快速城市化区域城市热岛效应与驱动机制研究

2023-05-30韩雅敏邹明亮赖嘉娱

环境科学导刊 2023年1期

韩雅敏邹明亮赖嘉娱

摘要：以肇庆新区为研究区，利用2013年、2015年、2017年、2019年和2021年夏季的Landsat8遥感影像反演研究区地表亮度温度，基于地表亮度温度数据识别和提取热岛区，分析城市热岛效应的演变过程和驱动机制。研究结果表明：①利用Landsat8遥感影像反演的地表亮度温度，能便捷有效地识别和提取城市热岛区，为城市热岛效应的研究提供科学的数据基础；②近10 a来，肇庆新区热岛效应逐年加剧，尤其是在2017—2019年大开发大建设期间，城市热岛效应扩张最为显著；③城乡建设用地与城市热岛区在时间变化和空间分布上均高度耦合，城市化的快速扩张是城市热岛效应的主要驱动因素；④面积较大的湖泊、河流、坑塘等水域，能将集中连片的城乡建设用地进行切割，进而有效缓解城市热岛效应。

关键词：热岛效应；城市化；驱动机制；肇庆新区

中图分类号：X16文献标志码：A文章编号：1673-9655（2023）01-0-05

0 引言

城市热岛效应（Urban Heat Island Effect， UHIE）是指由于城市建筑及人类活动引起热量在城区空间范围内积聚，导致城郊间温差明显的现象[1]。城市热岛效应除了直接通过高温酷热的天气条件危害人们身心健康外，还能通过改变城市微气候条件，增加风阻，使大气污染物在城区上空聚集，进而引发各类心脑血管和呼吸系统疾病[2]。甚至有研究表明，新冠病毒气溶胶的传播与城市热岛效应具有密切联系[3]，武汉、西安、南京、杭州等受新冠疫情肆虐的城市均为我国著名“火炉城市”。深入研究城市热岛效应的演变过程和形成机理，对合理设计和优化城市形态，改善城市通风条件，缓解城市热岛效应具有重要的意义。

城市热岛的动态监测是研究城市热岛效应的一项重要基础性工作[4]。国内外对于城市热岛的监测，常见的方法主要有气象站点法、定点观测法、运动样带法、模拟预测法以及遥感监测法等[1]。遥感技术因具有大面积的同步观测、时效性、经济性、数据的综合性和可比性等优势[5]，已成为监测热岛效应的核心技术手段。应用遥感技术监测热岛效应常见的做法是，利用LandsatTM/ETM+[6-8]或MODIS[9-11]等遥感影像数据，通过反演地表亮度温度[12-14]或地表温度[15-17]来识别和提取城市热岛区，最后定量分析热岛效应的时空变化规律。对比上述两种常用数据，LandsatTM/ETM+数据具有更高的空间分辨率，更适用于城市等中小尺度區域的热岛监测；对比上述两种常用反演方法，地表亮度温度的反演因不需要大气和地表的相关参数，计算过程简单且精确度高，包含了更丰富的大气和地表温度信息[18]。因此，本文利用Landsat8遥感影像数据，通过反演地表亮度温度对肇庆新区热岛效应的演变过程进行监测。

1 研究区概况

肇庆新区隶属广东省肇庆市，地处鼎湖区中部，位于粤港澳大湾区连通东盟经济区和大西南地区的咽喉位置，东邻肇庆国家高新区和佛山市三水区，南靠高要区，西倚端州区，北接四会市，面积约168 km2，大体可分为核心区、健康宜居区、工业园片区以及产业发展预留区等4大分区，如图1所示。

肇庆新区于2012年10月正式挂牌成立。2016—2018年期间为迎接省运会的顺利召开，肇庆新区进入“大开发大建设”阶段，各类市政基础设施和重点项目建设如火如荼，城市框架雏形已基本形成。2019年开始，肇庆新区大力推进园区建设，加速开展产业招商落地工作，促进产城融合发展。

2021年肇庆新区实现地区生产总值71.71亿元，同比增长10.0%；规模以上工业增加值21.99亿元，同比增长14.9%；固定资产投资完成160.02亿元，同比增长12.6%。

2 数据来源与方法

2. 1 数据来源与预处理

2. 1. 1 遥感影像数据

Landsat8遥感影像数据产品可从美国国家航空航天局网站下载（https：//earthexplorer.usgs.gov/），空间范围为P123，R44。考虑Landsat8遥感影像数据的可获取性，研究所用遥感影像数据时间间隔均为2 a左右，即时间范围为2013年、2015年、2017年、2019年以及2021年夏季（6—8月）。遥感影像数据获取后，需要对遥感影像数据进行投影变换、几何校正、大气校正、裁剪等一系列的预处理操作。

