贛江新區熱島效應及土地利用時空變化分析

溫新龍，彭王敏子*，蔣 帥，孫 擎

（1.江西省氣象科學研究所，江西 南昌 330096；2.南京信息工程大學 應用氣象學院，江蘇 南京 210044；3.中國氣象科學研究院，北京 100081）

0 引言

熱島效應是指城區溫度高于周圍郊區的現象，是城市氣候最明顯的特征之一［1］。熱島效應的成因與城鎮化的發展密切相關，主要體現在3個方面：一是城鎮區域密集的人類活動所排放的人為熱多于郊區；二是城郊下墊面的差異，城鎮區域的不透水面代替了原有的可滲透地面、植被和水體等；三是城區大氣氣溶膠帶來的保溫效應。熱島效應會給經濟社會發展和人類健康產生負面影響，比如增加能源消耗、降低空氣質量、引發物候異常、增加疾病發病率和死亡率等［2-3］。在城鎮化背景下，受氣候變暖和極端天氣氣候事件多發、頻發的影響，包括熱島效應在內的城市生態環境問題引起了越來越多的關注［4-6］。梁珂等［7］基于地表溫度和MODIS數據，研究了2005—2019年珠三角城市群城市熱島的年際和季節變化特征及其地表覆蓋的時空變化情況；陰瑜鑫等［8］對長江經濟帶城市群熱島特征及影響因素進行了研究，并指出土地覆蓋類型、空氣質量、人口密度等是熱島效應的重要影響因素。

2016年6月6日，國務院批復設立江西贛江新區，同年10月20日贛江新區正式掛牌，成為中部地區第2個、全國第18個國家級新區。近年來，贛江新區發展勢頭強勁，主要經濟指標增速位居19個國家級新區“第一方陣”，2022年地區生產總值首次突破千億元大關。作為全國區域面積最小的國家級新區，城市發展與生態環境、土地利用之間的矛盾也逐步顯現［9-10］，生態環境、土地資源是制約贛江新區經濟社會發展的重要因素。因此，研究贛江新區熱島效應與土地利用的時空變化特征，對于改善熱島效應、建設宜居新區和指導區域可持續發展具有十分重要的現實意義。

1 研究區概況

贛江新區包括南昌經濟技術開發區、南昌臨空經濟區和九江市共青城市、永修縣的部分街道和鄉鎮，規劃范圍465 km2，為狹長帶形，南北長約70 km，東西最寬處10 km，最窄處不足5 km，呈現“兩廊（昌九產業走廊、濱湖生態廊道）、一帶（昌九新型城鎮帶）、四組團（經開組團、臨空組團、永修組團和共青組團）”的發展格局（圖1）。贛江新區的戰略定位是長江中游新型城鎮化示范區、中部地區先進制造業基地、內陸地區重要開放高地和美麗中國“江西樣板”先行區。

圖1 研究區域概況圖

2 數據與方法

2.1 衛星數據及預處理

本研究實測氣溫數據來自于贛江新區8個氣象站點（圖1），所用衛星數據為Landsat-8衛星的陸地成像儀(Operational Land Imager，OLI)和熱紅外傳感器(Thermal Infrared Sensor，TIRS)數據［11］，來源于美國地質勘探局(USGS)網站(https://earthexplorer.usgs.gov/)。Landsat-8衛星于2013年2月11日發射成功，每16 d可以實現一次全球覆蓋，共有11個波段，其中波段1~7和波段9的空間分辨率為30 m，波段10~11的空間分辨率為100 m，波段8為15 m分辨率的全色波段。

為避免季節差異、植被覆蓋差異等因素的影響，保證地表溫度反演的客觀性和研究的對比性，選取了研究區域同一季節、晴空條件下的三景L1T級別（輻射校正數據經過幾何精校正處理）衛星影像，分別為2014年9月6日、2017年11月1日和2020年9月6日（表1）。使用遙感影像專業處理軟件ENVI進行輻射定標和影像裁剪等預處理，得到研究區域的輻射亮度圖像。

表1 所采用的衛星影像信息

2.2 地表溫度反演及精度驗證

基于Landsat-8數據的地表溫度反演有多種方法，常見的有劈窗算法、單窗算法等［12］。本研究采用被證實的具有較高精度的大氣校正法，通過獲取成像時刻的大氣剖面參數和地表比輻射率參數進行贛江新區地表溫度反演，具體步驟參照文獻［13］。

將反演的地表溫度與研究區域內衛星過境時刻的氣象站實測溫度進行擬合。由擬合結果（圖2）可知，地表溫度反演值與氣象站實測值具有顯著的相關關系（R2=0.97，P＜0.05），說明反演方法可行性高、精度較好，存在的擬合誤差主要是由于反演的是地表溫度，而氣象站實測的是離地面1.5 m高度的氣溫，因此可以將該結果作為后續分析的依據。

