北京市城市化進(jìn)程中熱環(huán)境響應(yīng)

葛榮鳳,王京麗,張力小,*,田光進(jìn),馮悅怡

1 北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院， 環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,北京 100875 2 中國(guó)氣象局北京城市氣象研究所,北京 100089

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北京市城市化進(jìn)程中熱環(huán)境響應(yīng)

葛榮鳳1,王京麗2,張力小1,*,田光進(jìn)1,馮悅怡1

1 北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院， 環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,北京 100875 2 中國(guó)氣象局北京城市氣象研究所,北京 100089

城市熱島效應(yīng)是快速城市化過程帶來最明顯的生態(tài)環(huán)境問題之一,理清其形成和演變規(guī)律對(duì)城市規(guī)劃、人居環(huán)境改善等具有重要意義。利用1991—2011年間8期夏季(6—8月)Landsat- 5 TM遙感影像反演的地表溫度空間場(chǎng)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),通過定義熱島強(qiáng)度與熱島容量指數(shù),并利用重心模型與Moran′sI全局自相關(guān)等空間分析方法,對(duì)受城市化影響的典型區(qū)域——北京六環(huán)區(qū)域內(nèi)熱島效應(yīng)的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征及演變規(guī)律進(jìn)行分析。結(jié)果表明：20年間六環(huán)內(nèi)熱島強(qiáng)度總體上呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),其平均值在5.73—9.27℃之間,統(tǒng)計(jì)意義上,北京市六環(huán)內(nèi)熱島強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率為1.35℃/10 a；空間格局上,南北維度的變化較東西維度明顯,但總體上呈現(xiàn)破碎化態(tài)勢(shì),全局Moran′sI指數(shù)從1991年的0.63下降到2011年的0.16；空間重心模型顯示研究區(qū)內(nèi)熱環(huán)境變化的圈層特征明顯,受功能疏解等因素的影響,城市中心二環(huán)區(qū)域的熱環(huán)境呈現(xiàn)一定程度的好轉(zhuǎn)。

熱島效應(yīng)；熱島強(qiáng)度；城市化；城市規(guī)劃；空間自相關(guān)

城市熱島(UHI)是指由城市化引起的城市地表及大氣溫度高于周邊非城市環(huán)境的一種現(xiàn)象[1],通常用城市中心城區(qū)溫度與郊區(qū)溫度的差值作為熱島強(qiáng)度的表征指標(biāo)。城市化過程對(duì)城市熱環(huán)境的影響主要通過兩方面來實(shí)現(xiàn)：第一,改變了自然下墊面的熱屬性。相對(duì)于由水、土和植被構(gòu)成的自然表面,以混凝土、瀝青為材料的建筑物和道路組成的城市下墊面一般具有較大的熱容性、較小的反照率以及很小的蒸發(fā)和蒸騰,從而能夠更有效地將入射太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)換為熱量并儲(chǔ)存[2]；第二,接納工業(yè)、交通、商業(yè)和生活等城市經(jīng)濟(jì)活動(dòng)排放的大量廢熱。作為典型的“城市病”之一,熱島效應(yīng)的產(chǎn)生及演變與城市化進(jìn)程、人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)密切相關(guān), 是城市生態(tài)環(huán)境狀況的綜合概括與體現(xiàn)。鑒于其對(duì)城市的生態(tài)、環(huán)境質(zhì)量、居民健康甚至城市經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生的危害,城市熱島的空間分布特征、形成演變機(jī)制及減緩措施等問題成為研究的熱點(diǎn)[3- 5]。

