生态空间格局对城市热岛效应的影响

山东建筑大学 朱杉杉

城市高度集中着人们商业、工业、交通等空间，大量的自然地表被硬化，人类生产生活排放了大量热量在城市中心挥散不去，使得城市中心的气温高于城市周边地区，这一现象即城市热岛效应。近些年，城市热岛效应问题日益突出，严重影响着城市人居环境的高质量发展。热红外遥感能获取地面的热源现象，随着热遥感影像的技术发展，学者们开始探索城市热岛的影响因素与作用机制，城市的生态用地与绿色景观是降温的一大“利器”，本文以此为出发点探索生态空间格局对热岛的影响，希望通过此次研究能够帮助济南打造高品质生活空间。

近年来，许多学者开始剖析城市热岛格局与生态空间格局之间的关系。李乐等[1]利用提取的杭州市区的建筑用地信息与植被信息，研究其与地表温度的关系。刘文渊等[2]采用从ETM+影像中提取的不透水面、植被和水体，研究了不同地表类型与地表温度的关系。袁振等[3]利用从TMSPOT影像中提取的地表温度与城市绿地斑块，定量研究了城市绿地对地温空间格局的影响。王琳等[4]利用从Landsat8影像中提取的地表温度及其他城市生态参数，研究福州市热环境的变迁及其形成的原因与驱动力。然而，目前的研究仅限于探讨景观组成[5]或空间分布[6]对城市热岛的影响，较少考虑不同景观组成与空间分布耦合形成的生态空间格局对城市热岛效应的影响。

济南近年来城市用地与生态空间格局变化巨大，热岛效应问题日益明显，成为“火炉”城市。本文以济南市为研究对象，利用2013年与2019年的热遥感影像数据剖析济南市中心城区热岛的现状与影响，借助fragstats对不同用地与生态空间格局进行定性、定量研究，希望通过此次研究有助于城乡人居环境的改善。

一、研究区域与研究方法

（一）研究区域概况

此次研究区包含济南市天桥、市中、历城、槐荫、历下五个行政区，五区地处济南市中心，包含北部城市中心区与南部山区，用地类型全面且丰富。

（二）地表温度反演流程

本文基于大气校正法，利用envi软件反演地表温度。首先，根据热红外辐射传输方程，通过普朗克定律反解出黑体等效辐射，具体反演步骤参考基于辐射传输方程的单窗算法地表温度反演论文[7]，接着计算归一化植被指数与地表发射率，结合大气剖面参数计算同温度下黑体辐射亮度，最终得出地表温度。

（三）城市生态景观指数的选取

生态景观指数分为斑块与景观两个层次水平。首先，利用生态景观指数分析了生态景观指数演变。随后，分析了热岛效应与生态景观指数的关系，以2.5km方形网格对研究区进行划分，计算各网格生态景观指数与地表温度均值，选取10个网格样本进行相关性分析。在Fragstats4.2中进行计算。

（四）数据来源与数据预处理

研究数据包括:（1）Landsat8遥感影像来源于美国地质勘探局官网。结合数据源选择云层量小的数据，筛选出2013年7月24日与2019年5月22日影像作为研究。（2）研究辅助数据包括历年土地变更状况。土地利用数据来源于济南市国土空间规划课题组。

二、结果与分析

（一）济南中心区地表温度时空变化分析

由反演结果可知（图1、图2）2013年高温区与较高温区分布在市中区、历下区等中心地带为斑块状分布，南部山区、黄河两岸沿线温度最低，最低温度为26摄氏度。2019年高温区明显向东发展，历城区整体温度升高，南部山区也出现了斑块状的高温区域，2019年夏季温度比2013年夏季温度平均高1.8摄氏度。

