长春市城市扩张及其微气候响应

2020-04-01李薇李晓燕

遥感信息 2020年1期

李薇，李晓燕

(1.吉林大学地球科学学院，长春 130061；2.南京大学地理与海洋科学学院，南京 210023)

0 引言

热岛效应作为城市气候最具代表性的特征之一，能形成城郊环流，积聚空气污染物，破坏生态环境，威胁人民身体健康，是生态环境课题的重要研究内容。要缓解城市热岛效应带来的一系列问题，需要研究其形成机理及演变机制。而城镇化使自然景观转换为城市建设用地，对城市内热量循环产生阻碍作用，是导致城市热岛效应的重要原因之一。由于长春的城市化建设蓬勃开展，热岛效应问题也逐渐凸显。有数据显示1998—2004年长春市热岛强度每年平均增速0.15 ℃[1]。因此，深入探究长春市城市扩张与微气候之间的响应关系，分析建设用地扩张的时空动态变化，明确城市热岛的影响范围与作用，对于提高城市内人们的生产生活环境有着非凡的意义。

城市建设用地的增加会改变地表的大气辐射等特征，城市化也会使生产活动聚集、人口增加，消耗能源产生热量，城市与郊区气温差异增大。已有研究以气象站点的观测数据为数据源，研究城郊气温的差异并衡量热岛效应，分析城市化过程中热岛效应的时空演变[2-3]。这些研究对于推动热岛效应研究，证实城市扩张与区域微气候变化有协同关系起到重要作用。但是由于地面气象站分布不均、空间精度不够，以点带面具有较大误差。遥感技术具有宏观性、同步性、周期性和经济性，在热岛效应研究中得到了广泛的应用。研究通过对比多期城市建设用地和地表温度数据，量化分析城市扩张及其热岛效应[4]，可以直观地反映二者关系的有效途径之一。该方法弥补了由于气象站点有限带来的不足，目前研究多集中在土地利用类型对城市热岛效应的影响[5]、城市景观格局对于相对热岛效应的作用[6-7]、城市扩张形态与热岛效应的关系和热岛效应驱动力研究方面[8]。总体上说，对于城市热岛效应的形成原因和特征描述方面较多，量化衡量建设用地扩张对于热岛分布作用方面的研究尚为鲜见。

本文以长春市区为研究区，基于遥感反演与GIS空间分析技术，分析1990—2016年间长春市城市扩张强度、扩张模式及城市热环境的演变规律，并量化分析了城市扩张的微气候响应。研究结果可为合理进行城市规划、改善城市生态环境，建设生态城市提供基础。

1 材料与研究方法

1.1 研究区概况

长春坐落于欧亚大陆东岸的中国东北平原腹地松辽平原，124°18′E～127°05′E，43°05′N～45°15′N，地势东高西低。在气候上，长春属北温带大陆性季风气候区，四季分明，雨热同季，气温由西向东递减，年平均气温4.6 ℃，降水自西向东递增，年降水量600～700 mm。

改革开放前，在以工业为主导和优先发展重工业的政策的影响下，长春城市规模占全国领先水平，其城市化水平曾一度高于全国平均水平。改革开放后，由于体制性和结构性矛盾日趋显现，作为中国资源型产业集聚区，随着资源变化的制约和影响及其产生资源枯竭等一系列的问题，长春城市发展一度缓滞，经济发展速度逐渐落后于东部沿海地区，城市化进程缓慢。2007年《东北地区振兴规划》实施以来，长春城市化速度明显提高，成为东北城市化发展速度最快的城市之一。

1.2 数据收集与预处理

获取覆盖长春市的1990、2000、2010、2016年Landsat TM/OLI遥感影像的灰度值数据和地表反射率数据。数据来源于美国地质调查局(http：//glovis.usgs.gov/)。研究区所在遥感影像图幅编号为118029和118030。为方便控制变量和数据处理，均选择云量较少的夏季影像(7、8 月份)。在ENVI平台中对下载的遥感影像进行了几何校正，校正的整体误差控制在0.5个像元以内，对地表反射率遥感影像进行了合成、拼接、剪裁等预处理，得到整个研究区的影像数据，以便进行城市建设用地提取和地表温度反演。

1.3 城市建设用地提取

根据研究内容和研究区特点，城市建设用地提取采用广义城市地表下垫面组分模型(vegetation impervious surface-soil，VIS)将景观分为3类：水体、植被和土壤、建设用地。用归一化差异水指数用于分离出水体，再结合土壤调整植被指数和归一化建筑指数，共同组合合成新的指数：归一化差分复合指数(NDCI)。它利用不同地物的光谱曲线特点有效地将三者分开。

在ENVI5.1平台计算来得到归一化差分复合指数计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：NDWI是归一化差异水指数；SAVI是土壤调整植被指数；NDBI是归一化建筑指数；NIR是近红外波段；SWIR是短波近红外波段；GREEN是绿波段。

