长沙市地表热力景观时空分异特征分析

何炳伟，韩沁哲

(1.湖南省临澧县气象局，湖南 临澧 415200；2.湖南省气象科学研究所/气象防灾减灾湖南省重点实验室，湖南 长沙 410118)

1 引言

热岛效应指城区气温明显高于郊区的现象[1]。尤其是近20多年来，城市化进程快速发展，导致以植被为主的大面积自然下垫面逐步被储热能力强的沥青、水泥、钢筋混泥土等所代替，以至于城市热岛效应愈加显著[2]。城市热岛效应对人类居住环境质量、人体身心健康、社会经济发展均产生不同程度的危害[3～5]，从而引起了众多学者的广泛关注。热力景观是利用景观生态学原理和方法来分析城市热环境时空格局的新手段，引入城市热力景观来研究城市热岛效应具有重要意义。城市热力景观是具有高度空间异质性的热力区域，它由相互作用的热力斑块以一定的规律组成，综合反映了城市生态环境特征。因此，深入探究地表热力景观时空格局及演变规律，对于从整体上充分认识城市热环境问题成因机制以及为改善城市热环境提供依据[6～8]。

已有学者从城市热力景观视角对城市热环境开展研究和分析。乔治等[9]以MODIS地表温度产品数据，揭示了北京市不同季相和昼夜间地表热力景观时空分异特征及演变规律，可为有效缓解城市热岛效应提供帮助。郭继强等[10]以2000年Landsat 5 TM和2017年Landsat 8 OLI/TIRS卫星影像数据反演了南京市地表温度，结合景观格局指数分析了南京市热力景观格局演变及城市景观格局与热环境的关系，结果发现热岛高温区斑块在热力景观格局中的优势度明显提升，2017年较2000年热岛效应明显增强。徐双等[11]利用Landsat 7 ETM+遥感影像数据结合土地利用数据调查发现，长沙市2010年热岛区扩大且更加分散，研究了从2004～2010年长沙市中心城区热力景观空间格局的动态变化，阐明了城市景观类型空间格局与地表温度之间的关系。以上研究多集中于利用景观格局指数来刻画和描述城市热环境特征和变化、讨论城市热岛效应的年际和季节变化，但缺乏多时空角度热力景观下不同土地利用类型景观格局特征规律对地表温度影响的研究和对比。

本研究利用2005年和2019年MODIS地表温度数据，结合景观格局指数来分析2005～2019年热力景观格局时空演变特征，并进一步探究了不同等级热力景观下不同土地利用类型景观格局特征规律与地表温度的影响关系，以期为管理决策部门调控城市热环境提供指导依据。

2 研究区与数据

2.1 研究区概况

长沙市是湖南省省会，位于湖南省东部偏北，地处111°53′～114°15′E和27°51′～28°41′N之间。2019年末全市常住人口839.45万人。气候属亚热带季风气候，冬天寒冷，夏季炎热，每年气温在35 ℃以上的酷暑日大约有30 d，高温热浪事件年均达2.16次，城市热岛效应严重[12]。因此，改善城市热环境是助力当前长沙市城市发展所面临现实而急需解决的问题。本文选取长沙市中心城区(开福区、岳麓区、雨花区、芙蓉区、天心区、望城区)、长沙县、浏阳市为研究区域，研究区内主要有林地、耕地、建设用地、水体和草地等多种景观类型。

2.2 数据来源与预处理

本文主要研究不同季节和昼夜间地表热力景观时空分异特征，由于春季遥感影像受云影响较大不利于开展研究,且对于长沙市的气候特征春季是冬季和夏季的过渡期。因此，只把2005年和2019年夏、秋、冬季作为研究时段。选用的遥感数据为MYD11A2地表温度8 d合成产品，卫星过境时间为13:30和1：30，反演精度达到1K的精度[13]，数据质量总体较好。MODIS地表温度产品在城市热环境定量研究中应用广泛[14～16]。较其他遥感数据而言，每天可4次获取地表温度数据，其较高的时间分辨率对于研究城市热环境效应昼夜特征规律优势较大，空间分辨率为1 km，能够满足本研究需要。

