基于LUCC的城市地表热环境效应研究进展

田帅 石岩 李雯

摘 要：城市地表热环境及其变化问题日益受到关注。随着城市化的快速发展，城市地表土地利用发生了剧烈改变，土地利用/覆被变化（LUCC）是导致地表热环境变化的直接因素，在地表性质变化的基础上，城市地表热环境及其效应也随之发生了显著变化。该文基于国内外相关研究，从土地利用类型、土地利用空间格局、土地利用时空变化3方面对城市地表热环境效应进行了综述，以期为城市地表热环境研究提供参考。

关键词：LUCC;城市地表;热环境效应

中图分类号 X16文献标识码 A文章编号 1007-7731（2020）22-0147-04

Abstract：The study of urban surface thermal environment and its variation have been attracted increasingly by researchers. With the rapid development of urbanization，urban land using has undergone drastic changes. land use/cover change（LUCC）is the direct factor for urban surface thermal environment changing，with the changing of surface property，urban surface thermal environment and the effect which caused by LUCC have also changed significantly. Based on relevant research，this paper summarized the effects of urban surface thermal environment from three aspects of land use types，land use spatial pattern，and the change of land use temporal and spatial，we hope this paper will provide reference for the study of urban surface thermal environment.

Key words：LUCC;Urban surface;Thermal environment

随着人们对城市生态环境的日益关注，城市地表热环境研究越来越受到重视。城市地表热环境是城市近地表面热场的反应，其与城市地表不透水面、植被等密切相关。土地利用/覆被变化（LUCC）使得地表面性质发生改变，是地表热环境的重要驱动力。在城市下垫面土地利用类型变化的基础上，地表热环境在时间、空间等方面发生演变，对城市人居环境质量、资源与能源消耗、城市经济可持续发展等具有重要影响。国内外相关学者对城市地表热环境研究方法、时空变化及关系等进行了大量研究，如宫阿都等[1]以北京市为例，通过TM遥感影像反演地表温度，研究了城市热岛效应与城市土地利用/覆盖变化的关系;岳文泽等[2]利用不同遥感数据对上海市中心城区土地利用类型及格局的热环境效应进行研究;Estoque R C等[3]对泰国曼谷、印尼雅加达和菲律宾马尼拉等都市区的地表温度（LST）与不透水地表和绿地的丰度和空间格局之间的关系进行了研究;Mushore T D等[4]通过亮度温度来评估城市的长期热变化，对津巴布韦首都哈拉雷市1984—2015年土地利用与土地覆盖变化导致的小气候作用进行了研究。笔者从城市土地利用类型、土地利用格局、土地利用时空变化对地表热环境的影响方面对土地利用/覆被变化（LUCC）的城市地表热环境效应进行了综述，以期为探究不断发展变化过程中的城市地表热环境提供参考。

1 土地利用类型对城市地表热环境的影响

1.1 不同土地利用类型下地表温度的响应 城市地表存在多样的土地利用类型，各类型间的物质性质各异，对地表的温度响应也存在差异。通常，建设用地温度普遍较高，而绿地/水域温度普遍较低。岳文泽等[2]研究表明，上海市中心城区的工业、商业与公共服务用地以及中央商务区用地平均温度较高，与工业仓储用地构成城市热岛主体;公园绿地平均温度较低，接近26.5℃;农业用地平均温度最低。梁敏妍等[5]基于热环境等级，发现不同下垫面的地表热环境状况差异显著，林地、农田、水体区热环境等级比建筑用地低1～3等级。陈燕红等[6]研究发现，城市绿地、水体、湿地对地表降温效应显著;而建设用地、裸地则与绿色空间相反，RLST最高分别达到5.03℃和9.67℃;农田对地表温度影响较小。从不同地类级别角度研究发现，东莞市一级地类城乡工矿居民用地、林地和耕地热效应贡献度指数较大，水域和草地的影响较小（<8%），未利用地贡献最小（<0.05%）。二级地类中，城镇用地的热贡献度最大，均超过15%;有林地、疏林地、水田、其他林地（园地、迹地等）、旱地、农村居民点和高覆盖草地为5%～15%，热效应贡献度中等;河渠、其他建设用地、水库坑塘、灌木林、滩地、中覆盖草地、湖泊、其他未利用地和滩涂<5%，热效应贡献度较小[7]。

我国其他城市也有类似的研究，如南昌市地表热环境变化与土地类型密切相关，地表温度大小依次为建设用地>耕地/林地>水域;在温度分区中，建设用地主要分布在次高温区和中温区，林地和水田集中分布在中温区，水域则主要分布在次低温区和中温区[8]。廣州市各土地利用类型的地表平均温度依次为建设用地>未利用地>耕地>草地>水域>林地。林地均值最低（17.23℃），主要原因为：一是林地生长区域海拔均较高，二是植被覆盖通过蒸发作用减少热储存，抑制温度升高。水域的均值也较低（18.81℃），这是由于水体的高比热可以在周围温度升高时蓄热，周围温度降低时则释放热量[9]。

