基于遙感的唐山市綠色空間演化及對熱島效應的影響

王駟鷂， 趙春雷， 陳霞， 劉丹

(1.唐山市氣象局，唐山 063000； 2.河北省氣象科學研究所，石家莊 050000；3.河北省氣象與生態(tài)環(huán)境重點實驗室，石家莊 050000； 4.河北省氣候中心，石家莊 050000； 5.唐山市豐南區(qū)氣象局，唐山 063000)

0 引言

城市環(huán)境問題是當今世界面臨的人口、資源與環(huán)境三大問題的重要內(nèi)容之一[1]，而城市熱島是城市環(huán)境問題研究的重要方向。城市熱島效應(urban heat island effect, UHI)指在城市化發(fā)展過程中，由于城區(qū)下墊面性質(zhì)及結(jié)構(gòu)變化，人為熱的排放、建筑及道路密集等導致的城區(qū)溫度明顯高于郊區(qū)，形成類似“高溫島嶼”的現(xiàn)象[2]。隨著全球氣候變暖，極端天氣事件頻發(fā)，高溫事件呈現(xiàn)越來越多的趨勢，城市熱島加劇了這種現(xiàn)象，已經(jīng)開始影響居住環(huán)境和人體健康，因此成為很多學者研究對象。

已有大量研究表明，城市熱島變化特征與城市發(fā)展特征高度相似，由于城市人口密集，土地利用類型多為建筑用地，大量釋放的人為熱等導致城市熱島現(xiàn)象普遍存在[3-5]。城市冷島效應是隨著城市熱島效應研究深入而發(fā)展起來的，在城市熱島內(nèi)部，零星散布著明顯低于周圍環(huán)境溫度的冷點區(qū)域，這一現(xiàn)象被稱為冷島效應[6]。一般來說，城市中的綠色空間能夠有效減輕熱島效應程度[7]，這些綠色空間由林地、草地、水體、濕地等土地利用類型組成。林草地具有蒸騰、遮陰作用[8]，水體自身具有高熱容性、流動性、低熱輻射率等特點[9]，濕地則同時具有以上兩種作用[10]，這些綠色空間通過降溫、增濕來調(diào)節(jié)局地氣候[11]，形成冷島效應。近年來，城市綠色空間對熱島效應影響的相關研究逐步增加[12]，尤其是2009年以后，有學者開始深入探究城市熱島的形成機制，并將綠地格局作為研究切入點[13-15]。研究表明，城市綠地的空間組成對城市熱島效應有顯著影響[16-17]，但綠地斑塊所占比例和總面積對熱島效應改善影響有區(qū)別[18-19]。此外，城市綠地空間配置也對城市熱島效應有影響，主要表現(xiàn)為城市綠地的形狀、密度、邊界、聚集度、離散度及城鄉(xiāng)梯度上綠地分布格局的差異[20-21]。已有研究對于不同土地利用類型，尤其是綠色空間對城市熱島效應的影響已經(jīng)較為深入[22]，但是城市綠色空間的演化對于熱島溫度變化的影響研究較為匱乏。有學者以福建省福州市為例研究了城市綠色空間演化過程對溫度變化的影響[23]，但是北方城市水體較少、綠植較稀疏的綠色空間演化對溫度影響是否與南方城市相同有待進一步研究。因此，本研究選取華北地區(qū)典型工業(yè)化城市唐山為研究對象，利用遙感、GIS軟件及相關統(tǒng)計方法，著重分析城市綠色空間的演化對于地表溫度的影響。研究能給地方政府部門城市規(guī)劃尤其是綠色空間的規(guī)劃提供理論指導，具有重要的實際應用價值。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

唐山市(117°31′～119°19′E，38°55′～40°28′N)地處渤海灣中部，河北省東部，是中國北方的重要工業(yè)城市。近年來，隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，唐山正經(jīng)歷城市快速發(fā)展階段，城市人口越來越多[24]，城鎮(zhèn)用地規(guī)模不斷擴大[25]。并且由于生態(tài)文明建設的需求，面臨工業(yè)轉(zhuǎn)型升級、鋼鐵企業(yè)去產(chǎn)能搬遷等問題，城市下墊面用地類型改變較大，城市熱島問題逐漸顯現(xiàn)。根據(jù)唐山市城市分布特點，本研究選取唐山市中心城區(qū)為研究對象，主要包括路南區(qū)、路北區(qū)部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)、街道，總面積約為167 km2。

