珠三角城市群城市熱島與地表覆蓋時空變化分析

梁珂，任秀波，張洋，劉偉東，李鴻軼

（1.自然資源部第一大地測量隊，陜西 西安 710054）

城市化進程的加快促進了社會經濟的繁榮，同時衍生而來的是一系列環境問題，如城市熱環境問題等。城市熱島是城市熱環境問題中的一項重要評估指標，是指城市溫度高于周圍郊區溫度而形成的溫度島嶼現象[1]。城市熱島與城市人口健康、居民舒適度等息息相關，因此對城市熱島進行實時有效監測是很有必要的[2]。根據觀測手段的不同，城市熱島可分為大氣城市熱島和地表城市熱島。大氣城市熱島通過氣象站點觀測的氣溫數據進行監測[3-5]，該數據雖然具有較長時間的觀測資料，但由于站點稀疏，難以準確捕捉城市熱島的空間分布。隨著遙感技術的發展，利用衛星觀測的熱紅外遙感影像反演的地表溫度監測城市熱島變化被廣泛應用，其中MODIS衛星因具有相對較高的時間分辨率和空間分辨率，且其地表溫度產品精度可靠，被廣泛應用于大區域尺度城市熱島的研究中[6-14]。鑒于此，本文以珠三角城市群為研究區，基于2005—2019年MODIS地表溫度數據和土地利用數據，研究了其城市熱島的時空變化特征，并揭示了其形成機制。

1 研究方法

1.1 研究區概況

珠三角城市群位于我國華南地區，珠江下游，與長三角城市群、京津冀城市群并列為我國三大城市群。珠三角城市群地處廣東省東南部，由廣東省15個城市組成，土地覆蓋面積為4.22萬km2；絕大部分地區屬于熱帶，屬南亞熱帶季風氣候，常年高溫多雨。珠三角城市群作為我國核心城市群，具有得天獨厚的發展優勢，隨著社會經濟的快速發展，近年來呈現城市化進程加快、農村工業化程度高的特點，導致其城市熱島現象十分明顯。因此，對珠三角城市群的城市熱島進行實時有效監測是十分必要的。

1.2 研究數據與預處理

本文采用MYD11A2與MCD12Q1兩種MODIS產品。MYD11A2為美國宇航局（NASA）制作的8 d地表溫度合成產品，由MODIS日地表溫度產品合成而來，在空間上提高了其覆蓋率，是目前使用最多的地表溫度產品。該產品的空間分辨率為1 km，適合大區域的城市熱島研究；包含兩個時刻的地表溫度，分別為當地時間的下午13：30與夜晚01：30。本文采用的研究數據為2005—2019年珠三角城市群日地表溫度數據集，數據源為hdf格式文件，通過IDL調用MODIS數據處理軟件（MRT）批量進行影像拼接、投影和裁剪，最終得到珠三角城市群的地表溫度影像。為分析研究區城市熱島季節及其年際變化特征，本文對8 d合成地表溫度影像進行季節均值合成，得到4個季節的地表溫度影像，并采用同樣的方法進行年地表溫度合成。MCD12Q1為NASA制作的全球土地利用數據產品，時間分辨率為1 a，空間分辨率為500 m。MODIS土地利用數據包括多種分類方案，本文采用IGBP全球植被分類方案土地覆蓋類型，該方案將全球地表分為17種用地類型。在Matlab中將其進行進一步處理，合并為林地、灌木、草地、耕地、建成區、裸土、濕地和水體8種用地類型。為與地表溫度影像的空間分辨率保持一致，將其統一重采樣至1 km。

1.3 城市熱島時空特征研究方法

為分析珠三角城市群的城市熱島時空分異特征，本文通過定性和定量兩種方法進行研究。為揭示珠三角城市群城市熱島的空間分異特征，采用均值標準差法進行熱島等級劃分。為消除不同時間影像帶來的差異，首先將地表溫度進行歸一化處理，即

式中，Tnorm為歸一化后的地表溫度，范圍為0～1；Tmax、Tmin分別為地表溫度最大值和最小值；T為每個地表溫度的像元值。

然后，利用均值—標準差法對歸一化后的地表溫度進行熱島劃分。該方法通過地表溫度均值與標準差的倍數關系劃分城市熱島[12]，將研究區分為強負熱島、較強負熱島、弱負熱島、無熱島、弱熱島、較強熱島和強熱島7個城市熱島等級，可對珠三角城市群城市熱島的年際和季節空間變化進行定性分析。