1.2 土地利用类型与地表温度的相关性 城市地表下垫面的温度分布与土地利用/覆盖类型总体上表现出一定的相关性。

1.2.1 建设用地 建设用地是城市地表性质改变最大的土地利用类型，其面积与地表温度呈正相关关系。相关研究表明：广州市城市平均地表温度与不透水面面积呈正相关;城市扩张削减了林地和耕地对城市地温的调节作用[10]。翁清鹏等[11]研究发现，南京市1988年、1998年、2002年均在1～2℃出现建设用地与耕地面积的拐点，而2010年是在0～1℃出现拐点，建筑用地与地表温度在一定程度上呈正相关关系。Balew A等[12]研究表明，自1987年以来，巴伊尔达尔市城区迅速扩大，平均地表温度从1987年的34.5℃上升到2002年的37.57℃，到2017年下降到34.57℃，地表温度与NDBI呈正相关。

1.2.2 绿地 绿地对地表温度具有重要的调节作用，可以在一定程度上缓解热岛效应。孙芹芹等[9]对广州市进行研究发现，草地、林地及耕地的地表温度与归一化植被覆盖指数（NDVI）呈现明显的负相关。王跃辉等[13]研究表明：地表温度和植被指数呈负相关关系，植被覆盖程度高的区域地表温度低，植被覆盖低的区域地表温度高，但相关性较低。

绿地类型不同，其对地表温度影响也不同。岳文泽等[2]通过Tamhance T2 post -hoc多重比较方法对上海市中心城区进行研究发现：农业、公园绿地等土地利用类型对城市热岛效应具有一定的缓解作用;但受城市热岛效应扩散影响，上海市中心城区公园绿地与农业用地对应的地表平均温度具有显著差异。

1.2.3 裸地 裸地是多集中于城市边缘区的土地利用类型之一。韦春竹等[10]研究发现，广州市城市平均地表温度与城市的裸土指数呈负相关。曹琦等[14]在研究影响裸地地表温度的因素中，发现裸地高程、坡度、坡向及斑块大小和形状对其地表温度的影响微弱，而裸地在空间上的密度分布趋势显著影响地表温度，两者在空间上呈显著的正相关关系。

2 土地利用空间格局对地表热环境的影响

2.1 地表温度空间分布特征 土地利用空间格局是指土地利用在空间上的分布规律与特征，可以用土地利用类型百分比、多样性指数等指标来表示。土地利用空间格局可以产生城市地表温度差异。一般情况下，城市居民区、工业区等建成区温度较高，易形成高温集中区;绿地、水域等温度较低，形成低温分布区。

岳文泽等[2]研究发现：上海市地表温度呈明显的中心区高，边缘区、近郊区低的温度分布格局;在城市内部，其热岛中心主要集中在4 个区域：黄浦江沿岸的黄浦区、虹口与杨浦区南部、闸北区内环线外侧、宝山区吴淞口等。张新乐等[15]对哈尔滨研究表明：城市中心区为高温区，城市边缘区为低温分布区;温度中心主要集中于建筑密集、绿地较少、工业区等，如道外区、动力区、道里区的东北部和西南部、平房区。武汉市作为我国中部地区典型的城市，其地表热环境空间分布也有类似特征——从中心城区到周边郊区温度逐渐降低。高温区以建设用地为主，主要集中在武汉市的商业中心区;低温区主要集中在水域;长江以南地区因东湖、南湖等没有成片的高温区域;长江以北区域水域较少，绿地植被主要集中在北部，此处形成大片高温区[16]。成都市地表温度空间分布也特征明显，形成了常温区、高温区、低温区且呈不同形状的带状分布，并呈现出温度由高到低或由低到高的变化规律，这与土地利用类型的空间分布格局密切相关[17]。

2.2 土地利用空間格局与地表温度的相关性 土地利用类型的空间格局形式、数量、质量等存在差异，导致其对地表温度产生的影响程度不同。研究中多用具体的空间格局景观指数与地表温度的关系表征其相关性。

对杭州市景观指数研究表明，高温分布区域中不透水面具有重要作用，且其斑块指数越大、聚集度和蔓延度指数越高，增温效应越明显;较低温度分布区域中，相对于水体而言，植被斑块密度越高、蔓延度指数和聚集度指数越小，降温效果越不理想[18]。在景观水平上，景观格局指数与地表均温显著相关;在类型水平上，建设用地、水体、林地的景观格局指数与地表均温呈现显著且较强的相关性[19]。银川市绿地温度与其斑块密度成正相关，与斑块类型面积、最大斑块指数、边缘密度等呈负相关;裸地地表温度与其斑块面积、最大斑块指数、边缘密度等呈正相关，与斑块密度呈负相关[20]。

土地利用多样性指数反映一定空间范围内土地利用类型和面积组合状况，可以用来分析城市地表温度与不同土地类型空间组合状况的相关关系。对上海市分析表明，在1km 尺度上地表温度与土地利用多样性具有显著的正相关关系，土地类型在空间布局上越复杂，多样性越高，其产生的热岛效应就越明显[2]。张新乐等[15]研究发现：随着哈尔滨市各用地类型2km格网内面积比例的升高，其平均地表温度相互间差异变小，建设用地热岛效应增强，水体缓解作用减弱;热力学性质差异大的土地利用类型相邻接的现象减少，热环境的空间差异性变得不明显。