2. 1. 2 土地利用/覆盖变化数据

土地利用/覆盖变化数据（LUCC）从地理国情监测云平台（http：//www.dsac.cn/）获得，时间范围包括2013年、2015年、2017年、2019年以及2021年，共5期。该数据是基于LandsatETM/OLI遥感影像，结合野外GPS采样数据，参考中科院土地利用/覆盖分类体系一级类型标准，采用人机交互方式解译而成。LUCC数据空间分辨率为30 m，分为耕地、林地、草地、水域、城乡建设用地、未利用地等6大类。

2. 2 地表亮度温度反演

地表亮度温度又称地表辐射温度，是遥感传感器在卫星高度所观测的热辐射强度相对应的温度，地表亮度温度包括大气和地表对热辐射传导的影响，它反映出与观测物体具有相等辐射能量的黑体温度。由于热岛区的识别和提取主要基于城乡温度差异特征实现，地表实际温度和地表亮度温度的趋势基本表现为一致，均能体现城乡间的温度差异特征。但地表亮度温度的反演不需要各种大气和地表参数，计算方法简单且精确度高，所以可直接通过反演地表亮度温度来对热岛效应进行识别和提取。计算公式如下：

式（1）中：L—绝对辐射亮度值；gain—增益系数；offset—偏移系数。增益系数和偏移系数均从影像头文件获取；

式（2）中：T—亮度温度；K1、K2—常数，其中K1=774.89W/（m?·sr·m），K2=1321.08K。

通过反演肇庆新区范围2013年、2015年、2017年、2019年以及2021年的地表亮度温度，利用ArcGIS平台自然间断点分级法，将历年地表亮度温度值分为强热岛区、弱热岛区和非热岛区3类，分别统计强热岛区、弱热岛区和非热岛区的面积和比例（表１），并绘制空间分布图（图2）。

3 结果与分析

3. 1 热岛区时空变化规律

观察表1和图2可知，肇庆新区强热岛区和弱热岛区在2013—2021年均呈现逐年递增的规律，其中强热岛区在2017—2019年增速最快，增幅约为171.49%，而弱热岛区在2019—2021年增速最快，增幅约为15.48%。其中：

2013年强热岛区面积为3.43 km2，约占全区总面积的2.03%，主要分布在广东肇庆工业园区以及莲花镇、永安镇、桂城街道、广利街道等圩镇周边。弱热岛区面积为65.19 km2，约占全区总面积的38.60%，主要分布在321国道和鼎湖大道沿线两侧区域。

2015年强热岛区面积为4.65 km2，约占全区总面积的2.76%，弱热岛区面积为67.45 km2，，约占全区总面积的39.94%。空间分布与2013年相比变化不大，仅在广东肇庆工业园以及桂城街道、广利街道、莲花镇等圩镇附近有轻微的扩散趋势。

2017年强热岛区面积为4.97 km2，约占全区总面积的2.95%，弱热岛区面积为72.05 km2，，约占全区总面积的42.66%。与2015年相比，分布在广东肇庆工业园的强热岛区轻微向外扩张，核心区范围内的部分新建市政道路也呈現弱热岛的特征。

2019年强热岛区面积较2017年显著上升，面积为13.51 km2，约占全区总面积的8.00%，新增的强热岛区主要分布在核心区以及生态科技产业园区附近。弱热岛区面积为73.74 km2，，约占全区总面积的43.66%，主要分布在核心区范围内的市政道路附近，通过弱热岛区分布情况可以看出核心区的市政道路路网骨架已基本成型。

2021年强热岛区面积为16.36 km2，约占全区总面积的9.69%，新增强热岛区主要分布在核心区以及生态科技产业园附近。弱热岛区面积为85.15 km2，，约占全区总面积的50.42%，较2019年显著上升，新增的弱热岛区主要分布在核心区市政道路附近，市政道路路网骨架在热岛分布图上已清晰可见。

3. 2 土地利用/覆盖变化规律

城市土地利用/覆盖变化与地表热环境有着明显的空间异质性特征，很多研究表明[19-21]热岛效应与土地利用/覆盖密切相关。为深入研究城市热岛效应的驱动机制，分别统计2013年、2015年、2017年、2019年以及2021年土地利用/覆盖变化数据（表2），并绘制历年土地利用/覆盖变化分布图（图3）。

