土地利用/覆蓋和植被蓋度時空格局變化對城市群熱環境的影響

楊 浩， 張 輝， 王少彬

(1.北京大學經濟學院，北京 100781； 2.北京市社會科學院，北京 100101； 3.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101)

城市化進程引致的土地利用/覆蓋和植被蓋度變化改變了地表與大氣間的水分和能量交換過程，導致了城市熱環境的改變[1-4]。而以林地、濕地、草地等土地覆蓋類型所形成“城市冷島”是有效緩解城市熱環境惡化的重要影響因素[5-7]。隨著城市環境問題及城市小氣候問題越來越受重視，土地利用/覆蓋變化和植被蓋度變化與城市熱環境之間的形成機制與作用效果等問題愈發受到學術界的重視，現已成為生態學、地理學、氣象學、環境科學的重要研究熱點之一[7-8]。

近年來，大量文獻論證了土地利用/覆蓋與植被蓋度變化對城市熱環境的影響。莫新宇等選取蘇州作為研究區，分別利用1986年和2004年2個時相的Landsat5 TM影像數據對研究區土地利用/覆蓋類型進行分類，并采用熱紅外波段進行地表溫度反演，得出了城市熱島范圍由老城區向四周成倍擴大，熱島強度由3.12°增至4.76°的結論，同時證明了表明熱島效應變化與土地利用時空變化之間具有明顯的對應關系[9]。李增加等利用Landsat TM/ETM+數據的熱紅外波段，通過單通道算法，反演西雙版納地區的地表溫度，并對西雙版納地表溫度演變的規律進行了分析，證明了內旱地、灌木林、有林地、荒草地等植被覆蓋對區域熱效應貢獻較大，水體、水澆地、建設用地、灘涂和水體的熱效應貢獻較小的結論[10]。曹崢等將WRF模式應用于棗莊城市的熱島模擬研究中，結果證明，棗莊地區各土地利用類型對城市熱島的貢獻率大小排序為：城鎮建設用地>農田>林地>未利用地>草地>水體[11]。任敏分析了聊城市2013、2015年的TM和ETM+遙感圖像，基于此對聊城市土地利用變化與熱島效用之間的關聯進行了定量分析，結果顯示研究區內土地利用的變化使得城市熱島效用發生的區域分布更為廣泛[12]。劉航等選取2000、2015年5個時相Landsat系列影像數據，利用單窗算法反演地表溫度，獲取了近10年武漢市城市熱島效應變化結果，得出了建筑用地面積的增加是城市熱島強度面積擴張的重要影響因素[13]。

從已有的文獻來看，目前對于城市熱環境研究的空間尺度較小，多選擇單一城市或縣域作為研究對象，而將城市群作為研究區域的研究并不多。由于土地利用/覆蓋與植被蓋度變化對環境的影響具有典型的空間擴散性[14-15]，因此，將城市群視作一個有機的整體作為研究對象，探尋區域土地利用/覆蓋變化對城市群氣候變化的貢獻率，不僅對地區生態環境保護具有重要的參考價值，也對城市群的健康發展具有重大的戰略意義。

1 研究區域

城市群是城市發展到成熟階段的一種高級空間組織形式[16]，是由若干大都市區、都市區和外圍縣組成的大中小城市和小城鎮，依托發達的交通、能源、通信等軸線發展形成的呈不規則集合狀布局的多中心城鎮群體。京津冀城市群作為全國文化、政治中心，地處于環渤海地區和東北亞核心重要區域的特殊地理位置，國土面積約22萬km2，是中國城市分布最密集、綜合實力最強的區域之一，地域范圍涵蓋北京市、天津市與河北省11個設區市的80多個縣(市)，2016年地區生產總值約為68 857億元，是中國北方經濟的重要核心區。近年來在京津冀一體化國家發展戰略的驅動下，區域內優勢互補、良性互動、協調發展的局面正在逐漸形成。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

土地利用/覆蓋類型數據來自中國科學院地理科學與資源研究所生產的國家尺度土地利用/覆蓋變化數據庫(http：//www.resdc.cn)。土地利用/覆蓋數據基于Landsat TM遙感影像解譯而成，每5年生產1期，空間分辨率為 1 km，數據經過野外實地驗證，土地利用/覆蓋一級分類精度可以達到94.3%以上。數據集共分為林地、草地、水體、耕地、城鎮建設用地、裸地共6個一級類，基本涵蓋了京津冀城市群的主要土地利用/覆蓋類型，本研究選取2000年和2015年2期土地利用/覆蓋數據。植被蓋度數據基于MODIS NDVI(Normalized Difference Vegetation Index；https：//modis.gsfc.nasa.gov/)數據計算獲取，采用混合像元二分模型，具體計算方法如下：

