城市化進(jìn)程下地表溫度時(shí)空變化及其與植被覆蓋度的相關(guān)性*
——以北京五環(huán)區(qū)域?yàn)槔?/h1>
2021-08-09 11:41:54王麗群陳立欣
林業(yè)科學(xué) 2021年6期
襲 月 周 潔 王麗群 陳立欣
(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院 北京 100083；2.北京市農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測站 北京 100029)
城市化水平不斷提高會導(dǎo)致城市升溫嚴(yán)重(Duetal.,2007)。一方面，原始自然地表被水泥、混凝土、瀝青等不透水面取代(王文杰等，2006)，導(dǎo)致地面反照度變小，吸熱和儲熱能力增強(qiáng)，在相同太陽輻射下地面升溫更快(Chunetal.,2014)，而且高密度建筑會降低近地表風(fēng)速，阻擋地表熱量擴(kuò)散(Luoetal.,2016)；另一方面，城市中人類活動排放大量廢熱，導(dǎo)致城市不斷升溫(Grimmetal.,2008)。城市升溫會對城市氣候、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、居民健康和能源消耗等方面造成消極影響(Gagoetal.,2013)，隨著全球熱浪和極端高溫天氣事件頻發(fā)，研究城市熱環(huán)境的時(shí)空格局、演變機(jī)制、影響因素及相應(yīng)緩解措施等具有重要意義(葛榮鳳等，2016)。
目前，眾多學(xué)者從不同時(shí)間尺度探究了城市熱環(huán)境的變化規(guī)律(Yaoetal.,2017;Yuetal.,2019)，如Zhou等(2014)研究中國32個(gè)主要城市的熱島強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)城市夏季白天熱島強(qiáng)度最大，但夏季夜晚熱島強(qiáng)度比冬季夜晚低；Chen等(2019)研究福州市1999、2000、2008和2013年夏季(6—8月)的地表溫度發(fā)現(xiàn)，熱島強(qiáng)度逐年增強(qiáng)，熱島面積不斷擴(kuò)大。Bek等(2018)研究表明，開羅2塊區(qū)域地表溫度在不同年份的升溫速率不同。在城市熱環(huán)境空間格局方面，Min等(2019)研究發(fā)現(xiàn)，地表溫度較高的區(qū)域主要分布在建設(shè)程度高、人口密集的地區(qū)，而有較高植被或水體覆蓋的地區(qū)地表溫度較低；杜紅玉(2018)研究表明上海市的高溫區(qū)由北部中心城區(qū)不斷向全市擴(kuò)張。綜上來看，城市化水平較高區(qū)域地表溫度時(shí)空格局的長期變化已成為當(dāng)前城市熱環(huán)境研究的熱點(diǎn)。
城市熱環(huán)境受諸多因子影響，包括氣象參數(shù)(如降水、風(fēng)和太陽輻射等)、人類活動、下墊面覆蓋等。在氣象參數(shù)方面，Zhou等(2014)研究中國32個(gè)主要城市的熱環(huán)境發(fā)現(xiàn)，平均氣溫和年降水量在夏季只對夜晚城市熱環(huán)境有影響，而在冬季對白天和夜晚城市熱環(huán)境均有影響。人類活動產(chǎn)生的熱通量對城市升溫具有重要影響(Bestetal.,2016)，構(gòu)建城市通風(fēng)走廊可緩解城市熱環(huán)境(Renetal.，2018),天空視域因素、車輛形勢規(guī)模以及空氣污染物(NO2、CO、O3、PM2.5和PM10等)濃度均為城市變暖的弱驅(qū)動力(Khamchiangtaetal.,2019)。下墊面覆蓋變化通過改變下墊面與大氣間的相互作用影響地表能量分布，從而改變城市溫度(Carlsonetal.,2000)，多項(xiàng)研究表明，城市不透水面強(qiáng)度的歸一化不透水面指數(shù)NDISI與地表溫度呈對數(shù)正相關(guān)(Guoetal.,2019a;徐涵秋，2011)，而城市地區(qū)的植被可使周圍環(huán)境溫度降低0.5～4.0 ℃(Berryetal.,2013;Qiuetal.,2013),有時(shí)甚至可達(dá)5～7 ℃(Oliveiraetal.,2011)。Sun等(2017)在北京市五環(huán)內(nèi)區(qū)域的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)綠地面積擴(kuò)大21.26～46.15 km2時(shí)，地表溫度會降低0.67～1.11 ℃，當(dāng)綠地面積減少43.88～64.98 km2時(shí)，地表溫度會升高1.64～2.21 ℃。但需要說明的是，植被降溫性能不僅受植被自身特征影響，也受周圍城市特征影響，如局部城市形態(tài)、天空因素、空間位置和土地覆蓋特征等(Leeetal.,2009;Lauetal.,2012；Duncanetal.,2019)，在氣候變化背景下，城市特征隨著城市化進(jìn)程會發(fā)生巨大變化，進(jìn)而可能影響植被在改變城市熱環(huán)境方面的作用。增加城市植被是緩解城市熱島效應(yīng)的重要手段(Akbarietal.,2008)，目前已有大量研究探討植被覆蓋對城市溫度的影響(Jeneretteetal.,2011;Maetal.,2010)，但長時(shí)間城市化進(jìn)程中的植被變化與城市熱環(huán)境關(guān)系的系統(tǒng)研究鮮有報(bào)道。
植被在城市中的布局可通過合理規(guī)劃進(jìn)行調(diào)控，理解城市化進(jìn)程中的熱環(huán)境演變及植被降溫效應(yīng)隨城市發(fā)展的動態(tài)變化，對預(yù)測城市化進(jìn)程中植被的城市熱環(huán)境影響具有重要的理論和實(shí)踐價(jià)值。鑒于此，本研究基于1999—2017年5期夏季(7月)遙感影像，以城市化水平較高的北京五環(huán)內(nèi)區(qū)域?yàn)檠芯繉ο?，探究北京地表溫度和植被覆蓋度時(shí)空變化特征，分析不同柵格尺度下地表溫度和植被覆蓋度的相關(guān)性，闡明不同植被覆蓋度條件下的植被降溫差異，以期為改善城市生態(tài)環(huán)境、合理規(guī)劃城市綠地提供參考。
1 研究區(qū)概況
以北京五環(huán)內(nèi)區(qū)域(115°25′—117°30′E，39°38′—41°51′N)為研究對象，總面積約667.28 km2。研究區(qū)地處華北平原，海拔20～60 m，屬典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年均溫11～12 ℃，年均降水量640 mm，年均日照時(shí)數(shù)2 000～2 800 h，全年無霜期190～195天。北京五環(huán)內(nèi)以東城區(qū)和西城區(qū)為功能核心區(qū)，以朝陽區(qū)、豐臺區(qū)、海淀區(qū)、石景山區(qū)和大興區(qū)為功能拓展區(qū)。2017年底，五環(huán)內(nèi)區(qū)域常住人口1 208.80萬人，占全市人口的55.69%。作為北京市城市建設(shè)和發(fā)展的主要區(qū)域，五環(huán)內(nèi)區(qū)域建設(shè)速度快、人口容量大。