眾多學(xué)者采用氣象觀測(cè)及遙感影像反演等方法對(duì)熱島的時(shí)空分布及演變規(guī)律進(jìn)行了研究[6- 7]。其中,氣象觀測(cè)法具有數(shù)據(jù)時(shí)間跨度大、準(zhǔn)確以及定量的優(yōu)勢(shì),多用于熱島時(shí)間序列變化分析中,如晝夜變化[8]、季節(jié)分布[9]以及年際增率等[10]。但在研究城市環(huán)境空間格局與演變特征時(shí),多利用遙感影像的熱紅外通道反演地表溫度(LST),其中MODIS數(shù)據(jù)(分辨率1 km)以及Landsat TM /ETM+數(shù)據(jù)(分辨率分別為120 m、60 m)得到了廣泛應(yīng)用。例如,王建凱等[11]、Tran等[12]均使用MODIS地表溫度產(chǎn)品分析了北京熱島強(qiáng)度的變化,發(fā)現(xiàn)最大熱島強(qiáng)度出現(xiàn)在夏季,范圍在5—10℃之間。MODIS數(shù)據(jù)具有較好的時(shí)間分辨率,但是空間分辨率較低。王文杰等[13]、彭靜等[14]分別利用6期TM/ETM+ 影像分析了北京城市化發(fā)展與城市熱島效應(yīng)變化關(guān)系,證實(shí)了城市化過程對(duì)區(qū)域熱島效應(yīng)的影響規(guī)模與強(qiáng)度。楊沈等[15]利用1988—2006年20期Landsat TM和ETM+數(shù)據(jù)分析了北京市城市熱島的季節(jié)變化特征,并采用多項(xiàng)式擬合獲取了城市熱島強(qiáng)度的季節(jié)變化曲線。但是,對(duì)同一時(shí)段或季節(jié)(如夏季)仍然缺乏較長(zhǎng)時(shí)間序列的研究。需要說明的是,受遙感影像成像條件的限制,由遙感影像反演出的LST并不一定真實(shí)反映特定時(shí)段的平均溫度,反演得到LST絕對(duì)值一定程度上缺乏可比性,但熱島強(qiáng)度及其空間格局信息卻能夠較好的反映出城市化進(jìn)程中的熱環(huán)境變化規(guī)律。例如,Qiao等[16]利用1989、2000和2010三期TM/ETM+影像分析了北京地區(qū)熱島效應(yīng)的空間格局變化。但是一般來說,少于5個(gè)序列的相關(guān)數(shù)據(jù)來歸納演變規(guī)律缺乏明顯的說服力。此外,現(xiàn)有的研究基本上都以北京整個(gè)行政區(qū)作為研究對(duì)象,區(qū)域內(nèi)非城市化因素引起的土地利用變化如土地沙化等,對(duì)相關(guān)結(jié)論也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

鑒于此,本文利用1991—2011年間8期夏季Landsat- 5 TM遙感影像,以受城市化影響的典型區(qū)域——北京六環(huán)內(nèi)區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象,對(duì)其近20 a熱島效應(yīng)的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行研究,探討其時(shí)空變化特征與格局演化規(guī)律,力求為新一輪的城市總體規(guī)劃與人居環(huán)境改善等城市生態(tài)文明建設(shè)提供定量化決策依據(jù)。

1 研究區(qū)域

北京六環(huán)內(nèi)區(qū)域是近20年來受城市化影響最為顯著的區(qū)域,盡管其面積僅占北京總面積的14%,卻容納了全市超過60%的居住人口以及62% 的GDP 總量[17]。市區(qū)內(nèi)各環(huán)線圍合區(qū)域基本上代表了城市擴(kuò)張的輪廓路線,形成了以故宮為中心,以二、三、四環(huán)為中心城區(qū),五、六環(huán)為城市拓展區(qū)的空間格局[13]。為最大程度上減少遙感影像時(shí)相差異的影響,本研究選取受城市化影響相對(duì)較小的百花山自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)域?yàn)榭臻g參照區(qū)(圖1)。研究區(qū)內(nèi)均屬于平原地,海拔高度在20—60 m之間,海拔引起的溫度差異可忽略不計(jì)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的數(shù)據(jù)主要為L(zhǎng)andsat- 5 TM遙感影像(美國(guó)USGS地球資源觀察系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心,http:// glovis.usgs.gov),過境時(shí)間約為北京時(shí)間10:00。在充分考慮北京城市化發(fā)展進(jìn)程以及時(shí)間尺度特征的基礎(chǔ)上,選取1991—2011年間夏季(6—8月,1期為5月28日)有代表性、數(shù)據(jù)質(zhì)量好的8期TM遙感影像(表1),云量均低于7%,地面特征清晰,圖像干擾較少。遙感影像數(shù)據(jù)處理采用遙感圖像處理軟件平臺(tái)ENVI 4.8,以及地理信息系統(tǒng)軟件平臺(tái)ArcGIS 9.3。

