耦合遥感与地面监测的陕西省热环境时空分异及其影响因素研究

冯晓刚，李 萌，李凤霞，周在辉

(西安建筑科技大学 建筑学院, 陕西 西安 710055)

在全球气候变暖和城市热岛效应不断加剧的双重背景下，城市人居热环境恶化已经成为当下快速城镇化过程中最为关注的热点之一[1-2].针对这一问题，国内外学者已经就城市热环境演变过程、驱动机制与影响因素做过诸多研究，并取得了显著的研究成果[3-4].

目前，城市热环境评价方法主要有气象台站观测法[5]和热红外遥感定量反演法[6].气象观测通常具有连续性，能够有效提供不同时间尺度的观测数据，有利于深入剖析城市热环境与局地气候间的相关关系.但容易受到地面观测台站时空分布的影响[7].而热红外数据恰能克服气象台站观测的这一不足，提供完整的面域数据[6-7]，但由于热红外数据通常受卫星的空间分辨率和时间分辨率等因素的影响，无法提供连续、实时的对地观测数据.因此，气候研究多以地面气象台站观测数据为主[7-8]，以热红外数据为辅进行区域尺度热环境时空格局的演变特征分析[6].同时，针对城市级别的热环境整体量化评价指标有待进一步完善.为了有效评价城市整体热环境分异特征，本文借鉴景观分析中的聚集度指数构建了用以表征城市整体热环境分异特征的热质量指数和热分异指数[11].以陕西省1970—2013年44年间60个地面气象台站观测数据为主，以MODIS温度数据为辅助，基于热质量指数和热分异指数深入剖析了陕南、关中和陕北地区城镇化进程中的城市热环境分异的演变特征.最后，采用地理探测器[9]方法从影响大气温度的自然要素和社会经济要素两个方面深入剖析其成因，以期能够为陕西省进一步制定改善策略和规划措施提供科学参考.

1 研究区概况与数据

1.1 研究区域概况

陕西省地处中国内陆腹地，省会西安市，属黄河中游和长江上游流域.介于东经105°29′～111°15′，北纬31°42′～39°35′之间，自然区划上因秦岭-淮河一线而横跨南方与北方.陕西全省总面积20.58万km2，截至2020年底，全省总人口3 952.89万.陕西省南北气候差异显著，以秦岭为界，陕西南部即陕南地区地处亚热带湿润季风气候区，陕西中部即关中地区属暖温带半湿润季风气候区，陕西北部即陕北地区属温带半干旱季风气候区，陕北冬冷夏热，气候多变；关中冬夏较长，四季分明；陕南温暖湿润，雨量充沛.全省年均气温7～16 ℃，年均降水量300～700 mm，无霜期通常有150～270 d[9].

1.2 数据源与研究方法

以陕西省境内分布的60个气象台站及其1970年1月1日至2013年12月31日44年间日气象观测数据为主，辅以2000和2013年MODIS地表温度数据、地形图数据及相应年份的陕西省及各市、区县统计年鉴数据等.外业数据采用温度平距法对逐月和逐年数据分别进行系统分析；将研究区按照地域特征划分为陕南、关中、陕北三个不同地区，进行由南北纵向及东西横向分别进行对比剖析，并利用本文构建的热环境质量指数和分异指数展开城市热环境及分异特征评价.最后，基于地理探测[9]原理，采用主成分分析的方法从自然因素和社会经济因素两个方面共计筛选了13个影响因子进行相关性分析，以期深入剖析影响陕西省热环境时空演变的成因.

2 模型构建方法

2.1 热环境分异模型构建

借鉴景观生态学中的聚集度指数(CONTAG)，构建了用以表征城市热环境质量特征的热质量指数(Thermal Quality, TQ)和表达其空间分布差异特征的热分异指数(Thermal Differentiation, TD).该模型表达为(1)～(3).

(1)

(2)

TD=TQ/CONTAG

(3)

式中：CONTAG为聚集度指数(0

2.2 地理探测器模型

(4)

(5)

