長春市城市擴張及其微氣候響應

李薇，李曉燕

(1.吉林大學 地球科學學院，長春 130061；2.南京大學 地理與海洋科學學院，南京 210023)

0 引言

熱島效應作為城市氣候最具代表性的特征之一，能形成城郊環流，積聚空氣污染物，破壞生態環境，威脅人民身體健康，是生態環境課題的重要研究內容。要緩解城市熱島效應帶來的一系列問題，需要研究其形成機理及演變機制。而城鎮化使自然景觀轉換為城市建設用地，對城市內熱量循環產生阻礙作用，是導致城市熱島效應的重要原因之一。由于長春的城市化建設蓬勃開展，熱島效應問題也逐漸凸顯。有數據顯示1998—2004年長春市熱島強度每年平均增速0.15 ℃[1]。因此，深入探究長春市城市擴張與微氣候之間的響應關系，分析建設用地擴張的時空動態變化，明確城市熱島的影響范圍與作用，對于提高城市內人們的生產生活環境有著非凡的意義。

城市建設用地的增加會改變地表的大氣輻射等特征，城市化也會使生產活動聚集、人口增加，消耗能源產生熱量，城市與郊區氣溫差異增大。已有研究以氣象站點的觀測數據為數據源，研究城郊氣溫的差異并衡量熱島效應，分析城市化過程中熱島效應的時空演變[2-3]。這些研究對于推動熱島效應研究，證實城市擴張與區域微氣候變化有協同關系起到重要作用。但是由于地面氣象站分布不均、空間精度不夠，以點帶面具有較大誤差。遙感技術具有宏觀性、同步性、周期性和經濟性，在熱島效應研究中得到了廣泛的應用。研究通過對比多期城市建設用地和地表溫度數據，量化分析城市擴張及其熱島效應[4]，可以直觀地反映二者關系的有效途徑之一。該方法彌補了由于氣象站點有限帶來的不足，目前研究多集中在土地利用類型對城市熱島效應的影響[5]、城市景觀格局對于相對熱島效應的作用[6-7]、城市擴張形態與熱島效應的關系和熱島效應驅動力研究方面[8]。總體上說，對于城市熱島效應的形成原因和特征描述方面較多，量化衡量建設用地擴張對于熱島分布作用方面的研究尚為鮮見。

本文以長春市區為研究區，基于遙感反演與GIS空間分析技術，分析1990—2016年間長春市城市擴張強度、擴張模式及城市熱環境的演變規律，并量化分析了城市擴張的微氣候響應。研究結果可為合理進行城市規劃、改善城市生態環境，建設生態城市提供基礎。

1 材料與研究方法

1.1 研究區概況

長春坐落于歐亞大陸東岸的中國東北平原腹地松遼平原，124°18′E～127°05′E，43°05′N～45°15′N，地勢東高西低。在氣候上，長春屬北溫帶大陸性季風氣候區，四季分明，雨熱同季，氣溫由西向東遞減，年平均氣溫4.6 ℃，降水自西向東遞增，年降水量600～700 mm。

改革開放前，在以工業為主導和優先發展重工業的政策的影響下，長春城市規模占全國領先水平，其城市化水平曾一度高于全國平均水平。改革開放后，由于體制性和結構性矛盾日趨顯現，作為中國資源型產業集聚區，隨著資源變化的制約和影響及其產生資源枯竭等一系列的問題，長春城市發展一度緩滯，經濟發展速度逐漸落后于東部沿海地區，城市化進程緩慢。2007年《東北地區振興規劃》實施以來，長春城市化速度明顯提高，成為東北城市化發展速度最快的城市之一。

1.2 數據收集與預處理

獲取覆蓋長春市的1990、2000、2010、2016年Landsat TM/OLI遙感影像的灰度值數據和地表反射率數據。數據來源于美國地質調查局(http：//glovis.usgs.gov/)。研究區所在遙感影像圖幅編號為118029和118030。為方便控制變量和數據處理，均選擇云量較少的夏季影像(7、8 月份)。在ENVI平臺中對下載的遙感影像進行了幾何校正，校正的整體誤差控制在0.5個像元以內，對地表反射率遙感影像進行了合成、拼接、剪裁等預處理，得到整個研究區的影像數據，以便進行城市建設用地提取和地表溫度反演。

