?？谑袩崃坝^時空格局與分異特征

李玉杰，盧 娟，陳思佳，付 暉

（1. 湖南科技學院 土木與環境工程學院，湖南 永州 425199；2. 海南大學 林學院，海南 ?？?570228）

城市化以及隨之而來的人口增長和土地表面變化，增加了人為放熱和下墊面對太陽輻射吸收，導致城市熱島(urban heat island, UHI)[1]。較高的城市溫度會對能源消耗、室外熱舒適度、空氣質量、人類健康等造成不利影響[2]，產生一系列生態環境問題，進而影響社會可持續發展。過去幾十年對城市熱島的研究集中在時空分異特征、機制與模擬、影響因子、減緩策略以及與城市化響應等方面[2?5]。就氣候區而言，對熱帶低緯度濱海城市的關注較少[6]。城市是一個復雜的巨系統，具有離散性等級層次；等級理論認為復雜系統具有“可分解性”，通過賦予系統層次關系，可以便捷地研究和描述系統結構與功能、理解其“尺度感”[7]。當前針對城市熱島等級劃分的研究較少[3, 8?9]，隨著景觀生態學理論引入城市熱島研究，“城市熱力景觀”格局研究出現了新思路。陳云浩等[10]建立了熱力景觀格局評價體系，陳愛蓮等[11]篩選出能較準確描述熱力景觀格局的景觀格局指數，鄧睿等[12]和楊麗萍等[13]引入景觀格局指數描述了熱力景觀的時空演變特征，池騰龍等[14]使用熱環境變化指數、熱力景觀格局指數和地理信息系統(GIS)標準差橢圓分析描述了武漢市熱環境時空演變規律?？梢?，景觀格局指數對熱力景觀格局評價具有適應性。?？谑侵袊湫蜔釒u嶼型省會城市，熱島具有典型性；隨著城鎮化不斷深入，?？诔鞘幸幠２粩鄶U大，城市熱島問題日益凸顯。王中正[15]使用單期Landsat-8影像論證了溫度反演方法，但未對?？跓釐u時空分異特征進行分析。本研究采用單窗算法對?？?期Landsat遙感影像進行地表溫度反演，利用標準化處理構建熱場變異指數并劃分熱島等級強度，結合目視分析和地理剖面分析研究熱環境時空演變，用地統計學分析和景觀格局指數法量化熱力景觀時空分異特征，旨在為人居環境改善、城市生態可持續發展提供理論依據。

1 研究對象與方法

1.1 研究區概況

?？诘靥幒Ｄ蠉u北部、低緯度熱帶北緣，陸域面積2 284.49 km2，海岸線136.23 km，陸域大部為海拔100 m以下的臺地和平原，屬熱帶海洋性季風氣候，年均降水量2 607 mm，年均日照時數2 000 h以上，年平均氣溫24.3 ℃。城市熱島效應在6?8月最為顯著。2019年常住人口232.79萬人，非農業人口183.39萬人，城鎮化率78.8%。生態環境問題嚴重，對居民生活與城市可持續發展造成了不利影響。

1.2 數據來源與預處理

數據來源為美國地質調查局(USGS)官網。選取原則：低云量、氣象狀況良好、氣溫接近、時間統一集中(6?8月)；每期由三景影像拼接而成，且以行代號12446的一景為主，其面積占95%以上。詳細參數信息見表1。預處理：影像輻射定標；FLASH模型大氣校正；以谷歌地球(Google Earth)高分影像和?？谑锌傮w規劃圖為參照，進行幾何精校正，誤差控制在0.5個像元內。

表1 ?？谑羞b感影像數據信息Table 1 POI data classification statistics

1.3 研究方法

1.3.1 地表溫度反演 參照王中正[15]方法基于單窗算法進行地表溫度 (land surface temperature，LST)反演，獲取?？谑械乇頊囟葦祿?；地面氣溫參數源于國家氣象科學數據共享服務平臺。單幅影像利用ENVI 5.0處理生成LST圖，各期3幅LST圖導入Erdas 8.6進行交叉邊界裁剪、融合，之后基于行政邊界進行裁剪，生成分辨率為30 m的LST柵格數據(圖1)，精度可滿足研究需求[16?17]。由于大面積云層及陰影會干擾后續分析，因此2000和2005年分別裁剪掉65.662 6和19.359 0 km2的異常低溫區域。

