珠三角城市群土地利用变化对热环境格局的影响分析

珠海市规划设计研究院 钟鸣

近年来城市化进程加快，建设用地扩张以及人口聚集加剧了城市热岛效应的产生，城市热环境已成为生态环境领域的重要研究内容。国内外学者对城市热岛的时空特征及其变化、形成机制和驱动力等展开了大量的研究。从目前来看，研究多以城市化进程中引发的生态环境改变作分析，但对热环境格局的讨论较少，同时城市群尺度的不断扩张，单个城市已经无法消解高强度热排放带来的热岛效应，对于城市群的整体热环境格局亟待探索。国内已有学者对京津冀和长三角城市群的热环境进行了分析，蒋晶和彭文甫分别以北京和成都为例，研究了土地利用变化对城市热环境的影响。珠三角城市群是我国三大城市群之一，快速城市化与全球增温使该区域城市热环境问题备受关注。目前,该区域热环境研究多以单个城市为对象,缺少对城市群热环境时空动态演化格局和土地利用变化影响的分析。

本文采用MODIS地表温度产品数据，通过区域地表温度热力等级年际变化特征，分析珠三角城市群热环境格局的分布特征和变化情况，并结合土地利用/覆盖变化（LUCC）数据分析了土地利用变化对城市热环境的影响，对改善城市群热环境格局、科学开展城市空间布局、提升珠三角城市群宜居宜业环境有积极的意义。

二、数据来源及研究方法

（一）研究区概况

本研究以珠江三角洲城市群作为研究区域。区域位于东经 111° 21’-115° 24’、北纬21°27’-24°24’，区域主要位于北回归线以南，属亚热带海洋季风气候，具有丰富的土地利用类型。同时，区域内包含广佛肇、深莞惠、珠中江三个新型都市区，属于我国重点发展区域，土地利用变化较大，具有较高的研究价值。

（二）数据来源

本研究使用中国科学院地理科学与资源研究所生产的土地利用/覆盖变化（LUCC）数据集。该数据集基于LandsatTM/ETM遥感影像，每5a生产1期，空间分辨率为1km。数据集中包含耕地、林地、草地、水域、建设用地及裸地6个一级类，已基本覆盖了珠三角城市群的主要土地利用类型。数据集区域综合评价精度可以达到90%以上，可满足研究精度要求。

地表温度是反应地表热平衡与环境变化的直观指标。本研究使用美国国家航空航天管理局提供的MODIS陆地系列产品(MOD11A2)，该产品空间分辨率为1km，使用8天地表温度进行合成。产品采用MODIS分裂窗算法进行温度反演，地表温度精度达到1K，满足城市热岛效应及热环境安全格局的研究需要。

（三）地表温度热力等级划分

本研究对MODIS数据进行了几何纠正、投影转换和重采样等预处理，然后对其进行辐射定标，通过式（1）计算得到大湾区地表温度数据（单位：℃）。

式中T为地表温度值，DN为像元灰度值。由于MOD11A2产品在有云的区域DN值为0，因此需要进行云掩膜处理，以消除异常值。

为研究不同时期珠三角城市群热环境空间特征，本文使用密度分割算法对地表温度空间分布特征进行数据分级。首先需要对地表温度进行归一化处理，利用式（2）将地表温度范围投影至0-1之间。

式中，Tn表示归一化后的像元值，T表示地表温度值，Tmax、Tmin分别表示珠三角城市群地表温度的峰值与谷值。

然后采用均值-标准差方法对归一化后的数据进行地表温度热力等级划分，得到低温区域、次低温区域、中温区域、次高温区域、高温区域五个热力等级区域。低温区域为Tn＜Tmean－1.5Tstd、次低温区域为Tmean－1.5Tstd<

三、结果与分析

（一）2000-2020年珠三角城市群热环境格局分布特征

为了直观地描述研究区域地表温度的差异情况，且避免各极端年份和季相影响，对各期地表温度数据进行归一化处理，并通过均值-标准差法对珠三角城市群地表温度数据进行地表温度热力区域划分。结果如图1所示。

图1 2000-2020年珠三角城市群地表温度热力特征区域划分图

通过统计珠三角城市群不同地表温度热力等级区域面积和比例（表1）及空间分布情况（图1）可知，珠三角城市群热环境格局总体上呈现出显著的聚集特征，高温区域和次高温区域主要分布于珠三角核心区城市建成区范围；中温区域主要分布于肇庆、江门及惠州的丘陵山地地区；低温区域和次低温区域则主要分布于肇庆北部和惠州北部的山地。总体上看，珠三角城市群地表温度从中心向四周逐渐降低，呈现出明显的中间高四周低的分布格局，其中，广州、佛山、东莞、中山以及深圳等城市形成了以广州为中心围绕珠江口两岸分布的“U”形高温区连片区，是整个珠三角城市群热环境最严峻的区域。

