生態空間格局對城市熱島效應的影響

山東建筑大學 朱杉杉

城市高度集中著人們商業、工業、交通等空間，大量的自然地表被硬化，人類生產生活排放了大量熱量在城市中心揮散不去，使得城市中心的氣溫高于城市周邊地區，這一現象即城市熱島效應。近些年，城市熱島效應問題日益突出，嚴重影響著城市人居環境的高質量發展。熱紅外遙感能獲取地面的熱源現象，隨著熱遙感影像的技術發展，學者們開始探索城市熱島的影響因素與作用機制，城市的生態用地與綠色景觀是降溫的一大“利器”，本文以此為出發點探索生態空間格局對熱島的影響，希望通過此次研究能夠幫助濟南打造高品質生活空間。

近年來，許多學者開始剖析城市熱島格局與生態空間格局之間的關系。李樂等[1]利用提取的杭州市區的建筑用地信息與植被信息，研究其與地表溫度的關系。劉文淵等[2]采用從ETM+影像中提取的不透水面、植被和水體，研究了不同地表類型與地表溫度的關系。袁振等[3]利用從TMSPOT影像中提取的地表溫度與城市綠地斑塊，定量研究了城市綠地對地溫空間格局的影響。王琳等[4]利用從Landsat8影像中提取的地表溫度及其他城市生態參數，研究福州市熱環境的變遷及其形成的原因與驅動力。然而，目前的研究僅限于探討景觀組成[5]或空間分布[6]對城市熱島的影響，較少考慮不同景觀組成與空間分布耦合形成的生態空間格局對城市熱島效應的影響。

濟南近年來城市用地與生態空間格局變化巨大，熱島效應問題日益明顯，成為“火爐”城市。本文以濟南市為研究對象，利用2013年與2019年的熱遙感影像數據剖析濟南市中心城區熱島的現狀與影響，借助fragstats對不同用地與生態空間格局進行定性、定量研究，希望通過此次研究有助于城鄉人居環境的改善。

一、研究區域與研究方法

（一）研究區域概況

此次研究區包含濟南市天橋、市中、歷城、槐蔭、歷下五個行政區，五區地處濟南市中心，包含北部城市中心區與南部山區，用地類型全面且豐富。

（二）地表溫度反演流程

本文基于大氣校正法，利用envi軟件反演地表溫度。首先，根據熱紅外輻射傳輸方程，通過普朗克定律反解出黑體等效輻射，具體反演步驟參考基于輻射傳輸方程的單窗算法地表溫度反演論文[7]，接著計算歸一化植被指數與地表發射率，結合大氣剖面參數計算同溫度下黑體輻射亮度，最終得出地表溫度。

（三）城市生態景觀指數的選取

生態景觀指數分為斑塊與景觀兩個層次水平。首先，利用生態景觀指數分析了生態景觀指數演變。隨后，分析了熱島效應與生態景觀指數的關系，以2.5km方形網格對研究區進行劃分，計算各網格生態景觀指數與地表溫度均值，選取10個網格樣本進行相關性分析。在Fragstats4.2中進行計算。

（四）數據來源與數據預處理

研究數據包括:（1）Landsat8遙感影像來源于美國地質勘探局官網。結合數據源選擇云層量小的數據，篩選出2013年7月24日與2019年5月22日影像作為研究。（2）研究輔助數據包括歷年土地變更狀況。土地利用數據來源于濟南市國土空間規劃課題組。

二、結果與分析

（一）濟南中心區地表溫度時空變化分析

由反演結果可知（圖1、圖2）2013年高溫區與較高溫區分布在市中區、歷下區等中心地帶為斑塊狀分布，南部山區、黃河兩岸沿線溫度最低，最低溫度為26攝氏度。2019年高溫區明顯向東發展，歷城區整體溫度升高，南部山區也出現了斑塊狀的高溫區域，2019年夏季溫度比2013年夏季溫度平均高1.8攝氏度。

