长三角地区地表覆盖与城市热岛时空演变分析

熊晓峰，张德州

（1.河南省地球物理空间信息研究院，河南 郑州 450000）

改革开放以来，我国社会经济得到了飞速发展，截至2018年，我国城市化率已达到59.6%[1]。城市化进程的加快，带来了社会经济的进步，同时将导致一系列的环境问题。城市热岛现象是快速城市化带来的气候问题，是指城市中心区域的温度高于周围郊区温度的一种现象。城市热岛问题关乎城市居民的居住舒适度[2-4]，近年来受到城市规划者与管理部门的重视。长三角城市群作为我国三大城市群之一，是我国城市化水平最高、人口密度最大的区域。因此，对长三角城市群的城市热岛进行实时监测具有重要意义。

目前针对城市热岛的监测研究主要分为两种： ①气象资料观测法[5-7]，该方法虽能获得长时间序列的历史资料，但“点”数据难以展示城市热岛的空间变化特征；②随着遥感技术的进步，采用遥感影像对城市热岛进行监测和分析已成为目前研究的主要手段。可用于研究城市热岛的遥感数据包括Landsat 系列影像、NOAA/AVHRR影像、ASTER影像和MODIS影像 等[8-9]，其中MODIS地表温度数据精度可靠，适用于大区域尺度的城市热岛研究。目前，已有较多学者对长三角城市群做了不同程度的研究[10-15]，但大多采用单个季节或单个时间段的影像，且集中于2010年前的城市热岛监测，很难得到近年长时间序列的城市热岛变化；此外，大部分研究只分析了长三角城市群的城市热岛时空变化，而对于导致城市热岛的主要原因，即城市化进程导致的城市地表覆盖变化的研究较少。

因此，本文结合近16 a的全年MODIS土地利用类型数据和地表温度数据，分析了长三角地表覆盖的时空变化特征，研究了长三角城市群城市热岛的时空演变规律，探究了各土地利用类型对地表温度的响应，并找出了缓解城市热岛的有效渠道。

1 研究区概况

长三角城市群位于长江中下游，地理范围为32e34′～29e20′N、115e46′～123e25′E。研究区概况如图1所示，可以看出，长三角城市群地理区划涵盖三省一市共26个城市，分别为上海市、江苏省 9个城市、安徽省8个城市和浙江省8个城市，涵盖面积为35 800 km2，约占据我国总面积的2.2%。长三角城市群是我国三大城市群之一，也是世界六大城市群之一，因此城市化水平很高，截至2014年，其人口已达1.5亿，约占我国总人口的11%。长三角城市群属亚热带季风气候，近年来由于城市化进程的加快，其年均气温、年均最高气温和年均最低气温均有上升趋势，因此对其城市热岛进行监测是很有必要的。

图1 长三角城市群概况 （审图号：GS(2011)6006）

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与预处理

本文采用两种MODIS数据，首先利用MODIS土地利用类型数据（MCD 12Q1）对长三角地表覆盖变化进行监测研究，其空间分辨率为500 m，时间分辨率为 1 a；再利用MODIS地表温度产品对长三角城市热岛进行监测。MODIS卫星包括上午星（Aqua）和下午星（Terra），其中Aqua的过境时刻为当地时间的 10：30 am和10：30 pm，而Terra的过境时刻为当地时间的1：30 pm和1：30 am。由于白天城市热岛通常在中午1：00点左右表现最大值，因此本文所用的地表温度产品数据为MODIS Terra卫星反演获取的地表温度（MYD 11A2），空间分辨率为1 km，时间分辨率为8 d合成影像。

为了监测长三角城市群地表覆盖与城市热岛的时空变化特征，本文采用2003年、2011年和2018年的MODIS地表温度和土地利用类型数据，两种数据的原格式均为hdf格式，需利用MODIS数据批处理工具MRT进行图幅拼接、投影转换、重采样和影像裁剪等处理；再利用Albert等面积投影和WGS84坐标系将空间分辨率统一重采样为1 km，所有处理步骤均通过IDL调用MRT软件实现。为了客观表现长三角城市群城市热岛的变化特征，对8 d合成的MODIS地表温度数据进行年合成，得到3期年均地表温度影像。