FVC=(N-Ns)/(Nv-Ns)。

式中：N為每個柵格的NDVI值，Ns為裸露地表的NDVI值，Nv為全植被覆蓋時的NDVI值。本研究選用2000年和2015年2期的NDVI數據，計算相應年份的植被蓋度。

2.2 WRF模式

在區域氣候研究領域，中尺度氣象數值模擬可以較好地刻畫土地利用/覆蓋與植被蓋度變化對城市熱環境的貢獻值[17-18]。目前普遍應用的中尺度數值模式包括：MM5(非靜力移動套網格格點模式)、MC2(半拉格朗日半隱式寬帶格點模式)、REM(靜力格點模式)、WRF(非靜力格點模式)等。在近年的研究中，WRF(weather research and forecasting model)模式因具有高度模塊化、并行化和分層設計技術、更為合理的模式動力框架、先進的三維變分資料同化系統、更豐富的內部參數化方案等優勢逐漸成為中尺度數值模擬的主流工具[19]。因此，選用WRF模式對京津冀城市群土地利用/覆蓋和植被蓋度變化對熱環境的影響進行模擬研究。

WRF模式的驅動數據有2種：下墊面數據和大氣背景場數據。下墊面數據主要包括土地利用/覆蓋類型和植被蓋度，能夠影響地表與大氣之間的能量、動量和水分交換；大氣背景場數據包括大氣狀態變量(氣溫、位溫、風場、濕度和氣壓等)。WRF模式通過讀取用戶提供的下墊面數據和大氣背景場數據，模擬地-氣相互作用，計算并輸出區域氣候要素。本研究通過更改下墊面土地利用/覆蓋類型和植被蓋度，同時保持大氣背景場一致，通過對比2次模擬結果的差異，得到土地利用/覆蓋變化或植被蓋度變化對區域氣溫的影響。

2.3 模擬方案設計

采用WRF模式V3.61版本對京津冀城市群土地利用/覆蓋和植被蓋度變化進行氣候數值模擬研究。模擬時間范圍為2000—2015年。設計了3層嵌套方案，模擬區分為3層，范圍從大到小分別為d01、d02和d03，其中d01的中心點位于117.07°E、40.19°N，而d03為整個京津冀城市群范圍。數據投影類型為Lambert，雙緯線分別為25°N和47°N，中央經線為105°E。水平格網數分別為111×75、166×112和249×169，3個尺度的空間分辨率分別為27 km、9 km和3 km。WRF中的模擬范圍如圖1所示。主要物理過程參數化方案包括：LSM陸面過程方案、CAM3輻射方案、WSM3-class simple ice微物理方案、Kain-Fritsch(new Eta)scheme積云對流方案和YSU邊界層方案，其中僅d01采用積云對流方案。該模式所需要的大氣邊界場數據及土壤數據來自NCEP/FNL和NCEP/NCAR再分析資料集。

在WRF模式中將采取3組方案來進行對比分析，對2000年和2015年的京津冀城市群氣溫分別進行模擬，分析由于土地利用/覆蓋和植被蓋度變化所導致的氣候效應。以2000年1月1日至2015年12月31日為氣候背景場，為每組方案輸入數據及參數(表1)。方案A和方案B結果對比，可分析出土地利用/覆蓋變化和植被蓋度變化即(LUCC)同時導致的2000—2015年氣溫變化，可認為是15年來京津冀城市群由于地表變化引起真實氣溫的變化。方案C和方案A結果對比分析，可獲得單純由土地利用/覆蓋變化引起的氣溫變化，此情景未考慮在土地利用/覆蓋類型未發生變化區域植被蓋度變化對氣溫產生的影響。方案D和方案A結果對比分析，可獲得由土地利用/覆蓋未發生變化區域的植被蓋度變化引起的氣溫變化，此情景視為方案C的對照情景。這種模擬方案設計的目的是檢驗土地利用/覆蓋變化和植被蓋度的變化，并分析哪種變化對京津冀城市群的氣溫影響更大。

在季均區域溫度模擬中，按照“氣象劃分法”將一年劃分為春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12月—次年2月)，分別對2000年和2015年的每一季進行模擬計算，可以分析出土地利用/覆蓋變化和植被蓋度變化對京津冀區域氣候效應的影響。

表1 試驗設計方案及相關說明

注：(1)2000—2015土地利用/覆蓋變化區域采用2015年地表參數，無變化區域采用2000年地表參數；(2)2000—2015土地利用/覆蓋變化區域采用2000年地表參數，無變化區域采用2015年地表參數。

3 結果與分析

3.1 城市群土地利用/覆蓋變化和植被蓋度變化對區域氣溫的影響

運用WRF模型模擬京津冀城市群的區域氣候效應，可獲得2000—2015年京津冀城市群土地利用/覆蓋和植被蓋度變化(統稱為LUCC)過程對年均氣溫變化的影響呈現明顯的空間分異特征(圖2)。

