長三角地區地表覆蓋與城市熱島時空演變分析

熊曉峰，張德州

（1.河南省地球物理空間信息研究院，河南 鄭州 450000）

改革開放以來，我國社會經濟得到了飛速發展，截至2018年，我國城市化率已達到59.6%[1]。城市化進程的加快，帶來了社會經濟的進步，同時將導致一系列的環境問題。城市熱島現象是快速城市化帶來的氣候問題，是指城市中心區域的溫度高于周圍郊區溫度的一種現象。城市熱島問題關乎城市居民的居住舒適度[2-4]，近年來受到城市規劃者與管理部門的重視。長三角城市群作為我國三大城市群之一，是我國城市化水平最高、人口密度最大的區域。因此，對長三角城市群的城市熱島進行實時監測具有重要意義。

目前針對城市熱島的監測研究主要分為兩種： ①氣象資料觀測法[5-7]，該方法雖能獲得長時間序列的歷史資料，但“點”數據難以展示城市熱島的空間變化特征；②隨著遙感技術的進步，采用遙感影像對城市熱島進行監測和分析已成為目前研究的主要手段。可用于研究城市熱島的遙感數據包括Landsat 系列影像、NOAA/AVHRR影像、ASTER影像和MODIS影像 等[8-9]，其中MODIS地表溫度數據精度可靠，適用于大區域尺度的城市熱島研究。目前，已有較多學者對長三角城市群做了不同程度的研究[10-15]，但大多采用單個季節或單個時間段的影像，且集中于2010年前的城市熱島監測，很難得到近年長時間序列的城市熱島變化；此外，大部分研究只分析了長三角城市群的城市熱島時空變化，而對于導致城市熱島的主要原因，即城市化進程導致的城市地表覆蓋變化的研究較少。

因此，本文結合近16 a的全年MODIS土地利用類型數據和地表溫度數據，分析了長三角地表覆蓋的時空變化特征，研究了長三角城市群城市熱島的時空演變規律，探究了各土地利用類型對地表溫度的響應，并找出了緩解城市熱島的有效渠道。

1 研究區概況

長三角城市群位于長江中下游，地理范圍為32e34′～29e20′N、115e46′～123e25′E。研究區概況如圖1所示，可以看出，長三角城市群地理區劃涵蓋三省一市共26個城市，分別為上海市、江蘇省 9個城市、安徽省8個城市和浙江省8個城市，涵蓋面積為35 800 km2，約占據我國總面積的2.2%。長三角城市群是我國三大城市群之一，也是世界六大城市群之一，因此城市化水平很高，截至2014年，其人口已達1.5億，約占我國總人口的11%。長三角城市群屬亞熱帶季風氣候，近年來由于城市化進程的加快，其年均氣溫、年均最高氣溫和年均最低氣溫均有上升趨勢，因此對其城市熱島進行監測是很有必要的。

圖1 長三角城市群概況 （審圖號：GS(2011)6006）

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與預處理

本文采用兩種MODIS數據，首先利用MODIS土地利用類型數據（MCD 12Q1）對長三角地表覆蓋變化進行監測研究，其空間分辨率為500 m，時間分辨率為 1 a；再利用MODIS地表溫度產品對長三角城市熱島進行監測。MODIS衛星包括上午星（Aqua）和下午星（Terra），其中Aqua的過境時刻為當地時間的 10：30 am和10：30 pm，而Terra的過境時刻為當地時間的1：30 pm和1：30 am。由于白天城市熱島通常在中午1：00點左右表現最大值，因此本文所用的地表溫度產品數據為MODIS Terra衛星反演獲取的地表溫度（MYD 11A2），空間分辨率為1 km，時間分辨率為8 d合成影像。

為了監測長三角城市群地表覆蓋與城市熱島的時空變化特征，本文采用2003年、2011年和2018年的MODIS地表溫度和土地利用類型數據，兩種數據的原格式均為hdf格式，需利用MODIS數據批處理工具MRT進行圖幅拼接、投影轉換、重采樣和影像裁剪等處理；再利用Albert等面積投影和WGS84坐標系將空間分辨率統一重采樣為1 km，所有處理步驟均通過IDL調用MRT軟件實現。為了客觀表現長三角城市群城市熱島的變化特征，對8 d合成的MODIS地表溫度數據進行年合成，得到3期年均地表溫度影像。