2 研究方法
2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理
選取夏季晴朗少云且成像質(zhì)量良好的Landsat-5 TM、Landsat-8 OLI/TIRS共5期遙感影像，成像時(shí)間分別為1999、2005、2009、2011和2017年的7月(表1)。Landsat-5 TM影像紅色波段和近紅外波段空間分辨率均為30 m，熱紅外波段空間分辨率為120 m；Landsat-8 OLI/TIRS紅色波段和近紅外波段空間分辨率均為30 m，熱紅外波段空間分辨率為100 m。
表1 遙感影像信息①Tab.1 Data source information of remote sensing image
首先運(yùn)用ENVI 5.1軟件對遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正，然后利用相應(yīng)波段計(jì)算植被覆蓋度并反演地表溫度。對Landsat-5 TM遙感影像，利用第3、4波段計(jì)算植被覆蓋度，利用第6波段反演地表溫度；對Landsat-8 OLI/TIRS遙感圖像，利用第4、5波段計(jì)算植被覆蓋度，利用第11波段反演地表溫度。
2.2 地表溫度反演
采用大氣校正法反演地表溫度。該方法利用同期實(shí)測大氣數(shù)據(jù)估算大氣對地表熱輻射的影響，從衛(wèi)星傳感器測得的熱輻射總量減去大氣對地表熱輻射的影響得到地表熱輻射強(qiáng)度，通過普朗克公式將地表熱輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為地表溫度。
熱紅外波段黑體輻射強(qiáng)度(B)計(jì)算方法(杜紅玉，2018)為：
B=[Lλ-Lu-τ·(1-ε)Ld]/τ·ε。
(1)
式中：B為熱紅外波段黑體輻射強(qiáng)度(W·sr-1m-2μm-1)；Lλ為衛(wèi)星傳感器在熱紅外波段的輻射強(qiáng)度(W·sr-1m-2μm-1)；Lu為透過大氣向上的輻射強(qiáng)度(W·sr-1m-2μm-1)；Ld為透過大氣向下的輻射強(qiáng)度(W·sr-1m-2μm-1)；τ為大氣在熱紅外波段的透過率；ε為地表比輻射率。
得到熱紅外波段黑體輻射強(qiáng)度后，通過普朗克公式的反函數(shù)(式2)，求出真實(shí)的地表溫度(杜紅玉，2018)：
T=K2/ln(K1/B+1)。
(2)
式中：T為地表溫度(℃)；K1(mW·sr-1m-2μm-1)和K2為輻射常數(shù)。
2.3 植被覆蓋度計(jì)算
首先計(jì)算歸一化植被指數(shù)(NDVI)(楊宇翀等，2018)：
NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)。
(3)
式中：NIR為近紅外波段的亮度；R為紅色波段的亮度。
采用像元二分模型法計(jì)算植被覆蓋度(FV)(楊宇翀等，2018)：
FV=(NDVI-NDVIs)/(NDVIv+NDVIs)
(4)
式中：NDVIv為純植被的植被指數(shù)；NDVIs為純土壤的植被指數(shù)。NDVIv=0.7，NDVIs=0；NDVI>0.7，F(xiàn)V=1；NDVI<0，F(xiàn)V=0。
2.4 地表溫度等級劃分
采用標(biāo)準(zhǔn)差分類法劃分地表溫度等級(杜紅玉，2018)，以更直觀地分析地表溫度時(shí)空變化。根據(jù)式(5)將地表溫度分為7個(gè)等級，即極低溫區(qū)、低溫區(qū)、次低溫區(qū)、中溫區(qū)、次高溫區(qū)、高溫區(qū)和極高溫區(qū)：
D=X±as。
(5)
式中：D為不同等級地表溫度閾值(℃)；X和s分別為研究區(qū)地表溫度均值(℃)和方差(℃)；a為方差的倍數(shù)。
7個(gè)等級地表溫度閾值見表2。
表2 地表溫度等級劃分Tab.2 Classification of the land surface temperature
基于ArcGIS10.5平臺，利用上述地表溫度等級劃分方法，對反演出的地表溫度圖像進(jìn)行進(jìn)一步分析處理，得出北京五環(huán)地表溫度等級分類圖。
2.5 植被覆蓋度等級劃分
為直觀分析研究區(qū)植被覆蓋度變化，以20%間隔將植被覆蓋度劃分為5個(gè)等級：0～20%為低植被覆蓋度，20%～40%為中低植被覆蓋度，40%～60%為中植被覆蓋度，60%～80%為中高植被覆蓋度，80%～100%為高植被覆蓋度(楊宇翀等，2018)?；贏rcGIS10.5平臺，將利用上述分類閾值對植被覆蓋度圖像進(jìn)行進(jìn)一步分析處理，得出北京五環(huán)植被覆蓋度等級分類圖。
2.6 各溫區(qū)及各植被覆蓋度分區(qū)在各環(huán)之間的分布比例
為定量分析地表溫度和植被覆蓋度空間格局變化，先計(jì)算未去除面積影響的各溫區(qū)及各植被覆蓋度分區(qū)在各環(huán)之間的分布比例(Rij)：
Rij=Nij/Ni。
(6)
式中：Nij為i溫區(qū)或植被覆蓋度分區(qū)在j環(huán)區(qū)域(j表示二環(huán)內(nèi)、二環(huán)至三環(huán)、三環(huán)至四環(huán)、四環(huán)至五環(huán)，下同)的柵格數(shù)；Ni為i溫區(qū)或植被覆蓋度分區(qū)的柵格總數(shù)。
由于各環(huán)面積存在差異，為去除面積不同對各溫區(qū)及各植被覆蓋度分區(qū)分布比例的影響，須計(jì)算各環(huán)之間區(qū)域面積占整個(gè)五環(huán)內(nèi)面積的比例(Rj)：
Rj=Nj/N。
(7)
式中：Nj表示j環(huán)區(qū)域柵格數(shù);N為五環(huán)內(nèi)柵格總數(shù)。
去除面積影響的各溫區(qū)及各植被覆蓋度分區(qū)的分布比例(Rij0)：
Rij0=Rij/Rj。
(8)
2.7 植被覆蓋度與地表溫度相關(guān)性分析
基于ArcGIS漁網(wǎng)功能，分別以300、600、900和1 200 m為邊長設(shè)置網(wǎng)格，除邊緣區(qū)域外，所設(shè)置網(wǎng)格基本覆蓋整個(gè)五環(huán)地區(qū)。將設(shè)置好的網(wǎng)格分別與反演的地表溫度圖像和植被覆蓋度圖像相疊加，利用網(wǎng)格內(nèi)柵格數(shù)據(jù)平均值分別表示每個(gè)網(wǎng)格的地表溫度和植被覆蓋度，并將網(wǎng)格中的地表溫度和植被覆蓋度數(shù)據(jù)導(dǎo)入R軟件進(jìn)行線性回歸分析，進(jìn)而得出不同年份地表溫度與植被覆蓋度的關(guān)系。
3 結(jié)果與分析
3.1 不同年份地表溫度反演結(jié)果與精度驗(yàn)證
地表溫度反演結(jié)果顯示，北京五環(huán)內(nèi)以1999年平均地表溫度最高(47.29 ℃)，2005年最低(37.24 ℃)(表3)。1999、2009和2017年地表溫度平均值均在40 ℃以上，而2005和2011年則在40 ℃以下。1999年地表溫度的空間變異性最大(SD=4.01 ℃)，2005年最小(SD=2.96 ℃)。
表3 不同年份地表溫度Tab.3 Land surface temperature of different years