圖2 地表溫度反演值與氣象站實測溫度的擬合結果

2.3 熱島強度分級

熱島強度是定量衡量熱島效應的一個重要指標，最常用、最普遍的表征方法是城市與鄉村的溫度差值。基于遙感反演地表溫度研究城市熱島強度一般有2種方式：一是所謂的城鄉溫度閾值法，先劃定城鄉范圍，在此基礎上提取一定溫度差作為熱島的識別閾值；一是直接以溫度分布特征為基礎提取熱島范圍，無需劃定城鄉范圍，包括溫度等級閾值法、高斯擬合參數法和溫度衰減突變法等。本研究引用熱場變異指數(HI)來衡量某個像元相對于整個研究區域的熱島強度情況［14］，計算公式為：

式（1）中：HI為熱場變異指數；Ts為反演的某像元的地表溫度（℃）；Tmean為研究區域的平均溫度（℃）。根據計算結果，將熱島強度分為4個等級，如表2所示。

表2 熱島強度等級劃分及含義

2.4 土地利用分類與變化分析

參照《土地利用現狀分類》（GB/T 21010—2017）和贛江新區相關規劃，對研究區域三景Landsat-8 OLI遙感影像數據進行目視判讀，結合光譜特征信息，以其土地利用及覆蓋現狀為參考，使用最大似然估計法對土地利用及覆蓋類型進行監督分類，將贛江新區土地利用類型劃分為耕地、林地、建設用地和水域4大類，分類精度總體介于85.13%~90.22%，Kappa系數在0.857以上，滿足研究需求，再使用ArcGIS 10.2軟件對土地利用分類數據進行統計。

采用土地利用動態度來衡量一定時間段，研究區域內某一種土地利用類型的面積變化速度。土地利用動態度的絕對值越大說明在該段時間內土地利用變化程度越大，反之則變化程度越小。計算公式為：

式（2）中：K為土地利用動態度；Ua、Ub分別表示研究初期和末期該類土地利用類型的面積；T為研究時間間隔（本研究為年間隔）。

3 結果與分析

3.1 地表溫度分布特征

由贛江新區3期遙感影像地表溫度反演結果（圖3）可知，地表溫度分布與天氣背景、土地利用類型有關。結合表1中成像當日天氣背景及圖2氣象站實測氣溫來看，研究區域3期影像的天氣背景相似，均為多云和晴天，風力小于3級；不同的是，2014年9月6日與2020年9月6日氣溫幾乎接近，但比2017年11月1日高10～12 ℃。對比圖3a、圖3b可知，受城鎮化影響，2017年低于27 ℃的區域明顯少于2014年的，但由于2017年11月1日氣溫偏低10～12 ℃，即使2017年城鎮化水平高于2014年的，但高于31 ℃的區域并沒有明顯擴大。對比圖3a、圖3c可知，隨著城鎮化的不斷發展，地表溫度超過31 ℃的范圍由零星點狀向成片帶狀變化，面積從2014年的14.9 km2擴大到2020年的99.6 km2，占比由3.2%擴大到21.4%，而地表溫度超過32 ℃的面積則是從2014年的5.6 km2擴大到2020年的58.1 km2，占比從1.2%擴大到12.5%。

圖3 贛江新區地表溫度反演結果

3.2 熱島強度特征

由贛江新區熱島強度分級結果（圖4）可以看出，贛江新區熱島現象明顯，與地表溫度高值區域一致，主要分布在各組團的城鎮化區域。隨著工業化和城鎮化的推進，熱島面積在逐步擴大，增加最明顯的區域是經開組團、臨空組團的樵舍鎮、永修組團的艾城鎮和共青組團的江益鎮。從各級像元個數和占比（表3）來看，各期均為無熱島區域的占比最大，其次是弱熱島和一般熱島區域，強熱島區域占比最小，熱島區域占比由2014年的19.3%增加到2020年的26.2%。強熱島區域占比從2014年的0.6%增加到2017年的0.9%，再增加到2020年的1.2%；一般熱島區域從2014年的8.4%下降到2017年的7.7%，隨后又增加至2020年的12.3%；弱熱島區域從2014年的10.3%增長到2017年的15.7%，再減少到2020年的12.7%。對比圖4a、圖4c可知，相比2014年，2020年各等級熱島區域面積均呈增加趨勢。

表3 贛江新區熱島強度分級統計情況

圖4 贛江新區熱島強度分級示意圖

3.3 土地利用分類及變化特征

根據贛江新區2014、2017和2020年3期遙感影像土地利用分類結果（圖5），統計得到各土地類型面積和占比（表4），并分別計算2014—2017、2017—2020和2014—2020年這3個時間段的土地利用動態度（表5）。

