基于LUCC的城市地表熱環境效應研究進展

田帥 石巖 李雯

摘 要：城市地表熱環境及其變化問題日益受到關注。隨著城市化的快速發展，城市地表土地利用發生了劇烈改變，土地利用/覆被變化（LUCC）是導致地表熱環境變化的直接因素，在地表性質變化的基礎上，城市地表熱環境及其效應也隨之發生了顯著變化。該文基于國內外相關研究，從土地利用類型、土地利用空間格局、土地利用時空變化3方面對城市地表熱環境效應進行了綜述，以期為城市地表熱環境研究提供參考。

關鍵詞：LUCC;城市地表;熱環境效應

中圖分類號 X16文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2020）22-0147-04

Abstract：The study of urban surface thermal environment and its variation have been attracted increasingly by researchers. With the rapid development of urbanization，urban land using has undergone drastic changes. land use/cover change（LUCC）is the direct factor for urban surface thermal environment changing，with the changing of surface property，urban surface thermal environment and the effect which caused by LUCC have also changed significantly. Based on relevant research，this paper summarized the effects of urban surface thermal environment from three aspects of land use types，land use spatial pattern，and the change of land use temporal and spatial，we hope this paper will provide reference for the study of urban surface thermal environment.

Key words：LUCC;Urban surface;Thermal environment

隨著人們對城市生態環境的日益關注，城市地表熱環境研究越來越受到重視。城市地表熱環境是城市近地表面熱場的反應，其與城市地表不透水面、植被等密切相關。土地利用/覆被變化（LUCC）使得地表面性質發生改變，是地表熱環境的重要驅動力。在城市下墊面土地利用類型變化的基礎上，地表熱環境在時間、空間等方面發生演變，對城市人居環境質量、資源與能源消耗、城市經濟可持續發展等具有重要影響。國內外相關學者對城市地表熱環境研究方法、時空變化及關系等進行了大量研究，如宮阿都等[1]以北京市為例，通過TM遙感影像反演地表溫度，研究了城市熱島效應與城市土地利用/覆蓋變化的關系;岳文澤等[2]利用不同遙感數據對上海市中心城區土地利用類型及格局的熱環境效應進行研究;Estoque R C等[3]對泰國曼谷、印尼雅加達和菲律賓馬尼拉等都市區的地表溫度（LST）與不透水地表和綠地的豐度和空間格局之間的關系進行了研究;Mushore T D等[4]通過亮度溫度來評估城市的長期熱變化，對津巴布韋首都哈拉雷市1984—2015年土地利用與土地覆蓋變化導致的小氣候作用進行了研究。筆者從城市土地利用類型、土地利用格局、土地利用時空變化對地表熱環境的影響方面對土地利用/覆被變化（LUCC）的城市地表熱環境效應進行了綜述，以期為探究不斷發展變化過程中的城市地表熱環境提供參考。

1 土地利用類型對城市地表熱環境的影響

1.1 不同土地利用類型下地表溫度的響應 城市地表存在多樣的土地利用類型，各類型間的物質性質各異，對地表的溫度響應也存在差異。通常，建設用地溫度普遍較高，而綠地/水域溫度普遍較低。岳文澤等[2]研究表明，上海市中心城區的工業、商業與公共服務用地以及中央商務區用地平均溫度較高，與工業倉儲用地構成城市熱島主體;公園綠地平均溫度較低，接近26.5℃;農業用地平均溫度最低。梁敏妍等[5]基于熱環境等級，發現不同下墊面的地表熱環境狀況差異顯著，林地、農田、水體區熱環境等級比建筑用地低1～3等級。陳燕紅等[6]研究發現，城市綠地、水體、濕地對地表降溫效應顯著;而建設用地、裸地則與綠色空間相反，RLST最高分別達到5.03℃和9.67℃;農田對地表溫度影響較小。從不同地類級別角度研究發現，東莞市一級地類城鄉工礦居民用地、林地和耕地熱效應貢獻度指數較大，水域和草地的影響較小（<8%），未利用地貢獻最小（<0.05%）。二級地類中，城鎮用地的熱貢獻度最大，均超過15%;有林地、疏林地、水田、其他林地（園地、跡地等）、旱地、農村居民點和高覆蓋草地為5%～15%，熱效應貢獻度中等;河渠、其他建設用地、水庫坑塘、灌木林、灘地、中覆蓋草地、湖泊、其他未利用地和灘涂<5%，熱效應貢獻度較小[7]。

