吳慧鳳，陳志強(qiáng)

（1.福建師范大學(xué) 濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，福州 350007；2.福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，福州 350007）

在城市化帶來文明進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)繁榮的同時(shí)，由于城市人口的不斷增長，工業(yè)生產(chǎn)和居民生活的集中化程度越來越高，導(dǎo)致城市空間內(nèi)熱量聚集，影響城市的大氣環(huán)境、區(qū)域氣候、能源消耗及居民健康[1]，進(jìn)而影響城市居民的熱舒適度和整體生活質(zhì)量[2]，形成城市熱島效應(yīng).城市熱島（urban heat island，UHI）效應(yīng)是指城市氣溫明顯高于周邊郊區(qū)的現(xiàn)象，是城市化最明顯的氣候響應(yīng)形式[3].目前，關(guān)于城市熱島效應(yīng)的研究主要集中在研究方法[3]、形態(tài)結(jié)構(gòu)[4]、變化趨勢[5]、影響因素[6]、形成機(jī)制[7]及應(yīng)對措施[8]等方面.就研究方法而言，城市熱島效應(yīng)的相關(guān)研究方法主要為氣象監(jiān)測與遙感[9].由于遙感可以為城市熱島效應(yīng)研究提供連續(xù)、宏觀的數(shù)據(jù)源，有利于開展空間結(jié)構(gòu)等細(xì)節(jié)特征的變化研究，因而該方法日益受到重視.

作為沿海經(jīng)濟(jì)高度發(fā)展的省會城市之一，福州市是閩南地區(qū)金融、科技、商貿(mào)的中心，同時(shí)也是重要的交通樞紐[10].改革開放以來，福州市城市化速度穩(wěn)步加快，城市與人口規(guī)模顯著擴(kuò)大，城市下墊面結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)變化顯著，再加上四周環(huán)山的地形特點(diǎn)，城市熱島效應(yīng)日益加劇[10].因此，本文選取福州市主城區(qū)為研究區(qū)，基于TM 影像數(shù)據(jù)，提取地表溫度，劃分熱島效應(yīng)區(qū)，開展城市熱島的時(shí)空對比研究，以期為福州市及類似區(qū)域的新型城市化建設(shè)、城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和居民生活水平的提高提供借鑒意義.

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

福州市位于25°58′～26°25′N，119°10′～119°41′E，地處福建省東南沿海，是閩江下游的河口盆地中心；平均日照時(shí)數(shù)達(dá)到1 700～1 980 h；年平均氣溫19.60 ℃，年均降雨量約1 637 mm，降水量時(shí)空分布不均，全年氣候溫暖濕潤，四季較分明，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候；地形以山地和丘陵為主，屬于典型的河口盆地；受地形地貌的影響福州盛行東南風(fēng)，其次為西北風(fēng)；水系十分發(fā)達(dá)，水網(wǎng)密布，閩江橫貫市區(qū)東流入海； 成土條件復(fù)雜，土壤以紅壤和水稻土為主； 植被類型較為復(fù)雜，種類繁多，包括常綠闊葉林、 灌叢和濱海沙生植被等；2016年，福州城區(qū)有鼓樓區(qū)、臺江區(qū)、晉安區(qū)、馬尾區(qū)和倉山區(qū)共5 個(gè)市轄區(qū)，面積共計(jì)1 043 km2[11]，如圖1 所示.

圖1 福州市政區(qū)圖Fig.1 Administrative region in Fuzhou city

近年來，由于城建速度加快，福州市的氣溫不斷上升[12].

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

本研究采用的數(shù)據(jù)為福州市Landsat TM 的3 期影像、1 ∶10 000 地形圖和政區(qū)圖.3 期影像獲取時(shí)間分別為1989年6月15日、2000年6月29日和2016年6月25日，影像獲取當(dāng)日天氣晴朗，可見度較高，云量較少.由于天氣原因?qū)е碌挠跋褓|(zhì)量問題，同時(shí)考慮到空間分辨率的匹配，以及Landsat TM 的3 期遙感影像第6 波段即熱紅外波段空間分辨率均為120 m，可以滿足本研究的需求，因而本研究并未采用ETM影像.在ArcGIS 10.2 和ENVI 5.1 軟件支持下，3 期影像均進(jìn)行了系統(tǒng)輻射校正、統(tǒng)一坐標(biāo)系和地面控制點(diǎn)幾何校正（RMSE ＜0.5）等處理.