其他数据包括从资源环境科学与数据中心网站下载的空间分辨率1 km的2005年和2020年土地利用数据。结合Google Earth高分辨率影像对2020年的土地利用数据进行人工目视解译获取到2019年土地利用数据，根据研究区特点将地表下垫面分为耕地、林地、建设用地、草地和水体5种景观类型。表1所示各景观类型面积百分比。

3 研究方法

3.1 MODIS地表温度数据处理

覆盖整个研究区需要两景影像(轨道号为h27v06和h28v06)。首先利用MODIS Reprojection Tool(MRT)对原始MODIS地表温度产品进行几何纠正和重采样，并进行辐射定标，将像元灰度值(Digital Nnmber，DN)转化成地表实际温度值(Ts)[17]：

Ts=DN×0.02-273.15

(1)

对于MODIS地表温度产品在有云覆盖的区域DN值为0，根据上面公式计算后温度值均为-273.15 ℃。因此需要将其掩膜掉，有云覆盖的区域不参与计算，从而消除温度的离群值，最终形成各季节地表温度平均值数据集。

表1 景观类型面积百分比

3.2 地表热力景观等级划分

为消除不同季相和昼夜间影响，需要对地表温度数据归一化处理，使经过归一化处理的地表温度值范围处于0～1之间。公式如下：

Tni=(Tsi-Tsmin)/(Tsmax-Tsmin)

(2)

式(2)中：Tni代表第i个像元归一化后的值；Tsi代表第i个像元的地表温度实际值；Tsmax和Tsmin分别代表影像像元地表温度的最大值和最小值。经过归一化处理后得到地表温度空间分布图，再采用均值-标准差方法将地表温度划分5个热力景观等级，依次是低温区、次低温区、中温区、次高温区、高温区，并制作长沙市地表热力景观等级空间分布图。

3.3 景观指数选取

本文为研究地表热力景观时空分异特征及演变规律，从数量特征和结构特征2个方面选取以下景观指数：类型比例(Percentage of Landscape，PLAND)；聚集度指数(Aggregation Index，AI)。借助Fragstats4.2软件平台进行景观指数的计算，各景观指数的生态学含义及计算公式如表2所示。

表2 景观格局指数计算

4 长沙市地表热力景观时空分异特征分析

4.1 地表热力景观时空分布特征

图1为2005年和2019年长沙市夏、秋、冬季及昼夜地表热力景观空间分布图。总体来看，不同季节的热力景观空间分布差异较大，夏季高温区最为集中，主要集中在城市区域，这体现出较为显著的城市热岛效应，秋、冬两季高温区分布都较为零散；同时，昼夜热力景观空间分布差异更大，夜间较白天高温区分布更为集中，尤其在夏季表现的较为明显。对比不同等级热力景观空间分布可以发现，高温区只要集中在长沙市主城区及与主城区东部接壤的长沙县，高温区外围则是次高温区和中温区依次逐等级呈现镶嵌状分布，次低温区和低温区大部分分布在浏阳市，其余主要分布在长沙县和望城区。对比2005年和2019年，伴随城市规模迅速扩张，城市热力景观空间分布发生显著变化，夏季高温区面积增大最明显，主要是主城区表现为“摊大饼”状向外扩张，秋季和冬季只在夜间有一定规模的高温区分布在主城区。但是，2019年冬季白天高温区主要分布在浏阳市西部、东北部和南部的这些地区主要是耕地，冬季耕地往往是裸地，所以在白天地表温度相对较高，而在秋季和冬季的夜间高温区大多分布在浏阳市境内林地密集的地区，这是由于冬季的森林对气温的调节作用。