我國其他城市也有類似的研究，如南昌市地表熱環境變化與土地類型密切相關，地表溫度大小依次為建設用地>耕地/林地>水域;在溫度分區中，建設用地主要分布在次高溫區和中溫區，林地和水田集中分布在中溫區，水域則主要分布在次低溫區和中溫區[8]。廣州市各土地利用類型的地表平均溫度依次為建設用地>未利用地>耕地>草地>水域>林地。林地均值最低（17.23℃），主要原因為：一是林地生長區域海拔均較高，二是植被覆蓋通過蒸發作用減少熱儲存，抑制溫度升高。水域的均值也較低（18.81℃），這是由于水體的高比熱可以在周圍溫度升高時蓄熱，周圍溫度降低時則釋放熱量[9]。

1.2 土地利用類型與地表溫度的相關性 城市地表下墊面的溫度分布與土地利用/覆蓋類型總體上表現出一定的相關性。

1.2.1 建設用地 建設用地是城市地表性質改變最大的土地利用類型，其面積與地表溫度呈正相關關系。相關研究表明：廣州市城市平均地表溫度與不透水面面積呈正相關;城市擴張削減了林地和耕地對城市地溫的調節作用[10]。翁清鵬等[11]研究發現，南京市1988年、1998年、2002年均在1～2℃出現建設用地與耕地面積的拐點，而2010年是在0～1℃出現拐點，建筑用地與地表溫度在一定程度上呈正相關關系。Balew A等[12]研究表明，自1987年以來，巴伊爾達爾市城區迅速擴大，平均地表溫度從1987年的34.5℃上升到2002年的37.57℃，到2017年下降到34.57℃，地表溫度與NDBI呈正相關。

1.2.2 綠地 綠地對地表溫度具有重要的調節作用，可以在一定程度上緩解熱島效應。孫芹芹等[9]對廣州市進行研究發現，草地、林地及耕地的地表溫度與歸一化植被覆蓋指數（NDVI）呈現明顯的負相關。王躍輝等[13]研究表明：地表溫度和植被指數呈負相關關系，植被覆蓋程度高的區域地表溫度低，植被覆蓋低的區域地表溫度高，但相關性較低。

綠地類型不同，其對地表溫度影響也不同。岳文澤等[2]通過Tamhance T2 post -hoc多重比較方法對上海市中心城區進行研究發現：農業、公園綠地等土地利用類型對城市熱島效應具有一定的緩解作用;但受城市熱島效應擴散影響，上海市中心城區公園綠地與農業用地對應的地表平均溫度具有顯著差異。

1.2.3 裸地 裸地是多集中于城市邊緣區的土地利用類型之一。韋春竹等[10]研究發現，廣州市城市平均地表溫度與城市的裸土指數呈負相關。曹琦等[14]在研究影響裸地地表溫度的因素中，發現裸地高程、坡度、坡向及斑塊大小和形狀對其地表溫度的影響微弱，而裸地在空間上的密度分布趨勢顯著影響地表溫度，兩者在空間上呈顯著的正相關關系。

2 土地利用空間格局對地表熱環境的影響

2.1 地表溫度空間分布特征 土地利用空間格局是指土地利用在空間上的分布規律與特征，可以用土地利用類型百分比、多樣性指數等指標來表示。土地利用空間格局可以產生城市地表溫度差異。一般情況下，城市居民區、工業區等建成區溫度較高，易形成高溫集中區;綠地、水域等溫度較低，形成低溫分布區。