圖1 研究區(qū)地理位置示意圖Fig.1 Location of the study area圖中灰色區(qū)域基本上代表樓房、道路等城市下墊面,黃色線條為本研究的采樣帶

序號(hào)Number日期Date云量/%Clond序號(hào)Number日期Date云量/%Clond11991-06-171.052004-07-064.021993-08-250.062007-05-280.031996-06-300.072009-07-204.041999-07-097.082011-06-080.0

2.2 研究方法

2.2.1 地表溫度反演

本研究選取的影像為無云或少云,且研究區(qū)域內(nèi)地形差異較小,大氣的空間影響可忽略不計(jì),故選取對(duì)大氣參數(shù)依賴性小的基于影像的反演方法(IB),來反演研究區(qū)內(nèi)LST,相關(guān)方法的詳細(xì)說明見文獻(xiàn)[18]。由于本研究?jī)H關(guān)注研究區(qū)內(nèi)熱島效應(yīng)的變化趨勢(shì)與空間格局特征,且已有研究表明城市下墊面輻射溫度與低空(1.5 m)氣溫呈顯著線性關(guān)系,因此用LST來分析城市熱島效應(yīng)是可行的[19-20]。

2.2.2 熱島強(qiáng)度定義

參照熱島強(qiáng)度定義[5],本研究將熱島強(qiáng)度(HII)定義為六環(huán)內(nèi)影像中每個(gè)像元點(diǎn)的LST與百花山參照區(qū)平均LST的差值,計(jì)算公式為：

(1)

2.2.3 熱島容量指數(shù)構(gòu)建

以往研究中對(duì)區(qū)域尺度熱島效應(yīng)進(jìn)行分析時(shí),多直接比較熱島強(qiáng)度變化特征[21],或通過密度分割及歸一化方法[22]進(jìn)行強(qiáng)度區(qū)間劃分后進(jìn)行面積加和統(tǒng)計(jì),但孤立地采用熱島強(qiáng)度或面積衡量熱島效應(yīng)發(fā)生的顯著程度,結(jié)論往往存在一定片面性[23]。本研究根據(jù)二重積分幾何函數(shù),綜合熱島強(qiáng)度、面積兩方面信息,構(gòu)建熱島容量指數(shù)(Capacity Index of Urban Heat Island, HCI),以求最大程度定量反映研究區(qū)內(nèi)熱島效應(yīng)發(fā)生的顯著性。HCI越大,城市熱島效應(yīng)的影響越大,對(duì)人居環(huán)境質(zhì)量的影響就越大,計(jì)算公式如下：

HCI=?HII(i,j)dσ

(2)

式中,HII(i,j)為空間位置為i,j像元點(diǎn)的熱島強(qiáng)度,i,j為像元坐標(biāo),dσ為面積元素。

2.2.4 熱島強(qiáng)度截面差值分析

受城市空間拓展時(shí)序的影響,熱島效應(yīng)在不同方位呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì),本研究建立西-東、北-南、東北-西南以及西北-東南4條采樣帶(圖1),對(duì)樣帶上2011年與1991年的HII進(jìn)行差值計(jì)算,以表征熱島效應(yīng)在不同城市拓展維度上的變化特征,計(jì)算公式如下：

HIIi,j,d=HIIi,j,2011-HIIi,j,1991

(3)