图1 基于均值-标准差划分的2005年和2019年研究区地表温度等级空间分布

4.2 地表热力景观指数分析

4.2.1 数量特征分析

从图2可以看出，长沙市地表热力景观中，无论昼夜中温区在各热力景观等级中面积比例占主导地位，在夏季达到最大值；除去中温区外，白天次高温区占主导地位，其面积比例高于夜间；地表热力景观中高温区和低温区面积占比较少，但昼夜间面积比例差异较大。白天高温区面积比例低于低温区，夜间则相反，夜间高温区面积比例增加，低温区相反。白天高温区面积比例明显低于夜间是较为显著特征。

图2 2005年和2019年研究区地表热力景观类型比例特征

通过对比2005年和2019年不同等级地表热力景观面积比例发现，各等级热力景观在昼夜间变化趋势差异大。白天，中温区面积比例增加，在秋季增幅最大，从34.7%增加到43.1%，但在夜间表现出相反的趋势，降幅最大值出现在冬季，从45.7%下降至35.8%。除了在秋季夜间次高温区面积比例大幅上升外，其他时期均表现出下降趋势，其中，夏季白天面积比例降幅最大，降幅达9.9%，白天下降幅度要强于夜间。昼夜间高温区面积比例均表现为显著增加趋势。白天，夏季面积比例增加最明显，从4.5%增加到7.8%，夜间，冬季面积比例增加最明显，从5.2%增加到9.1%。昼夜间各季节次低温区面积比例变化趋势基本一致，夏、冬季均增加，秋季减少，最为显著的是夜间面积比例增加幅度要明显多于白天，在冬季夜间增幅达到最大值为7.8%，而夜间秋季面积比例减少最明显，从21.9%减少到17.6%。昼夜间低温区面积比例呈现下降趋势，白天冬季降幅最大，降幅达1.1%，夜间秋季降幅最大。

4.2.2 结构特征分析

从图3可以看出，昼夜间热力景观聚集度指数差异显著。总的来看，夜间不同等级热力景观聚集度指数差异较白天大，说明夜间热力景观斑块空间破碎化程度高，白天热力景观斑块单一、空间聚集程度好。从季节上来看，低温区以外，夏季各等级热力景观聚集度指数整体上高于其他季节，冬季各等级热力景观聚集度指数整体上偏低，说明热力景观斑块空间分布变得分散。对比不同等级热力景观，高温区热力景观聚集度指数整体上较高，反映出城市区域温度较高的斑块通常成片发展的趋势。

图3 2005年和2019年研究区地表热力景观聚集度指数特征

对比2005年和2019年各等级热力景观聚集度指数变化可以发现，昼夜间高温区热力景观聚集度指数均增大。白天夏季增加最显著，从2005～2019年景观聚集度指数增加14%，夜间秋季增加最显著，增幅达14.6%，表现出城市区域高温热力景观斑块空间聚集程度的显著增强；白天，次高温区景观聚合度指数整体下降，夏季从77.9%下降至67.7%，反映出次高温区热力景观斑块变得破碎，是易受人类活动影响的热力斑块，夜间，夏季次高温区景观聚合度指数减小；昼夜间低温区热力景观聚集度指数整体减小，其中，白天冬季和夜间夏季下降最多，降幅分别为6.7%和20.4%，表现出低温区热力景观斑块变得破碎；白天中温区热力景观聚集度指数整体增大，热力景观斑块聚集程度增强，夜间则表现出相反的特征。

4.3 地表热环境下的景观类型空间格局特征分析

地表景观类型的空间分布往往决定着地表温度的空间分布特征。因此，对不同等级热力景观下的土地利用类型景观格局特征规律开展研究，有助于科学认识地表景观类型与地表热环境之间的关系。尽管其他季节也会出现城市热岛效应，但夏季城市热岛效应最为显著。因此，在本文中仅把夏季作为研究时段。长沙市主要以耕地、林地及建设用地为主的景观类型，虽然草地和水体景观类型占比较少，但对于改变局部热环境起着重要作用。因此，主要选取了类型比例指数PLAND、聚合度指数AI来分析这5种景观类型的景观格局指数特征与地表热环境之间的关系。