3 结果与分析

3.1 温度演变特征分析

3.1.1 月温度演变特征分析

(1)月平均温度变化分析

以月份为最小分析单元，从南至北分别探讨陕南、关中和陕北三个不同地理区位的月平均温度变化情况.结果表明：陕南地区1～6月和8～11月中月平均温度为正增长，其中3月增幅最大、11月最小，累计增幅为6.37 ℃和0.16 ℃；7月和12月均为负增长，增幅为-0.27 ℃和-0.25 ℃，综合分析该地区月平均温度累计增幅为1.43 ℃；关中地区1～6月和8～12月中月平均温度为正增长，3月增幅最大，12月最小，累计增幅为7.93 ℃和0.49 ℃；7月为负增长，增幅-0.65 ℃，关中地区月平均温度累计增加2.37 ℃.陕北地区1～6月和8～12月中月平均温度为正增长，3月增幅最大，12月最小，分别为8.00 ℃和1.27 ℃，7月与陕南和关中相同，表现为月平均温度减少的趋势，累计减少0.91 ℃，陕北地区月平均温度累计增加2.46 ℃.因此，陕西省月平均温度中变幅最大为陕北地区、关中次之、陕南最小，这一变化规律与姜创业等的研究结果相一致[10].最后，经统计分析60个观测台站中79.8%的月份在2000年后均表现为正增长.

(2)月最高-最低温度变化特征分析

分析月平均最高温度变化发现：1970—2013年间1～5月中，陕南地区92%以上的台站月平均最高温度始终高于关中和陕北地区，高幅0.09～3.94 ℃；1970—1990年间5～7月中，陕北地区平均最高温度高于陕南和关中地区，高幅0.12～2.0 ℃，表明夏季陕北地区的月平均最高温度最高；8～12月中，陕南地区的温度高于关中和陕北地区，其中12月最为显著，高幅1.35～5.01 ℃，造成这种现象的根本原因在于陕南和陕北所处的地理纬度及其海拔差异.

分析月平均最低温度变化发现：1970—2013年，最低月平均温度在1990年前后波动明显.陕南44年中的3～11月，月平均最低温度表现为走高的趋势；2000年后变化最为明显，最低温度进一步走低；关中44年间月平均最低温度表现为走高的趋势，1990年前后有一次较为明显的跌宕下行，之后整体走高；陕北44年间月平均最低温度表现为走高的趋势，增幅1.04～5.93 ℃，是整个陕西地区不同月份平均最低温变化最为剧烈的区域.

3.1.2 四季温度演变特征分析

以月温度数据为基础，分别统计了春、夏、秋、冬四季温度变化情况(表1)，采用温度差平距方法制作了陕西省1970—2013年44年间四季平均温度与年均温度之差及四季温度变化图(图1和图2).

表1 1970—2013年陕南、关中、陕北地区春夏秋冬四季典型年份温度统计表

图1 陕西省1970—2013年44年间春夏秋冬四季平均温度与年均温度之差的平距图

图2 陕西省1970—2013年春夏秋冬四季典型年份温度变化图

分析结果表明：44年间陕南、关中和陕北地区四季平均气温变化呈现增加的趋势，春季变化最为显著，夏冬两季最小.陕南地区，44年间春季温度累计增加3.3 ℃，其次为秋季，夏冬两季增幅分别为0.54和0.61 ℃.关中地区，44年间春季温度累计增加4.77 ℃，其次为秋季，累计增加2.27 ℃，夏冬两季增幅微弱，分别为1.42和1.04 ℃.陕北地区，44年间春季温度累计增加4.60 ℃，其次为秋季、冬季和夏季，增幅分别为2.15、1.78和1.32 ℃.分析图1和图2发现，陕南、关中和陕北三地的四季平均气温以1990年为时间节点，陕南地区在1980—1990年时间段内变化最为明显，均呈现正增长，增幅分别为0.09、0.14、0.14和0.08 ℃，表明改革开放后的近10年是陕南地区气候变化最为显著的时间节点.关中地区气温在2000—2013年时间段内变化最为显著，均呈现正增长，增幅分别为0.12、0.12、0.22和0.1 ℃.陕北地区1980—1990年和2000—2013年时间段内平均温度均呈现正增长.该结论与史帆等人的研究结论相一致[6].表明在过去的44年里，陕北地区的气温变化整体增幅高于陕南和关中地区，系陕西省气温变化最为剧烈的区域.

3.1.3 年温度演变特征分析

(1)年平均温度变化分析

以月平均温度为基础，分别计算年平均气温、年最高和年最低温度(表2)，并以年平均温度与44年间的整体平均温度分别计算温度差，基于计算结果绘制了典型年份年平均温度差异变化图(图3).