將反演得到的平均地表溫度與氣象站測得的0 cm平均地溫進(jìn)行對比，檢驗(yàn)地表溫度反演結(jié)果的準(zhǔn)確性(杜紅玉，2018)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用大氣校正法反演得到的1999—2017年平均地表溫度與氣象站測得的0 cm平均地溫變化趨勢基本一致(圖1)。
圖1 研究期內(nèi)反演所得地表溫度和氣象站測得0 cm地溫變化趨勢Fig.1 Comparison of surface temperature derived from remote sensed data and ground observation temperature measured at 0 cm from meteorological station during the study period
反演所得平均地表溫度總體上高于氣象站測得的0 cm平均地溫，這可能是由于氣象站測得的是一個(gè)點(diǎn)的地溫，而反演得到的是整個(gè)五環(huán)內(nèi)區(qū)域的地表溫度均值，包含了較大空間差異性。此外，不透水面熱容量高，在接受相同太陽輻射時(shí)升溫極快(Chunetal.,2014)，因此拉高了五環(huán)內(nèi)區(qū)域地表溫度均值。精度驗(yàn)證結(jié)果表明，反演所得地表溫度與實(shí)際情況基本吻合，可用于研究五環(huán)內(nèi)區(qū)域地表溫度時(shí)空變化及其與植被覆蓋度的相關(guān)性。
3.2 地表溫度時(shí)間變化特征
各溫區(qū)面積占比變化如圖2所示，1999—2017年，極低溫區(qū)和低溫區(qū)面積占比總體呈先升后降的變化趨勢，均在2011年達(dá)到最低值(0.27%和6.26%)。但是，次低溫區(qū)面積占比變化趨勢與之相反，并在2011年達(dá)到最高值(22.99%)。研究期內(nèi)中溫區(qū)面積占比最高，均在35%以上，2009年最高(41.01%)。1999—2005年，次高溫區(qū)面積占比由32.13%降至24.62%，2005—2011年，變幅不明顯，而2011—2017年，由24.12%升至28.33%。高溫區(qū)和極高溫區(qū)面積占比變化趨勢總體上與次高溫區(qū)相反，1999—2005年，分別由2.73%和0.12%升至5.73%和1.02%，2005—2011年，略有上升，2011—2017年，分別降低0.96%和0.71%。綜上，研究期內(nèi)北京五環(huán)內(nèi)熱環(huán)境的時(shí)間變化總體分為2個(gè)階段：1999—2011年，高溫區(qū)和極高溫區(qū)面積逐漸增加；2011—2017年，高溫區(qū)和極高溫區(qū)面積逐漸減少，而極低溫區(qū)和低溫區(qū)面積逐漸增加，熱環(huán)境狀況有所改善。
圖2 研究期內(nèi)各溫區(qū)面積占比變化Fig.2 Changes of the area proportion of each temperature zone during the study period
3.3 地表溫度空間分布特征
1999—2011年，三環(huán)至五環(huán)區(qū)域有所升溫，而二環(huán)內(nèi)熱環(huán)境得到緩解(圖3)。1999年中溫及以上溫區(qū)集中分布在五環(huán)內(nèi)東西向的中部區(qū)域，中溫區(qū)以下溫區(qū)基本散落分布在四環(huán)至五環(huán)區(qū)域。此后，高溫區(qū)和極高溫區(qū)逐漸向外轉(zhuǎn)移，在二環(huán)內(nèi)分布比例分別降低19.80%和14.83%，在四環(huán)至五環(huán)區(qū)域分布比例分別升高23.95%和25.06%(圖4)。至2011年，高溫區(qū)和極高溫區(qū)主要集聚在三環(huán)至五環(huán)間的東南部區(qū)域，分布比例分別為70.73%和78.92%。在此期間，四環(huán)至五環(huán)區(qū)域的極低溫區(qū)、低溫區(qū)和次低溫區(qū)面積減少；而二環(huán)內(nèi)低溫區(qū)面積有所增加，極低溫區(qū)和低溫區(qū)在二環(huán)內(nèi)分布比例分別升高21.43%和10.78%。
圖3 研究期內(nèi)各溫區(qū)空間分布Fig.3 Spatial distribution of each temperature zone during the study period
2011—2017年，研究區(qū)內(nèi)熱環(huán)境整體得到一定程度的改善，二環(huán)內(nèi)熱環(huán)境有回升(圖3)，四環(huán)至五環(huán)區(qū)域熱環(huán)境改善最為顯著，表現(xiàn)為中溫區(qū)以上溫區(qū)分布比例分別下降1.89%、13.77%和12.56%，而中溫區(qū)以下溫區(qū)分布比例分別升高5.32%、9.08%和4.2%(圖4)。二環(huán)內(nèi)中溫區(qū)以上溫區(qū)面積有所增加，其中，次高溫區(qū)分布比例升高2.43%，高溫區(qū)分布比例升高17.55%，極高溫區(qū)分布比例升高5.71%。
圖4 研究期內(nèi)各溫區(qū)在各環(huán)之間的面積分布比例Fig.4 Area proportion of each temperature zone between ring roads during the study period
3.4 植被覆蓋度時(shí)空變化特征
3.4.1 植被覆蓋度時(shí)間變化特征 1999—2017年，北京五環(huán)內(nèi)區(qū)域植被覆蓋度總體呈先降后升的趨勢(圖5)。1999—2005年植被覆蓋度急劇下降，2005—2009年又急劇上升，之后其上升幅度較緩，2017年達(dá)到最高值(47.21%)(圖5)。
圖5 研究期內(nèi)植被覆蓋度變化Fig.5 Changes of vegetation coverage during the study period
由圖6可知，1999—2005年，低植被覆蓋度區(qū)面積占比由29.10%升至37.14%，其后急劇下降至最低值(21.90%)，2009—2011年，變化不明顯，2011—2017年，升高1.39%。1999—2017年，中低植被覆蓋度區(qū)面積占比先升后降，2005年達(dá)到最高值(33.86%)，2017年最低(23.48%)。研究期內(nèi)中植被覆蓋度區(qū)面積占比總體上與低植被覆蓋度區(qū)變化趨勢相反。中高植被覆蓋度區(qū)和高植被覆蓋度區(qū)面積占比變化趨勢基本一致，均在2005年達(dá)到最低(分別為8.90%和4.46%)，2017年達(dá)到最高(分別為13.84%和19.73%)。
圖6 研究期內(nèi)各植被覆蓋度區(qū)面積占比變化Fig.6 Changes of the area proportion of vegetation coverage zones during the study period