圖1 研究區地表溫度反演結果示意圖Figure 1 Inversion results of land surface temperature

1.3.2 熱島強度計算及等級劃分 采用熱場變異指數 (heat index, HI)界定熱島強度[16]，標準化處理后，對熱環境景觀的時空格局進行縱向比較與分析(圖2)。計算公式為：IH＝(Tn?Tmean)/Tmean。其中，IH表示相對地表溫度，無量綱；Tn表示研究區域內第n點的地表溫度；Tmean表示研究范圍內的平均地表溫度。根據武鵬飛等[17]研究，基于自然斷點法劃分10個熱島強度空間等級：Ⅰ表示極強冷島，Ⅱ表示較強冷島，Ⅲ表示中等冷島，Ⅳ表示較弱冷島，Ⅴ表示弱冷島，Ⅵ表示弱熱島，Ⅶ表示較弱熱島，Ⅷ表示中等熱島，Ⅸ表示較強熱島，Ⅹ表示極強熱島。

圖2 研究區熱場變異指數分布格局示意圖Figure 2 Distribution pattern of heat index

1.3.3 地表溫度圖像剖面線分型 基于 ArcGIS 平臺的 3D Analyst工具，繪制地表溫度剖面圖。分析剖面線的城市熱島時空分異規律，推斷城市熱島在空間方向上的發展態勢；結合地物特征，分析“山脊”“谷”“高原”“盆地”和“高峰”及其波動變化的原因[18]，判讀熱島景觀格局的時空異質性。

1.3.4 熱環境演變特征指標 ①熱環境變化指數。熱力景觀變化主要包括速度與強度，可用變化速度指數 (change speed index，ICS)和變化強度指數 (change intensity index，ICI)進行量化，單位均為 %。其中，ICS表征變化速度與趨勢；ICI是通過空間單元將擴張速度標準化，以描述單位面積可承受的最大強度[14]。ICS和ICI越大，表明相對高溫區域擴張速度越快，趨勢越明顯，熱環境效應越強。計算公式為：ICS＝(ΔAij/AiΔt)×100%，ICI＝(ΔAij/SΔt)×100%。其中，ΔAij表示相對高溫區從第 i年到第 j年間的變化面積；Ai表示第i年的相對高溫區域面積；Δt表示研究的時間長度；S表示研究區域總面積。②熱力景觀格局指數。使用30 m精度的柵格數據，基于Fragstats 4.2軟件平臺計算熱力景觀格局指數。結合研究需求從斑塊類型水平上選取斑塊密度(PD)、平均斑塊面積(AREA_MN)、最大斑塊指數(LPI)、面積加權平均形狀指數(SHAPE_AM)、斑塊內聚力指數(COHESION)、景觀形狀指數(LSI)和聚合度(AI)等7個指標，從景觀水平上選取斑塊數量(NP)、PD、AI、AREA_MN、SHAPE_AM、多樣性指數(SHDI)和均勻度指數(SHEI)等7個指標，從數量、形狀和結構角度表征熱力景觀格局時空變化[11?12]。

1.3.5 不透水面數據獲取 熱力景觀演變與城市發展密切相關，結合Landsat與谷歌地球影像數據目視解譯，得到5個時段不透水面的格局變化圖(圖3)，以與熱力景觀格局相呼應。

圖3 研究區不透水面分布示意圖Figure 3 Impervious surface distribution

2 結果與分析

2.1 熱島強度時空分布與結構

2.1.1 熱島強度面積特征 斑塊尺度與時空分布是景觀要素研究的重要參數，可為景觀水平的生態保護研究提供理論依據[19]。依據熱場變異指數劃分的熱島強度等級面積擬合曲線，由圖4可知：5期均為“中間大，兩頭小”的正態分布特征，峰值均集中在Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ 等3個等級，3級之和依次占總面積的67.51%、68.19%、60.52%、68.05%和50.25%，表明19 a間Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ 等3個等級占主導格局地位；Ⅰ、Ⅱ、Ⅸ、Ⅹ 等4級之和依次占總面積的8.74%、3.93%、6.83%、6.69%和13.98%，同時Ⅰ和Ⅹ 之和占比依次為1.72%、0.37%、1.70%、2.04%和3.24%，表明存在冷、熱島強度等級中心。