2.2 地表覆蓋劃分

MODIS土地利用類型數據包括5種不同的地表覆蓋分類方案，本文采用第二種分類方案（馬里蘭大學分類體系）。該方案將地表覆蓋分為17種類別，其中包括11種植被分類、3種土地利用和土地鑲嵌以及 3種無植生土地利用。本文根據長三角地表覆蓋的特點，進一步將該分類結果進行歸類，主要分為7種土地利用類型，分別為建成區、水體、林地、草地、濕地、耕地和裸地。通過空間上的定性分析與定量統計，分析了長三角城市群地表覆蓋的變化特征。

2.3 城市熱島劃分與熱島強度計算

本文分別通過空間上的定性分析與定量計算，分析了長三角城市群近16 a的城市熱島時空演變特征。在空間定性分析上，利用均值標準差法劃分城市熱島等級。相關研究表明，該方法能避免不同時相間影像的差異，適合大區域城市熱島的時空變化研究[16]，通過地表溫度的平均值與標準差的倍數關系，劃分城市熱島等級。根據方慧婷[13]等的劃分方法，本文將城市熱島分為7個等級。為了定性分析長三角城市群城市熱島的變化特征，根據城市熱島的定義，本文利用城郊溫差法計算城市熱島強度。其計算公式為：

式中，UHII為城市熱島強度；LSTurban、LSTrural分別為城市和郊區的地表溫度均值。

3 研究結果與分析

3.1 長三角城市群地表覆蓋變化特征

長三角城市群2003－2018年土地利用變化空間特征如圖2所示，可以看出，長三角城市群地表覆蓋表現出很強的空間差異，土地利用類型南北差異較大，南北地形差異很大；浙江省的杭州、金華、臺州和安徽省的宣城、安慶等南部地區的主要土地利用類型為林地和草地，這些城市的地貌大多屬于丘陵地帶，分布有較多的山地；而江蘇省的鹽城、泰州、揚州、南通以及安徽省的滁州、合肥、馬鞍山等北部地區的主要土地利用類型為耕地，這些城市多為平原地貌，以農業為主；此外，長三角城市群2003－2018年城市化進程明顯，表現出明顯的城市擴張，城區范圍逐年擴大；在2003－2011年和2011－2018年兩個時段，以上海市為主導，蘇錫常都市圈、南京都市圈、合肥都市圈、杭州都市圈以及寧波都市圈周圍地帶的城市建成區面積均逐年增加。

圖2 長三角城市群地表覆蓋空間分布

長三角城市群城市化進程加快，主要表現為城市建成區面積的增加，但同時可能導致一些負面問題。2003－2018年長三角城市群各土地利用類型所占面積以及各土地利用類型變化情況如圖3、4所示，可以看出，耕地和草地為長三角土地利用類型的主導，其次是林地和建成區，再次是水體和濕地，裸地涵蓋面積最少；2003－2018年建成區面積逐年增加，2018年 的建成區面積比2003年增長了6 438 km2，2003－ 2011年比2011－2018年的建成區面積增加得多， 兩個時段建成區面積分別增長3 799 km2和2 639 km2；而對于自然土地利用類型，耕地面積在這兩個時間段均為減少，特別是2003－2011年減少了7 020 km2；草地面積雖在2011年增加了1 978 km2，但2011－2018年又減少了3 857 km2，因此草地總體是減少的；水體在2003－2018年的變動不大，2018年水體面積總體減少了11 km2；濕地面積雖在2011年減少了 250 km2，但在2018年增加了1 264 km2，因此濕地面積總體增加了1 014 km2，這可能與近年來湖泊周圍養殖業的增多有關；值得關注的是，林地面積在兩個時段內都是增加的，這可能與國家政策有關，2003年以來國家全面實行了退耕還林政策。綜上所述，城市化進程導致城市建成區面積的增加，而建成區面積的增加需不斷地將草地、裸地和耕地等原有的自然地表覆蓋開發為人類建設區域，導致這些自然地表覆蓋的減少。

圖3 長三角城市群各土地利用類型面積統計

圖4 不同時段長三角城市群各土地利用類型面積變化情況

3.2 長三角城市群城市熱島時空分布特征

2003－2018年長三角城市群城市熱島的空間分布情況如圖5所示，可以看出，長三角城市群城市熱島現象明顯，2003－2018年均表現出明顯的熱中心；長三角城市群城市熱島在空間上總體表現為由西向東的M形擴張和由北向南的Z形擴張，2003－2018年這種擴張形式愈加明顯；對于長三角城市群的單個城市，其城市熱島擴張表現為由主城區向周圍擴展，如上海、合肥和蘇錫常地區以圍繞主城區的“攤餅狀”擴展，南京、南通、寧波和金華等城市以“條帶狀”擴展，其他城市主要以“星羅點狀”擴展；2003－2018年長三角城市群的城市熱島強度逐漸增大，特別是蘇錫常地區、合肥、寧波以及南通等地區，這些城市的強熱島和較強熱島面積均比前一階段有所增加。