1.2 數(shù)據(jù)源及其預處理

本研究采用的數(shù)據(jù)均為Landsat系列衛(wèi)星影像，其中4景為Landsat5影像，分別是1993年、2000年、2003年和2009年，3景為Landsat8影像，分別為2014年、2018年和2019年，這7景影像基本包含了唐山城市建設快速發(fā)展的時段。影像來源于美國地質(zhì)勘探局(USGS)官網(wǎng)，采集時間為6月底至8月初，研究區(qū)無云覆蓋。數(shù)據(jù)需進行輻射校正、大氣校正等預處理。

2 研究方法

2.1 地表溫度反演

不同學者針對Landsat數(shù)據(jù)反演地表溫度提出了多種不同算法[26]，主要有單窗算法[27]、單通道算法[28]、輻射傳輸方程法[29]、劈窗算法[30]等，大量研究均已證明這些算法的可行性，本文選取輻射傳輸方程法進行地表溫度的反演。

2.1.1 輻射傳輸方程

輻射傳輸方程法，也稱大氣校正法(radiative transfer equation algorithm，RTE)。基本原理為衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值Lλ由3部分組成： 大氣上行輻射亮度Lup、地面真實輻射亮度經(jīng)過大氣層后到達衛(wèi)星傳感器的輻射亮度以及大氣下行輻射亮度Ldown，表達式(輻射傳輸方程)可以寫為：

Lλ=εBTs+1-εLdownτ+Lup

，

(1)

式中：ε為地表比輻射率；Ts為地表真實溫度，K；BTs為黑體熱輻射亮度；τ為大氣在熱紅外波段的透過率； 大氣剖面參數(shù)τ，Lup，Ldown可在NASA網(wǎng)站查詢。Ts可以用普朗克公式獲取：

Ts=K2/lnK1/BTs+1

，

(2)

式中： 對于不同的Landsat數(shù)據(jù)，K1和K2的取值不同，對于TM數(shù)據(jù)，K1=607.76 W·m-2·sr-1·μm-1,K2=1 260.56 K； 對于TIRS Band10，K1=774.89 W·m-2·sr-1·μm-1，K2=1 321.08 K。

2.1.2 地表比輻射率計算

地表比輻射率是指地表發(fā)射能力的大小，用于反演地表溫度，值位于0～1之間，不同地物類型，地表比輻射率差別較大，根據(jù)已有學者的研究[31-32]，計算公式如下：

εbuilding=PvRvεv+1-PvRmεm+dε，

光纖復合架空地線(即OPGW光纜)不但能通過其內(nèi)部的光纖傳輸數(shù)據(jù)信息，還可以作為避雷線起到輸電線路防雷功能。OPGW光纜一般與新建線路工程同步架設，檢修和改造時必須停電作業(yè)。近年來，舟山的OPGW光纜運行總體安全穩(wěn)定，但也存在若干隱患和缺陷。

(3)

εsurface=PvRvεv+1-PvRsεs+dε

，

(4)

εwater=0.995

，

(5)

式中：εbuilding，εsurface和εwater分別為建筑、自然表面、水體的地表比輻射率；Pv為植被覆蓋度；Rv,Rm和Rs分別為植被、建筑和裸土的溫度比率，可由Pv計算求得；εv,εm和εs分別為植被、建筑和裸土的地表發(fā)射率，其值分別為0.986,0.970和0.972；dε為比輻射率修正項，可由以下公式計算：

Pv≤0.5,dε=0.003 8Pv

，

(6)

Pv>0.5,dε=0.003 81-Pv

。

(7)