圖4 熱島強度等級面積擬合曲線Figure 4 Heat island intensity grade area fitting curve

2.1.2 熱島強度等級斑塊空間分布特征 綜合熱場變異指數空間分布 (圖 2)與不透水面分布 (圖 3)發現：5期熱島強度等級斑塊主要與其城鄉建設用地分布相吻合，集中在開發強度大的工商業集中區、人口密集區和部分裸地區域，熱場變異指數以這些區域為核心向郊區不斷降低，但5期熱場變異指數等級內部有明顯的時空差異。2000年熱島等級中心呈“單一連片中心主導，多中心散布”形式；“單一連片中心”分布于粵海通道、金沙灣和西海岸片區，是因這一區域正處于開發建設期；“多中心”于主城區主要在舊城、中心商務、水城和靈山片區、藥谷和金盤工業園、獅子嶺開發區及美蘭機場，郊區主要在鄉鎮鎮區和裸露河灘。2005年為“多中心散布”；主城區主要在粵海通道、金沙灣、西海岸、金貿、海甸、中心商務、水城和桂林洋濱海片區、藥谷和金盤工業園，2000年的“單一連片中心”依然是高溫集中區，但不再連結成片；郊區中心較2000年減少很多。2010年呈“單一中心主導，多次中心集中”及“多中心”的形式；“單一中心”指金沙灣和西海岸片區的高強度開發帶；“多次中心”集中于中心城區的秀英、金盤片、大英山和府城片區，城建活動頻繁且分布廣致使裸地增多、熱島中心集中；“多中心”在主城區有新埠島、水城、靈山和桂林洋綜合片區，獅子嶺開發區、火車南站下方的裸地、美蘭機場和省教育科研基地，這些區域同樣處于快速建設階段，“多中心”在郊區分布同前。2015年呈“連片中心主導，多中心散布”形式；“連片中心”指中心城區主要片區都存在熱島中心，表明中心城區產熱量大、散熱不足；“多中心”在主城區有獅子嶺開發區、水城片區及其西側的開發用地、靈山、桂林洋綜合片區、美蘭機場，郊區主要是各集中居民點、裸露河灘，郊區綠地多、散熱功能較城區更好，因而無大片極強熱島。2019年呈“主城區多中心集中，郊區多中心散布”的形式；“主城區多中心”指除靈山片區以外的主要功能區都有極端熱島分布，尤以江東新區極端熱島增長最為顯著，其城建范圍與速度增長均較快，形成新的熱島集中區，這與?？凇皷|優”發展戰略、國際自貿港建設的政策導向相吻合；“郊區多中心”指極端熱島與較集中的聚居點或高強度開發的地點相一致。綜上，從2000到2019年熱島等級中心集中區呈“西海岸→建成區→江東新區”和“西海岸→西南老城方向”的轉移態勢，且不斷向城鄉交錯帶擴散，呈范圍擴散、速度遞增的趨勢。極強熱島在郊區分散于主要鎮區或者裸地，未形成規模?？梢?，主要熱島中心分布在主城區，與城鎮擴張模式與城市發展階段密切相關，“攤大餅”式的主城區擴張模式使得人口、建筑密集、城市綠化不足，導致自然散熱條件差，因此形成極端熱島集中區；而衛星城鎮的密集式開發，亦會形成小型熱島中心。