表1 2000-2020珠三角城市群不同地表温度等级面积(km2)及比例(%)

分析珠三角城市群各温度等级区域变化情况，可以宏观地了解近20年该区域热环境格局演变特征。2000-2020年珠三角市群热环境空间格局变化的主要特征表现为高温区和次低温区域呈现扩张趋势，高温区面积增长达到了75.92%，中温区基本保持稳定，低温区和次高温区域出现了明显的缩减趋势，尤其是低温区下降比例达到47.90%。高温区域围绕佛山和广州核心区蔓延最为显著，次高温区域在珠江口两岸也有蔓延趋势。研究时段内，两岸由高温和次高温区域组成的“U”形区域逐年显著。次低温区域在大湾区北部山区呈现增长趋势，尤其以肇庆北部山地和惠州北部最为明显。

（二）土地利用变化对城市热环境格局的影响

通过珠三角城市群土地利用类型分布及地表温度热力等级空间特征，分析土地利用结构的差异对城市群热环境格局的影响。高温区内各土地利用类型比例从高到低依次是建设用地、耕地、水域、林地和草地。其中，建设用地为高温区域的典型地类，比例超过68%。次高温区域典型地类为耕地与建设用地，占比分别达到41.9%与27.6%。低温区域典型地类为林地，占比达到92.3%。总体上看，各地表温度等级区域，随着温度升高，建设用地和耕地的比例逐渐提升，林地的比例逐渐降低。建设用地下垫面主要是建筑、道路等不透水面组成的建成区，人类活动强度大、热容量小，而林地等多植被覆盖地类可以有效降低地表温度。由此可知，典型地类在区域内的占比构成是影响城市热环境空间格局的重要原因。

为了研究土地利用变化对城市群热环境格局的影响，研究珠三角城市群热力等级区域变化和土地利用变化进行空间的耦合关系。新增高温区域和次高温区域对应的土地利用类型变化主要表现为建设用地的转入和耕地、水域的转出。从高温区来看，地类变化主要为耕地转变为建设用地及水域转变为建设用地，面积分别达到655.27km2和296.24km2。新增次高温区域对应的土地利用类型变化主要表现为耕地转变为建设用地及水域转变为耕地。中温区各土地类型的变化表现为耕地、林地、水域和建设用的相互转化。低温区和次低温区新增面积主要来源于耕地和林地的相互转化，总体面积比例最小。

建设用地转入是高温区和次高温区最大的土地利用转移来源，而且耕地转入建设用地贡献率最高，占绝对优势，高于林地和水域转为建设用地的总和。这说明，建设用地扩张占用耕地是导致珠三角地区热环境格局变差的最主要原因。

四、结论与建议

本文以珠三角城市群为研究对象，通过测算区域地表温度热力等级年际变化，分析了近20年研究区热环境格局分布特征和变化情况，结合LUCC数据分析土地利用变化对城市热环境的影响，结论如下：

（1）珠三角城市热环境格局总体上呈现出显著的聚集特征：地表热力等级的高温区域主要集中在珠三角核心区的建成区及周边，以广州、佛山、东莞、深圳、中山等城市为中心，整体上沿珠江口呈现出“U”形分布。次高温区多为城市郊区，镶嵌在高温区域周边大湾区城市群热环境格局变化的主要特征表现为高温区呈现扩张趋势，中温区基本保持稳定，低温区和次高温区域出现了明显的缩减趋势。高温区域围绕着佛山和广州核心区的蔓延最为显著，次高温区域在珠江口两岸也有蔓延趋势。研究时段内，两岸由高温和次高温区域组成的“U”形区域逐年显著。

（2）土地利用类型分布对城市热环境影响显著。随着温度等级升高，建设用地和耕地的比例提升，林地比例逐渐降低。区域内土地利用类型比例构成的改变，温度区典型地类的占比大幅变化是影响城市热环境格局变化的主要原因之一。

（3）建设用地转入是高温区和次高温区最大的土地利用转移来源，耕地转入建设用地贡献率最高，远高于林地和水域转为建设用地的总和，表明建设用地扩张占用耕地是导致珠三角地区热环境格局变差的最主要原因。

（4）城市热岛效应蔓延与城市扩张密不可分，科学合理地划定城市群区划，优化城市内部功能分区和用地布局是缓解城市热岛效应的重要途径。在珠三角地区热岛效应明显的城市，可依据所在城市的地形和地貌，依托通风截面较大的街道合理设置城市通风廊道。注重提升各城市绿地分布的覆盖度及完整性，对地表温度高值热点进行资源优先配置,并依据不同城市的人口特点、原有的绿地景观格局和热环境状况，形成有效的“绿地效应”来削弱和缓解“热岛效应”带来的危害。