在2002年中温区占绝对优势的格局逐步被打破,优势度下降且破碎化程度增加,但宜春、新余城区次低温斑块优势度有所增强,连通性水平有所提高,增加区域主要集中在宜春与新余市区南部,这里包括明月山与仙女湖自然风景区,随着城市重视旅游发展与自然环境,管理部门增强了对生态建设与保护,原有的次低温水体、林地等景观面积有所扩大。

耕地与人为活动关系密切,通过遥感影像计算获得地表温度会受获取时间影响,不同时间差别较大。本研究选取获取影像在大部分农作物非种植期,因此得出耕地热环境温度与贡献值较大。水体和林地对缓解城市热岛效应有明显作用,草地降温效应有限,这个结果也与谢启姣对武汉市热岛效应的研究类似,因此城市绿地建设应提高绿量、注重绿地内部结构、加强垂直绿化等[10]。对于考虑城市降温功能的公园规划,要尽量增加水体与林地的比例,起到降温效果。

中小城市相对大城市来说,尽管热岛效应也在增加,但相对易缓解,如将人流集中的商业区、住宅区分散规划,并增加公园绿地等措施,可以起到较好效果。

综上分析,本研究得到的主要结论如下:

(1)2002—2016年,随着城市化的发展,城市建设用地的增加,赣西三市高温与次高温面积扩大,热岛效应明显增强,三市总体热岛强度增加比例为:萍乡＞宜春＞新余;由热岛分布来看,萍乡热岛区域集中于城区北部,宜春和新余主要集中在城区中部区域,三市南部区域低温与次低温面积较多,且有扩大趋势。

(2)由景观格局演变分析,2002—2016年来中温区斑块优势度降低明显,斑块破碎化加强,次低温与次高温优势度增加较多,且形状复杂程度降低,景观破碎化减少,具有形成大斑块的趋势;此外,萍乡的高温区斑块破碎化程度加强,宜春和新余高温区斑块破碎化程度增加不多。

(3)从2016年数据的不同土地利用类型上看,建设用地平均地温与热环境贡献最高,耕地、草地次之,水体、林地最低。同时,建设用地在高温区、次高温区2 个等级所占比例最大,可见其对热岛效应的贡献最大,而水体和林地对城市热岛效应具有显著的抑制效果。