圖1 2013年7月24日地表溫度數據（圖片來源于作者自繪）

圖2 2019年5月22日地表溫度數據（圖片來源于作者自繪）

（二）景觀類型地表溫度定量分析

城市熱島與用地類型密切相關，不同用地類型地表溫度按從高到低排列依次為:城市建設用地＞村莊建設用地＞裸地＞園地＞風景名勝區用地＞耕地＞林地＞鹽堿地＞草地＞水域。城市建設用地的平均溫度最高，其次為農村。農村建設用地一般與水澆地混合在一起，存在較多的農村宅基地與水澆地的混合像元，造成水澆地的平均氣溫僅次于建設用地。裸地的平均溫度僅次于建設用地，由于裸地由巖石、黃土地等構成，易于吸收熱量并反射熱量，所以溫度并不低。林地、園地的溫度稍低，其中，灌木覆蓋用地平均溫度高于林地。最低的為大面積的水面，如水庫水面、內陸灘涂等水利及水利設施用地。

（三）地表溫度與生態景觀格局的關系

1.景觀水平

在fragstats中進行生態景觀指數計算，選取具有代表性的指數。通過表1可知，在景觀層面上，PD（斑塊密度）、LSI（景觀形狀指數）LPI（最大斑塊指數）與城市高溫熱島空間有著顯著的相關性。PD用來表示景觀空間的分割性大小，它與城市熱環境空間有著巨大的關系，說明生態空間格局受人造要素的影響越大，其分割性越小，城市熱島空間便越不明顯。LSI與城市高溫熱島空間也有著顯著的相關性，說明生態空間格局的布局越碎片化、形態越不規則，城市熱島空間便會越明顯，反之，邊緣規整、方正的生態空間格局布局可以降低城市熱島效應。

表1 景觀層面格局與城市熱島空間指數

2.斑塊類型水平

由表2可知，城市與城鎮建設用地的斑塊類型面積、最大斑塊指數、景觀形狀指數、聚集度指數與城市熱島空間有著顯著的相關性，其景觀分割指數與城市高溫熱島空間負相關，表明6年來自然景觀地表被大量的硬化地表取代，導致城市高溫熱島效應加劇。水利與水利設施用地的斑塊類型面積、最大斑塊指數與城市熱島空間有顯著的負相關關系，表明水域尤其是大面積的水域可以緩解熱島空間效應。林地的最大斑塊指數與地表溫度呈現顯著負相關關系且相關性較高，說明面積較大、集中成片的林地可以降低地表溫度。裸地的面積在此研究中占比較小，暫不考慮。

表2 斑塊層面生態空間格局與城市熱島空間指數

三、結論

本文基于熱遙感數據，分析濟南市中心城區熱島兩年的時空變化關系，研究不同用地類型和生態空間格局的分析，結果表明：

（1）2013年至2019年，濟南中心城區的建設用地類型由最初的635.89km2擴張至674.95km2，增加了近6.15%；2013年林地、水體等綠地的面積高達1407.27km2，至2019年林地、水體等綠地的面積減少為1369.25km2。

（2）從時空關系上分析，2019年研究區域內的熱島空間占濟南中心城區的51.76%，遠高于2013年的39.89%，熱島區域擴大了將近三分之一。從空間上來看，2019年的熱島空間主要分布在歷城區，且熱島空間已延伸到南部山區。

（3）分析濟南市中心城區熱島演變，發現在斑塊類型水平上，濟南高溫熱島區域呈聚合、向東向南發展的趨勢。高溫熱島區域在生態空間格局中優勢度上升，與此同時，濟南高溫區域斑塊間的連通指數增大。

（4）在景觀水平上，濟南高溫熱島區域形狀復雜程度下降，分割化程度下降，反映出高溫熱環境區域擴散明顯，斑塊間的均勻度上升。不同的用地類型對城市熱環境具有不同的貢獻度，城市建設用地越集中連片，城市熱島空間效應越顯著，而水庫水面、內陸灘涂等水利及水利設施用地則起到降溫的作用。

四、結束語

如今，人們愈發關注人居環境的高質量發展，如何進行空間治理來促進人居環境的改善是一個值得思考的問題。在未來城市建設中，應盡量將城市綠地集中連片布置，保證連片、成規模的林地與水體穩步增長，做好對城市綠地、水域等景觀的規劃設計，促進濟南市的健康可持續發展。