基于InVEST模型的大連城區降溫效果時空評估

王 耕，暢天宇

(遼寧師范大學 地理科學學院，遼寧 大連 116029)

1 引言

隨著經濟社會發展，人口持續增長，城市化擴張，土地利用/覆蓋(LUCC)的驟變[1]凸顯，原有的自然覆蓋類型已被水泥等城市材料取代[2]，引發諸多生態問題，如森林及草場退化、耕地面積縮減，影響了生態系統、局地氣候和人類生活質量[3]。人類生產生活活動及人工建筑的存在，使得區域內產熱量大，且由于地表粗糙，風力較小，熱量交流困難，使城市區域溫度上升[4]，對人類健康產生不良影響[3,5]。綠地公園等GUI(Green Urban Infrastructures)[6]可產生減溫作用，減少電能的使用。已有研究多從反演遙感影像Landsat數據得到地表溫度(LST)[7]或建立相關模型如ICAM[8]以對城市熱島效應(UHI)[9]進行深入研究，本文使用InVEST模型中的Urban Cooling模型，量化評價城市，與反演Landsat數據得到地表溫度相比，模型同時使用蒸散發和土地利用類型，在計算時模擬度更高，可估算地塊降溫效果以得到GUI的減溫作用，為減少能源消耗提供城市熱環境的解決方案。

2 數據來源與處理

2.1 研究區概況

大連市地理坐標為120.994°E～123.533°E，38.484°N～40.215°N，位于遼寧省南端沿海區，與京津冀地區隔渤海，與膠東半島隔黃海、渤海，與朝鮮半島隔黃海相望。氣候受海洋影響較大，屬暖溫帶濕潤大陸性季風氣候。地形為北高南低，內陸高沿海低，如圖1a所示，海拔最高處位于莊河市內，約為1108 m。土地利用類型多樣，多為林地和旱地為主的耕地，如圖1b所示。該市人口主要分布在南部沿海地區，總體分布為人口密度北低南高，如圖1(c)所示，淺色高、深色低。

2.2 數據來源

本文蒸散發(Evapotranspiration，ET)數據來源于MOD16，為美國NASA官網的MODIS衛星數據(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov)，分別采用2000年、2010年、2020年6月的數據進行處理，土地利用(LUCC)數據、大連市行政邊界數據和夜間燈光數據均來源于中國科學院資源環境信息科學與數據中心資源環境數據云平臺(www.resdc.cn)，DEM高程數據來源于地理空間數據云(www.gscloud.cn)。

2.3 研究方法

主要使用InVest 3.8.9模型中的Urban Cooling模塊，對大連市進行分析。首先該模塊根據局部陰影系數(local shade)、蒸散發(evapotranspiration)和反照率(albedo)計算每個像素的冷卻能力(Cooling Capacity, CC)指數，其中局部陰影為不同土地利用類型(LUCC)樹冠對地表覆蓋情況的比例：

圖1 研究區概況

CCi=0.6·shade+0.2·albedo+0.2·ETI

(1)

式(1)中系數來源于經驗[6]，可根據實際情況進行調整，陰影指數、反照率則根據不同的土地利用類型變化，具體值參考斯坦福提供的已有的分類匹配表，ETI為表示蒸散發的標準值，通過ET0和來源于土地利用類型的裁剪系數Kc計算得到：

(2)

若有對應于每個土地利用類型的建筑密度數據(Building intensity)，則CC指數可以由式(3)求得：

CCi=1-building.intensity

(3)

其次，模型通過分析大型綠地的減溫冷卻作用，得到城市熱量緩解指數(Urban Heat Mitigation, HM)：

(4)

(5)

(6)

式(5)、(6)中cellarea是一個研究單元的面積，gj為是否綠地，dcool是綠地可產生冷卻作用的距離。

未產生空氣混合的空氣溫度:

Tairnomix,i=Tair,ref+(1-HMi)·UHImax

(7)

式(7)中UHI值為城市尺度熱島效應等級，單位為℃，可通過耶魯大學開發的Global Surface UHI Explorer(https://yceo.users.earthengine)或相關網站進行查詢，Tair,ref為農村參考溫度即未發生城市熱島效應地區的溫度，Tair實際氣溫即混合后的氣溫使用有核半徑r的高斯函數對未產生空氣混合的空氣溫度進行平均得出，表現出當前數據模式下的地區溫度。

夜間燈光數據不僅具有空間性也具有強度性，可以表現出人類夜間活動頻度，而人類活動頻度則可以指示該地人口密度，有大量研究表明人口密度與夜間燈光數據有強正相關[10]，本文使用夜間燈光指數表征人口密度以進行分析。

3 結果分析

本次研究選取2000年、2010年和2020年共三期數據使用InVEST模型中Urban Cooling模型進行了實驗模型分析，通過每期數據對大連市整體的城市降溫效果進行模擬和分析，得出城區時空降溫效果。