根据区域影像特征建立解译标志，对不同类型内归一化差分复合指数数据的数值分布范围进行统计分析，分析阈值对归一化差分复合指数进行图密度分割。在ArcGIS 10.2 软件平台中进行数据二值化、重分类、去噪值、合并碎小斑块等处理，对建设用地进行概括提取、自动矢量化，再手动去除由于异物同谱产生的非建设用地斑块，提高精度，得到长春市1990—2016年建设用地图(图1)。

图1 长春市1990—2016年建设用地图

依据随机采样法生成100个参照点，将分类数据与天地图高清影像进行对比，进行精度验证，平均正确率为86%，4年Kappa系数分别为0.71、0.76、0.73、0.61，具有较高的一致性，完全满足研究需要。

1.4 城市扩张强度计算

这里的扩张强度主要是针对建设用地，计算公式如下：

G=ΔA/TA×T-1×100

(5)

式中：ΔA为单位时间内城市扩张的净增面积，单位为km2；TA为研究区总面积，单位为km2；T为该时段长度，单位为a。

1.5 地表温度反演及热岛效应表征

1)地表温度反演。用辐射传输方程(radiative transfer equation，RTE)进行地表温度反演。反演时首先预估大气对地表热辐射的影响，然后把大气辐射影响从卫星传感器所观测到的热辐射总量中减去得到地表热辐射强度，最后把热辐射强度转化为相应的地表温度。在ENVI 5.1 平台中完成影像的辐射定标和大气校正。辐射传输方程如下：

(6)

(7)

结合ETM+和TM波段特征，将其转换为：

(8)

式中：K1、K2为发射前预设常量。

TM 5：K1=60.776(mgWgcm-2gsr-1gμm-1)，K2=1 260.56 K；

ETM 8：K1=77.489(mgWgcm-2gsr-1gμm-1)，K2=1 321.08 K。

2)热岛效应的表征指数。为了能在同一水平进行较为科学的比较，采用归一化和杰克森断点法密度分割的方法进行处理，以便分析热岛效应变化。热岛效应的量化指数为相对热岛效应指数、热贡献指数、冷贡献指数，具体公式为：

U=LST城市建设用地-LST平均

(9)

式中：LST城市建设用地是研究区中建设用地的地表平均温度；LST平均是研究区的平均地表温度。

(10)

(11)

式中：m-为建设用地中低于研究区平均温度的像元数量；LST-城市建设用地为建设用地中低于研究区平均温度的第j个像元的温度值；n-为研究区低于平均温度的像元数量。

1.6 城市扩张与地表温度耦合分析

利用渔网功能建立 2 km的格网，对单位格网里建设用地所占的面积比例与格网的平均温度进行相关性分析。将二者建立一元线性回归方程。然后将建设用地占格网面积的百分比按5%为一级，分成20个等级，对各等级的平均地表温度进行汇总统计。

2 结果与分析

2.1 1990—2016年间长春市城市化进程

从图1可以看出长春市在1990—2016年城市化过程显著，建设用地范围不断扩大，由1990年的165.63 km2增加到2016年的774.48 km2，共增加608.85 km2，平均年增加24.35 km2。长春市建设用地面积整体呈现快速扩张的趋势，而且速度越来越快，强度也越来越强，均在2008年前后完成级别跃迁(建设用地扩张速度由快速扩张型到高速扩张型，扩张强度由低速扩展越过中速扩展直接到高速扩展型)，之后不管是扩张速度还是扩张强度都有增无减，扩张速度由14.46 km2/a提高到27.26 km2/a，扩张强度由1.26提高到2.87(表1)。

表1 长春市1990—2016年建设用地面积表

从空间特征来看，长春经历了带状扩张、跳跃式扩张、面状扩张阶段。1990—2000年间的扩张主要集中在北部宽城区和东部二道区，沿着东北向S101铁路交通路线呈带状扩张；2000—2008年间的扩张集中在西南方向高新技术开发区，南关区呈跳跃式扩张，主要交通路线如铁路公路沿线均有带状扩张；2008—2016年的扩张主要表现为向四周大幅度均匀扩张，伊通河沿岸带状扩张明显。总体来看，长春市建设用地扩张速度表现为由慢到快，扩展范围表现为由局部到整体的特征。模式上由圈层扩张、跳跃扩张和带状扩张逐渐转变为面状拓展(图2)。

图2 长春市1990—2016年建设用地扩张图

2.2 长春市地表温度时空分异

从长春市1990—2016年温度分级图(图3)中可以看出长春市已经形成了明显的城市岛状高温区，并沿道路呈带状伸展。2000年岛状高温区规模明显扩大，成斑块聚积状出现在城市中心及道路沿线，2008年外围区域温度明显升高，高温区域呈破碎化趋势，至2016年高温区域明显缩小且高温斑块更加破碎。

图3 长春市1990—2016年温度分级图

高于研究区平均温度的区域为热岛区域，热岛区域占研究区的总面积百分比为热岛比例。由表2可知热岛比例逐年加大，从7.08%增长到43.78%，这表明：研究区内高于平均温度的区域明显扩大。1990年的低温级别占比较大的比例；2000年四级高温地区比例的大幅提升，高等级热岛景观比较聚集；2000年之后高温比例有下降趋势，低温比例有上升趋势；2008—2016年4、5级高温斑块有割裂化、破碎化趋势。