表2 1970—2013年44年间陕南、关中、陕北年均气温、最高和最低年温度统计表

结果表明(表2)：1970—2013年，陕南地区的年平均温度表现为增加趋势，其中，佛坪增幅最大，略阳次之，柞水最小，增幅分别为2.55、2.39和0.1 ℃，陕南地区年平均温度累计增加1.03 ℃；关中地区年平均温度持续走高，华山增幅最大，永寿和耀州区次之，华县最小，增幅分别为4.3、2.6和1.44 ℃，关中地区年均温度累计增加1.95 ℃；陕北地区除了长武站外，其余地区44年间均表现为正增长，其中靖边增幅最大，榆林次之，延安最小，增幅分别为7.24、2.5和1.15 ℃.长武站结果表明44年间年均温度累计下降1.84 ℃，是陕西所有观测台站中唯一一个44年间年均温度降低的区域.

图3表明：陕南、关中和陕北地区的年平均温度差异表现为整体上升的趋势.陕南地区和关中的温度在1980年前后波动明显，其中陕南整体小幅下降，之后表现为增加的趋势，至2010年达到最高点；关中部分台站年平均温度为小幅降低的趋势，如秦都、蒲城等；部分台站观测结果与1970年前后持平，如太白、韩城等；除了华山1990—2000年间累计值为负增长外，其余均表现为正增长；陕北地区年平均温度变化主要发生在1970—1980年之间，该时间段内多数区域均表现为负增长，之后除了延安和定边在2013年较2000年为负增长外，其余地区的年均温度变化均为正增长.

图3 典型年份陕南、关中和陕北年均气温与44年平均温度差异图

(2)年最高-最低温度变化特征分析

图4表明：陕南地区的最高温度差整体表现为小幅线性增加的趋势.汉中、略阳、镇安及柞水等地的最高温度差表现为略微减小的趋势，相反陕南其他地区最高温度表现在小幅增加的趋势，最大温度差4.34～11.91 ℃；关中地区最大温度差3.69～7.1 ℃，华县2013年最高温度和平均温度差值最大，达到7.1 ℃，关中平均最高温度差为5.96 ℃，较陕南地区略低；陕北地区最大温度差5.77～11.64 ℃，长武1970年最高温度和平均温度差值最大为11.64 ℃，其余地区平均最高温度差为7.08 ℃.陕南、关中和陕北地区的最高温度差整体表现为跌宕上行的走势.

图4 1970—2013年陕西省年均最高温和最低温与年均值差异变化图

同时，陕南地区44年间的最低平均温度差约为4.2 ℃，表现为小幅上升的趋势；关中地区最低平均温度差约为4.8 ℃，2000年前表现为跌宕起伏并上行的趋势，2000年后最高和最低温度均发生较为显著的变化，之后为上行趋势；陕北地区最低平均温度差约为5.6 ℃，在2010年后最低和最高温度差变化较为明显，且表现缓慢上行的趋势.

3.2 年均温度面域时空分布演变特征

利用克里格插值法制作了陕西省5个典型年的温度面域时空图[11](图5).经与获取的2010和2013年MODIS LST温度产品相比较，气象差值结果与LST温度产品表现趋势相一致.由图5可知，陕西省1970—2013年44年间的面域温度时空分布整体东南高，依次向西北方向递减.陕南地区以安康为中心形成一个持久的高温中心，该地区常年平均温度较周边地区的紫阳、旬阳等地高出0.5～1.2℃；汉中作为陕西与四川的门户，地处中国南北气候分界线秦岭南麓，雨量充沛.因此，该地区常年平均温度低且变化幅度小，是陕南地区最适宜人居的城市.44年间关中地区城市温度整体表现为走高的趋势，是除了安康热力中心外整个陕西平均温度最高的地区，且温度呈现由东向西依次降低的趋势.关中东部为关中平原，人口数量大、工业密集，土地承载力大，相应地大气平均温度较高，而关中西部地区为丘陵地貌，植被密度大，人口稀少，因此对应的大气平均温度较低.44年间陕北地区整体平均温度表现为较低的趋势，且从东向西依次降低.东西年平均温度差最高达4.7℃.因此，陕北为整个陕西大气平均温度面域分布中的“绿岛”，是陕西人夏季避暑的首选之地.

图5 1970—2013年典型年份陕西省面域年平均温度图

3.3 热环境分异特征分析

利用本文构建的TQ和TD指数分别计算了1970—2013年陕南、关中和陕北地区热环境质量和热分异指数变化结果(表3).