3.4.2 植被覆蓋度空間變化特征 研究期內(nèi)高植被覆蓋度區(qū)主要分布在四環(huán)至五環(huán)區(qū)域(分布比例≥40%)，低和中低植被覆蓋度區(qū)主要分布在四環(huán)內(nèi)(分布比例≥78%)(圖7、8)。中高和高植被覆蓋度區(qū)1999年基本分布在四環(huán)至五環(huán)區(qū)域，低和中低植被覆蓋度區(qū)主要分布在四環(huán)內(nèi)。2005年，五環(huán)內(nèi)區(qū)域低和中低植被覆蓋度區(qū)面積占比分別升高8.04%和4.3%，高植被覆蓋度區(qū)面積占比降低6.8%，中植被覆蓋度及以上分區(qū)主要散落分布在四環(huán)至五環(huán)的邊緣區(qū)域，分布比例均達(dá)到峰值(分別為34.89%、53.3%和10.85%)。2005—2009年，中植被覆蓋度及以上分區(qū)由外環(huán)逐漸向內(nèi)轉(zhuǎn)移，四環(huán)內(nèi)植被覆蓋度明顯改善，體現(xiàn)在中植被覆蓋度及以上分區(qū)分布比例均有所上升，低植被覆蓋度區(qū)分布比例則明顯下降。2017年，低植被覆蓋度區(qū)在二環(huán)內(nèi)和四環(huán)至五環(huán)區(qū)域分布比例略有上升，而在其他區(qū)域有所下降；中高和高植被覆蓋度區(qū)分布比例除在四環(huán)至五環(huán)區(qū)域有所下降外，在其他區(qū)域均略有上升。
圖7 研究期內(nèi)各植被覆蓋度區(qū)空間分布Fig.7 Spatial distribution of different vegetation coverage zones during the study period
圖8 研究期內(nèi)各植被覆蓋度區(qū)在各環(huán)之間的分布比例Fig.8 Distribution proportion of each vegetation coverage zone between each ring road during the study period
3.5 地表溫度與植被覆蓋度的相關(guān)性分析
線性回歸分析結(jié)果表明，不同年份地表溫度與植被覆蓋度總體呈極顯著線性負(fù)相關(guān)(P<0.001)，且植被覆蓋度每增加10%，地表溫度下降1.09～1.71 ℃(圖9)。
圖9 不同年份地表溫度與植被覆蓋度的關(guān)系Fig.9 Relationship between land surface temperature and vegetation coverage in different years
40%～60%在中植被覆蓋度條件下，所有年份地表溫度與植被覆蓋度均呈極顯著線性負(fù)相關(guān)(P<0.001)(圖10)。植被覆蓋度極低(<20%)時(shí)，地表溫度與植被覆蓋度不存在相關(guān)關(guān)系；植被覆蓋度相對較低(20%～40%)和較高(>60%)時(shí)，地表溫度與植被覆蓋度僅在某些年份存在顯著相關(guān)。植被覆蓋度較高時(shí)，樣本數(shù)量相對較少，導(dǎo)致地表溫度與植被覆蓋度的關(guān)系未被檢測出。同一柵格尺度下，隨著植被覆蓋度增加，不同植被覆蓋度條件下植被的降溫幅度(植被覆蓋度每增加10%所降低的地表溫度)增大。
圖10 不同植被覆蓋度條件下地表溫度與植被覆蓋度的關(guān)系Fig.10 Relationship between land surface temperature and vegetation coverage under different vegetation coverages圖中每一行為同一年份，每一列為同一植被覆蓋度條件。Each row in the figure is the same year,and each column is the same vegetation coverage condition.
4 討論
4.1 北京五環(huán)內(nèi)地表溫度時(shí)空變化
1999—2017年，北京五環(huán)內(nèi)熱環(huán)境的時(shí)間變化總體分為2個(gè)階段：1999—2011年,高溫區(qū)和極高溫區(qū)面積逐漸增加；2011—2017年，高溫區(qū)和極高溫區(qū)面積逐漸下降，極低溫區(qū)和低溫區(qū)面積逐漸增加，熱環(huán)境狀況有所改善。與本研究類似，葛榮鳳等(2016)基于8期Landsat-5遙感影像研究發(fā)現(xiàn)，1991—2011年，北京六環(huán)內(nèi)熱島強(qiáng)度呈增長趨勢，增長速率為1.35 ℃·a-1；Chen等(2017)研究指出，1995—2009年北京高溫區(qū)域面積逐漸增加。城市化進(jìn)程越快地表溫度增長趨勢越明顯。由此可見，北京熱環(huán)境變化與城市化進(jìn)程密切相關(guān)，1999—2011年北京城市化進(jìn)程較快，不透水面快速增加，因此導(dǎo)致北京五環(huán)內(nèi)區(qū)域高溫區(qū)面積逐漸增加。本研究的溫區(qū)空間分布變化也進(jìn)一步證明了城市化水平對地表升溫的促進(jìn)作用(Caoetal.,2019)，1999年，北京東西向開發(fā)建設(shè)比南北向早，導(dǎo)致城市高溫區(qū)集聚在東西向區(qū)域。此后，高溫區(qū)和極高溫區(qū)逐漸向外環(huán)轉(zhuǎn)移，至2011年，高溫區(qū)和極高溫區(qū)主要集聚在三環(huán)至五環(huán)間的東南部區(qū)域。2001—2003年，四環(huán)路、五環(huán)路建成通車帶動了三環(huán)至五環(huán)區(qū)域的發(fā)展，尤其是2008年北京奧運(yùn)會期間該區(qū)域建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施和體育設(shè)施，不透水面顯著增加，導(dǎo)致該區(qū)域地溫升高(Guoetal.,2019b)。同時(shí)，三環(huán)至五環(huán)區(qū)域的快速發(fā)展一定程度上緩解了二環(huán)內(nèi)區(qū)域人口壓力，從而使二環(huán)內(nèi)熱環(huán)境有所緩解。此外，本研究也證明城市化進(jìn)程中提升植被覆蓋度可有效改善城市熱環(huán)境(Estoqueetal.,2017)。2017年植被覆蓋度最高，為47.21%，且中高植被覆蓋度區(qū)和高植被覆蓋度區(qū)面積占比均為2017年最高(分別為13.84%和19.73%)，同期整個(gè)五環(huán)內(nèi)區(qū)域的熱環(huán)境狀況有一定改善，以四環(huán)至五環(huán)間區(qū)域最為顯著。
4.2 地表溫度與植被覆蓋度的相關(guān)性