2.2 地表覆盖划分

MODIS土地利用类型数据包括5种不同的地表覆盖分类方案，本文采用第二种分类方案（马里兰大学分类体系）。该方案将地表覆盖分为17种类别，其中包括11种植被分类、3种土地利用和土地镶嵌以及 3种无植生土地利用。本文根据长三角地表覆盖的特点，进一步将该分类结果进行归类，主要分为7种土地利用类型，分别为建成区、水体、林地、草地、湿地、耕地和裸地。通过空间上的定性分析与定量统计，分析了长三角城市群地表覆盖的变化特征。

2.3 城市热岛划分与热岛强度计算

本文分别通过空间上的定性分析与定量计算，分析了长三角城市群近16 a的城市热岛时空演变特征。在空间定性分析上，利用均值标准差法划分城市热岛等级。相关研究表明，该方法能避免不同时相间影像的差异，适合大区域城市热岛的时空变化研究[16]，通过地表温度的平均值与标准差的倍数关系，划分城市热岛等级。根据方慧婷[13]等的划分方法，本文将城市热岛分为7个等级。为了定性分析长三角城市群城市热岛的变化特征，根据城市热岛的定义，本文利用城郊温差法计算城市热岛强度。其计算公式为：

式中，UHII为城市热岛强度；LSTurban、LSTrural分别为城市和郊区的地表温度均值。

3 研究结果与分析

3.1 长三角城市群地表覆盖变化特征

长三角城市群2003－2018年土地利用变化空间特征如图2所示，可以看出，长三角城市群地表覆盖表现出很强的空间差异，土地利用类型南北差异较大，南北地形差异很大；浙江省的杭州、金华、台州和安徽省的宣城、安庆等南部地区的主要土地利用类型为林地和草地，这些城市的地貌大多属于丘陵地带，分布有较多的山地；而江苏省的盐城、泰州、扬州、南通以及安徽省的滁州、合肥、马鞍山等北部地区的主要土地利用类型为耕地，这些城市多为平原地貌，以农业为主；此外，长三角城市群2003－2018年城市化进程明显，表现出明显的城市扩张，城区范围逐年扩大；在2003－2011年和2011－2018年两个时段，以上海市为主导，苏锡常都市圈、南京都市圈、合肥都市圈、杭州都市圈以及宁波都市圈周围地带的城市建成区面积均逐年增加。

图2 长三角城市群地表覆盖空间分布

长三角城市群城市化进程加快，主要表现为城市建成区面积的增加，但同时可能导致一些负面问题。2003－2018年长三角城市群各土地利用类型所占面积以及各土地利用类型变化情况如图3、4所示，可以看出，耕地和草地为长三角土地利用类型的主导，其次是林地和建成区，再次是水体和湿地，裸地涵盖面积最少；2003－2018年建成区面积逐年增加，2018年 的建成区面积比2003年增长了6 438 km2，2003－ 2011年比2011－2018年的建成区面积增加得多， 两个时段建成区面积分别增长3 799 km2和2 639 km2；而对于自然土地利用类型，耕地面积在这两个时间段均为减少，特别是2003－2011年减少了7 020 km2；草地面积虽在2011年增加了1 978 km2，但2011－2018年又减少了3 857 km2，因此草地总体是减少的；水体在2003－2018年的变动不大，2018年水体面积总体减少了11 km2；湿地面积虽在2011年减少了 250 km2，但在2018年增加了1 264 km2，因此湿地面积总体增加了1 014 km2，这可能与近年来湖泊周围养殖业的增多有关；值得关注的是，林地面积在两个时段内都是增加的，这可能与国家政策有关，2003年以来国家全面实行了退耕还林政策。综上所述，城市化进程导致城市建成区面积的增加，而建成区面积的增加需不断地将草地、裸地和耕地等原有的自然地表覆盖开发为人类建设区域，导致这些自然地表覆盖的减少。

图3 长三角城市群各土地利用类型面积统计

图4 不同时段长三角城市群各土地利用类型面积变化情况

3.2 长三角城市群城市热岛时空分布特征

2003－2018年长三角城市群城市热岛的空间分布情况如图5所示，可以看出，长三角城市群城市热岛现象明显，2003－2018年均表现出明显的热中心；长三角城市群城市热岛在空间上总体表现为由西向东的M形扩张和由北向南的Z形扩张，2003－2018年这种扩张形式愈加明显；对于长三角城市群的单个城市，其城市热岛扩张表现为由主城区向周围扩展，如上海、合肥和苏锡常地区以围绕主城区的“摊饼状”扩展，南京、南通、宁波和金华等城市以“条带状”扩展，其他城市主要以“星罗点状”扩展；2003－2018年长三角城市群的城市热岛强度逐渐增大，特别是苏锡常地区、合肥、宁波以及南通等地区，这些城市的强热岛和较强热岛面积均比前一阶段有所增加。