LUCC過程對不同城市表現出不同的溫度效應(圖3)，其中北京市、天津市、唐山市和廊坊市溫度升高，其他城市則呈降溫趨勢。同時LUCC變化過程使京津冀城市群年均氣溫降低0.07 ℃。

2000—2015年京津冀城市群LUCC過程對季均氣溫的影響亦呈現出明顯的時空分異特征(圖4和表2)。LUCC對京津冀城市群在春季和冬季呈現增溫效應，而夏季和秋季呈現出降溫效應。分季節看，夏季除天津市增溫0.17 ℃外，LUCC過程使京津冀城市群降溫0.33 ℃；秋季LUCC過程使京津冀城市群降溫0.03 ℃，其中降溫地最明顯的是位于城市群西北部的張家口市和承德市，而天津、廊坊、唐山和北京有不同程度的升溫效應。春季除張家口市和承德市呈現降溫趨勢以外，其他城市均呈明顯升溫趨勢；冬季平均溫度變化較其他季節趨于平穩，出現增溫的區域主要集中在北京市、天津市和廊坊市。

通過計算主要土地利用/覆蓋類型轉換對季均與年均氣溫的影響(表3)可以看出：城鎮建設用地侵占耕地、林地、草地和濕地等生態用地使年均溫度呈顯著上升趨勢。其中草地開墾為耕地促使年均氣溫下降0.21 ℃；濕地與耕地相互轉化過程中表現出耕地比濕地具有更高的年均氣溫；而其他土地利用/覆蓋類型轉變過程對年均氣溫的影響則不明顯。分季節看，不同土地利用/覆蓋變化對季均氣溫的影響表現出明顯的差異。城鎮建設用地侵占其他生態用地類型過程中，秋季平均氣溫變化最為顯著，而其他生態用地之間進行土地利用/覆蓋類型轉換時，夏季是溫度變化最為明顯的季節。

2000—2015年京津冀城市群植被蓋度與其他土地利用類型變化對氣溫的影響呈現出一定的差異性(表4)。植被蓋度對氣溫影響排序為： 草地(0.19 ℃)>林地(0.13 ℃)>濕地(0.06 ℃)>耕地(0.05 ℃)。植被蓋度變化導致的季節平均溫度變化在夏季最為顯著，其中草地由于植被蓋度變化導致溫度下降0.48 ℃，林地下降0.43 ℃，耕地和濕地分別下降0.29 ℃和0.20 ℃；秋季溫度變化次之，其中草地由該變化導致溫度下降0.19 ℃，林地下降0.11 ℃。而在其他土地利用類型中，城鎮建設用地使區域年均氣溫升高0.11 ℃，分析季節溫度變化的趨勢可以看出城鎮建設用地在春季和秋季升溫作用明顯，分別升高0.18 ℃和0.17 ℃，而夏季和冬季升溫作用均不明顯，均為0.05 ℃。

表2 2000—2015年LUCC過程對各市季均氣溫的影響

表3 2000—2015主要土地利用/覆蓋類型轉換對季均與年均氣溫的影響

通過對比分析2000—2015年京津冀城市群不同土地利用/覆蓋類型的植被蓋度變化對氣溫的影響，來進一步揭示LUCC對氣候的影響強度年均差異(表3、表4)。總體來看，由草地、耕地、林地、濕地等生態用地轉為城鎮建設用地的土地利用/覆蓋變化對氣候的影響強度遠高于其他類型土地利用/覆蓋變化以及植被蓋度變化各類植被蓋度變化對氣候的影響強度。

表4 2000—2015年各植被蓋度及其他土地利用類型變化對季均與年均氣溫的影響

3.2 京津冀城市群土地利用/覆蓋變化對區域氣溫的影響

采用WRF模型模擬2000—2015年土地利用/覆蓋對京津冀城市群氣候的影響效應，結果顯示，2000—2015年土地利用/覆蓋變化使京津冀城市群年均氣溫增加0.04 ℃。從空間分布來看，京津冀城市群土地利用/覆蓋變化對年均氣溫變化的影響呈現出明顯的空間分異特征(圖5)，由土地利用/覆蓋變化引起的升溫效應主要集中在天津市(0.24 ℃)、北京市(0.18 ℃)和廊坊市(0.15 ℃)(圖6)。