1.3 城市建設用地提取

根據研究內容和研究區特點，城市建設用地提取采用廣義城市地表下墊面組分模型(vegetation impervious surface-soil，VIS)將景觀分為3類：水體、植被和土壤、建設用地。用歸一化差異水指數用于分離出水體，再結合土壤調整植被指數和歸一化建筑指數，共同組合合成新的指數：歸一化差分復合指數(NDCI)。它利用不同地物的光譜曲線特點有效地將三者分開。

在ENVI5.1平臺計算來得到歸一化差分復合指數計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：NDWI是歸一化差異水指數；SAVI是土壤調整植被指數；NDBI是歸一化建筑指數；NIR是近紅外波段；SWIR是短波近紅外波段；GREEN是綠波段。

根據區域影像特征建立解譯標志，對不同類型內歸一化差分復合指數數據的數值分布范圍進行統計分析，分析閾值對歸一化差分復合指數進行圖密度分割。在ArcGIS 10.2 軟件平臺中進行數據二值化、重分類、去噪值、合并碎小斑塊等處理，對建設用地進行概括提取、自動矢量化，再手動去除由于異物同譜產生的非建設用地斑塊，提高精度，得到長春市1990—2016年建設用地圖(圖1)。

圖1 長春市1990—2016年建設用地圖

依據隨機采樣法生成100個參照點，將分類數據與天地圖高清影像進行對比，進行精度驗證，平均正確率為86%，4年Kappa系數分別為0.71、0.76、0.73、0.61，具有較高的一致性，完全滿足研究需要。

1.4 城市擴張強度計算

這里的擴張強度主要是針對建設用地，計算公式如下：

G=ΔA/TA×T-1×100

(5)

式中：ΔA為單位時間內城市擴張的凈增面積，單位為km2；TA為研究區總面積，單位為km2；T為該時段長度，單位為a。

1.5 地表溫度反演及熱島效應表征

1)地表溫度反演。用輻射傳輸方程(radiative transfer equation，RTE)進行地表溫度反演。反演時首先預估大氣對地表熱輻射的影響，然后把大氣輻射影響從衛星傳感器所觀測到的熱輻射總量中減去得到地表熱輻射強度，最后把熱輻射強度轉化為相應的地表溫度。在ENVI 5.1 平臺中完成影像的輻射定標和大氣校正。輻射傳輸方程如下：

(6)

(7)

結合ETM+和TM波段特征，將其轉換為：

(8)

式中：K1、K2為發射前預設常量。

TM 5：K1=60.776(mgWgcm-2gsr-1gμm-1)，K2=1 260.56 K；

ETM 8：K1=77.489(mgWgcm-2gsr-1gμm-1)，K2=1 321.08 K。

2)熱島效應的表征指數。為了能在同一水平進行較為科學的比較，采用歸一化和杰克森斷點法密度分割的方法進行處理，以便分析熱島效應變化。熱島效應的量化指數為相對熱島效應指數、熱貢獻指數、冷貢獻指數，具體公式為：

U=LST城市建設用地-LST平均

(9)

式中：LST城市建設用地是研究區中建設用地的地表平均溫度；LST平均是研究區的平均地表溫度。

(10)

(11)

式中：m-為建設用地中低于研究區平均溫度的像元數量；LST-城市建設用地為建設用地中低于研究區平均溫度的第j個像元的溫度值；n-為研究區低于平均溫度的像元數量。

1.6 城市擴張與地表溫度耦合分析

利用漁網功能建立 2 km的格網，對單位格網里建設用地所占的面積比例與格網的平均溫度進行相關性分析。將二者建立一元線性回歸方程。然后將建設用地占格網面積的百分比按5%為一級，分成20個等級，對各等級的平均地表溫度進行匯總統計。