植被通過吸收地表的太陽輻射、樹冠遮擋減少入射地表的太陽輻射、蒸散增加周邊空氣濕度等方式降低環(huán)境溫度。本研究顯示，植被覆蓋度每增加10%，地表溫度下降1.09～1.71 ℃。由于植被降溫效應(yīng)受立地條件影響(Lietal.,2012)，地表溫度隨植被覆蓋度增加的下降幅度存在差異。如在英國大曼徹斯特，每增加10%的植被覆蓋可導(dǎo)致地表溫度降低2 ℃(Gilletal.,2013)，在加拿大多倫多為0.5～0.8 ℃(Wangetal.,2016)。此外，植被降溫作用存在有效尺度(Naeemetal.,2018)。本研究發(fā)現(xiàn)，極低的植被覆蓋度(<20%)無法產(chǎn)生顯著的地表降溫，而在相對較低(20%～40%)的植被覆蓋度條件下，地表溫度與植被覆蓋度不總是存在顯著相關(guān)。在同一柵格尺度下，植被覆蓋度越高，降溫效應(yīng)越強(qiáng)。Taha等(1997)比較加拿大4個(gè)城市植被的降溫效應(yīng)發(fā)現(xiàn)，植被覆蓋度超過30%才有明顯的降溫效應(yīng)，33%和67%的植被覆蓋度分別降溫0.5和1.0 ℃；在美國麥迪遜市，當(dāng)樹冠蓋度超過一定程度后(40%)，其降溫效應(yīng)顯著增強(qiáng)(Ziteretal.，2019)；在香港,5種植被覆蓋度(0%、8%、16%、34%、56%)下56%植被覆蓋度的植被降溫效果最顯著(Ngetal.，2012)；在慕尼黑，植被覆蓋度達(dá)到70%～80%時(shí)的降溫效果最顯著(Alavipanahetal.,2015)。雖然不同城市植被覆蓋度降溫閾值有所差異，但均表明當(dāng)植被覆蓋度過低時(shí)植被降低地表溫度的作用較弱，只有達(dá)到一定的植被體量才能有效降溫，且較大的植被覆蓋度更有利于降溫。
4.3 不足與展望
在地面研究的單木或斑塊尺度下，實(shí)地觀測分析植被降溫影響因素時(shí)發(fā)現(xiàn)，樹種組成、冠層結(jié)構(gòu)(郁閉度、葉面積指數(shù)、冠幅等)等植物群落特征是非常重要的影響因子(劉海軒等，2019；秦仲等，2016)。相比之下，在城區(qū)尺度通常利用遙感監(jiān)測法并選用植被遙感指數(shù)(歸一化植被指數(shù)、植被覆蓋度等)來分析植被降溫效應(yīng)(Minetal.,2019;徐涵秋等，2011)?；贚andsat影像進(jìn)行遙感監(jiān)測的方法不適用于辨析植被種類、組成和樹高等因子(崔鳳嬌等，2020)，植被高度、組成和類型對地表溫度的影響較弱。雖然地面研究時(shí)的植被組成和結(jié)構(gòu)等與環(huán)境溫度相關(guān)顯著，但遙感反演無法得到精度較高的局部區(qū)域溫度，也就無法反映出植被組成和結(jié)構(gòu)的降溫差異。
不同植被區(qū)域?qū)Φ乇頊囟鹊挠绊懖粌H來自植被本身，而且受周圍不透水表面的影響。在城市環(huán)境中，植被空間較為破碎，大部分植被斑塊較小，因此，雖然植被類型等條件會造成降溫效應(yīng)差異，但由于周圍環(huán)境(如不透水面)的影響，不同植被斑塊間的溫度差異會有所降低。這一現(xiàn)象在Zhang等(2009)的研究中得到了證實(shí)，基于遙感反演得到的喬木、灌木和草坪/野草地斑塊的地表溫度幾乎不存在差異。
本研究對遙感影像進(jìn)行土地利用監(jiān)督分類后發(fā)現(xiàn)，林地所占比例高于草地，雖然遙感影像無法確認(rèn)植被類型和組成，但由于草地占比低，且相對遙感影像的獲取高度而言，林地中樹木高度不存在顯著差異，因此，植被類型、組成和平均高度對地表溫度的影響在本研究尺度上相對較弱，結(jié)論仍可靠。
鑒于植被組成和結(jié)構(gòu)對植被降溫效果的重要影響，后續(xù)研究應(yīng)嘗試使用更高精度的遙感影像解譯綠地空間的植被類型與組成，并結(jié)合地面調(diào)查獲取植被樣方詳細(xì)信息，進(jìn)一步驗(yàn)證遙感評估的植被降溫效應(yīng)，或發(fā)現(xiàn)該手段存在的問題及可能解決方法。
5 結(jié)論
1)北京市五環(huán)內(nèi)區(qū)域在1999—2017年的熱環(huán)境時(shí)間變化總體分為2個(gè)階段：1999—2011年，高溫區(qū)和極高溫區(qū)面積逐漸增加，且高溫區(qū)域由二環(huán)內(nèi)向外逐漸轉(zhuǎn)移；2011—2017年，熱環(huán)境狀況有所改善。
2)研究期內(nèi)北京五環(huán)內(nèi)區(qū)域植被覆蓋度總體呈先降后升的趨勢，且植被覆蓋度較高的區(qū)域主要分布在四環(huán)至五環(huán)間，四環(huán)內(nèi)區(qū)域植被覆蓋度相對較低。
3)地表溫度與植被覆蓋度總體呈線性負(fù)相關(guān)(P<0.001)，且在植被覆蓋度達(dá)到40%～60%時(shí)才表現(xiàn)出穩(wěn)定的降溫效果。同一柵格尺度下，植被覆蓋度越高，降溫效應(yīng)越強(qiáng)，地表溫度越低。在城市綠地規(guī)劃中，可通過適當(dāng)提高植被覆蓋度，提升城市綠地降溫功能，緩解城市熱環(huán)境。
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襲 月 周 潔 王麗群 陳立欣
(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院 北京 100083；2.北京市農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測站 北京 100029)
城市化水平不斷提高會導(dǎo)致城市升溫嚴(yán)重(Duetal.,2007)。一方面，原始自然地表被水泥、混凝土、瀝青等不透水面取代(王文杰等，2006)，導(dǎo)致地面反照度變小，吸熱和儲熱能力增強(qiáng)，在相同太陽輻射下地面升溫更快(Chunetal.,2014)，而且高密度建筑會降低近地表風(fēng)速，阻擋地表熱量擴(kuò)散(Luoetal.,2016)；另一方面，城市中人類活動排放大量廢熱，導(dǎo)致城市不斷升溫(Grimmetal.,2008)。城市升溫會對城市氣候、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、居民健康和能源消耗等方面造成消極影響(Gagoetal.,2013)，隨著全球熱浪和極端高溫天氣事件頻發(fā)，研究城市熱環(huán)境的時(shí)空格局、演變機(jī)制、影響因素及相應(yīng)緩解措施等具有重要意義(葛榮鳳等，2016)。
目前，眾多學(xué)者從不同時(shí)間尺度探究了城市熱環(huán)境的變化規(guī)律(Yaoetal.,2017;Yuetal.,2019)，如Zhou等(2014)研究中國32個(gè)主要城市的熱島強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)城市夏季白天熱島強(qiáng)度最大，但夏季夜晚熱島強(qiáng)度比冬季夜晚低；Chen等(2019)研究福州市1999、2000、2008和2013年夏季(6—8月)的地表溫度發(fā)現(xiàn)，熱島強(qiáng)度逐年增強(qiáng)，熱島面積不斷擴(kuò)大。Bek等(2018)研究表明，開羅2塊區(qū)域地表溫度在不同年份的升溫速率不同。在城市熱環(huán)境空間格局方面，Min等(2019)研究發(fā)現(xiàn)，地表溫度較高的區(qū)域主要分布在建設(shè)程度高、人口密集的地區(qū)，而有較高植被或水體覆蓋的地區(qū)地表溫度較低；杜紅玉(2018)研究表明上海市的高溫區(qū)由北部中心城區(qū)不斷向全市擴(kuò)張。綜上來看，城市化水平較高區(qū)域地表溫度時(shí)空格局的長期變化已成為當(dāng)前城市熱環(huán)境研究的熱點(diǎn)。