1.2.2 地表溫度反演

Jimenez-Munoz & Sobrino 對普朗克函數(shù)在某個(gè)溫度值附近展開一階泰勒級數(shù)，得到普適單窗算法[13]：

式（1）中：

式（2）和式（3）中：λ 為波段的有效波長，Landsat TM6有效波長為11.457 μm；c1和c2均為輻射常數(shù).

Ψ1、Ψ2和Ψ3為大氣參數(shù)，

式（4）～式（6）中：w 為大氣水汽含量，本研究設(shè)大氣水汽含量為1.5 g/cm2.

用于獲取植被信息的遙感指數(shù)眾多，本研究使用歸一化植被指數(shù)（normal differential vegetation index，NDVI）.NDVI 可用于確定被觀測目標(biāo)區(qū)是否為綠色植物覆蓋以及植被覆蓋程度[14]，

式（7）中：TM3和TM4分別為TM 和ETM+數(shù)據(jù)的第3和第4 波段數(shù)據(jù)[15].NDVI 介于-1 到1 之間，綠色植被較多時(shí)，NDVI 值較高，非植被區(qū)如水體、 建筑物等較多時(shí)，NDVI 值較低[16].計(jì)算NDVI 之前使用ENVI5.1 的FLAASH大氣校正工具對圖像進(jìn)行了快速大氣校正等相關(guān)處理.

在ArcGIS 中采用目視判讀人工解譯，得到自然地表、 城市建設(shè)用地和水域3 期的土地利用數(shù)據(jù).在每期解譯結(jié)果中隨機(jī)選取100 個(gè)采樣點(diǎn)，根據(jù)谷歌高分辨率影像等輔助材料對解譯結(jié)果進(jìn)行精度分析.根據(jù)估算，3 期土地利用數(shù)據(jù)總體精度均在87%以上.

根據(jù)文獻(xiàn)[17-18]中的方法設(shè)置地表比輻射率；采用普適單窗算法反演地表溫度.

1.2.3 熱島效應(yīng)劃分

在ArcGIS 中提取每個(gè)柵格單元建設(shè)用地密度，據(jù)此劃分城市核心區(qū)UCR（urban core region）和非城市核心區(qū)NUCR（non urban core region）.城市核心區(qū)指建設(shè)用地密度為0.5～1.0 的城市地區(qū)，非城市核心區(qū)指建設(shè)用地密度低于0.5 的郊區(qū)或農(nóng)村地區(qū)[19].分別求取3個(gè)年份城市核心區(qū)和非城市核心區(qū)各自的平均溫度，并根據(jù)表1 標(biāo)準(zhǔn)劃分熱島效應(yīng)區(qū).

表1 熱島劃分標(biāo)準(zhǔn)[20]Tab.1 Classification standard of heat islands

1.2.4 轉(zhuǎn)移矩陣分析

轉(zhuǎn)移矩陣是對兩期同一地區(qū)不同年份的熱島效應(yīng)區(qū)圖層進(jìn)行疊加，求得不同熱島效應(yīng)區(qū)發(fā)生變化后的級別及其變化面積的二維矩陣，用以反映靜態(tài)固定區(qū)域、固定時(shí)間、不同級別熱島效應(yīng)區(qū)的面積，以及初期各類熱島效應(yīng)區(qū)面積的轉(zhuǎn)出情況和末期各類熱島效應(yīng)區(qū)的轉(zhuǎn)入情況[21].此外，利用式（7）計(jì)算其轉(zhuǎn)換概率[22]：

式（7）中：Pij為1989—2000年（或2000—2016年）i 級熱島效應(yīng)區(qū)類型轉(zhuǎn)換為j 級熱島效應(yīng)區(qū)類型的轉(zhuǎn)換概率；Sij為i 級熱島效應(yīng)區(qū)類型轉(zhuǎn)換為j 級熱島效應(yīng)區(qū)類型的面積；Sj為j 級熱島效應(yīng)區(qū)類型的面積.