2.1.3 熱力景觀格局溫度剖面分析 結合?？谑胁煌杆鏀U散與轉移方向(圖3)，設置3條地表溫度剖面，其中，樣線的“谷”和“盆地”多表示密林、水域、濕地或生長期稻田，稻田生長階段不同會導致其LST差別明顯；而“山脊”“高原”和“高峰”則多為密集建筑區、裸地和工業區，尤其人口密集的市中心熱輻射較嚴重。由北—南地表溫度剖面圖(圖5A)可知： 2000、2010和2015年地表溫度呈“減—增—波動”的特征，2005年整體“遞減”，2019年為“減—增—減—增”態勢。具體來看，0～15 km的主城區段一直處于“高原”區，5期均波動遞減，“谷”出現在3.1 km處的海甸溪、8.7 km處的五公祠附近和14.8 km處的玉龍泉濕地公園，“高峰”各期均不一致；0～15 km的郊區段各年變化均不一致，但“谷”和水域、密林等冷島區域對應，“高峰”與鄉鎮鎮區或裸地對應。2000年18～36 km呈“盆地”特征，36～66 km段“山脊”“谷”“高峰”交替出現。2005年36～66 km段波動無明顯規律，結合熱遙感影像可知，此時該段農田大量裸露，60～63 km出現的“山脊”屬異常值。2010年22～31 km段集中出現“谷”。2019年整體平穩，28 km處的“高峰”與熱島強度等級中心對應。由西北—東南地表溫度剖面圖(圖5B)可知：5期在0～39 km區段上變化較一致，均為“減—增—減—增—減”的特征；西海岸段(0～15 km)遞減，主城區段(9～27 km)是“高原”區，南渡江流域(27～30 km)為“谷”，美蘭機場區域(30～39 km)是“高峰”密集區。區別在于2000?2010年西海岸段(0～15 km)處于高速開發階段，有明顯“高峰”，而到2015?2019年隨著老城區更新、江東新區開發熱，“高峰”消失；三江鎮區域(39～54 km)耕地、林地和養殖塘交叉分布，且耕地或采收或處于生長期，5期特點各不相同。由東北—西南地表溫度剖面圖(圖5C)可知：5期在0～18 km區段上變化規律類似，均為“減—增—減”趨勢；新埠島(0～3 km)由“高峰”(西坡新村)驟降到“谷”(橫溝河)；中心城區(3～15 km)是“高原”區，多“高峰”在金盤工業園；獅子嶺開發區(15～21 km)未連成片，與河流、坑塘、林地和耕地相交錯，因而“高峰”“谷”交替出現。

圖5 地表溫度空間剖面對照Figure 5 Spatial profile control for land surface temperature

2.2 熱力景觀格局指數變化特征

2.2.1 熱環境變化指數分析 將Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ 等3個等級作為相對高溫區量化熱島轉移特征。由表2可知：2000?2005年和2005?2010年高溫斑塊擴張較多，ICS和ICI也較高；2010?2015年ICS和ICI很小，2015?2019年甚至成為負值。結合?？谛略龈邷匕邏K時空變化(圖6)與不透水面分布(圖3)可知：就主城區而言，2000?2005年高溫斑塊擴張主要發生在西海岸、長流、金盤和秀英片區及獅子嶺和金鹿工業區、省教育科研基地，2005?2010年主要發生在長流、海甸、府城、濱江和白龍片區及獅子嶺和金鹿工業區，2010?2015年主要發生在長流片區及西南老城方向，2015?2019年主要發生在江東片區的美蘭機場到桂林洋濱海片區一帶及西南老城方向。2000?2005年和 2005?2010年郊區溫斑塊擴張較多，主要是觀瀾湖地區開發，其次是小型城鎮、耕地或河灘的擴張。

圖6 ?？?4個時間段新增高溫斑塊分布示意圖Figure 6 Distribution of new high-temperature plaques in 4 time periods in Haikou

表2 ?？谑懈邷匕邏K擴張的變化速度指數和變化強度指數Table 2 ICS and ICI of high-temperature plaque expansion in Haikou

2.2.2 斑塊類型水平上的熱力景觀格局演變分析 由圖7可知：?？跓崃坝^格局在2000?2019年變化較大。就斑塊密度來看，Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ等 5個等級都在2010年達到峰值，之后逐漸減??；表明在城市化過程中，熱島斑塊先縮小后擴張，由大而集中到小而分散再到大而集中，熱力景觀斑塊破碎度隨之體現為先增加后減小。對于平均斑塊面積而言，Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ 都在2010年達到谷值，之后逐漸增大，2019年數值分別是2010年的11、19、18倍，說明熱島斑塊先逐漸分解后連接成片。5期數據中，最大斑塊指數分別出現在Ⅴ、Ⅵ、Ⅵ、Ⅳ、Ⅳ級，表明Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ 優勢度最大；Ⅹ級的最大斑塊指數由2000年的0.13增加到2010年的0.24再減小到2019年的0.15，即優勢度先增大后減小，反映了研究期間?？跓釐u效應先增強后減弱。由面積加權平均形狀指數來看，5期數據形狀最復雜的分別是Ⅳ、Ⅳ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ級，表明非極端冷、熱島始終占據主導格局；各期由Ⅳ到Ⅶ的變化規律不一致，但最值均由弱冷島向弱熱島轉移，表明建設活動在一定程度上加劇了熱力景觀的復雜性。測定各期斑塊內聚力指數，Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ級變化各不相同，與熱島集中區的轉移擴散密不可分，說明?？跓釐u效應具有階段性。不同熱力等級景觀形狀指數Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ級較大；Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ級較小，熱力景觀斑塊也較簡單規則，且皆以2010年為界先遞增、后平穩波動。5期數據中聚合度變化整體呈增大趨勢，Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ 級變化最為顯著，表明雖然面積有限，但高溫斑塊連通性增強，有較強的空間聚合趨勢，易出現連片熱島。