城市熱環(huán)境受諸多因子影響，包括氣象參數(shù)(如降水、風(fēng)和太陽輻射等)、人類活動、下墊面覆蓋等。在氣象參數(shù)方面，Zhou等(2014)研究中國32個(gè)主要城市的熱環(huán)境發(fā)現(xiàn)，平均氣溫和年降水量在夏季只對夜晚城市熱環(huán)境有影響，而在冬季對白天和夜晚城市熱環(huán)境均有影響。人類活動產(chǎn)生的熱通量對城市升溫具有重要影響(Bestetal.,2016)，構(gòu)建城市通風(fēng)走廊可緩解城市熱環(huán)境(Renetal.，2018),天空視域因素、車輛形勢規(guī)模以及空氣污染物(NO2、CO、O3、PM2.5和PM10等)濃度均為城市變暖的弱驅(qū)動力(Khamchiangtaetal.,2019)。下墊面覆蓋變化通過改變下墊面與大氣間的相互作用影響地表能量分布，從而改變城市溫度(Carlsonetal.,2000)，多項(xiàng)研究表明，城市不透水面強(qiáng)度的歸一化不透水面指數(shù)NDISI與地表溫度呈對數(shù)正相關(guān)(Guoetal.,2019a;徐涵秋，2011)，而城市地區(qū)的植被可使周圍環(huán)境溫度降低0.5～4.0 ℃(Berryetal.,2013;Qiuetal.,2013),有時(shí)甚至可達(dá)5～7 ℃(Oliveiraetal.,2011)。Sun等(2017)在北京市五環(huán)內(nèi)區(qū)域的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)綠地面積擴(kuò)大21.26～46.15 km2時(shí)，地表溫度會降低0.67～1.11 ℃，當(dāng)綠地面積減少43.88～64.98 km2時(shí)，地表溫度會升高1.64～2.21 ℃。但需要說明的是，植被降溫性能不僅受植被自身特征影響，也受周圍城市特征影響，如局部城市形態(tài)、天空因素、空間位置和土地覆蓋特征等(Leeetal.,2009;Lauetal.,2012；Duncanetal.,2019)，在氣候變化背景下，城市特征隨著城市化進(jìn)程會發(fā)生巨大變化，進(jìn)而可能影響植被在改變城市熱環(huán)境方面的作用。增加城市植被是緩解城市熱島效應(yīng)的重要手段(Akbarietal.,2008)，目前已有大量研究探討植被覆蓋對城市溫度的影響(Jeneretteetal.,2011;Maetal.,2010)，但長時(shí)間城市化進(jìn)程中的植被變化與城市熱環(huán)境關(guān)系的系統(tǒng)研究鮮有報(bào)道。
植被在城市中的布局可通過合理規(guī)劃進(jìn)行調(diào)控，理解城市化進(jìn)程中的熱環(huán)境演變及植被降溫效應(yīng)隨城市發(fā)展的動態(tài)變化，對預(yù)測城市化進(jìn)程中植被的城市熱環(huán)境影響具有重要的理論和實(shí)踐價(jià)值。鑒于此，本研究基于1999—2017年5期夏季(7月)遙感影像，以城市化水平較高的北京五環(huán)內(nèi)區(qū)域?yàn)檠芯繉ο?，探究北京地表溫度和植被覆蓋度時(shí)空變化特征，分析不同柵格尺度下地表溫度和植被覆蓋度的相關(guān)性，闡明不同植被覆蓋度條件下的植被降溫差異，以期為改善城市生態(tài)環(huán)境、合理規(guī)劃城市綠地提供參考。
1 研究區(qū)概況
以北京五環(huán)內(nèi)區(qū)域(115°25′—117°30′E，39°38′—41°51′N)為研究對象，總面積約667.28 km2。研究區(qū)地處華北平原，海拔20～60 m，屬典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年均溫11～12 ℃，年均降水量640 mm，年均日照時(shí)數(shù)2 000～2 800 h，全年無霜期190～195天。北京五環(huán)內(nèi)以東城區(qū)和西城區(qū)為功能核心區(qū)，以朝陽區(qū)、豐臺區(qū)、海淀區(qū)、石景山區(qū)和大興區(qū)為功能拓展區(qū)。2017年底，五環(huán)內(nèi)區(qū)域常住人口1 208.80萬人，占全市人口的55.69%。作為北京市城市建設(shè)和發(fā)展的主要區(qū)域，五環(huán)內(nèi)區(qū)域建設(shè)速度快、人口容量大。
2 研究方法
2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理
選取夏季晴朗少云且成像質(zhì)量良好的Landsat-5 TM、Landsat-8 OLI/TIRS共5期遙感影像，成像時(shí)間分別為1999、2005、2009、2011和2017年的7月(表1)。Landsat-5 TM影像紅色波段和近紅外波段空間分辨率均為30 m，熱紅外波段空間分辨率為120 m；Landsat-8 OLI/TIRS紅色波段和近紅外波段空間分辨率均為30 m，熱紅外波段空間分辨率為100 m。
表1 遙感影像信息①Tab.1 Data source information of remote sensing image
首先運(yùn)用ENVI 5.1軟件對遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正，然后利用相應(yīng)波段計(jì)算植被覆蓋度并反演地表溫度。對Landsat-5 TM遙感影像，利用第3、4波段計(jì)算植被覆蓋度，利用第6波段反演地表溫度；對Landsat-8 OLI/TIRS遙感圖像，利用第4、5波段計(jì)算植被覆蓋度，利用第11波段反演地表溫度。
2.2 地表溫度反演
采用大氣校正法反演地表溫度。該方法利用同期實(shí)測大氣數(shù)據(jù)估算大氣對地表熱輻射的影響，從衛(wèi)星傳感器測得的熱輻射總量減去大氣對地表熱輻射的影響得到地表熱輻射強(qiáng)度，通過普朗克公式將地表熱輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為地表溫度。
熱紅外波段黑體輻射強(qiáng)度(B)計(jì)算方法(杜紅玉，2018)為：
B=[Lλ-Lu-τ·(1-ε)Ld]/τ·ε。
(1)
式中：B為熱紅外波段黑體輻射強(qiáng)度(W·sr-1m-2μm-1)；Lλ為衛(wèi)星傳感器在熱紅外波段的輻射強(qiáng)度(W·sr-1m-2μm-1)；Lu為透過大氣向上的輻射強(qiáng)度(W·sr-1m-2μm-1)；Ld為透過大氣向下的輻射強(qiáng)度(W·sr-1m-2μm-1)；τ為大氣在熱紅外波段的透過率；ε為地表比輻射率。
得到熱紅外波段黑體輻射強(qiáng)度后，通過普朗克公式的反函數(shù)(式2)，求出真實(shí)的地表溫度(杜紅玉，2018)：
T=K2/ln(K1/B+1)。
(2)
式中：T為地表溫度(℃)；K1(mW·sr-1m-2μm-1)和K2為輻射常數(shù)。
2.3 植被覆蓋度計(jì)算
首先計(jì)算歸一化植被指數(shù)(NDVI)(楊宇翀等，2018)：
NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)。
(3)
式中：NIR為近紅外波段的亮度；R為紅色波段的亮度。
采用像元二分模型法計(jì)算植被覆蓋度(FV)(楊宇翀等，2018)：
FV=(NDVI-NDVIs)/(NDVIv+NDVIs)
(4)