2.1.3 溫度標準化分級

為了消除因傳感器、采集時間不同導致的數(shù)據(jù)誤差，增加溫度數(shù)據(jù)的可比性，采用溫度標準化分級公式對溫度進行標準化處理，并采用自然間斷點分級法[33]重分類，分類后的低溫區(qū)和次低溫區(qū)為冷島區(qū)域，次高溫區(qū)、高溫區(qū)和超高溫區(qū)為熱島區(qū)域(見圖1)。

(a) 1993年唐山LST(b) 2000年唐山LST(c) 2003年唐山市LST(d) 2009年唐山市LST

(c) 2014年唐山市LST(f) 2018年唐山市LST(g) 2019年唐山市LST

2.2 土地利用分類及綠色空間演化

2.2.1 監(jiān)督分類

2.2.2 綠色空間演化

分類結(jié)果根據(jù)已有研究學者對綠色空間的界定[34-35]，將林/草地、農(nóng)業(yè)用地、水體確定為綠色空間。將綠色空間的演化過程分為以下3種情況： 綠色空間擴張、綠色空間損失、綠色空間不變，分別表示非綠色空間向綠色空間轉(zhuǎn)變、綠色空間向非綠色空間轉(zhuǎn)變，綠色空間類型未發(fā)生改變。

根據(jù)以上界定，對監(jiān)督分類后影像的各個類型進行疊置分析，如前后2景影像均為水體，則表示為綠色空間不變； 如由水體演變成城鎮(zhèn)，則表示為綠色空間損失，以此類推。各年份之間綠色空間動態(tài)演化情況如圖2所示。

(a) 1993—2000年綠色空間演化(b) 2000—2003年綠色空間演化(c) 2003—2009年綠色空間演化

(d) 2009—2014年綠色空間演化(e) 2014—2018年綠色空間演化(f) 2018—2019年綠色空間演化

圖2 唐山市中心城區(qū)1993—2019年綠色空間演化圖

2.3 統(tǒng)計分析

2.3.1 重心分析

從溫度分級圖中分別提取出冷島、熱島區(qū)域，從土地利用分類圖中分別提取出城鎮(zhèn)、綠色空間區(qū)域，計算各區(qū)域重心，用于分析冷熱島變化趨勢和城市不同用地類型演化之間的關系。

2.3.2 隨機采樣統(tǒng)計

對研究區(qū)范圍內(nèi)隨機采樣100個點，疊加1993年、2019年土地利用類型、地表溫度數(shù)據(jù)進行采樣，用于量化分析綠色空間演化對溫度的影響。

3 結(jié)果與討論

3.1 城市熱島變化特征

圖1可見，20世紀90年代研究區(qū)的熱島區(qū)域集中分布于城市中東部，2003年開始逐步向西北方向蔓延，2018年以后熱島區(qū)域較為分散且分布較廣，不再有明顯熱島中心。而20世紀90年代研究區(qū)并不存在明顯冷島中心，冷島區(qū)域主要分布在研究區(qū)邊緣地帶，2000—2009年南部區(qū)域開始出現(xiàn)冷島中心，2009年之后，中南部地區(qū)冷島中心較為明顯。據(jù)了解，研究區(qū)城市建設經(jīng)歷了幾個快速發(fā)展的時期，1996年開始對城市南部采煤塌陷區(qū)進行綜合整治，在此基礎上建設了南湖公園并于2009年對外開放，逐步成為了研究區(qū)冷島中心。2008年研究區(qū)西北部的“鳳凰新城”項目開始建設，2014年研究區(qū)西南部的“站西片區(qū)”開始建設，這些大規(guī)模的城市規(guī)劃建設項目與研究區(qū)熱島發(fā)展方向和時間都較為一致。