3 土地利用变化对地表热环境时空变化的影响

3.1 对热环境时空分布的影响 城市土地利用/覆被的显著变化直接影响了地表温度的时空分布规律。一般来讲，伴随着城市化进程的不断加快，城市建设用地的面积与密度不断增加，导致区域温度不断升高;城市植被、水体等面积的减少则导致其对地表温度抑制作用的降低。

谢哲宇等[8]对南昌市2个时期城市热岛效应研究发现，高温区与次高温区集中分布在工业区和人口密集的住宅区，中温区主要分布在城市郊区农田与农村建设用地，次低温区和低温区覆盖范围为森林、赣江以及湖泊;在空间尺度上，城市热岛面积的增大与南昌市建设用地的扩张趋势一致。福州主城区1993—2013年地表温度分布时空格局发生显著变化。高温区以上等级面积显著增加，分布范围以鼓楼区为中心，向东和南方向扩张;而低温区和次低温区面积分别减少18.95km2和34.13km2;温度越高的区域主要以建设用地为主，而温度越低的区域分布的绿色空间数量则较多[6]。

土地利用变化对城市热力景观产生重要影响，通过研究热力景观空间格局演变，可以定量研究地表热环境时空变化及规律。池腾龙等研究发现，2005 年以前武汉市热力景观斑块数量逐年下降，由点状逐渐向面状聚合，最大斑块指数始终处于上升趋势，高温斑块呈面状趋势发展;异质性指数方面，破碎度在2005 年以后呈小幅增长趋势，说明研究区高温斑块分布广泛，其聚集度增幅明显。主城区高温斑块扩散逐渐转为从核心区过渡到边缘区一带，在面状不断填充的同时，高温斑块逐渐向道路沿线和重要节点周边地带延伸[21]。董浩等[22]研究了江苏省宿迁市热岛景观格局演变，在类型水平上，1996—2003 年宿迁城市热岛效应的高温区和特高温区破碎化和割裂化最严重，斑块间的外部连接较差;2014 年城市化水平极大提高，割裂的斑块集聚形成了组团，景观破碎化减弱。在景观水平上，热力景观斑块数先增后减，热力景观越来越集聚化，SHDI 和SHEI不断增长，热力景观的异质性呈增加趋势。

3.2 与地表热环境时空分布的相关性 土地利用/覆被变化是城市地表热环境变化的基础，其类型、性质、持续时间、变化剧烈程度等均会引起地表热环境的相应变化，两者之间存在一定的关联性。陈明辉等[23]研究发现：东莞市在近15年间城市主要表現为热岛由零散的点状分布向带状和条状分布格局发展，离城镇较远的山区以及河流、水库等地一直保持冷岛状态。东莞市热格局的形成与发展与建筑密度相关，热岛效应随离交通干道距离的增加而逐渐较弱。彭文甫等[17]基于空间建模等方法研究发现，成都市不透水面的热效应与距离市中心区距离的关系表现为较显著的负相关性，而与城市不透水能力的关系表现为较显著的正相关。对兰州市城市热场的局部自相关分析表明：其城区建设用地和未利用地分布区形成高温中心，呈现高—高空间关联模式;黄河等水体和部分绿地形成低温区，呈现低—低空间关联模式;黄河等水体周边分布部分高温区，呈现出高—低空间关联模式;城市建设用地中存在部分低温区域，呈现低—高空间关联模式[24]。

景观类型组成、空间格局与地表温度空间分异之间存在一定的联系。Azhdari A等[25]采用SHDI、LSI、分形维数指数等探讨伊朗半干旱城市设拉子建成区格局与地表温度的关系。结果显示：各变量与地表温度的相关性均较强，景观多样性和破碎化程度与地表温度的相关性最高。叶露萍等[16]对武汉市城市热岛效应周边土地利用的分形格局进行了分析，发现未利用地的半径维数接近2，说明未利用地从高温中心向四周低温区分布较为均匀，对城市热环境的效应不明显;建设用地的半径维数小于2，表示随着远离高温中心建设用地的密度急剧减小，其城市热环境表现为正效应;水域、林地及农用地的半径维数均大于2，表明林地、农用地及水域表现为负效应，对热岛效应有较好的缓解作用。

4 结语

当前，随着世界范围内城市化的快速发展，城市建设用地不断增加，林地、河流等自然表面不断减少，深刻改变了城市地表性质，使得不同土地利用类型、不同空间布局及时空变化下地表温度发生了显著变化，产生了不同的热环境效应，对人居环境、城市可持续发展等产生了一定的影响。目前，城市土地利用/覆被变化的地表热环境效应已有较多的研究，但土地利用/覆被变化对城市热环境的影响过程、作用机理极其复杂，今后应加强该方面的研究，从而促进城市地表热环境研究的深入发展。

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（责编：徐世红）