式中：NDVIv為純植被的植被指數(shù)；NDVIs為純土壤的植被指數(shù)。NDVIv=0.7，NDVIs=0；NDVI>0.7，F(xiàn)V=1；NDVI<0，F(xiàn)V=0。
2.4 地表溫度等級劃分
采用標(biāo)準(zhǔn)差分類法劃分地表溫度等級(杜紅玉，2018)，以更直觀地分析地表溫度時(shí)空變化。根據(jù)式(5)將地表溫度分為7個(gè)等級，即極低溫區(qū)、低溫區(qū)、次低溫區(qū)、中溫區(qū)、次高溫區(qū)、高溫區(qū)和極高溫區(qū)：
D=X±as。
(5)
式中：D為不同等級地表溫度閾值(℃)；X和s分別為研究區(qū)地表溫度均值(℃)和方差(℃)；a為方差的倍數(shù)。
7個(gè)等級地表溫度閾值見表2。
表2 地表溫度等級劃分Tab.2 Classification of the land surface temperature
基于ArcGIS10.5平臺，利用上述地表溫度等級劃分方法，對反演出的地表溫度圖像進(jìn)行進(jìn)一步分析處理，得出北京五環(huán)地表溫度等級分類圖。
2.5 植被覆蓋度等級劃分
為直觀分析研究區(qū)植被覆蓋度變化，以20%間隔將植被覆蓋度劃分為5個(gè)等級：0～20%為低植被覆蓋度，20%～40%為中低植被覆蓋度，40%～60%為中植被覆蓋度，60%～80%為中高植被覆蓋度，80%～100%為高植被覆蓋度(楊宇翀等，2018)?；贏rcGIS10.5平臺，將利用上述分類閾值對植被覆蓋度圖像進(jìn)行進(jìn)一步分析處理，得出北京五環(huán)植被覆蓋度等級分類圖。
2.6 各溫區(qū)及各植被覆蓋度分區(qū)在各環(huán)之間的分布比例
為定量分析地表溫度和植被覆蓋度空間格局變化，先計(jì)算未去除面積影響的各溫區(qū)及各植被覆蓋度分區(qū)在各環(huán)之間的分布比例(Rij)：
Rij=Nij/Ni。
(6)
式中：Nij為i溫區(qū)或植被覆蓋度分區(qū)在j環(huán)區(qū)域(j表示二環(huán)內(nèi)、二環(huán)至三環(huán)、三環(huán)至四環(huán)、四環(huán)至五環(huán)，下同)的柵格數(shù)；Ni為i溫區(qū)或植被覆蓋度分區(qū)的柵格總數(shù)。
由于各環(huán)面積存在差異，為去除面積不同對各溫區(qū)及各植被覆蓋度分區(qū)分布比例的影響，須計(jì)算各環(huán)之間區(qū)域面積占整個(gè)五環(huán)內(nèi)面積的比例(Rj)：
Rj=Nj/N。
(7)
式中：Nj表示j環(huán)區(qū)域柵格數(shù);N為五環(huán)內(nèi)柵格總數(shù)。
去除面積影響的各溫區(qū)及各植被覆蓋度分區(qū)的分布比例(Rij0)：
Rij0=Rij/Rj。
(8)
2.7 植被覆蓋度與地表溫度相關(guān)性分析
基于ArcGIS漁網(wǎng)功能，分別以300、600、900和1 200 m為邊長設(shè)置網(wǎng)格，除邊緣區(qū)域外，所設(shè)置網(wǎng)格基本覆蓋整個(gè)五環(huán)地區(qū)。將設(shè)置好的網(wǎng)格分別與反演的地表溫度圖像和植被覆蓋度圖像相疊加，利用網(wǎng)格內(nèi)柵格數(shù)據(jù)平均值分別表示每個(gè)網(wǎng)格的地表溫度和植被覆蓋度，并將網(wǎng)格中的地表溫度和植被覆蓋度數(shù)據(jù)導(dǎo)入R軟件進(jìn)行線性回歸分析，進(jìn)而得出不同年份地表溫度與植被覆蓋度的關(guān)系。
3 結(jié)果與分析
3.1 不同年份地表溫度反演結(jié)果與精度驗(yàn)證
地表溫度反演結(jié)果顯示，北京五環(huán)內(nèi)以1999年平均地表溫度最高(47.29 ℃)，2005年最低(37.24 ℃)(表3)。1999、2009和2017年地表溫度平均值均在40 ℃以上，而2005和2011年則在40 ℃以下。1999年地表溫度的空間變異性最大(SD=4.01 ℃)，2005年最小(SD=2.96 ℃)。
表3 不同年份地表溫度Tab.3 Land surface temperature of different years
將反演得到的平均地表溫度與氣象站測得的0 cm平均地溫進(jìn)行對比，檢驗(yàn)地表溫度反演結(jié)果的準(zhǔn)確性(杜紅玉，2018)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用大氣校正法反演得到的1999—2017年平均地表溫度與氣象站測得的0 cm平均地溫變化趨勢基本一致(圖1)。
圖1 研究期內(nèi)反演所得地表溫度和氣象站測得0 cm地溫變化趨勢Fig.1 Comparison of surface temperature derived from remote sensed data and ground observation temperature measured at 0 cm from meteorological station during the study period
反演所得平均地表溫度總體上高于氣象站測得的0 cm平均地溫，這可能是由于氣象站測得的是一個(gè)點(diǎn)的地溫，而反演得到的是整個(gè)五環(huán)內(nèi)區(qū)域的地表溫度均值，包含了較大空間差異性。此外，不透水面熱容量高，在接受相同太陽輻射時(shí)升溫極快(Chunetal.,2014)，因此拉高了五環(huán)內(nèi)區(qū)域地表溫度均值。精度驗(yàn)證結(jié)果表明，反演所得地表溫度與實(shí)際情況基本吻合，可用于研究五環(huán)內(nèi)區(qū)域地表溫度時(shí)空變化及其與植被覆蓋度的相關(guān)性。
3.2 地表溫度時(shí)間變化特征
各溫區(qū)面積占比變化如圖2所示，1999—2017年，極低溫區(qū)和低溫區(qū)面積占比總體呈先升后降的變化趨勢，均在2011年達(dá)到最低值(0.27%和6.26%)。但是，次低溫區(qū)面積占比變化趨勢與之相反，并在2011年達(dá)到最高值(22.99%)。研究期內(nèi)中溫區(qū)面積占比最高，均在35%以上，2009年最高(41.01%)。1999—2005年，次高溫區(qū)面積占比由32.13%降至24.62%，2005—2011年，變幅不明顯，而2011—2017年，由24.12%升至28.33%。高溫區(qū)和極高溫區(qū)面積占比變化趨勢總體上與次高溫區(qū)相反，1999—2005年，分別由2.73%和0.12%升至5.73%和1.02%，2005—2011年，略有上升，2011—2017年，分別降低0.96%和0.71%。綜上，研究期內(nèi)北京五環(huán)內(nèi)熱環(huán)境的時(shí)間變化總體分為2個(gè)階段：1999—2011年，高溫區(qū)和極高溫區(qū)面積逐漸增加；2011—2017年，高溫區(qū)和極高溫區(qū)面積逐漸減少，而極低溫區(qū)和低溫區(qū)面積逐漸增加，熱環(huán)境狀況有所改善。
圖2 研究期內(nèi)各溫區(qū)面積占比變化Fig.2 Changes of the area proportion of each temperature zone during the study period
3.3 地表溫度空間分布特征