式中,HIIi,j,2011、HIIi,j,1991分別為樣帶i上像元j 2011、1991年HII值。

2.2.5 空間自相關(guān)分析

空間自相關(guān)作為空間單元屬性值聚集程度的一種度量指標(biāo),主要體現(xiàn)同一個(gè)變量在不同空間位置上的相關(guān)性[24-25]。自相關(guān)中的全局分析在探測(cè)單元屬性值在整個(gè)研究區(qū)域的空間分布模式時(shí)得到了廣泛應(yīng)用,其中最常用的分析方法是Moran′sI指數(shù)[24,26]。Moran′sI指數(shù)取值范圍近似為-1—+1之間,值越接近-1代表單元間的差異越大或分布越不集中,越接近+1則代表單元間的性質(zhì)越相似(高值或低值聚),接近0則代表單元間不相關(guān)。本文采用Moran′sI全局指數(shù)對(duì)六環(huán)內(nèi)HII進(jìn)行分析,揭示HII在六環(huán)范圍內(nèi)的空間聚散程度,計(jì)算公式如下：

(4)

2.2.6 空間重心模型

(5)

式中,xi、yi分別為第i個(gè)像元的幾何中心坐標(biāo)；mti為第i個(gè)像元面積。

3 結(jié)果與分析

3.1 熱島強(qiáng)度的時(shí)間變化特征

圖2為研究區(qū)遙感影像反演LST后計(jì)算的HII空間分布圖。由圖可看出,六環(huán)內(nèi)HII較高區(qū)域的面積總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。在1991年的時(shí)候,強(qiáng)度較高的紅色區(qū)域基本上分布在二環(huán)以內(nèi),此后逐漸沿三環(huán)、四環(huán)向外擴(kuò)展,到2004年以后基本上遍布整個(gè)六環(huán)區(qū)域。自1996年以后,機(jī)場(chǎng)周邊的順義城區(qū)、西南方向房山和大興城區(qū)的高溫區(qū)日漸清晰,而門頭溝與海淀交接部分的香山區(qū)域 “冷島”也凸顯了出來。HII的這種年際變化也體現(xiàn)在其數(shù)值統(tǒng)計(jì)上,圖3呈現(xiàn)了20年間研究區(qū)域內(nèi)HII的最大值、最小值、中位值以及上下四分位強(qiáng)度值的分布情況,其中黑色折線為年際HII的均值變化曲線。HII均值在5.73—9.27℃之間,統(tǒng)計(jì)意義上,北京市六環(huán)內(nèi)HII的變化速率為1.35℃/10a。曹廣真等[28]利用MODIS遙感數(shù)據(jù)研究表明北京市2006年LST相比2001年增長(zhǎng)1.22℃,與本研究中呈現(xiàn)的結(jié)果基本一致(圖3)。需要說明的是,對(duì)比同年HII均值與中位值可發(fā)現(xiàn),1996年前均值普遍大于中位值,而2004年與2009年均值與中位值幾近重合,在HII下降調(diào)整的年份如2007,其均值卻小于中位值,如果這個(gè)規(guī)律具有普適性的話,對(duì)于判斷區(qū)域熱島效應(yīng)的動(dòng)態(tài)變化具有重要指示意義。

圖2 1991—2011年北京六環(huán)熱島強(qiáng)度空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of HII in the zone of six-rings of Beijing during 1911—2011