岳文澤等[2]研究發現：上海市地表溫度呈明顯的中心區高，邊緣區、近郊區低的溫度分布格局;在城市內部，其熱島中心主要集中在4 個區域：黃浦江沿岸的黃浦區、虹口與楊浦區南部、閘北區內環線外側、寶山區吳淞口等。張新樂等[15]對哈爾濱研究表明：城市中心區為高溫區，城市邊緣區為低溫分布區;溫度中心主要集中于建筑密集、綠地較少、工業區等，如道外區、動力區、道里區的東北部和西南部、平房區。武漢市作為我國中部地區典型的城市，其地表熱環境空間分布也有類似特征——從中心城區到周邊郊區溫度逐漸降低。高溫區以建設用地為主，主要集中在武漢市的商業中心區;低溫區主要集中在水域;長江以南地區因東湖、南湖等沒有成片的高溫區域;長江以北區域水域較少，綠地植被主要集中在北部，此處形成大片高溫區[16]。成都市地表溫度空間分布也特征明顯，形成了常溫區、高溫區、低溫區且呈不同形狀的帶狀分布，并呈現出溫度由高到低或由低到高的變化規律，這與土地利用類型的空間分布格局密切相關[17]。

2.2 土地利用空間格局與地表溫度的相關性 土地利用類型的空間格局形式、數量、質量等存在差異，導致其對地表溫度產生的影響程度不同。研究中多用具體的空間格局景觀指數與地表溫度的關系表征其相關性。

對杭州市景觀指數研究表明，高溫分布區域中不透水面具有重要作用，且其斑塊指數越大、聚集度和蔓延度指數越高，增溫效應越明顯;較低溫度分布區域中，相對于水體而言，植被斑塊密度越高、蔓延度指數和聚集度指數越小，降溫效果越不理想[18]。在景觀水平上，景觀格局指數與地表均溫顯著相關;在類型水平上，建設用地、水體、林地的景觀格局指數與地表均溫呈現顯著且較強的相關性[19]。銀川市綠地溫度與其斑塊密度成正相關，與斑塊類型面積、最大斑塊指數、邊緣密度等呈負相關;裸地地表溫度與其斑塊面積、最大斑塊指數、邊緣密度等呈正相關，與斑塊密度呈負相關[20]。

土地利用多樣性指數反映一定空間范圍內土地利用類型和面積組合狀況，可以用來分析城市地表溫度與不同土地類型空間組合狀況的相關關系。對上海市分析表明，在1km 尺度上地表溫度與土地利用多樣性具有顯著的正相關關系，土地類型在空間布局上越復雜，多樣性越高，其產生的熱島效應就越明顯[2]。張新樂等[15]研究發現：隨著哈爾濱市各用地類型2km格網內面積比例的升高，其平均地表溫度相互間差異變小，建設用地熱島效應增強，水體緩解作用減弱;熱力學性質差異大的土地利用類型相鄰接的現象減少，熱環境的空間差異性變得不明顯。

3 土地利用變化對地表熱環境時空變化的影響

3.1 對熱環境時空分布的影響 城市土地利用/覆被的顯著變化直接影響了地表溫度的時空分布規律。一般來講，伴隨著城市化進程的不斷加快，城市建設用地的面積與密度不斷增加，導致區域溫度不斷升高;城市植被、水體等面積的減少則導致其對地表溫度抑制作用的降低。

謝哲宇等[8]對南昌市2個時期城市熱島效應研究發現，高溫區與次高溫區集中分布在工業區和人口密集的住宅區，中溫區主要分布在城市郊區農田與農村建設用地，次低溫區和低溫區覆蓋范圍為森林、贛江以及湖泊;在空間尺度上，城市熱島面積的增大與南昌市建設用地的擴張趨勢一致。福州主城區1993—2013年地表溫度分布時空格局發生顯著變化。高溫區以上等級面積顯著增加，分布范圍以鼓樓區為中心，向東和南方向擴張;而低溫區和次低溫區面積分別減少18.95km2和34.13km2;溫度越高的區域主要以建設用地為主，而溫度越低的區域分布的綠色空間數量則較多[6]。

