珠海市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 鐘鳴

近年來城市化進(jìn)程加快，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張以及人口聚集加劇了城市熱島效應(yīng)的產(chǎn)生，城市熱環(huán)境已成為生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)城市熱島的時(shí)空特征及其變化、形成機(jī)制和驅(qū)動(dòng)力等展開了大量的研究。從目前來看，研究多以城市化進(jìn)程中引發(fā)的生態(tài)環(huán)境改變作分析，但對(duì)熱環(huán)境格局的討論較少，同時(shí)城市群尺度的不斷擴(kuò)張，單個(gè)城市已經(jīng)無法消解高強(qiáng)度熱排放帶來的熱島效應(yīng)，對(duì)于城市群的整體熱環(huán)境格局亟待探索。國(guó)內(nèi)已有學(xué)者對(duì)京津冀和長(zhǎng)三角城市群的熱環(huán)境進(jìn)行了分析，蔣晶和彭文甫分別以北京和成都為例，研究了土地利用變化對(duì)城市熱環(huán)境的影響。珠三角城市群是我國(guó)三大城市群之一，快速城市化與全球增溫使該區(qū)域城市熱環(huán)境問題備受關(guān)注。目前,該區(qū)域熱環(huán)境研究多以單個(gè)城市為對(duì)象,缺少對(duì)城市群熱環(huán)境時(shí)空動(dòng)態(tài)演化格局和土地利用變化影響的分析。

本文采用MODIS地表溫度產(chǎn)品數(shù)據(jù)，通過區(qū)域地表溫度熱力等級(jí)年際變化特征，分析珠三角城市群熱環(huán)境格局的分布特征和變化情況，并結(jié)合土地利用/覆蓋變化（LUCC）數(shù)據(jù)分析了土地利用變化對(duì)城市熱環(huán)境的影響，對(duì)改善城市群熱環(huán)境格局、科學(xué)開展城市空間布局、提升珠三角城市群宜居宜業(yè)環(huán)境有積極的意義。

二、數(shù)據(jù)來源及研究方法

（一）研究區(qū)概況

本研究以珠江三角洲城市群作為研究區(qū)域。區(qū)域位于東經(jīng) 111° 21’-115° 24’、北緯21°27’-24°24’，區(qū)域主要位于北回歸線以南，屬亞熱帶海洋季風(fēng)氣候，具有豐富的土地利用類型。同時(shí)，區(qū)域內(nèi)包含廣佛肇、深莞惠、珠中江三個(gè)新型都市區(qū)，屬于我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域，土地利用變化較大，具有較高的研究?jī)r(jià)值。

（二）數(shù)據(jù)來源

本研究使用中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生產(chǎn)的土地利用/覆蓋變化（LUCC）數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集基于LandsatTM/ETM遙感影像，每5a生產(chǎn)1期，空間分辨率為1km。數(shù)據(jù)集中包含耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地及裸地6個(gè)一級(jí)類，已基本覆蓋了珠三角城市群的主要土地利用類型。數(shù)據(jù)集區(qū)域綜合評(píng)價(jià)精度可以達(dá)到90%以上，可滿足研究精度要求。

地表溫度是反應(yīng)地表熱平衡與環(huán)境變化的直觀指標(biāo)。本研究使用美國(guó)國(guó)家航空航天管理局提供的MODIS陸地系列產(chǎn)品(MOD11A2)，該產(chǎn)品空間分辨率為1km，使用8天地表溫度進(jìn)行合成。產(chǎn)品采用MODIS分裂窗算法進(jìn)行溫度反演，地表溫度精度達(dá)到1K，滿足城市熱島效應(yīng)及熱環(huán)境安全格局的研究需要。

（三）地表溫度熱力等級(jí)劃分

本研究對(duì)MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行了幾何糾正、投影轉(zhuǎn)換和重采樣等預(yù)處理，然后對(duì)其進(jìn)行輻射定標(biāo)，通過式（1）計(jì)算得到大灣區(qū)地表溫度數(shù)據(jù)（單位：℃）。

式中T為地表溫度值，DN為像元灰度值。由于MOD11A2產(chǎn)品在有云的區(qū)域DN值為0，因此需要進(jìn)行云掩膜處理，以消除異常值。

為研究不同時(shí)期珠三角城市群熱環(huán)境空間特征，本文使用密度分割算法對(duì)地表溫度空間分布特征進(jìn)行數(shù)據(jù)分級(jí)。首先需要對(duì)地表溫度進(jìn)行歸一化處理，利用式（2）將地表溫度范圍投影至0-1之間。