表2 地表温度比例表

随着城市的扩张，高级别的热岛斑块面积增大，并且带动了周围低级别热岛面积向高级别上升，使得热岛效应的影响在面积上不断扩大。但是2000年后4、5级高温级别所占面积比例下降，而且斑块破碎程度明显上升，说明热岛效应影响范围广，但是强度呈减小趋势(图4)。

由不同时期温度变化图(图5)可以看出：1990—2000年升温区域主要在长春市区西南部(高新技术开发区)，降温地区为远离长春周边1990年的耕地；2000—2008年升温区域主要是城市周围西北部、西部、南部，而市中心温度基本保持不变；2008—2016年大部分地区温度基本不变或呈下降趋势，西南部高新技术开发区和东北部北湖开发区有部分地区呈上升趋势，但上升幅度不大。

图4 长春市1990—2016年建设用地温度分级累计百分比图

图5 长春市1990—2016年不同时期温度变化分布图

随着长春城市的扩张，热贡献指数呈增长趋势。特别是2008年到2016年，热贡献指数呈现出成倍增长，这与建设用地面积比例由2008年的24.31%增加到47.28%密切相关，因为随着城市建设用地的增加，自然热力循环受到影响，建设用地地区的热岛效应增强。冷贡献指数体现了建设用地中的低温斑块，多为城市绿地与水体。从表3中可以看出1990年到2000年冷贡献轻微减弱，2000—2016年冷贡献指数增强，尤其是2008—2016年冷贡献指数大幅度增强，这与城市内部结构优化有关，因为城市内部增加了绿地的面积，并合理分布城市建设用地，使得建设用地对热力环流的影响减弱，热岛效应下降，建设用地气温有下降趋势。热贡献指数与冷贡献指数综合，导致相对热岛效应指数先上升后下降，在2000年达到最大6.01，说明城市建设用地扩张过程中，初期城市热岛效应明显，后期虽然热岛面积增大，但是高温区域破碎化趋势明显，热岛强度下降。

表3 热岛指数

1)长春城市建设用地与地表温度的相关性分析。对单位格网里内城市建设用地所占的面积与平均地表温度进行了相关性分析(图6)。结果表明，1990年模拟拟合度较低；2000、2008、2016年模型在p=0.01 水平上显著相关，R2从0.366上升到0.435，建设用地占面积比例与其平均温度呈明显线性正相关。

图6 长春市1990—2016年温度与建设用地相关性

单元格网内建设用地所占比例与平均地表温度统计结果表明(图7)，1990年温度随建设用地比例的变化折线在建设用地所占比例为55%处出现断点，在单位面积内建设用地所占比例为50%、75%和90%处温度出现陡增，总体变化规律不明显。2000—2016年间变化趋势一致，当单位格网内城市建设用地面积比例达到40%以后，地表温度出现有明显上升趋势。

图7 长春市1990—2016年温度-建设用地折线图

3 分析与结论

城市化改变了下垫面的性质，阻碍了自然热力环流，进而对区域微气候产生重要的影响，本文基于遥感和GIS空间分析，探讨了长春市的城市扩张进展和城市热岛效应时空演变及其关系。得到如下主要结论：

①长春市在1990—2016年建设用地呈现出快速扩张趋势，面积共增加608.85 km2。建设用地扩张速度表现为由慢到快，扩展范围表现为由局部到整体的特征。模式上由跳跃扩张、带状扩张逐渐转变为面状拓展。由于长春市1990年以来分别设立了经济技术开发区、高新技术开发区、净月经济开发区和汽车产业开发区，城市扩张明显；2000—2008年扩张速度明显提高的驱动力为工业化的加速发展[9]，这与2003年党中央国务院发布《关于实施东北地区等老工业基地振兴战略的若干意见》时间吻合，振兴东北地区等老工业基地战略对于推动东北老工业基地结构调整，促进东北城市化进程有积极的作用。2008—2016年的建设用地扩张与交通发展、经济发展有关，城市规划让步于经济发展，使城市化低密度无序进行，建设用地大面积扩张。该研究结果与已有研究结论一致[10]。

②随着城市的扩张，长春市1990、2000、2008、2016年热岛比例分别为7.08、13.74、22.51、43.78。热岛效应主要由城市中心向西南部(高新技术开发区)和北湖开发区扩展。1990—2000年长春市热岛效应急速恶化，4、5级高温斑块面积扩大且呈现出集聚形态；2000年后高温斑块割裂化和破碎化趋势明显，所占比例也有下降趋势，虽然热岛辐射面积逐年增大，但是强度下降。在城市化建设过程中，可以通过城市绿地和水体的合理规划，建设用地中工业基地、商服用地的分散等途径，达到高温斑块破碎化的效果，从而缓解热岛效应。

③相关性分析表明单位面积建设用地所占比例与地表温度相关性显著，2000—2016年间，当单位面积内建设用地所占比例超过40%时，地表温度上升显著。这个结论与谢启姣[11]在《武汉城市扩张对热场时空演变的影响》文章中确定的35%～40%为区分建设用地的阈值范围相接近。该结论对城市建设用地的合理布局具有一定的指导意义。