土地利用變化對城市熱力景觀產生重要影響，通過研究熱力景觀空間格局演變，可以定量研究地表熱環境時空變化及規律。池騰龍等研究發現，2005 年以前武漢市熱力景觀斑塊數量逐年下降，由點狀逐漸向面狀聚合，最大斑塊指數始終處于上升趨勢，高溫斑塊呈面狀趨勢發展;異質性指數方面，破碎度在2005 年以后呈小幅增長趨勢，說明研究區高溫斑塊分布廣泛，其聚集度增幅明顯。主城區高溫斑塊擴散逐漸轉為從核心區過渡到邊緣區一帶，在面狀不斷填充的同時，高溫斑塊逐漸向道路沿線和重要節點周邊地帶延伸[21]。董浩等[22]研究了江蘇省宿遷市熱島景觀格局演變，在類型水平上，1996—2003 年宿遷城市熱島效應的高溫區和特高溫區破碎化和割裂化最嚴重，斑塊間的外部連接較差;2014 年城市化水平極大提高，割裂的斑塊集聚形成了組團，景觀破碎化減弱。在景觀水平上，熱力景觀斑塊數先增后減，熱力景觀越來越集聚化，SHDI 和SHEI不斷增長，熱力景觀的異質性呈增加趨勢。

3.2 與地表熱環境時空分布的相關性 土地利用/覆被變化是城市地表熱環境變化的基礎，其類型、性質、持續時間、變化劇烈程度等均會引起地表熱環境的相應變化，兩者之間存在一定的關聯性。陳明輝等[23]研究發現：東莞市在近15年間城市主要表現為熱島由零散的點狀分布向帶狀和條狀分布格局發展，離城鎮較遠的山區以及河流、水庫等地一直保持冷島狀態。東莞市熱格局的形成與發展與建筑密度相關，熱島效應隨離交通干道距離的增加而逐漸較弱。彭文甫等[17]基于空間建模等方法研究發現，成都市不透水面的熱效應與距離市中心區距離的關系表現為較顯著的負相關性，而與城市不透水能力的關系表現為較顯著的正相關。對蘭州市城市熱場的局部自相關分析表明：其城區建設用地和未利用地分布區形成高溫中心，呈現高—高空間關聯模式;黃河等水體和部分綠地形成低溫區，呈現低—低空間關聯模式;黃河等水體周邊分布部分高溫區，呈現出高—低空間關聯模式;城市建設用地中存在部分低溫區域，呈現低—高空間關聯模式[24]。

景觀類型組成、空間格局與地表溫度空間分異之間存在一定的聯系。Azhdari A等[25]采用SHDI、LSI、分形維數指數等探討伊朗半干旱城市設拉子建成區格局與地表溫度的關系。結果顯示：各變量與地表溫度的相關性均較強，景觀多樣性和破碎化程度與地表溫度的相關性最高。葉露萍等[16]對武漢市城市熱島效應周邊土地利用的分形格局進行了分析，發現未利用地的半徑維數接近2，說明未利用地從高溫中心向四周低溫區分布較為均勻，對城市熱環境的效應不明顯;建設用地的半徑維數小于2，表示隨著遠離高溫中心建設用地的密度急劇減小，其城市熱環境表現為正效應;水域、林地及農用地的半徑維數均大于2，表明林地、農用地及水域表現為負效應，對熱島效應有較好的緩解作用。

4 結語

當前，隨著世界范圍內城市化的快速發展，城市建設用地不斷增加，林地、河流等自然表面不斷減少，深刻改變了城市地表性質，使得不同土地利用類型、不同空間布局及時空變化下地表溫度發生了顯著變化，產生了不同的熱環境效應，對人居環境、城市可持續發展等產生了一定的影響。目前，城市土地利用/覆被變化的地表熱環境效應已有較多的研究，但土地利用/覆被變化對城市熱環境的影響過程、作用機理極其復雜，今后應加強該方面的研究，從而促進城市地表熱環境研究的深入發展。

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（責編：徐世紅）