圖5 長三角城市群2003－2018年城市熱島空間分布

近16 a長三角城市群各城市熱島等級所占比例如圖6所示，可以看出，2003－2018年長三角城市群城市熱島現象是增強的；2003－2011年雖然長三角城市群的強熱島面積減少了1.1%，但較強熱島和弱熱島面積都增加了，比2003年分別增加了1.34%和2.3%，無熱島和弱負熱島面積分別減少了2.8%和2.4%，說明長三角城市群在2003－2011年的城市熱島效應是增強的，其地表溫度有上升趨勢；2011－2018年長三角城市群的強熱島面積增加了1.07%，但較強熱島和弱熱島分別減少了0.6%和2%，強負熱島、較強負熱島和無熱島面積分別減少了0.49%、0.48%和0.7%，說明長三角城市群的地表溫度有由低溫向高溫轉變的趨勢，其城市熱島強度雖在該階段仍有增加，但增長速度放緩，這可能與國家近年來重視環保、綠化和環境問題有很大關系。

圖6 長三角城市群2003－2018年各城市熱島等級 所占比例

城市熱島通常定義為城市溫度高于周圍郊區溫度的一種現象，因此城市熱島強度即為城市溫度與郊區溫度的差值。為了進一步探討長三角城市群近16 a的城市熱島強度變化情況，本文將建成區的平均地表溫度視為城區溫度，將林地的平均地表溫度視為郊區溫度，長三角城市群近16 a的熱島強度變化情況如圖7所示，可以看出，長三角城市群的城市熱島效應明顯，2003年城市熱島強度為3.04℃，而在2011年和2018年分別達到了4.42℃和4.68℃，因此長三角城市群的熱島強度是逐漸增大的；城市熱島的增長主要體現在2003－2011年，在該時段增加了1.38℃，在2011－2018年雖然也有所增加，但相比前一階段增加不多，其熱島強度只增加了0.26℃，說明長三角城市群的城市熱島強度增大主要體現在第一階段，這與前面的結論是一致的。

圖7 長三角城市群2003－2018年城市熱島強度變化

2003－2018年長三角城市群各土地利用類型的地表溫度均值變化情況如圖8所示，可以看出，各土地利用類型的地表溫度均表現出相同的變化規律，水體的地表溫度是最低的，其次是林地和濕地。由于水體和濕地的水分含量高，水分蒸發可帶走熱量，從而導致地表溫度相對較低；另外，植被的蒸騰作用也會帶走大量熱量，具有降溫作用，從而導致林地的地表溫度較低。建成區的地表溫度是最高的，因為城市化進程導致大量自然地表覆蓋轉化為水泥路面、建筑等不透水面，這些材料的吸熱性能較好，從而導致建成區地表溫度明顯高于其他用地類型。因此，應采取增強城區綠化、設立水池等方式來減輕城市熱島效應、減小城市熱島強度。

圖8 長三角城市群2003－2018年各土地利用類型 地表溫度均值變化

4 結 語

以長三角城市群為研究對象，采用2003－2018年的MODIS地表溫度和土地利用類型數據，通過土地利用類型數據分析了近16 a長三角城市群地表覆蓋的時空變化情況；再通過均值標準差和城郊溫差法分析了長三角城市群城市熱島的時空變化特征。

1）近16 a來，長三角城市群的城市擴張明顯，建成區范圍逐年增大。水體、草地、耕地和裸地等自然地表覆蓋類型總體呈減少趨勢；而可能是由于國家退耕還林政策，2003年以來林地一直呈增加趨勢。

2）2003－2018年長三角城市群城市熱島效應明 顯，各大城市均表現出明顯的熱中心。長三角城市群城市熱島在空間上總體表現為由西向東的M形分布擴張以及由北向南的Z形分布擴張。長三角城市群在2003年、2011年和2018年的城市熱島強度分別為3.04℃、4.42℃和4.68℃。城市熱島強度增加主要在2003－2011年，2011－2018年雖然同樣有所增加，但增加速度放緩。

3）2003－2018年長三角城市群各土地利用類型的地表溫度變化趨勢一致。水體的地表溫度最低，其次是林地和濕地，建成區的地表溫度最高。因此，通過植樹造林、設立水池等方式，可有效緩解城市熱島效應。

本文的不足之處在于，只研究了長三角城市群時間變化中的年際變化特征，未來可進一步研究長三角城市群的季節和日變化規律。