2 結果與分析

2.1 1990—2016年間長春市城市化進程

從圖1可以看出長春市在1990—2016年城市化過程顯著，建設用地范圍不斷擴大，由1990年的165.63 km2增加到2016年的774.48 km2，共增加608.85 km2，平均年增加24.35 km2。長春市建設用地面積整體呈現快速擴張的趨勢，而且速度越來越快，強度也越來越強，均在2008年前后完成級別躍遷(建設用地擴張速度由快速擴張型到高速擴張型，擴張強度由低速擴展越過中速擴展直接到高速擴展型)，之后不管是擴張速度還是擴張強度都有增無減，擴張速度由14.46 km2/a提高到27.26 km2/a，擴張強度由1.26提高到2.87(表1)。

表1 長春市1990—2016年建設用地面積表

從空間特征來看，長春經歷了帶狀擴張、跳躍式擴張、面狀擴張階段。1990—2000年間的擴張主要集中在北部寬城區和東部二道區，沿著東北向S101鐵路交通路線呈帶狀擴張；2000—2008年間的擴張集中在西南方向高新技術開發區，南關區呈跳躍式擴張，主要交通路線如鐵路公路沿線均有帶狀擴張；2008—2016年的擴張主要表現為向四周大幅度均勻擴張，伊通河沿岸帶狀擴張明顯。總體來看，長春市建設用地擴張速度表現為由慢到快，擴展范圍表現為由局部到整體的特征。模式上由圈層擴張、跳躍擴張和帶狀擴張逐漸轉變為面狀拓展(圖2)。

圖2 長春市1990—2016年建設用地擴張圖

2.2 長春市地表溫度時空分異

從長春市1990—2016年溫度分級圖(圖3)中可以看出長春市已經形成了明顯的城市島狀高溫區，并沿道路呈帶狀伸展。2000年島狀高溫區規模明顯擴大，成斑塊聚積狀出現在城市中心及道路沿線，2008年外圍區域溫度明顯升高，高溫區域呈破碎化趨勢，至2016年高溫區域明顯縮小且高溫斑塊更加破碎。

圖3 長春市1990—2016年溫度分級圖

高于研究區平均溫度的區域為熱島區域，熱島區域占研究區的總面積百分比為熱島比例。由表2可知熱島比例逐年加大，從7.08%增長到43.78%，這表明：研究區內高于平均溫度的區域明顯擴大。1990年的低溫級別占比較大的比例；2000年四級高溫地區比例的大幅提升，高等級熱島景觀比較聚集；2000年之后高溫比例有下降趨勢，低溫比例有上升趨勢；2008—2016年4、5級高溫斑塊有割裂化、破碎化趨勢。

表2 地表溫度比例表

隨著城市的擴張，高級別的熱島斑塊面積增大，并且帶動了周圍低級別熱島面積向高級別上升，使得熱島效應的影響在面積上不斷擴大。但是2000年后4、5級高溫級別所占面積比例下降，而且斑塊破碎程度明顯上升，說明熱島效應影響范圍廣，但是強度呈減小趨勢(圖4)。

由不同時期溫度變化圖(圖5)可以看出：1990—2000年升溫區域主要在長春市區西南部(高新技術開發區)，降溫地區為遠離長春周邊1990年的耕地；2000—2008年升溫區域主要是城市周圍西北部、西部、南部，而市中心溫度基本保持不變；2008—2016年大部分地區溫度基本不變或呈下降趨勢，西南部高新技術開發區和東北部北湖開發區有部分地區呈上升趨勢，但上升幅度不大。

圖4 長春市1990—2016年建設用地溫度分級累計百分比圖

圖5 長春市1990—2016年不同時期溫度變化分布圖

隨著長春城市的擴張，熱貢獻指數呈增長趨勢。特別是2008年到2016年，熱貢獻指數呈現出成倍增長，這與建設用地面積比例由2008年的24.31%增加到47.28%密切相關，因為隨著城市建設用地的增加，自然熱力循環受到影響，建設用地地區的熱島效應增強。冷貢獻指數體現了建設用地中的低溫斑塊，多為城市綠地與水體。從表3中可以看出1990年到2000年冷貢獻輕微減弱，2000—2016年冷貢獻指數增強，尤其是2008—2016年冷貢獻指數大幅度增強，這與城市內部結構優化有關，因為城市內部增加了綠地的面積，并合理分布城市建設用地，使得建設用地對熱力環流的影響減弱，熱島效應下降，建設用地氣溫有下降趨勢。熱貢獻指數與冷貢獻指數綜合，導致相對熱島效應指數先上升后下降，在2000年達到最大6.01，說明城市建設用地擴張過程中，初期城市熱島效應明顯，后期雖然熱島面積增大，但是高溫區域破碎化趨勢明顯，熱島強度下降。