图1 2013年7月24日地表温度数据（图片来源于作者自绘）

图2 2019年5月22日地表温度数据（图片来源于作者自绘）

（二）景观类型地表温度定量分析

城市热岛与用地类型密切相关，不同用地类型地表温度按从高到低排列依次为:城市建设用地＞村庄建设用地＞裸地＞园地＞风景名胜区用地＞耕地＞林地＞盐碱地＞草地＞水域。城市建设用地的平均温度最高，其次为农村。农村建设用地一般与水浇地混合在一起，存在较多的农村宅基地与水浇地的混合像元，造成水浇地的平均气温仅次于建设用地。裸地的平均温度仅次于建设用地，由于裸地由岩石、黄土地等构成，易于吸收热量并反射热量，所以温度并不低。林地、园地的温度稍低，其中，灌木覆盖用地平均温度高于林地。最低的为大面积的水面，如水库水面、内陆滩涂等水利及水利设施用地。

（三）地表温度与生态景观格局的关系

1.景观水平

在fragstats中进行生态景观指数计算，选取具有代表性的指数。通过表1可知，在景观层面上，PD（斑块密度）、LSI（景观形状指数）LPI（最大斑块指数）与城市高温热岛空间有着显著的相关性。PD用来表示景观空间的分割性大小，它与城市热环境空间有着巨大的关系，说明生态空间格局受人造要素的影响越大，其分割性越小，城市热岛空间便越不明显。LSI与城市高温热岛空间也有着显著的相关性，说明生态空间格局的布局越碎片化、形态越不规则，城市热岛空间便会越明显，反之，边缘规整、方正的生态空间格局布局可以降低城市热岛效应。

表1 景观层面格局与城市热岛空间指数

2.斑块类型水平

由表2可知，城市与城镇建设用地的斑块类型面积、最大斑块指数、景观形状指数、聚集度指数与城市热岛空间有着显著的相关性，其景观分割指数与城市高温热岛空间负相关，表明6年来自然景观地表被大量的硬化地表取代，导致城市高温热岛效应加剧。水利与水利设施用地的斑块类型面积、最大斑块指数与城市热岛空间有显著的负相关关系，表明水域尤其是大面积的水域可以缓解热岛空间效应。林地的最大斑块指数与地表温度呈现显著负相关关系且相关性较高，说明面积较大、集中成片的林地可以降低地表温度。裸地的面积在此研究中占比较小，暂不考虑。

表2 斑块层面生态空间格局与城市热岛空间指数

三、结论

本文基于热遥感数据，分析济南市中心城区热岛两年的时空变化关系，研究不同用地类型和生态空间格局的分析，结果表明：

（1）2013年至2019年，济南中心城区的建设用地类型由最初的635.89km2扩张至674.95km2，增加了近6.15%；2013年林地、水体等绿地的面积高达1407.27km2，至2019年林地、水体等绿地的面积减少为1369.25km2。

（2）从时空关系上分析，2019年研究区域内的热岛空间占济南中心城区的51.76%，远高于2013年的39.89%，热岛区域扩大了将近三分之一。从空间上来看，2019年的热岛空间主要分布在历城区，且热岛空间已延伸到南部山区。

（3）分析济南市中心城区热岛演变，发现在斑块类型水平上，济南高温热岛区域呈聚合、向东向南发展的趋势。高温热岛区域在生态空间格局中优势度上升，与此同时，济南高温区域斑块间的连通指数增大。

（4）在景观水平上，济南高温热岛区域形状复杂程度下降，分割化程度下降，反映出高温热环境区域扩散明显，斑块间的均匀度上升。不同的用地类型对城市热环境具有不同的贡献度，城市建设用地越集中连片，城市热岛空间效应越显著，而水库水面、内陆滩涂等水利及水利设施用地则起到降温的作用。

四、结束语

如今，人们愈发关注人居环境的高质量发展，如何进行空间治理来促进人居环境的改善是一个值得思考的问题。在未来城市建设中，应尽量将城市绿地集中连片布置，保证连片、成规模的林地与水体稳步增长，做好对城市绿地、水域等景观的规划设计，促进济南市的健康可持续发展。