图5 长三角城市群2003－2018年城市热岛空间分布

近16 a长三角城市群各城市热岛等级所占比例如图6所示，可以看出，2003－2018年长三角城市群城市热岛现象是增强的；2003－2011年虽然长三角城市群的强热岛面积减少了1.1%，但较强热岛和弱热岛面积都增加了，比2003年分别增加了1.34%和2.3%，无热岛和弱负热岛面积分别减少了2.8%和2.4%，说明长三角城市群在2003－2011年的城市热岛效应是增强的，其地表温度有上升趋势；2011－2018年长三角城市群的强热岛面积增加了1.07%，但较强热岛和弱热岛分别减少了0.6%和2%，强负热岛、较强负热岛和无热岛面积分别减少了0.49%、0.48%和0.7%，说明长三角城市群的地表温度有由低温向高温转变的趋势，其城市热岛强度虽在该阶段仍有增加，但增长速度放缓，这可能与国家近年来重视环保、绿化和环境问题有很大关系。

图6 长三角城市群2003－2018年各城市热岛等级 所占比例

城市热岛通常定义为城市温度高于周围郊区温度的一种现象，因此城市热岛强度即为城市温度与郊区温度的差值。为了进一步探讨长三角城市群近16 a的城市热岛强度变化情况，本文将建成区的平均地表温度视为城区温度，将林地的平均地表温度视为郊区温度，长三角城市群近16 a的热岛强度变化情况如图7所示，可以看出，长三角城市群的城市热岛效应明显，2003年城市热岛强度为3.04℃，而在2011年和2018年分别达到了4.42℃和4.68℃，因此长三角城市群的热岛强度是逐渐增大的；城市热岛的增长主要体现在2003－2011年，在该时段增加了1.38℃，在2011－2018年虽然也有所增加，但相比前一阶段增加不多，其热岛强度只增加了0.26℃，说明长三角城市群的城市热岛强度增大主要体现在第一阶段，这与前面的结论是一致的。

图7 长三角城市群2003－2018年城市热岛强度变化

2003－2018年长三角城市群各土地利用类型的地表温度均值变化情况如图8所示，可以看出，各土地利用类型的地表温度均表现出相同的变化规律，水体的地表温度是最低的，其次是林地和湿地。由于水体和湿地的水分含量高，水分蒸发可带走热量，从而导致地表温度相对较低；另外，植被的蒸腾作用也会带走大量热量，具有降温作用，从而导致林地的地表温度较低。建成区的地表温度是最高的，因为城市化进程导致大量自然地表覆盖转化为水泥路面、建筑等不透水面，这些材料的吸热性能较好，从而导致建成区地表温度明显高于其他用地类型。因此，应采取增强城区绿化、设立水池等方式来减轻城市热岛效应、减小城市热岛强度。

图8 长三角城市群2003－2018年各土地利用类型 地表温度均值变化

4 结 语

以长三角城市群为研究对象，采用2003－2018年的MODIS地表温度和土地利用类型数据，通过土地利用类型数据分析了近16 a长三角城市群地表覆盖的时空变化情况；再通过均值标准差和城郊温差法分析了长三角城市群城市热岛的时空变化特征。

1）近16 a来，长三角城市群的城市扩张明显，建成区范围逐年增大。水体、草地、耕地和裸地等自然地表覆盖类型总体呈减少趋势；而可能是由于国家退耕还林政策，2003年以来林地一直呈增加趋势。

2）2003－2018年长三角城市群城市热岛效应明 显，各大城市均表现出明显的热中心。长三角城市群城市热岛在空间上总体表现为由西向东的M形分布扩张以及由北向南的Z形分布扩张。长三角城市群在2003年、2011年和2018年的城市热岛强度分别为3.04℃、4.42℃和4.68℃。城市热岛强度增加主要在2003－2011年，2011－2018年虽然同样有所增加，但增加速度放缓。

3）2003－2018年长三角城市群各土地利用类型的地表温度变化趋势一致。水体的地表温度最低，其次是林地和湿地，建成区的地表温度最高。因此，通过植树造林、设立水池等方式，可有效缓解城市热岛效应。

本文的不足之处在于，只研究了长三角城市群时间变化中的年际变化特征，未来可进一步研究长三角城市群的季节和日变化规律。