观察表2和图3可知，肇庆新区面积最多的土地利用类型为水域（包括河渠、湖泊、水库坑塘等），约占肇庆新区总面积的48%～51%。2013—2017年水域面积呈现略微下降的趋势，从85.74 km2下降至82.65 km2，主要是由于核心区和工业园片区填塘建设造成。2017—2021年水域面积呈现显著上升的趋势，从82.65 km2上升至86.77 km2，主要是由于莲花镇和永安镇大面积在耕地挖塘养鱼造成。

城乡建设用地（包括城镇用地、农村居民点、其他建设用地等）约占肇庆新区总面积的15%～30%。城乡建设用地面积在近10 a呈现逐年上升的趋势，尤其是在2017—2019年大开发大建设期间，城乡建设用地面积从32.35 km2上升至45.58 km2，增幅约40.91%，主要是由于工业园片区以及核心区范围内的东进大道、站前大道、永利大道等项目填塘建房、建路造成的。

耕地（包括水田、旱地、水浇地等）面积约占肇庆新区总面积的6%～19%。耕地面积在近10 a呈现逐年下降的趋势，尤其是在2017—2019年，耕地面积从30.32 km2下降至10.44 km2，降幅约64.62%，主要是由于莲花镇和永安镇大面积在耕地挖塘养鱼造成。

林地（包括乔木林、竹林地、灌木林、果园、茶园等）面积约占10%～12%。林地面积在近10 a呈现逐年下降的趋势，林地面积减少的区域主要分布在北岭山边缘、工业园片区以及核心区广利涌和横槎涌沿岸。但林地面积下降幅度不大，从2013年的20.49 km2下降至2021年的17.09 km2，面积总体呈现相对平稳的状态。

草地和未利用地面积较少、比重较低，零星分布在全区，且在近10 a面积未发生显著的变化。

3. 3 热岛区与土地利用变化耦合关系

经统计，2013年、2015年、2017年、2019年和2021年的城乡建设用地中，分别有11.99%、15.64%、14.71%、23.97%和26.97%为强热岛区，有76.83%、77.41%、76.86%、65.87%和64.96%为弱热岛区，历年均有超过90%的城乡建设用地不同程度地出现热岛效应的现象。此外，强热岛区、弱热岛区与城乡建设用地的面积相关系数分别为0.99和0.91。由此可见，城乡建设用地的扩张，尤其是工业园区、镇圩以及市政道路的建设和扩张是造成城市热岛效应的主要原因。

经统计，2013年、2015年、2017年、2019年和2021年的水域中，仅有0.04%、0.04%、0.04%、1.20%和1.03%为强热岛区，有17.10%、18.65%、22.09%、23.25%和33.81%为弱热岛区。水域是各种土地利用类型中，出现强热岛区和弱热岛区面积占比最小的地类。由此可见，水域与其他土地利用类型相比，最不容易形成热岛现象。虽然历年均有一定比例的水域呈现弱热岛的现象，但这些呈现弱热岛现象的水域主要分布在核心区内被路网和建筑分割的、面积较小的坑塘水面附近。这些坑塘水面由于面积较小，且分布零散，容易受到周边建筑和路网的影响而温度升高，进而形成弱热岛的现象。肇庆新区核心区内的长利涌、横槎涌、砚阳湖以及健康宜居区、工业园片区内集中连片的坑塘水面则由于水域面积较大，降温效果明显，不但没形成热岛现象，反而能对周边的建筑和市政道路等城乡建设用地起到一定的降温作用，有效地缓解了周边的热岛效应。

4 总结与讨论

（1）本研究以近年来城市化进程快速发展的肇庆新区为例，利用Landsat8遥感影像对研究区地表亮度温度进行反演，识别并提取地表亮度温度显著高于全区平均温度的区域（即热岛区），并对热岛区的时空分布规律及其驱动机制进行了深入研究，说明遥感技术在城市热岛效应研究方面具有可行性和广阔应用前景。

（2）伴随城市扩张而快速增长的城乡建设用地（尤其是工业园区、镇圩和市政道路等）是造成城市热岛效应的主要驱动因素，而面积较大的水域（如湖泊、河涌、连片的坑塘）能对热岛效应起到有效的缓解作用。

（3）肇庆新区在将来城市规划和建设过程中，一定要严格控制城市扩张的速度和规模。对于工业园区、镇圩等集中连片且容易出现热岛效应的区域，要适当保留湖畔、水渠、河涌等水域。对于市政路网，则要提升市政道路两旁的绿化水平，利用植被缓解城市热岛效应。

参考文献：

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