4.3.1 类型比例指数分析

图4展现了耕地、林地、建设用地、草地和水体的类型比例指数在不同热力景观等级下的表现特征。昼夜间建设用地面积均在高温区达到最大值；耕地从低温区到次高温区面积比例整体上升高，在次高温区达到峰值然后下降；林地整体上随着地表温度的升高而减少，在高温区维持较低水平的面积比例；草地和水体在5种景观类型中面积占比少，因此面积比例均维持在较低的水平。对比2005年和2019年5种景观类型在不同热力景观等级下的面积比例变化差异显著。最显著的是从2005～2019年，昼夜间高温区建设用地面积比例增加；其次，林地在各种热力景观等级下面积比例均减少，并且夜间面积比例变化较白天小。对比同一热力景观下不同景观类型的面积比例发现，昼夜间高温区建设用地面积比例最高，其它等级热力景观下主要以林地面积比例最高。以上分析可知，地表温度高的下垫面主要是面积占比较高的建设用地，地表温度低的下垫面主要是林地、耕地、草地，并以林地占主导地位。

图4 不同热力景观等级下景观类型的类型比例特征

4.3.2 聚集度指数分析

图6展现了耕地、林地、建设用地、草地和水体的景观聚集度指数在不同热力景观等级下的表现特征。昼夜间建设用地聚集度指数随着地表温度的升高整体上逐步增大，且在高温区达到最大值，尤其是从次高温区到高温区出现跳跃式显著增大；耕地景观聚集度指数从低温区到次高温区整体上升然后至高温区略微下降；林地聚集度指数在低温区整体上达到最大值，高温区达到最小值。对比昼夜间2005年和2019年各种景观类型在5种等级热力景观下的聚集度指数变化，比较显著的特征是在中温区至高温区建设用地景观聚集度指数从2005年到2019年均增大，尤其是在高温区仍有显著增大，反映出建设用地已大片相连，建设用地景观聚集程度升高，整齐单一。对比同一等级热力景观下5种景观类型的聚集度指数特征发现，高温区建设用地景观聚集度指数显著高于其它景观类型，低温区至中温区林地景观聚集度指数显著高于其它景观类型，耕地次之。以上分析说明，从2005年到2019年高温区和次高温区的建设用地聚集程度显著增强，尤其在高温区建设用地景观斑块凝聚程度高、斑块间连通性好的下垫面会凝聚显著的热效应而导致地表温度的升高；同理，像林地、草地、水体的景观斑块聚集程度高可有效降低地表温度。

5 结论

选取长沙市为研究区域，基于MODIS地表温度产品数据，制作不同季相和昼夜间长沙市地表热力景观时空格局分布图，深入研究了2005～2019年不同季相和昼夜间地表热力景观格局时空分异特征，并进一步探究了不同等级热力景观下不同土地利用类型景观格局特征规律与地表温度的影响关系。主要得出以下结论：

(1)不同季节的热力景观空间分布差异较大，夏季高温区最为集中，主要集中在城市区域，反映出长沙市显著的城市热岛效应；昼夜间热力景观空间分布差异较大，夜间较白天高温区分布更为集中。从2005～2019年，夏季热力景观高温区面积显著增大。

(2)中温区在长沙市地表热力景观中面积占比最大，白天高温区面积比例低于夜间，从2005～2019年向高温区发展；昼夜间地表热力景观聚集度指数差异显著，高温区聚集度指数整体上较高，城市区域温度较高的斑块连片发展的趋势。

(3)建设用地景观斑块聚集程度越高、面积占比越大，地表温度就越高，城市热岛效应就越强；相反，林地、草地聚集程度越高、面积占比越大，可有效降低地表温度。