從冷熱島轉(zhuǎn)移面積上來看(圖3(a))，2009年以前，熱島區(qū)轉(zhuǎn)為冷島區(qū)的面積多于冷島區(qū)轉(zhuǎn)為熱島區(qū)的面積，全區(qū)的熱島面積有所下降，僅2000—2003年3年時間，熱島區(qū)轉(zhuǎn)為冷島區(qū)的面積就達22.53 km2，轉(zhuǎn)化速率為7.51 km2·a-1； 2009年以后，僅有極少量的熱島區(qū)轉(zhuǎn)為冷島區(qū)，而冷島區(qū)轉(zhuǎn)為熱島區(qū)的面積卻大幅上升，2014—2018年4 a時間，冷島區(qū)轉(zhuǎn)為熱島區(qū)的面積就增加了23.68 km2，轉(zhuǎn)化速率為5.92 km2·a-1，這也與研究區(qū)大規(guī)模城市規(guī)劃建設項目時間相對應。2018年以后冷島區(qū)轉(zhuǎn)熱島區(qū)面積幾乎沒有增加，而熱島區(qū)轉(zhuǎn)冷島區(qū)面積有增加趨勢，這是由于研究區(qū)范圍內(nèi)大規(guī)模城市建設已經(jīng)基本完成，并且由于生態(tài)文明建設的要求，地方政府較重視城市綠化，綠色空間開始緩慢增長。從轉(zhuǎn)化速率上來看(圖3(b))，研究時段內(nèi)，冷島區(qū)轉(zhuǎn)熱島區(qū)的速率呈明顯增加趨勢，熱島區(qū)轉(zhuǎn)冷島區(qū)的速率呈明顯降低趨勢。

(a) 冷熱島、綠色空間面積變化(b) 冷熱島、綠色空間面積變化速率

圖3 冷熱島、綠色空間面積及轉(zhuǎn)化速率變化趨勢圖

從溫度等級面積轉(zhuǎn)化來看(表1)，1993年次高溫區(qū)面積最大，為44.28 km2，其次分別為中溫區(qū)(38.99 km2)、次低溫區(qū)(36.76 km2)； 2019年，次高溫區(qū)面積依然最大，為54.60 km2，但面積排名第二變?yōu)楦邷貐^(qū)(43.97 km2)。1993—2019年，冷島區(qū)面積均出現(xiàn)損失，其中次低溫區(qū)面積損失最大，達22.86 km2； 熱島區(qū)面積均有所增長，其中高溫區(qū)面積增長最大，達13.65 km2，次高溫區(qū)次之，達10.32 km2。

表1 研究區(qū)溫度等級面積轉(zhuǎn)化

3.2 城市綠色空間變化特征

隨著城市化進程不斷推進，城市綠色空間范圍也不斷縮小，1993—2018年，綠色空間損失的面積均明顯大于綠色空間擴張面積，綠色空間損失區(qū)域大部分位于研究區(qū)西北部，僅在中南部存在小范圍的綠色空間擴張； 2019年綠色空間面積有小幅增加(圖2)。綠色空間面積損失最大的是1993—2000年，損失面積達36.36 km2，損失速率最快的為2000—2003年，損失速率達8.92 km2·a-1； 綠色空間面積擴張最大的是2003—2009年，擴張面積達14.02 km2，擴張速率最快的是2018—2019年，達5.32 km2·a-1(表2)。1993年面積最大的土地利用類型為農(nóng)業(yè)用地，面積達86.1 km2，2019年面積最大的土地利用類型為城鎮(zhèn)，面積達118.12 km2。1993—2019年，土地利用類型面積損失最大的為農(nóng)業(yè)用地，達55.79 km2，面積擴張最大的為城鎮(zhèn)，增長面積達47.85 km2(表3)。

表2 研究區(qū)綠色空間演化面積及變化速率

表3 研究區(qū)土地利用轉(zhuǎn)化面積

自1993—2018年，綠色空間損失的面積是呈遞減趨勢的，綠色空間擴張的面積相對較為穩(wěn)定，面積變化速率趨勢也大致相同，但冷熱島面積相互轉(zhuǎn)換的趨勢在1993—2003年時間段內(nèi)并沒有與之相一致，甚至出現(xiàn)綠色空間降低，熱島面積也減少的情況。2009—2019年時間段內(nèi)，冷熱島面積相互轉(zhuǎn)換的趨勢與綠色空間面積轉(zhuǎn)換趨勢趨于一致(圖3)。表明在城市發(fā)展的不同階段，綠色空間的演化引起地表溫度變化的效果有所區(qū)別，在城市發(fā)展早期，城鎮(zhèn)化程度較低，綠色空間面積較大，城市熱島效應不明顯，此時如果損失少量的綠色空間并不會導致熱島效應迅速增強。在城市發(fā)展了一段時間后，城鎮(zhèn)化程度已經(jīng)相當高，除了濕地公園外綠色空間僅斑塊狀存在，這時增加少量的城鎮(zhèn)面積就會導致熱島效應顯著增強，而增加少量的綠色空間對于緩解城市熱島效應效果不明顯，這與已有學者的研究結(jié)果相吻合[12,23]。顯然，城市綠色空間轉(zhuǎn)移對于熱島效應的影響是與城市綠色空間存量存在一定的關系，具體的量化指標還有待進一步研究。