式中，Tn表示歸一化后的像元值，T表示地表溫度值，Tmax、Tmin分別表示珠三角城市群地表溫度的峰值與谷值。

然后采用均值-標(biāo)準(zhǔn)差方法對(duì)歸一化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行地表溫度熱力等級(jí)劃分，得到低溫區(qū)域、次低溫區(qū)域、中溫區(qū)域、次高溫區(qū)域、高溫區(qū)域五個(gè)熱力等級(jí)區(qū)域。低溫區(qū)域?yàn)門n＜Tmean－1.5Tstd、次低溫區(qū)域?yàn)門mean－1.5Tstd<

三、結(jié)果與分析

（一）2000-2020年珠三角城市群熱環(huán)境格局分布特征

為了直觀地描述研究區(qū)域地表溫度的差異情況，且避免各極端年份和季相影響，對(duì)各期地表溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，并通過均值-標(biāo)準(zhǔn)差法對(duì)珠三角城市群地表溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行地表溫度熱力區(qū)域劃分。結(jié)果如圖1所示。

圖1 2000-2020年珠三角城市群地表溫度熱力特征區(qū)域劃分圖

通過統(tǒng)計(jì)珠三角城市群不同地表溫度熱力等級(jí)區(qū)域面積和比例（表1）及空間分布情況（圖1）可知，珠三角城市群熱環(huán)境格局總體上呈現(xiàn)出顯著的聚集特征，高溫區(qū)域和次高溫區(qū)域主要分布于珠三角核心區(qū)城市建成區(qū)范圍；中溫區(qū)域主要分布于肇慶、江門及惠州的丘陵山地地區(qū)；低溫區(qū)域和次低溫區(qū)域則主要分布于肇慶北部和惠州北部的山地?？傮w上看，珠三角城市群地表溫度從中心向四周逐漸降低，呈現(xiàn)出明顯的中間高四周低的分布格局，其中，廣州、佛山、東莞、中山以及深圳等城市形成了以廣州為中心圍繞珠江口兩岸分布的“U”形高溫區(qū)連片區(qū)，是整個(gè)珠三角城市群熱環(huán)境最嚴(yán)峻的區(qū)域。

表1 2000-2020珠三角城市群不同地表溫度等級(jí)面積(km2)及比例(%)

分析珠三角城市群各溫度等級(jí)區(qū)域變化情況，可以宏觀地了解近20年該區(qū)域熱環(huán)境格局演變特征。2000-2020年珠三角市群熱環(huán)境空間格局變化的主要特征表現(xiàn)為高溫區(qū)和次低溫區(qū)域呈現(xiàn)擴(kuò)張趨勢(shì)，高溫區(qū)面積增長(zhǎng)達(dá)到了75.92%，中溫區(qū)基本保持穩(wěn)定，低溫區(qū)和次高溫區(qū)域出現(xiàn)了明顯的縮減趨勢(shì)，尤其是低溫區(qū)下降比例達(dá)到47.90%。高溫區(qū)域圍繞佛山和廣州核心區(qū)蔓延最為顯著，次高溫區(qū)域在珠江口兩岸也有蔓延趨勢(shì)。研究時(shí)段內(nèi)，兩岸由高溫和次高溫區(qū)域組成的“U”形區(qū)域逐年顯著。次低溫區(qū)域在大灣區(qū)北部山區(qū)呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，尤其以肇慶北部山地和惠州北部最為明顯。

（二）土地利用變化對(duì)城市熱環(huán)境格局的影響

通過珠三角城市群土地利用類型分布及地表溫度熱力等級(jí)空間特征，分析土地利用結(jié)構(gòu)的差異對(duì)城市群熱環(huán)境格局的影響。高溫區(qū)內(nèi)各土地利用類型比例從高到低依次是建設(shè)用地、耕地、水域、林地和草地。其中，建設(shè)用地為高溫區(qū)域的典型地類，比例超過68%。次高溫區(qū)域典型地類為耕地與建設(shè)用地，占比分別達(dá)到41.9%與27.6%。低溫區(qū)域典型地類為林地，占比達(dá)到92.3%?？傮w上看，各地表溫度等級(jí)區(qū)域，隨著溫度升高，建設(shè)用地和耕地的比例逐漸提升，林地的比例逐漸降低。建設(shè)用地下墊面主要是建筑、道路等不透水面組成的建成區(qū)，人類活動(dòng)強(qiáng)度大、熱容量小，而林地等多植被覆蓋地類可以有效降低地表溫度。由此可知，典型地類在區(qū)域內(nèi)的占比構(gòu)成是影響城市熱環(huán)境空間格局的重要原因。