由圖4 各環(huán)線HCI變化可看出,不同環(huán)線圍合區(qū)內(nèi)年際熱島效應(yīng)變化存在較大差異,但基本呈現(xiàn)與六環(huán)內(nèi)HII大體一致的變化趨勢(shì),總體表現(xiàn)為波動(dòng)上升。波動(dòng)較明顯的區(qū)域主要集中在4—5環(huán)與5—6環(huán)之間的圍合區(qū)域,而2環(huán)內(nèi)與2—3環(huán)圍合區(qū),除在2004年出現(xiàn)明顯升高外,HCI年際變化不顯著。究其原因,主要是3環(huán)內(nèi)區(qū)域城市化在20a前已基本完成,這兩個(gè)區(qū)域形成了以居住、文教為主穩(wěn)定的土地利用格局,發(fā)展空間已限定且無彈性,城市地表下墊面的改變漸少,因此環(huán)內(nèi)區(qū)域HII變化趨緩。同時(shí),由于3、4環(huán)路開通以及其環(huán)內(nèi)區(qū)域的開發(fā)建設(shè)一定程度上疏解了2環(huán)內(nèi)舊城區(qū)的產(chǎn)業(yè)形態(tài)與人口居住行為,加之以旅游服務(wù)為導(dǎo)向的城市綠化景觀建設(shè)等,共同導(dǎo)致了2環(huán)區(qū)域內(nèi)HII的波動(dòng)下降趨勢(shì)。而3—5環(huán)區(qū)域是近20年來城市化發(fā)展最為快速的區(qū)域,城市拓展的峰面不斷在其內(nèi)部推進(jìn),特別是奧運(yùn)會(huì)期間該區(qū)域大規(guī)模的場(chǎng)館建設(shè)等造成了土地利用劇烈變化,導(dǎo)致熱島區(qū)域不斷擴(kuò)大,使這個(gè)區(qū)域的總體HCI呈現(xiàn)波動(dòng)變化趨勢(shì)。而5—6環(huán)圍合區(qū)域HCI較大,此區(qū)域是城市未來空間拓展的重要區(qū)域,對(duì)其采取植被建設(shè)、水體修復(fù)等緩解熱島效應(yīng)的措施,對(duì)于維系區(qū)域熱環(huán)境格局、削減熱環(huán)境容量具有重要意義。

圖3 北京六環(huán)區(qū)域1991—2011年間熱島強(qiáng)度變化趨勢(shì) Fig.3 The dynamics of average HII during 1911—2011 for the case area

圖4 六環(huán)各環(huán)線內(nèi)圍合區(qū)域1991—2011年間熱島容量變化趨勢(shì)Fig.4 The dynamics of HCI for different sub-zones during 1911—2011

3.2 熱島強(qiáng)度的截面變化特征

對(duì)四條采樣樣帶進(jìn)行差值統(tǒng)計(jì),結(jié)果見圖5,其中橫坐標(biāo)表示采樣累積計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)增加的方向與圖中標(biāo)示的采樣指向一致；縱坐標(biāo)表示對(duì)應(yīng)采樣?xùn)鸥駜?nèi)HII的差值,正值表示HII增強(qiáng),熱環(huán)境惡化,負(fù)值則表示HII減弱,熱環(huán)境改善。

由圖5可看出,不同采樣樣帶內(nèi)或者不同的城市拓展方向上,熱島效應(yīng)呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。其中,北-南、西北-東南采樣帶中HII差值波動(dòng)及震蕩幅度較大,正向差值與負(fù)向差值短距離內(nèi)交替出現(xiàn),說明采樣樣帶附近區(qū)域20年間土地利用類型發(fā)生了較為劇烈變化；而西—東軸線處HII波動(dòng)性變化較有規(guī)律,呈現(xiàn)明顯的弦狀波動(dòng)式變化,在二環(huán)內(nèi)及周邊區(qū)域出現(xiàn)負(fù)值區(qū)域,說明二環(huán)內(nèi)的熱環(huán)境狀況有所改善；北-南軸線采樣樣帶內(nèi)HII變化呈現(xiàn)出較為明顯的北弱南強(qiáng)特征,變化較大的地方集中在南四環(huán)周邊,后經(jīng)延伸至5—6環(huán)圍合區(qū)內(nèi)達(dá)到區(qū)域高峰；而西北-東南采樣樣帶內(nèi)除二環(huán)圍合區(qū)外,均呈現(xiàn)顯著的熱島增強(qiáng)趨勢(shì),主要是因?yàn)橐院５頌榇淼谋辈繀^(qū)域與以大興/亦莊為代表的南部區(qū)域,先后經(jīng)歷過快速的城市化建設(shè)。HII減弱顯著區(qū)域多集中在水體以及綠地等地,例如西-東路徑采樣起始點(diǎn)處為永定河,其最大差值達(dá)到-5.2℃,西四環(huán)五棵松附近也出現(xiàn)了局部負(fù)向差值,北-南樣帶200采樣點(diǎn)處奧林匹克森林公園,也表現(xiàn)為熱島減弱區(qū),而二環(huán)熱島減弱區(qū)處也多為途徑了南海、北海等水體。