1.2.5 緩沖區(qū)分析

基于遙感影像對福州城市建設(shè)用地的布局進(jìn)行判讀，基本上可以認(rèn)為福州市為單中心城市.由于福州市八一七路的中間位置—東街口是福州城市經(jīng)濟(jì)活動最繁忙的地段，因此，本研究以其為中心點(diǎn)向外進(jìn)行等距離擴(kuò)散作為緩沖區(qū)，緩沖距離為1 km，繪制同心圓，覆蓋整個(gè)福州，共計(jì)37 個(gè)同心圓，最大同心圓半徑為37 km.將同心圓與不同年份的福州市熱島分布圖進(jìn)行疊加，并對非熱島效應(yīng)區(qū)、弱熱島效應(yīng)區(qū)、中等熱島效應(yīng)區(qū)和強(qiáng)熱島效應(yīng)區(qū)4 個(gè)不同級別的熱島效應(yīng)進(jìn)行賦值，分別賦以1、2、3 和4，并用熱島效應(yīng)綜合指數(shù)表示熱島效應(yīng)在不同緩沖距離的分布情況，進(jìn)而分析城市化過程中表現(xiàn)出的熱島效應(yīng)空間分布特征[23].本文將熱島效應(yīng)綜合指數(shù)定義為

式（8）中：W 為熱島效應(yīng)綜合指數(shù)；Sij為第j 環(huán)第i 級熱島效應(yīng)面積；Sj為第j 環(huán)面積；a 為各級熱島效應(yīng)區(qū)的賦值.

2 結(jié)果與分析

2.1 熱島效應(yīng)區(qū)面積比例變化

福州市3個(gè)年份熱島的面積及其比例如表2 所示.表3 為福州市城市核心區(qū)域與非城市核心區(qū)溫度對比情況.

表2 福州市1989年、2000年和2016年熱島的面積及其比例Tab.2 Areas and proportions of heat islands in Fuzhou city in 1989，2000 and 2016

由表1～表3 可知，1989年、2000年和2016年，福州市城市核心區(qū)與非城市核心區(qū)的平均溫差逐漸增大，分別為3.67 ℃、3.70 ℃和5.38 ℃，城市熱島效應(yīng)逐步增強(qiáng).非熱島效應(yīng)區(qū)及弱熱島效應(yīng)區(qū)的面積比例不斷減少，強(qiáng)熱島效應(yīng)區(qū)迅速擴(kuò)大.

相關(guān)研究表明，影響熱島強(qiáng)度最為突出的因素是城市人口及城區(qū)擴(kuò)張.城市擴(kuò)展引起下墊面的性質(zhì)發(fā)生變化，如地表反照率和熱容性等地表第一性物理參數(shù)[21].建筑物和裸地等區(qū)域由于植被覆蓋較少，具有較小的地表反照率、較大的熱容性以及很小的蒸發(fā)和蒸騰，導(dǎo)致地表溫度變化較為顯著[22].因此，在工業(yè)用地、建筑物及人口較為密集的地區(qū)大多溫度較高，而植被覆蓋較好的區(qū)域以及水系區(qū)域大多溫度較低[23].

表3 城市核心區(qū)與非城市核心區(qū)溫度對比Tab.3 Comparison of temperature between urban core area and non-urban core area ℃

圖2 為福州市1989年、2000年和2016年的熱島分布情況.

圖2 1989年、2000年和2016年福州市的熱島分布Fig.2 Distributions of heat islands in Fuzhou city in 1989，2000 and 2016

由圖2 可以看出，1989年，福州市的強(qiáng)熱島效應(yīng)區(qū)和中等熱島效應(yīng)區(qū)集中于城市核心區(qū)[24]，強(qiáng)熱島效應(yīng)區(qū)呈雙中心結(jié)構(gòu)，分別主要對應(yīng)鼓樓區(qū)和臺江區(qū).這主要是因?yàn)檫@2 個(gè)區(qū)的商業(yè)和住宅較為密集，人為熱排放較多.非熱島效應(yīng)區(qū)和弱熱島效應(yīng)區(qū)主要對應(yīng)于水體、 耕地和林地等區(qū)域；2000年，由于老城區(qū)工廠不斷遷出，導(dǎo)致2 個(gè)強(qiáng)熱島效應(yīng)區(qū)趨于萎縮.同時(shí)，晉安區(qū)的鼓山鎮(zhèn)、倉山區(qū)和馬尾經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)熱島面積均有較大增幅，形成多個(gè)強(qiáng)熱島效應(yīng)區(qū)，呈多中心結(jié)構(gòu)；2016年，老城區(qū)、 南臺島和馬尾區(qū)等地的城市建設(shè)用地不斷增加，造成強(qiáng)熱島效應(yīng)區(qū)由原本的多中心結(jié)構(gòu)向連片結(jié)構(gòu)的態(tài)勢演變[25].同時(shí)，2016年在研究區(qū)的中部和東部也出現(xiàn)了強(qiáng)熱島效應(yīng)區(qū)，這主要是因?yàn)橹胁坎捎谩盎馃健钡姆绞綄⒘值亻_墾為園地，新植果園地表覆蓋率較低，裸露面積較大；而右側(cè)新增強(qiáng)熱島區(qū)域主要是因?yàn)榻?jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增加以及建設(shè)用地?cái)U(kuò)張等原因?qū)е?