表4 贛江新區土地利用類型面積統計情況

表5 贛江新區土地利用動態度變化情況

圖5 贛江新區土地利用時空變化特征

圖6 贛江新區各期不同土地利用類型的地表溫度

贛江新區2014、2017和2020年的土地利用類型中面積最大的均為林地，面積占比分別為45%、50%和40%，均呈現先增加后減少的趨勢，減少的區域主要在經開組團的中北部和臨空組團樵舍鎮的南部。耕地呈現逐年減少的趨勢，面積由2014年的167 km2減少為2017年的102 km2，再到2020年的88 km2，由2014年排名第二降為2017和2020年的排名第三。隨著城鎮化進程的加快，建設用地面積呈逐年增加趨勢，面積從2014年的74 km2增加至2017年的112 km2，再到2020年的140 km2，2020年建設用地面積是2014年的1.89倍，增加區域主要是在各組團已有城鎮化區域上向周邊擴張，致使周邊林地和耕地減少。水域面積不斷增加，占比從2014年的3%上升到2017年的4%，再上升到2020年的11%，增加區域主要在贛江新區東面，這與江西加快鄱陽湖流域生態修復，實施退耕還濕等生態項目有關。

從土地利用動態度（表5）來看，2014—2020年這6 a間，贛江新區的建設用地和水域面積在增加，耕地和林地面積在減少，這與李萬鈺等［15-16］的研究結論一致。土地利用變化程度由大到小依次為水域＞建設用地＞耕地＞林地。

3.4 不同土地利用類型的地表溫度特征

利用ArcGIS 10.2軟件將土地利用類型（圖5）與地表溫度反演結果（圖3）進行空間疊加，可以看出不同的土地利用類型其地表溫度存在差異，地表溫度高于29 ℃的區域主要分布在各組團的城鎮區域，植被覆蓋度較高的區域及水體的地表溫度一般低于28 ℃。由圖 6可知，4種土地利用類型的地表溫度均值依次為建設用地＞耕地＞林地＞水域，主要原因在于不同類型下墊面的熱屬性差別，城鎮等建設用地存在大量的水泥路面等不透水面，它們具有較好的吸熱性，易在白天吸收大量熱量導致其地表溫度最高。受天氣背景影響，2017年贛江新區各類土地利用類型溫度為這3期中最低，同時由于城鎮化的發展，建設用地逐步增加，更多的耕地、林地轉化為不透水面，以致2020年各種土地利用類型的溫度為這3期中最高，其中建設用地的地表溫度均值達32.5 ℃。

4 結論與討論

基于贛江新區2014、2017和2020年三景Landsat-8衛星影像，利用大氣校正法反演了研究區域地表溫度并與氣象站實測氣溫進行了精度驗證，在此基礎上研究了贛江新區熱島效應與土地利用時空變化特征，主要結論為：

（1）地表溫度分布與天氣背景及土地利用類型有關。2017年地表溫度低于27 ℃的區域明顯少于2014年的，而高于31 ℃的區域沒有明顯擴大；地表溫度超過31 ℃的范圍由零星點狀向成片帶狀變化，面積從2014年的14.9 km2擴大到2020年的99.6 km2。

（2）贛江新區熱島現象明顯且熱島面積在逐步擴大，占比由2014年的19.3%增加到2020年的26.2%，增加最明顯的區域是經開組團、臨空組團的樵舍鎮、永修組團的艾城鎮和共青組團的江益鎮；各期均為無熱島區域占比最大，其次是弱熱島和一般熱島區域，強熱島區域占比最小。

（3）3期土地利用類型中面積最大的均為林地，面積占比分別達到了45%、50%和40%；2014—2020年這6 a間建設用地和水域面積在增加，耕地和林地面積在減少，土地利用變化程度由大到小依次為水域＞建設用地＞耕地＞林地。

（4）各土地利用類型地表溫度均值依次為建設用地＞耕地＞林地＞水域。受天氣背景影響，2017年各類土地利用類型溫度為3期中最低，同時由于城鎮化的發展，建設用地逐步增加，更多的耕地、林地轉化為不透水面，以致2020年各種土地利用類型的溫度為3期中最高。

綜上，隨著贛江新區的快速發展，其地表溫度、熱島效應發生了顯著變化，并且這種變化與同期的土地利用類型變化存在密不可分的關系。此外，城市布局、交通密度、人類活動、氣象條件等都是地表溫度和熱島效應的重要影響因素，這些因素對贛江新區的定量影響是今后研究的重要方向。贛江新區作為江西高質量跨越式發展的“王牌”和“駿馬”，其新型工業化、信息化和城鎮化將持續加快，在今后的規劃中，應該注重生態理念，促進生態環境、空間格局的區域集約和協同發展。