3.1 大連市城區冷卻降溫效果時間差異

縱向比較圖2、圖3中2000年、2010年和2020年三期結果，北部地區降溫效果強的區域在時間跨度上有一定擴展，從2000年開始面積不斷擴大，鑒于這些地塊主要為有林地等植被覆蓋區，可以看出大連市在近20年間，植樹造林成效顯著，且該區域內有遼寧仙人洞等自然保護區和森林公園，植被覆蓋區面積的擴大也可說明這些自然保護區和森林公園發展良好，北部森林植被覆蓋區的面積擴大，增強了北部山區的降溫效果，進而緩解城區的熱島效應。南部地區降溫效果弱的城市建成區面積同樣也有一定程度的擴大，尤其是甘井子區沙河口區中山區瓦房店市等部分區域，CC值從2000年約0.1569變為2020年約0.156，由于城市化不斷發展，城區面積擴大，將原有的自然景觀轉變為人造景觀，從而造成區域降溫效果的下降。

由圖3知，在三期數據中，HM指數最高值均為1，但值為1的范圍并不相同，像元數分別為2000年3472，2010年3329，2020年1563，可得HM高值區面積在縮減，在2010～2020年間下降速度較前變大，雖然前述北部地區CC值高值區面積擴大，但綜合分析，北部地區的綠地類型出現了化整為零的現象，雖然總體占地面積有所擴大，但大型綠地數量減少。今后大連北部山區應在擴大綠化面積的同時提高林地郁閉度，提高植被地表覆蓋度，切實提高區域降溫效果，建設更完備更和諧更平衡的保護區和國家公園。

圖2 研究區冷卻能力分布

圖3 研究區熱量緩解指數分布

3.2 大連市城區冷卻降溫效果空間差異

經InVEST中Urban Cooling模型計算得出，每個像素的冷卻能力(Cooling Capacity, CC)指數如圖2， 分別在圖2每期數據內部進行比較以得出城市不同區域冷卻能力的景觀空間差異，雖然每期數據不同冷卻能力區域的范圍和面積并不完全相同，但高值區和低值區的普遍分布規律在空間上并無太大變化，均為北高南低，具體表現為：

在北部山地地區，地塊冷卻能力最大，2000年最高值出現在莊河市仙人洞鎮后四道溝附近，為0.83，2010年最高值出現在瓦房店市松樹鎮西溝附近，為0.83，2020年最高值出現在瓦房店市松樹鎮北嶺附近，為0.83。由圖1(a)此區域海拔較高，且由圖1(b)土地利用類型為林地，多為喬木等植被覆蓋區，屬等綠化面積較大的區域，由圖1(c)看出人口密度相對較低，可以得出以林地為主，人口密度較低的區域對城市冷卻能力的貢獻最大。冷卻能力高值區相應的城市溫度較低(圖4)，北部地區較南部城鎮區溫度高約3 ℃。

圖4 研究區混合溫度分布

由圖2中部平原區降溫效果次之，其CC值分布在中間范圍，約為0.2～0.66之間，由圖1b，此區域土地利用類型多樣，以林地和灌木林為主，圖1(c)區域人口密度為中間值，較為平均，此區域在各方面均為中值，且面積在所有3個區域中最大。

在研究區南部尤其是沿海地區集中出現降溫效果最弱的區域，是以中西沙甘等區為代表的中心人口密集城區，包括莊河市和普蘭店區等地的政府所在地，2000年CC值最低值出現在普蘭店區皮口鎮，為0.1546，2010年CC值最低值出現在瓦房店市紅沿河鎮黃泥洞附近，為0.0553，2020年CC值最低值出現在莊河市趙咀一帶，為0.055，但這些值的像元個數僅為1，為避免誤差干擾，選取像元值較多的低值，為2000年的0.1569，2010年的0.156，2020年也是0.156，這些區域由圖1(b)和圖1(c)可知，主要為城市建成區，區內人工建筑覆蓋度高，人口主要集中在此區域，由圖4可得出，主要城市建成區氣溫明顯高于周圍地區，從圖4中可以明顯提取出各區縣中心區，與圖1b所示人口密度分布一致，人口密度大的區域溫度也相應高，區內植被與北部地區相比較少，綠化區域主要為人工草坪和行道樹等點狀和線狀綠地，也存在公園等小型面狀綠地，但面積較小且分散，由圖2可得此類區域降溫效果較弱。

HM指數的趨勢在年內如圖3所示，與圖2一致，均為北高南低。HM指數在距公園等大型綠地較近時，受綠地影響大，為與綠地距離相關的CCpark值，距離較遠時，認為不受大型綠地影響，受該處土地利用類型影響大，為CC值。所以在值的高低方面的一定程度上，尤其是低值方面，HM指數與CC值具有一致性，但在高值方面仍有不同表現，具體表現在面積方面，這部分內容在上一節中進行具體討論，但高值均為1，且廣泛分布在北部地區，與前所述一致。

4 結論與討論

通過分析大連市2000年、2010年和2020年的全市降溫能力，得出結論如下：①大連市全市降溫效果總體來看北高南低，北部山區高，南部沿海城鎮區域低；②林地灌木林等植被覆蓋高的土地利用類型降溫效果好，城鎮用地等人造水泥混凝土土地利用類型降溫效果差；③人口密度低的區域降溫效果強，海拔較高的山區降溫效果強；④2000年以后，大連市北部地區冷卻能力強的有林地總面積擴大，但連續性下降，尤其是2010年后，連續性的下降速率加快，大型綠地數量持續減少；⑤南部城市地區，降溫效果差的城市建成區面積擴大，城市化進程提高。