2.2 熱島效應(yīng)轉(zhuǎn)移矩陣分析

1989—2000年福州市不同等級熱島效應(yīng)區(qū)的轉(zhuǎn)移矩陣和轉(zhuǎn)換概論矩陣如表4 和表5 所示.由表4 和表5 可知，1989年的弱熱島效應(yīng)區(qū)向中熱島效應(yīng)區(qū)和強(qiáng)熱島效應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)移的面積分別為4 406.97 hm2和359.22 hm2，約占1989年弱熱島效應(yīng)區(qū)總面積（37 033.37 hm2）的12.87%.以此類推，在1989—2000年，非熱島效應(yīng)區(qū)、弱熱島效應(yīng)區(qū)和中等熱島效應(yīng)區(qū)向更高級別的熱島效應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)移的面積分別約占該熱島類型區(qū)域面積的22.42%、12.87%和13.39%.2000年的強(qiáng)熱島效應(yīng)區(qū)有39.60%由中等熱島效應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)化而來，33.83%保留其原熱島強(qiáng)度.在中等熱島效應(yīng)區(qū)中，有39.42%由弱熱島效應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)化而來，41.39%保留其中等熱島效應(yīng)區(qū)的特性.弱熱島效應(yīng)區(qū)及非熱島效應(yīng)區(qū)大部分保留其原有強(qiáng)度，只有小部分發(fā)生轉(zhuǎn)化.

2000—2016年福州市不同等級熱島效應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)移矩陣和轉(zhuǎn)換概論矩陣分別如表6 和表7 所示.由表6和表7 可知，2000—2016年，非熱島效應(yīng)區(qū)、 弱熱島效應(yīng)區(qū)和中等熱島效應(yīng)區(qū)分別向熱島強(qiáng)度更強(qiáng)的級別轉(zhuǎn)移，分別約占該熱島類型區(qū)域面積的37.78%、39.44%和77.48%.2016年的強(qiáng)熱島效應(yīng)區(qū)有50.44%由中等熱島效應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)化而來，36.92%由弱熱島效應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)化而來.中等熱島效應(yīng)區(qū)有61.73%由弱熱島效應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)化而來，而弱熱島效應(yīng)區(qū)有56.36%由非熱島效應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)化而來，非熱島效應(yīng)區(qū)大部分保留其原有強(qiáng)度.

表4 1989—2000年福州市不同等級熱島效應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)移矩陣Tab.4 Transfer matrix of different heat island regions in Fuzhou city from 1989 to 2000 hm2

表5 1989—2000年福州市不同等級熱島效應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)換概論矩陣Tab.5 Transfer transition probability matrix of different heat island regions in Fuzhou city from 1989 to 2000 %

表6 2000—2016年福州市不同等級熱島效應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)移矩陣Tab.6 Transfer matrix of different heat island regions in Fuzhou city from 2000 to 2016 hm2

表7 2000-2016年福州市不同等級熱島效應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)換概論矩陣Tab.7 Transfer transition probability matrix of different heat island regions in Fuzhou city from 2000 to 2016 %

2.3 熱島效應(yīng)緩沖區(qū)分析

圖3 和圖4 分別為福州市3個(gè)年份各緩沖區(qū)的熱島效應(yīng)綜合指數(shù)及熱島緩沖區(qū)分布.