為了研究土地利用變化對(duì)城市群熱環(huán)境格局的影響，研究珠三角城市群熱力等級(jí)區(qū)域變化和土地利用變化進(jìn)行空間的耦合關(guān)系。新增高溫區(qū)域和次高溫區(qū)域?qū)?yīng)的土地利用類型變化主要表現(xiàn)為建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入和耕地、水域的轉(zhuǎn)出。從高溫區(qū)來看，地類變化主要為耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地及水域轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，面積分別達(dá)到655.27km2和296.24km2。新增次高溫區(qū)域?qū)?yīng)的土地利用類型變化主要表現(xiàn)為耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地及水域轉(zhuǎn)變?yōu)楦?。中溫區(qū)各土地類型的變化表現(xiàn)為耕地、林地、水域和建設(shè)用的相互轉(zhuǎn)化。低溫區(qū)和次低溫區(qū)新增面積主要來源于耕地和林地的相互轉(zhuǎn)化，總體面積比例最小。

建設(shè)用地轉(zhuǎn)入是高溫區(qū)和次高溫區(qū)最大的土地利用轉(zhuǎn)移來源，而且耕地轉(zhuǎn)入建設(shè)用地貢獻(xiàn)率最高，占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，高于林地和水域轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的總和。這說明，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張占用耕地是導(dǎo)致珠三角地區(qū)熱環(huán)境格局變差的最主要原因。

四、結(jié)論與建議

本文以珠三角城市群為研究對(duì)象，通過測(cè)算區(qū)域地表溫度熱力等級(jí)年際變化，分析了近20年研究區(qū)熱環(huán)境格局分布特征和變化情況，結(jié)合LUCC數(shù)據(jù)分析土地利用變化對(duì)城市熱環(huán)境的影響，結(jié)論如下：

（1）珠三角城市熱環(huán)境格局總體上呈現(xiàn)出顯著的聚集特征：地表熱力等級(jí)的高溫區(qū)域主要集中在珠三角核心區(qū)的建成區(qū)及周邊，以廣州、佛山、東莞、深圳、中山等城市為中心，整體上沿珠江口呈現(xiàn)出“U”形分布。次高溫區(qū)多為城市郊區(qū)，鑲嵌在高溫區(qū)域周邊大灣區(qū)城市群熱環(huán)境格局變化的主要特征表現(xiàn)為高溫區(qū)呈現(xiàn)擴(kuò)張趨勢(shì)，中溫區(qū)基本保持穩(wěn)定，低溫區(qū)和次高溫區(qū)域出現(xiàn)了明顯的縮減趨勢(shì)。高溫區(qū)域圍繞著佛山和廣州核心區(qū)的蔓延最為顯著，次高溫區(qū)域在珠江口兩岸也有蔓延趨勢(shì)。研究時(shí)段內(nèi)，兩岸由高溫和次高溫區(qū)域組成的“U”形區(qū)域逐年顯著。

（2）土地利用類型分布對(duì)城市熱環(huán)境影響顯著。隨著溫度等級(jí)升高，建設(shè)用地和耕地的比例提升，林地比例逐漸降低。區(qū)域內(nèi)土地利用類型比例構(gòu)成的改變，溫度區(qū)典型地類的占比大幅變化是影響城市熱環(huán)境格局變化的主要原因之一。

（3）建設(shè)用地轉(zhuǎn)入是高溫區(qū)和次高溫區(qū)最大的土地利用轉(zhuǎn)移來源，耕地轉(zhuǎn)入建設(shè)用地貢獻(xiàn)率最高，遠(yuǎn)高于林地和水域轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的總和，表明建設(shè)用地?cái)U(kuò)張占用耕地是導(dǎo)致珠三角地區(qū)熱環(huán)境格局變差的最主要原因。

（4）城市熱島效應(yīng)蔓延與城市擴(kuò)張密不可分，科學(xué)合理地劃定城市群區(qū)劃，優(yōu)化城市內(nèi)部功能分區(qū)和用地布局是緩解城市熱島效應(yīng)的重要途徑。在珠三角地區(qū)熱島效應(yīng)明顯的城市，可依據(jù)所在城市的地形和地貌，依托通風(fēng)截面較大的街道合理設(shè)置城市通風(fēng)廊道。注重提升各城市綠地分布的覆蓋度及完整性，對(duì)地表溫度高值熱點(diǎn)進(jìn)行資源優(yōu)先配置,并依據(jù)不同城市的人口特點(diǎn)、原有的綠地景觀格局和熱環(huán)境狀況，形成有效的“綠地效應(yīng)”來削弱和緩解“熱島效應(yīng)”帶來的危害。