圖5 不同采樣樣帶中1991年與2011年熱島強(qiáng)度差值變化Fig.5 The difference of HII between 1991 and 2011 in different sample path

圖6 樣帶內(nèi)正向差值比例雷達(dá)圖 Fig.6 The positive values percentage of HII between 2011 and 1991 in difference directions

以西-東、北-南軸線交點(diǎn)為中心,計(jì)算8個(gè)維度2011年與1991年HII差值正向采樣數(shù)目占相應(yīng)方向總采樣樣本的比例,結(jié)果如圖6。由圖可見,20年間六環(huán)內(nèi)熱島效應(yīng)增強(qiáng)主要體現(xiàn)在南北維度上,在西北的海淀區(qū)和南部大興區(qū)/亦莊兩個(gè)方向最為明顯；東西維度上,城市開發(fā)建設(shè)的歷史相對(duì)較早,研究期內(nèi)土地利用變化較小,熱島效應(yīng)的變化趨勢(shì)不如南部維度上明顯,這與Quan等基于MODIS遙感數(shù)據(jù)反演LST,構(gòu)建高斯體積模型,獲得的北京市2000—2012年熱島方向拓展結(jié)果基本相同[29]。

總體來說,20年間HII在不同維度發(fā)生了顯著變化,采樣樣帶中四環(huán)—五環(huán)、五環(huán)—六環(huán)熱島普遍顯著惡化,HII增強(qiáng)區(qū)的分布及擴(kuò)展與城市拓展方向建設(shè)高度吻合；熱島隨不同城市下墊面改變而發(fā)生顯著變化,其中熱容量高的不透水材料對(duì)熱島的惡化有促進(jìn)作用,而大型綠地、水體等則可生成局部“冷島”,對(duì)熱島有明顯緩解作用。

3.3 熱島強(qiáng)度的空間格局分析

由圖2可以看出,除了熱島面積的不斷擴(kuò)大外,城市熱島的空間分布也呈現(xiàn)日趨破碎化的趨勢(shì)。從8期遙感反演的結(jié)果來看,1994年前指示強(qiáng)熱島板塊的紅色區(qū)主要集中在城市中心的二環(huán)、三環(huán)區(qū)域內(nèi),這也是符合實(shí)際情況的。北三環(huán)路于1994年實(shí)現(xiàn)通車,在此之前,三環(huán)內(nèi)區(qū)域工業(yè)、商業(yè)、居住等功能區(qū)高度集中,人口、高建筑較為密集,而植被覆蓋率相對(duì)較低,從而導(dǎo)致了熱島高溫區(qū)在此區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)集中式單中心分布特征,并在二環(huán)舊城區(qū)內(nèi)形成了集聚度極高的強(qiáng)熱島區(qū),在東西維度上,即東部通州區(qū)、西部石景山區(qū),呈現(xiàn)了模糊的延伸,五環(huán)以外區(qū)域熱島效應(yīng)不明顯。1994年后,北京城市建設(shè)取得了快速的發(fā)展,城市熱島的空間格局也發(fā)生了明顯變化。HII紅色區(qū)域由三環(huán)舊城區(qū)逐漸向外拓展,由單中心集中式轉(zhuǎn)為多中心破碎連片式分布,在東部(通州大部分地區(qū))、北部(順義區(qū)、昌平區(qū))及南部(豐臺(tái)區(qū)、大興區(qū))等六環(huán)邊緣區(qū)域得到了較大擴(kuò)展。2007年后,受新一輪城市規(guī)劃及北京郊區(qū)衛(wèi)星城市建設(shè)的影響,通州、順義逐漸形成了以現(xiàn)代制造業(yè)、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)為主的第二產(chǎn)業(yè)集聚區(qū),這在一定程度上疏解了中心城區(qū)的產(chǎn)業(yè)和人口,而區(qū)域內(nèi)綠化具有一定時(shí)滯性,從而使HII紅色區(qū)域在東側(cè)及東北側(cè)分散式鋪排,并呈現(xiàn)明顯的零散化和破碎化,這與Zhang等[30]的研究結(jié)果具有一致性。圖7中空間自相關(guān)分析計(jì)算得到全局Moran′sI指數(shù),從1991年的0.62以幾近線性遞減趨勢(shì)下降至2011年的0.16,進(jìn)一步證實(shí)了研究區(qū)內(nèi)熱島效應(yīng)空間分布的破碎化趨勢(shì)。盡管如此,Moran′sI指數(shù)2004年之前的數(shù)值均高于0.5,說明此前HII在區(qū)域內(nèi)的分布差異性較小,離散程度相對(duì)較低,連片分布特點(diǎn)還是較為明顯的,熱島紅色區(qū)與熱島低溫區(qū)集聚性(高高或低低)的變化不明顯,但此后就不斷趨于破碎化。