圖3 福州市3個(gè)年份各緩沖區(qū)的熱島效應(yīng)綜合指數(shù)Fig.3 Composite indexes of heat island in buffer areas in Fuzhou city in 1989，2000 and 2016

由圖3 和圖4 可看出，同一年份的熱島效應(yīng)綜合指數(shù)從城市中心點(diǎn)向外呈現(xiàn)遞減趨勢，表明離城市中心點(diǎn)越近，熱島效應(yīng)表現(xiàn)得越強(qiáng)烈，離城市中心點(diǎn)越遠(yuǎn)，熱島效應(yīng)較弱.由圖4（a）可以看出，1989年，在距離城市中心點(diǎn)5 km 范圍內(nèi)表現(xiàn)出較強(qiáng)的熱島效應(yīng)，在距離城市中心點(diǎn)1 km 范圍內(nèi)熱島最強(qiáng)； 從2000年的數(shù)據(jù)可見，在距離城市中心點(diǎn)7 km 范圍內(nèi)的熱島效應(yīng)表現(xiàn)得較為強(qiáng)烈，在距離城市中心點(diǎn)1 km范圍內(nèi)表現(xiàn)最強(qiáng)；而2016年的熱島效應(yīng)表現(xiàn)為在距離城市中心點(diǎn)11 km 范圍內(nèi)較強(qiáng)，在距離城市中心點(diǎn)3 km 范圍內(nèi)熱島效應(yīng)水平相當(dāng)，由此可知，福州市東街口的中心職能范圍不斷地?cái)U(kuò)大和強(qiáng)化.1989年、2000年和2016年在0～10 km 范圍內(nèi)，熱島效應(yīng)綜合指數(shù)下降速度較快，而在距離城市中心點(diǎn)相同距離的緩沖區(qū)范圍內(nèi)，隨著時(shí)間的推移，熱島效應(yīng)綜合指數(shù)也大致呈遞增趨勢.這一變化主要是因?yàn)槌鞘谢M(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市建設(shè)用地不斷增多，而隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大量人口在城市中心點(diǎn)附近聚集，從而呈現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，且該團(tuán)塊面積也在不斷增加.

圖4 福州市3個(gè)年份熱島緩沖區(qū)分布Fig.4 Buffer distributions of heat island in Fuzhou city in 1989，2000 and 2016

3 結(jié)論

本研究以福州市1989年、2000年和2016年的TM 遙感影像為載體，采用遙感與GIS 結(jié)合的方法對福州市熱島效應(yīng)區(qū)的熱島強(qiáng)度變化和空間結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）福州城市核心區(qū)與非城市核心區(qū)的平均溫差不斷增加，城市熱島效應(yīng)顯著增強(qiáng).非熱島效應(yīng)區(qū)和弱熱島效應(yīng)區(qū)面積比例不斷減少，強(qiáng)熱島效應(yīng)區(qū)迅速擴(kuò)大，其福州強(qiáng)熱島效應(yīng)區(qū)分別呈現(xiàn)雙中心、 多中心和集中連片的格局.

（2）福州熱島分布呈現(xiàn)出由熱島強(qiáng)度較低的地區(qū)不斷向熱島強(qiáng)度較強(qiáng)的地區(qū)轉(zhuǎn)化的趨勢，且熱島強(qiáng)度較強(qiáng)的地區(qū)面積不斷增大.

（3）福州市熱島效應(yīng)綜合指標(biāo)隨著離城市中心點(diǎn)距離的增加而減小，分別在距離城市中心點(diǎn)5、7、11 km 表現(xiàn)出較強(qiáng)熱島效應(yīng).在距離城市中心點(diǎn)相同距離的地點(diǎn)，隨著時(shí)間的推移，大體呈現(xiàn)遞增趨勢.

（4）采用遙感影像反演城市熱島的空間分辨率較高，而時(shí)間分辨率較低[15]，同時(shí)城市熱島的形成與天氣條件有較大的關(guān)聯(lián)，如天氣晴朗少云和靜風(fēng)能夠促進(jìn)城市熱島效應(yīng)的形成和加劇[22].因此，未來應(yīng)將遙感影像和地面實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合，深入揭示城市熱島的時(shí)空格局[15].有研究表明，除了土地利用及植被覆蓋變化外，熱島強(qiáng)度也與一個(gè)地區(qū)的GDP、 人口以及人為熱排放等因素密切相關(guān).如隨著生活條件的改善，居民空調(diào)擁有量持續(xù)上升[26]，導(dǎo)致人為熱的大量釋放，促進(jìn)了城市熱島的形成.因此，未來應(yīng)將社會和經(jīng)濟(jì)因素納入城市熱島的相關(guān)研究，進(jìn)一步分析城市熱島的形成規(guī)律.