從時間尺度來看，2000—2015年京津冀城市群土地利用/覆蓋變化過程對氣溫的影響呈現出明顯的時空分異特征(圖7、表5)。土地利用/覆蓋變化對不同季節的氣溫影響大小排序為：秋季(0.07 ℃)>春季(0.05 ℃)>夏季和冬季(0.03 ℃)。其中天津市由于土地利用/覆蓋變化產生的季節增溫效應最為明顯，在溫度變化最為顯著的秋季，天津市溫度升高達到0.30 ℃，廊坊市和北京市和唐山市分別增溫0.24、0.21、0.15 ℃，其他地區均低于0.1 ℃。不同于城市群溫度變化整體特征，在北京市、天津市、廊坊市和唐山市夏季溫度變化幅度僅次于秋季，分別達到了0.19、0.27、0.14、0.12 ℃。春季增溫的重點區域為天津市、北京市和廊坊市，分別增加0.21、0.17、0.15 ℃，其他地區也呈增溫趨勢，但均在0.06 ℃以下。冬季各城市由于土地利用/覆蓋變化導致溫度變化較其他季節相對平穩。只有天津市和北京市冬季平均溫度升高明顯高于其他城市，分別增加0.18、0.15 ℃，而其他城市溫度增加均在0.07 ℃以下，其中張家口市冬季平均溫度降低0.01 ℃。

表5 2000—2015年土地利用/覆蓋變化對各市季均氣溫的影響

3.3 土地利用/覆蓋與植被蓋度變化對城市群氣候影響的對比分析

通過對比分析2000—2015年土地利用/覆蓋變化和LUCC過程對京津冀城市群平均氣溫的影響(表6)，可以看出，城市群土地利用/覆蓋變化對年均氣溫變化的影響明顯比LUCC過程的氣溫效應緩和。在LUCC的作用下，城市群全年平均氣溫下降了0.07 ℃，其中土地利用/覆蓋變化致使城市群全年平均氣溫增加了0.04 ℃。通過計算二者之差，可以計算得出植被蓋度變化導致城市群降溫0.11 ℃，這表明植被蓋度變化對區域年均氣溫的影響力大于土地利用/覆蓋變化的影響力。

從時間尺度來看，土地利用/覆蓋變化與LUCC對城市群各季節平均氣溫影響存在一定的差異性。夏季土地利用/覆蓋變化導致城市群溫度增加0.03 ℃，而LUCC綜合氣候效應則為土地利用/覆蓋氣候效應的11倍。春季土地利用/覆蓋變化導致京津冀城市群溫度增加0.05 ℃，而LUCC綜合氣候效應只有土地土地利用/覆蓋氣候效應的1.8倍。其余季節氣候效應較為平穩，其中秋季土地利用/覆蓋變化導致氣溫增加0.07 ℃，而LUCC綜合氣候效應使平均溫度降低0.03 ℃。冬季土地利用/覆蓋變化溫度升高0.03 ℃，而LUCC過程使城市群溫度升高0.01 ℃。

從空間尺度來看，土地利用/覆蓋變化與LUCC對不同城市的氣溫影響差異較大。其中天津市和北京市由于土地利用/覆蓋變化導致升溫較高，分別為0.09、0.22 ℃；而LUCC綜合氣候效應導致北京市、天津市、唐山市、廊坊市升溫，其余城市氣溫降低。分季節來看，對于北京市、天津市、唐山市和廊坊市以土地利用/覆蓋變化為主的城市，各季節差距較小。但對于以植被蓋度為主的區域，LUCC綜合氣候效應要明顯高于土地利用/覆蓋變化氣候效應，具體排序為夏季﹥春季﹥秋季﹥冬季。其中張家口與承德市夏季的負增溫效應最為明顯。

4 結論

2000—2015年LUCC變化過程使京津冀城市群年均氣溫降低0.07 ℃，同時LUCC對季均氣溫的變化亦呈現出明顯的時空分異特征，其中，春季和冬季呈現增溫效應， 夏季和秋季呈現降溫效應；城鎮建設用地侵占耕地、林地、草地和濕地等生態用地使年均和季均平均溫度呈顯著上升趨勢；植被蓋度對氣溫影響排序為：草地(0.19 ℃)>林地(0.13 ℃)>濕地(0.06 ℃)>耕地(0.05 ℃)。

表6 京津冀城市群各市LUCC對平均氣溫影響

注：A為土地利用/覆蓋變化對平均氣溫的影響，B為LUCC對平均氣溫的影響。

京津冀城市群土地利用/覆蓋變化對年均氣溫變化的影響呈現出明顯的空間分異特征，升溫變化地區主要集中在天津市(0.24 ℃)、北京市(0.18 ℃)和廊坊市(0.15 ℃)。土地利用/覆蓋變化對不同季節的氣溫影響大小排序為：秋季(0.07 ℃)>春季(0.05 ℃)>夏季和冬季(0.03 ℃)，其中天津市季節增溫效應最為明顯，在秋季溫度升高達到0.30 ℃。不同于京津冀城市群溫度變化的整體特征，北京市、天津市、廊坊市和唐山市夏季溫度變化幅度僅次于秋季；而生態用地轉為城鎮建設用地等城市擴展活動對區域氣溫的影響強度最大，遠高于其他類型土地利用/覆蓋變化以及植被蓋度變化對區域氣溫的影響。