3.3 綠色空間、城鎮(zhèn)重心與冷熱島重心遷移特征

利用GIS軟件提取了城市冷、熱島重心及城鎮(zhèn)、綠色空間的重心(圖4)。可以看出，城市綠色空間重心和冷島重心在2003年之前遷移方向不太一致； 2003年之后，兩者遷移方向趨于一致，均由西北向東南方向移動，且重心移動距離較長，可達4 km左右。城鎮(zhèn)重心和熱島重心在2003年之前同樣遷移方向不一致，并且城鎮(zhèn)重心在2003年之前基本無變化； 2003年之后，兩者遷移方向趨于一致，均向城市西北方向遷移。由此表明，城市下墊面的改變是造成熱島發(fā)生發(fā)展的重要因素，城市熱島與城鎮(zhèn)化發(fā)展進程關系密切，城市冷島分布與綠色空間的擴張息息相關。

(a) 綠色空間、冷島重心轉(zhuǎn)移 (b) 城鎮(zhèn)、熱島重心轉(zhuǎn)移

3.4 綠色空間演化對溫度的影響

研究區(qū)范圍內(nèi)隨機取樣100個點，分別統(tǒng)計1993年，2019年這100個點所對應的地表溫度以及土地利用類型，分析綠色空間演化對地表溫度的影響。表4可見，綠色空間損失造成的升溫幅度平均值為6.37 ℃，大于綠色空間交換的影響； 而綠色空間擴張則造成地表溫度下降，下降幅度平均值為-0.16 ℃。研究表明，綠色空間擴張對于城市地表降溫的作用遠小于綠色空間損失造成的地表升溫作用。這是由于綠色空間的損失往往是大塊面積的改變，比如房地產(chǎn)開發(fā)、基礎設施建設等； 而綠色空間擴張一般是小面積的增加，比如街心公園、沿路的綠化等等，對于地表降溫影響有限。

表4 綠色空間演化對地表溫度的影響

4 結(jié)論

本研究利用遙感數(shù)據(jù)反演了唐山中心城區(qū)地表溫度，以多種空間統(tǒng)計方法分析了研究區(qū)綠色空間的變化及其對地表溫度的影響。結(jié)果表明：

1)研究時段內(nèi)，城市熱島面積增加較為明顯，次低溫區(qū)面積損失最大，高溫區(qū)面積增加最大，熱島發(fā)展方向和面積與城市快速發(fā)展的規(guī)模和方向較為一致。

2)每個時間段內(nèi)的綠色空間損失面積均大于擴張面積，農(nóng)業(yè)用地損失的面積最大，城鎮(zhèn)增加的面積最大； 且在城市的不同發(fā)展階段，冷熱島演化的趨勢與綠色空間演化趨勢不一致，這或許與綠色空間存量有一定關系。

3)城市下墊面的改變是造成地表溫度改變的重要因素，冷熱島重心的遷移方向和綠色空間、城鎮(zhèn)重心方向較為一致。

4)綠色空間擴張對于城市地表降溫的作用遠小于綠色空間損失造成的地表升溫作用，這與綠色空間擴張、損失的規(guī)模有關。

綜上所述，城市快速發(fā)展與城市熱島效應的增強之間確實存在密切關系，但是并非城市發(fā)展就一定會造成熱島效應增強，合理做好城市規(guī)劃，保留足夠的綠色空間存量，且綠色空間規(guī)模達到一定標準，便可有效緩解城市熱島效應，促進城市綠色健康發(fā)展。