圖7 六環(huán)內(nèi)1911—2011年間地表溫度全局自相關(guān)Moran′s I指數(shù)變化曲線Fig.7 Global spatial autocorrelation index of HII in the zone of six rings during 1911—2011

目前,基于規(guī)模遙感影像重心分析探討熱島效應(yīng)的發(fā)展及演變趨勢(shì)的研究較少,僅Quan等對(duì)北京市2000—2012年進(jìn)行了熱島的季節(jié)及晝夜重心研究[29]。本研究中采用的空間重心點(diǎn)位,可反映區(qū)域整體上的非均衡性和“高密度”部位,即城市的空間拓展方向與強(qiáng)熱島板塊的空間遷移變化。圖8顯示了研究期內(nèi)六環(huán)區(qū)域內(nèi)HII的重心遷移軌跡。由于六環(huán)區(qū)域總體上呈現(xiàn)不規(guī)則的正方形,因此其重心的變化路徑基本上可以認(rèn)定是強(qiáng)熱島板塊牽引作用下的結(jié)果。由圖可看出,1991—1995年間重心始終分布在二環(huán)內(nèi)的核心區(qū)域,并向西北部有所偏移。在此期間,北京熱島核心區(qū)主要為二環(huán)、三環(huán)內(nèi),城市工業(yè)、商業(yè)、居住等功能區(qū)高度集中；1996—2006年間,北京市內(nèi)四環(huán)路全面貫通,建成區(qū)面積不斷以環(huán)線向外圈層擴(kuò)展,其中2000年昌平區(qū)的天通苑、回龍觀等大型居民住宅區(qū)相繼落成,其高密度的住宅建筑、高聚集的人口數(shù)量及規(guī)模形成了成片的熱島紅色區(qū),并與海淀區(qū)的上地、清河連成一片(圖3),且受該時(shí)段內(nèi)朝陽(yáng)區(qū)快速城市化,特別是首都機(jī)場(chǎng)的擴(kuò)建影響,重心出現(xiàn)了較明顯的轉(zhuǎn)移趨勢(shì),依次向東部及東北部移動(dòng)。2004年與2007年重心點(diǎn)突然南移,主要是受房山地區(qū)建材礦業(yè)開發(fā)以及永定河河道斷流沙化引起的,其實(shí)這個(gè)時(shí)段內(nèi)南部北京的城市化率并不高,開發(fā)南城戰(zhàn)略也是2009年才開始提出并實(shí)施的；此后隨著南部城市的建設(shè),以及遍布北京的房地產(chǎn)開發(fā)熱潮,導(dǎo)致城市高溫區(qū)環(huán)繞中心區(qū)呈較為均勻的零散化分布,使得熱力中心再次回歸到二環(huán)內(nèi)的核心區(qū)域。

圖8 1991—2011年間北京六環(huán)內(nèi)熱力重心年際遷移路徑Fig.8 Change path of HII gravity center in six rings of Beijing during 1911—2011

4 結(jié)論

通過對(duì)1991—2011年20年間夏季北京六環(huán)區(qū)域內(nèi)8期Landsat- 5 TM遙感影像反演的LST時(shí)空格局動(dòng)態(tài)分析,發(fā)現(xiàn)：