為定量研究城市熱島，本文采用城鄉溫差法進行城市熱島強度計算。城市熱島強度是指城市與郊區地表溫度的差值，將建成區視為城市區域，將林地、灌木、草地與耕地等有植被覆蓋的區域視為郊區。其計算公式為：

式中，UHII為城市熱島強度；Turban、Trural分別為城市地表溫度均值和郊區地表溫度均值。

2 研究結果與分析

2.1 珠三角城市群城市熱島時空變化

2.1.1 年際變化特征

珠三角城市群2005—2019年的城市熱島空間變化情況如圖1所示，可以看出，珠三角城市群城市熱島現象明顯，城市熱島呈倒“U”型增長趨勢；2005年城市熱島主要分布在珠江入海口沿岸，如珠海市、中山市南部、深圳市和東菀市，主要為強熱島和較強熱島，其他地市城市熱島零星分布；在2005—2012年和2012—2019年期間城市熱島的倒“U”型趨勢進一步加強，強熱島范圍進一步增大，主要體現在廣東省南部地區、深圳市、中山市和珠海市；城市熱島增長具有階段性差異，2005—2012年城市熱島增長快于2012—2019年；城市熱島范圍增長主要體現在2005—2012年，該時段內珠三角城市群的強熱島面積明顯擴大，2012—2019年雖也有擴大，但擴大范圍比2005—2012年小。

圖1 珠三角城市群城市熱島年空間分布

根據熱島強度的定義，本文分別統計珠三角城市群的城市地表溫度和郊區地表溫度均值，并計算出二者的差值。珠三角城市群2005—2019年城市溫度、郊區溫度和熱島強度統計如圖2所示，可以看出，2005—2019年城市溫度和郊區溫度均呈逐漸上升趨勢，城市溫度由2005年的28.36℃上升到2012年的30.29℃，2012—2019年城市溫度上升了1.0℃；郊區溫度在2005—2012年和2012—2019年分別上升了0.07℃和0.84℃，因此珠三角城市群近15 a的地表溫度呈逐漸上升趨勢；2005—2019年城市熱島強度呈逐漸增長趨勢，2005年的熱島強度為2.48℃，2012年和2019年分別增長至4.34℃和4.50℃，可見熱島效應越來越明顯；2005—2012年城市熱島強度增長較明顯，增長了1.86℃，2012—2019年也有所增長，但增長較少，只增長0.16℃。

圖2 珠三角城市群熱島強度年際變化

2.1.2 季節變化特征

2005—2019年珠三角城市群城市熱島季節空間分布特征如圖3所示，可以看出，珠三角城市群的城市熱島具有明顯的季節性特點，對于同年的不同季節，城市熱島均表現為夏季最強，秋季和春季次之，冬季最弱；對于不同年份的相同季節，城市熱島在4個季節均呈逐漸增強趨勢，且表現為倒“U”型擴張，與年際城市熱島空間分布一致；在冬季，珠三角城市群的西南角和東南角部分區域呈現強熱島，主要是由于這些區域分布的是耕地，冬天無植被覆蓋時，裸露土地白天可吸收大量熱量，導致這些區域也呈現強熱島。

圖3 珠三角城市群城市熱島季節變化

2005—2019年珠三角城市群城市熱島強度季節變化情況如圖4所示，可以看出，珠三角城市群的城市熱島強度具有明顯的季節性差異，夏季最強，秋季和春季次之，冬季最弱；所有季節的熱島強度均在2.15℃以上，夏季熱島強度均在4.46℃以上，2019年夏季的熱島強度達到6.70℃；2005—2012年城市熱島強度在各季節的增長均大于2012—2019年，2005—2012年的城市熱島強度在各季節分別增長了0.52～1.99℃，2012—2019年的熱島強度在各季節分別增長了0.16～0.91℃。

圖4 珠三角城市群熱島強度季節變化

2.2 珠三角城市群地表覆蓋時空變化特征

2005—2019年珠三角城市群各用地類型的空間分 布情況如圖5所示，可以看出，珠三角城市群的城鄉界線明顯，城市化進程呈逐年加快趨勢；與城市熱島的空間分布一致，城市范圍主要呈現圍繞珠江入海口的倒“U”型空間分布；建成區主要表現為強熱島或較強熱島區域，而林地、水體和濕地等主要體現為負熱島區域；珠三角城市群的建成區范圍逐年擴大，表現為明顯的城市擴張，且建成區面積增長在2005—2012年快于2012—2019年。