表3 熱島指數

1)長春城市建設用地與地表溫度的相關性分析。對單位格網里內城市建設用地所占的面積與平均地表溫度進行了相關性分析(圖6)。結果表明，1990年模擬擬合度較低；2000、2008、2016年模型在p=0.01 水平上顯著相關，R2從0.366上升到0.435，建設用地占面積比例與其平均溫度呈明顯線性正相關。

圖6 長春市1990—2016年溫度與建設用地相關性

單元格網內建設用地所占比例與平均地表溫度統計結果表明(圖7)，1990年溫度隨建設用地比例的變化折線在建設用地所占比例為55%處出現斷點，在單位面積內建設用地所占比例為50%、75%和90%處溫度出現陡增，總體變化規律不明顯。2000—2016年間變化趨勢一致，當單位格網內城市建設用地面積比例達到40%以后，地表溫度出現有明顯上升趨勢。

圖7 長春市1990—2016年溫度-建設用地折線圖

3 分析與結論

城市化改變了下墊面的性質，阻礙了自然熱力環流，進而對區域微氣候產生重要的影響，本文基于遙感和GIS空間分析，探討了長春市的城市擴張進展和城市熱島效應時空演變及其關系。得到如下主要結論：

①長春市在1990—2016年建設用地呈現出快速擴張趨勢，面積共增加608.85 km2。建設用地擴張速度表現為由慢到快，擴展范圍表現為由局部到整體的特征。模式上由跳躍擴張、帶狀擴張逐漸轉變為面狀拓展。由于長春市1990年以來分別設立了經濟技術開發區、高新技術開發區、凈月經濟開發區和汽車產業開發區，城市擴張明顯；2000—2008年擴張速度明顯提高的驅動力為工業化的加速發展[9]，這與2003年黨中央國務院發布《關于實施東北地區等老工業基地振興戰略的若干意見》時間吻合，振興東北地區等老工業基地戰略對于推動東北老工業基地結構調整，促進東北城市化進程有積極的作用。2008—2016年的建設用地擴張與交通發展、經濟發展有關，城市規劃讓步于經濟發展，使城市化低密度無序進行，建設用地大面積擴張。該研究結果與已有研究結論一致[10]。

②隨著城市的擴張，長春市1990、2000、2008、2016年熱島比例分別為7.08、13.74、22.51、43.78。熱島效應主要由城市中心向西南部(高新技術開發區)和北湖開發區擴展。1990—2000年長春市熱島效應急速惡化，4、5級高溫斑塊面積擴大且呈現出集聚形態；2000年后高溫斑塊割裂化和破碎化趨勢明顯，所占比例也有下降趨勢，雖然熱島輻射面積逐年增大，但是強度下降。在城市化建設過程中，可以通過城市綠地和水體的合理規劃，建設用地中工業基地、商服用地的分散等途徑，達到高溫斑塊破碎化的效果，從而緩解熱島效應。

③相關性分析表明單位面積建設用地所占比例與地表溫度相關性顯著，2000—2016年間，當單位面積內建設用地所占比例超過40%時，地表溫度上升顯著。這個結論與謝啟姣[11]在《武漢城市擴張對熱場時空演變的影響》文章中確定的35%～40%為區分建設用地的閾值范圍相接近。該結論對城市建設用地的合理布局具有一定的指導意義。

4 結束語

本文分析了在城市擴張及地表溫度關系研究方面城市建設用地所占面積和地表溫度的關系，不同的城市格局及城市用地下地表溫度也會有顯著差異，今后將在城市景觀結構對局部微氣候影響方面進一步開展工作。