表3 典型年份陕南、关中和陕北地区热环境分异指数变化统计表

表3可知：TQ指数以1980年为时间节点，且在陕南、关中和陕北三地表现为异质性加剧的趋势.陕南TQ指数表现为跌宕上行，1980年前上行趋势明显，TQ指数累计增加0.15；1980年后，TQ指数与陕南地区整体TQ指数持平；1990—2000年陕南地区TQ指数增加0.07，增幅较小，表明1980—2000年间，陕南地区的热状况变幅小，整体热质量状况处于低位.2000年后，TQ指数增幅较大，累计增加0.17，表明2000年后，陕南城市热环境小幅加剧.关中地区1970—1980年间TQ指数基本持平；1980—1990年间TQ指数增幅较大，累计增加0.26，表明这一时期关中地区的热环境状况整体恶化；1990—2000年TQ指数跌宕下行；2000年后，TQ指数增幅明显，累计增加0.24，根本原因是土地覆盖急剧变化导致城市热环境进一步恶化.陕北地区1970—1990年间TQ指数增幅显著，累计增加0.39；1990—2013年间TQ指数先小幅攀升后整体下降，累计变化-0.02，究其原因在于陕北地区绿化率大幅提高的结果.整体分析陕西省44年间TQ指数发现：关中地区热环境整体状况最差，陕北次之，陕南最好.

陕南地区1970—1990年TD指数增加明显(表3)，累计增加0.51，1990—2000年累计减少0.12，后TD指数呈现平稳趋势，44年间TD指数累计增加0.48，表明这一时期陕南地区城市热环境分异呈现加剧趋势.关中地区1970—1980年TD指数增幅明显，累计增加0.23；1980—2000年TD指数呈现跌荡下行，累计减少0.07；2000年后呈现大幅增加的趋势，累计增加0.41，表明这一时段关中地区热环境分异显著.陕北地区1970—1990年TD指数变化明显，累计增加0.66，是陕西地区这一历史时期变化最为剧烈的区域.1990—2000年TD指数小幅下降，累计减少0.22，表明这一时期陕北地区的热环境分异趋于好转.2000年后，TD增加0.12，变幅远小于关中地区.因此，关中地区由于人口分布集中，经济发展多元且迅速，使得关中地区成为了整个陕西省热环境变化最为剧烈的区域，且热环境分异程度最高.

3.4 温度时空演变成因分析

本文在选取7个自然因素和6个社会经济因素基础上，采用地理探测方法[8]对陕南、关中和陕北不同地域的气温变化与影响因子进行相关性分析.结果表明(表4和表5)：

表4 陕南、关中和陕北地区自然因素影响大气温度的7个主要参数地理探测结果

表5 陕南、关中和陕北地区社会经济因素影响大气温度的6个主要参数地理探测结果

(1)陕南地区，影响大气温度的关键因素依次为降雨量、海拔与蒸发量；关中地区，影响因素依次为大气相对湿度、地表温度和海拔；陕北地区，影响因素依次为蒸发量、海拔和相对湿度.因此，陕西省不同地域范围影响大气温度的因素根据地域的不同而不同，影响陕西区域大气温度分布的自然因素主要为海拔、蒸发量和相对湿度，q值[8]分别为：0.625、0.612、0.538.

(2)陕南地区和关中地区，影响大气温度的主要的因素是人均公园面积和建成区面积两个要素.陕北地区，影响大气温度的主要因子是城市化率、GDP总量和建成区面积三个要素.对整个陕西省地域进行地理探测分析表明：影响陕西省区域大气温度分布的主要社会经济因素为人均公园面积、绿化覆盖率和城市化率三个要素，q值[8]分别为：0.692、0.613和0.517.

4 结论

(1)陕西省月平均温度，陕北变化最大，关中次之，陕南最小，月平均变幅分别为2.46 ℃、2.37 ℃和1.43 ℃；2000年后各月平均温度较1990年前变化显著，60个观测台站中79.8%的月份在2000年后均表现为正增长.陕南、关中和陕北地区的春夏秋冬平均气温变化呈现春秋两季增温显著，夏冬两季变幅较小的特点，且整体呈现上升趋势.陕南、关中和陕北地区的平均最低温度在不同季节表现各异，三地的平均最低温度冬季表现为走低的趋势，其他三季则表现为缓慢上行的趋势；

(2)陕西省面域温度时空分布整体呈现由东南向西北依次递减、由东向西依次减弱的趋势，其中关中地区变化最为显著，陕北次之，陕南最小；

(3)TQ指数表明：关中地区热环境状况最弱，陕北次之，陕南变幅最小；TD指数整体变大，呈现跌宕起伏的趋势，表明44年间陕西省三地的热环境分异因地理区位的不同而不同.2000年后，陕西省整体热环境分异加剧；

(4)地理探测表明：影响陕西省大气温度变化的主要自然因素和社会经济要素分别是：海拔、蒸发量、相对湿度、人均公园面积、绿化覆盖率和城市化率.