(1)在20a城市化過程作用的驅(qū)動(dòng)下,六環(huán)內(nèi)HII較高的區(qū)域面積總體上呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。1991年基本上分布在二環(huán)以內(nèi),此后逐漸沿三環(huán)、四環(huán)向外擴(kuò)展,到2004年以后基本上遍布整個(gè)六環(huán)區(qū)域。HII平均值在5.73—9.27℃之間,統(tǒng)計(jì)意義上,線性增率為1.35℃/10a。

(2)研究期內(nèi)HII的增強(qiáng)主要體現(xiàn)在南北維度上。具體而言就是西北的海淀區(qū)和南部大興區(qū)/亦莊兩個(gè)方向最為明顯；在東西維度上,受地理區(qū)位及開發(fā)規(guī)劃等因素的影響,研究期內(nèi)土地利用變化較小,熱島效應(yīng)的變化趨勢(shì)不如南部維度上明顯。

(3)總體上HII空間分布格局呈現(xiàn)破碎化趨勢(shì)。全局Moran′sI指數(shù)從1991年的0.63下降到2011年的0.16,空間重力模型顯示研究區(qū)內(nèi)熱環(huán)境變化的圈層特征明顯,受功能疏解等因素的影響,城市中心的二環(huán)區(qū)域熱環(huán)境呈現(xiàn)明顯的好轉(zhuǎn)。

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Impacts of urbanization on the urban thermal environment in Beijing

GE Rongfeng1, WANG Jingli2, ZHANG Lixiao1,*, TIAN Guangjin1, FENG Yueyi1

1StateKeyJointLaboratoryofEnvironmentalSimulationandPollutionControl,SchoolofEnvironment,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China2InstituteofUrbanMeteorology,ChinaMeteorologicalAdministration,Beijing100089,China

The urban heat island (UHI) effect is one of the many typical ecological problems caused by rapid urbanization both in China and all over the world. Understanding the dynamics of the UHI effect in urban areas is essential to the improvement of human settlement and better urban planning. In this study, a region enclosed by the six-ring road of Beijing was adopted as the sample area, due to the rapid urbanization processes it has undergone over the past 20 years. Based on the land surface temperature (LST) retrieval methods from Landsat- 5 TM in summers of 1991, 1993, 1996, 1999, 2004, 2007, 2009, and 2011, indicators of UHI intensity (HII) and capacity index of UHI (HCI) were established. Furthermore, the global spatial autocorrelation index and a gravity center model were used to describe the temporal and spatial dynamics of the UHI effect in the study area quantitatively. The results show that the average HII fluctuated from 5.73℃ to 9.27℃ from 1991 to 2011, with an increasing rate of 1.31℃/10a, indicating the worsening trend of the thermal environmental conditions in the study area over the past 20 years. With regard to the spatial patterning, changes occurring in north-south dimension were significantly more evident than those in the east-west dimension. The overall pattern tended to be fragmented and this can be demonstrated by the decrease in Moran′sIindex from 0.63 in 1991 to 0.16 in 2011. The gravity center model showed that the UHI effect spread outwards with the urban planning activities in circle ring, from weak to intensive expansion. The location of the gravity center was initially in the zone of the second-ring, the center of case area, and then transferred successively from east to north and south, and finally returning back to the center. The enclosed area of the second-ring showed evident improvement of thermal environmental conditions, due to the changes over time of the region′s function.

urban heat island (UHI); heat island intensity; urbanization; urban planning; spatial autocorrelation

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012BAC13B01) ; 國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51421065)

2014- 09- 30;

日期:2016- 01- 15

10.5846/stxb201409301935

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhanglixiao@bnu.edu.cn

葛榮鳳,王京麗,張力小,田光進(jìn),馮悅怡.北京市城市化進(jìn)程中熱環(huán)境響應(yīng).生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(19):6040- 6049.

Ge R F, Wang J L, Zhang L X, Tian G J, Feng Y Y.Impacts of urbanization on the urban thermal environment in Beijing.Acta Ecologica Sinica,2016,36(19):6040- 6049.