圖7 熱力景觀在斑塊類型水平上的景觀指數變化Figure 7 Change of landscape index on the level of patch type in thermal landscape

2.2.3 景觀水平上的熱力景觀格局演變分析 由表3可知：斑塊數、斑塊密度和聚合度以2010年為界，先遞減后遞增，平均斑塊面積波動增大，三者共同反映了?？跓崃坝^破碎度先遞增后銳減；?？诶铣菂^更新、西海岸與長流一帶以及江東新區的階段性開發，導致高溫熱島斑塊出現階段性的聚集與擴散，相應斑塊復雜性先增大后減小。面積加權平均形狀指數呈波動上升的趨勢，斑塊復雜性波動上升。斑塊內聚力指數均大于98.5，表明同類別型斑塊具有高連通性。多樣性指數和均勻度指數皆以2010年為界，先遞減后遞增，表明等級斑塊均勻度先增加后減小，熱力景觀豐度、復雜性和異質性先提升后下降?？傮w上，熱力景觀破碎度、連通性與聚合度的階段性變化反映了?？跓釐u集中區轉移、擴散。

表3 熱力景觀在景觀水平上的景觀指數變化Table 3 Landscape index change of thermal landscape at landscape level

3 結論與討論

研究發現：5期熱島強度等級均符合正態分布規律，其中較弱冷島、弱冷島和弱熱島斑塊占主導格局，但極強冷、熱島“兩頭小”的景觀格局依然存在。與陳康林等[3]發現廣州市弱冷島、弱熱島面積之和約占總面積的58%，且極強熱、冷島等級存在的結果較吻合，表明熱島強度等級會對局域熱環境產生作用。熱島強度等級中心由西海岸分別向江東新區和西南老城方向轉移，與不透水面擴張方向保持一致。結合熱環境變化指數分析可知：2000?2010年高溫區擴張最快，主要集中在中心城區和西海岸；2010?2019年擴張很慢，高溫中心轉移到江東新區和西南老城方向，且在美蘭機場附近形成連片熱島。與雷金睿等[20]發現?？谥鞒菂^熱島空間質心分布基本一致；直到2019年，江東新區快速開發導致出現連片熱島，與雷金睿等[20]發現質心僅向西南方向轉移不完全一致，是因為研究時間不同?？梢?，城市擴張具有極強的政策導向性，相關部門應將熱環境問題納入城市發展范疇，以避免江東新區熱島與中心城區接連成片。

地表溫度剖面分析表明：中心城區始終是“高原”區，19 a來無顯著改善，西海岸的“高峰”隨著城市建設重心的東移逐漸消失，獅子嶺等工業區、美蘭機場區域多“高峰”，“谷”通常出現在水域、林地等降溫效果明顯的地物周邊，進一步驗證了等級理論。從斑塊類型水平來看，2000?2010年?？跓釐u斑塊不斷縮小、大型板塊逐漸分解、斑塊形狀愈加復雜、熱島效應不斷增強；2010?2019年熱島斑塊不斷擴張、小版塊逐漸連接成片、斑塊形狀變化趨于平穩、熱島效應不斷減弱；研究期間熱島斑塊連通性不斷增強、聚合度越來越高，易出現連片熱島。從景觀水平看，2000?2010年冷熱島斑塊破碎度、復雜性和均勻度不斷增大，2010?2019年不斷減??；研究期間同類別熱力斑塊連通性很高。與鄧睿等[12]發現重慶2001?2014年各景觀指數單續遞增或遞減的規律不一致，表明兩市發展水平及階段不同。

綜上，等級理論為描述熱力景觀的細節變化奠定了基礎，熱力景觀格局指數利于揭示其空間布局、組成多樣性及時空分異特征，是分析熱力景觀格局的重要工具。當然，熱力景觀格局是具有尺度依賴性與變異性的，需通過不同幅度下的熱力景觀進一步比較研究。深入理解城市熱島在經濟發展、城市規劃建設的不同階段的時空變化，對改善城市熱環境、建設生態宜居城市意義重大。