圖5 珠三角城市群各用地類型的空間分布

2005—2019年珠三角城市群各用地類型的面積統計如圖6所示，可以看出，珠三角城市群的用地類型以草地和林地為主，其次為建成區和耕地，濕地、水體和祼土的面積占比較少。2005—2019年珠三角城市群各用地類型的面積變化情況如圖7所示，可以看出，珠三角城市群的建成區面積呈逐年增加趨勢，2005—2012年約擴張了500 km2，2012—2019年約擴張了229 km2；裸土和草地呈減少趨勢，截至2019年裸土減少了約80 km2，草地減少了15 000 km2，這兩種用地類型的減少，一方面表現在城市用地的增加，另一方面是響應國家植樹造林政策，2005—2019年珠三角城市群的林地面積約增加了12 000 km2。

圖6 珠三角城市群各用地類型面積統計

圖7 不同時段珠三角城市群各用地類型面積變化

2.3 珠三角城市群不同用地類型的地表溫度變化情況

2005—2019年珠三角城市群各用地類型的地表溫度統計情況如圖8所示，可以看出，由于地表下墊面的不同，不同用地類型表現出不同的熱屬性和溫度分布，2005—2019年各用地類型的溫度變化趨勢呈現相同規律，均為建成區地表溫度最高，其原因在于城市化進程使得大量自然地表轉化為水泥路面、建筑物等不透水面，這些材料具有較好的吸熱性，易在白天吸收大量熱量，導致建成區地表溫度最高；林地的地表溫度最低，其次為水體和濕地，其原因在于植被的蒸騰作用能帶走大量熱量，具有降溫作用，且水體、濕地含有較高水分，其蒸發作用也可降溫，因此這些用地類型的地表溫度相對較低。

圖8 珠三角城市群各用地類型的溫度統計

2005—2019年珠三角城市群各用地類型地表溫度在4個季節的分布情況如圖9所示，可以看出，2005—2019年4個季節均表現為建成區地表溫度最高、林地地表溫度最低，這與年際各用地類型的分布是一致的；各年份各用地類型的地表溫度均具有季節性特征，均表現為夏季地表溫度最高，春季和秋季次之，冬季最低。

圖9 珠三角城市群各用地類型的季節地表溫度統計

由上述分析可知，珠三角城市群的城市熱島現象逐漸增強，主要原因在于城市化進程使得建成區面積不斷增加，大量自然地表轉化為不透水面，城市區域比周圍郊區吸收的熱量多，且由于城市內植被覆蓋較少，植被蒸騰作用帶來的降溫效果不明顯，從而導致城市地表溫度比其他用地類型的地表溫度高；而珠三角城市群郊區的用地類型主要為林地，白天蒸騰作用顯著，降溫效果明顯，從而導致郊區的地表溫度較低，因此較大的城市與郊區的地表溫度反差，導致了較高的城市熱島強度。珠三角城市群的建成區面積逐年增加，建成區地表溫度也逐漸上升，從而導致了逐年增長的城市熱島強度，因此若想緩解城市熱島效應，可在城市區域內多種植樹木、加強公園綠化，減少城市和郊區的溫度差；另外，水體、濕地也具有緩解城市熱島的作用，可在城市區域內多建設池塘、水池、湖泊等。由于珠三角城市群的城市熱島效應具有明顯的季節性特點，因此各用地類型也表現為季節性變化特征。特別是對于建成區，其地表溫度在夏季最高，應特別注意夏季城市區域的城市熱島緩解策略，夏季高溫時可在道路等城市不透水面上多灑水，有利于降低城市內部的地表溫度，從而起到緩解城市熱島的作用。

3 結語

基于MODIS地表溫度數據和土地利用數據，本文研究了2005—2019年珠三角城市群城市熱島的年際變化和季節變化特征，分析了其地表覆蓋變化情況；并研究了珠三角城市群不同用地類型的年際和季節地表溫度變化情況。

1）珠三角城市群的城市熱島現象明顯，且呈逐年增長的趨勢。城市熱島主要呈倒“U”型分布與增長，強熱島主要分布在珠江入海口處的廣州市、深圳市、佛山市和中山市。2005—2012年珠三角城市群的城市熱島強度增長快于2012—2019年，各年熱島強度均在2.48℃以上。

2）珠三角城市群的城市熱島具有明顯的季節特征，表現為夏季最強，秋季和春季次之，冬季最弱。2005—2019年各季節的熱島強度均在2.15℃以上，夏季均在4.46℃以上。

3）珠三角城市群城市化進程逐年加快，建成區面積逐年增加。2005—2019年珠三角城市群各用地類型的地表溫度分布趨勢一致，均表現為建成區的地表溫度最高，林地、水體的地表溫度較低。因此，可通過加強城市內部綠化、設立池塘和水池等方式減緩城市熱島效應，特別應注意夏季城市熱島的緩解策略。