1999—2011年，三環(huán)至五環(huán)區(qū)域有所升溫，而二環(huán)內(nèi)熱環(huán)境得到緩解(圖3)。1999年中溫及以上溫區(qū)集中分布在五環(huán)內(nèi)東西向的中部區(qū)域，中溫區(qū)以下溫區(qū)基本散落分布在四環(huán)至五環(huán)區(qū)域。此后，高溫區(qū)和極高溫區(qū)逐漸向外轉(zhuǎn)移，在二環(huán)內(nèi)分布比例分別降低19.80%和14.83%，在四環(huán)至五環(huán)區(qū)域分布比例分別升高23.95%和25.06%(圖4)。至2011年，高溫區(qū)和極高溫區(qū)主要集聚在三環(huán)至五環(huán)間的東南部區(qū)域，分布比例分別為70.73%和78.92%。在此期間，四環(huán)至五環(huán)區(qū)域的極低溫區(qū)、低溫區(qū)和次低溫區(qū)面積減少；而二環(huán)內(nèi)低溫區(qū)面積有所增加，極低溫區(qū)和低溫區(qū)在二環(huán)內(nèi)分布比例分別升高21.43%和10.78%。
圖3 研究期內(nèi)各溫區(qū)空間分布Fig.3 Spatial distribution of each temperature zone during the study period
2011—2017年，研究區(qū)內(nèi)熱環(huán)境整體得到一定程度的改善，二環(huán)內(nèi)熱環(huán)境有回升(圖3)，四環(huán)至五環(huán)區(qū)域熱環(huán)境改善最為顯著，表現(xiàn)為中溫區(qū)以上溫區(qū)分布比例分別下降1.89%、13.77%和12.56%，而中溫區(qū)以下溫區(qū)分布比例分別升高5.32%、9.08%和4.2%(圖4)。二環(huán)內(nèi)中溫區(qū)以上溫區(qū)面積有所增加，其中，次高溫區(qū)分布比例升高2.43%，高溫區(qū)分布比例升高17.55%，極高溫區(qū)分布比例升高5.71%。
圖4 研究期內(nèi)各溫區(qū)在各環(huán)之間的面積分布比例Fig.4 Area proportion of each temperature zone between ring roads during the study period
3.4 植被覆蓋度時(shí)空變化特征
3.4.1 植被覆蓋度時(shí)間變化特征 1999—2017年，北京五環(huán)內(nèi)區(qū)域植被覆蓋度總體呈先降后升的趨勢(圖5)。1999—2005年植被覆蓋度急劇下降，2005—2009年又急劇上升，之后其上升幅度較緩，2017年達(dá)到最高值(47.21%)(圖5)。
圖5 研究期內(nèi)植被覆蓋度變化Fig.5 Changes of vegetation coverage during the study period
由圖6可知，1999—2005年，低植被覆蓋度區(qū)面積占比由29.10%升至37.14%，其后急劇下降至最低值(21.90%)，2009—2011年，變化不明顯，2011—2017年，升高1.39%。1999—2017年，中低植被覆蓋度區(qū)面積占比先升后降，2005年達(dá)到最高值(33.86%)，2017年最低(23.48%)。研究期內(nèi)中植被覆蓋度區(qū)面積占比總體上與低植被覆蓋度區(qū)變化趨勢相反。中高植被覆蓋度區(qū)和高植被覆蓋度區(qū)面積占比變化趨勢基本一致，均在2005年達(dá)到最低(分別為8.90%和4.46%)，2017年達(dá)到最高(分別為13.84%和19.73%)。
圖6 研究期內(nèi)各植被覆蓋度區(qū)面積占比變化Fig.6 Changes of the area proportion of vegetation coverage zones during the study period
3.4.2 植被覆蓋度空間變化特征 研究期內(nèi)高植被覆蓋度區(qū)主要分布在四環(huán)至五環(huán)區(qū)域(分布比例≥40%)，低和中低植被覆蓋度區(qū)主要分布在四環(huán)內(nèi)(分布比例≥78%)(圖7、8)。中高和高植被覆蓋度區(qū)1999年基本分布在四環(huán)至五環(huán)區(qū)域，低和中低植被覆蓋度區(qū)主要分布在四環(huán)內(nèi)。2005年，五環(huán)內(nèi)區(qū)域低和中低植被覆蓋度區(qū)面積占比分別升高8.04%和4.3%，高植被覆蓋度區(qū)面積占比降低6.8%，中植被覆蓋度及以上分區(qū)主要散落分布在四環(huán)至五環(huán)的邊緣區(qū)域，分布比例均達(dá)到峰值(分別為34.89%、53.3%和10.85%)。2005—2009年，中植被覆蓋度及以上分區(qū)由外環(huán)逐漸向內(nèi)轉(zhuǎn)移，四環(huán)內(nèi)植被覆蓋度明顯改善，體現(xiàn)在中植被覆蓋度及以上分區(qū)分布比例均有所上升，低植被覆蓋度區(qū)分布比例則明顯下降。2017年，低植被覆蓋度區(qū)在二環(huán)內(nèi)和四環(huán)至五環(huán)區(qū)域分布比例略有上升，而在其他區(qū)域有所下降；中高和高植被覆蓋度區(qū)分布比例除在四環(huán)至五環(huán)區(qū)域有所下降外，在其他區(qū)域均略有上升。
圖7 研究期內(nèi)各植被覆蓋度區(qū)空間分布Fig.7 Spatial distribution of different vegetation coverage zones during the study period
圖8 研究期內(nèi)各植被覆蓋度區(qū)在各環(huán)之間的分布比例Fig.8 Distribution proportion of each vegetation coverage zone between each ring road during the study period
3.5 地表溫度與植被覆蓋度的相關(guān)性分析
線性回歸分析結(jié)果表明，不同年份地表溫度與植被覆蓋度總體呈極顯著線性負(fù)相關(guān)(P<0.001)，且植被覆蓋度每增加10%，地表溫度下降1.09～1.71 ℃(圖9)。
圖9 不同年份地表溫度與植被覆蓋度的關(guān)系Fig.9 Relationship between land surface temperature and vegetation coverage in different years
40%～60%在中植被覆蓋度條件下，所有年份地表溫度與植被覆蓋度均呈極顯著線性負(fù)相關(guān)(P<0.001)(圖10)。植被覆蓋度極低(<20%)時(shí)，地表溫度與植被覆蓋度不存在相關(guān)關(guān)系；植被覆蓋度相對較低(20%～40%)和較高(>60%)時(shí)，地表溫度與植被覆蓋度僅在某些年份存在顯著相關(guān)。植被覆蓋度較高時(shí)，樣本數(shù)量相對較少，導(dǎo)致地表溫度與植被覆蓋度的關(guān)系未被檢測出。同一柵格尺度下，隨著植被覆蓋度增加，不同植被覆蓋度條件下植被的降溫幅度(植被覆蓋度每增加10%所降低的地表溫度)增大。
圖10 不同植被覆蓋度條件下地表溫度與植被覆蓋度的關(guān)系Fig.10 Relationship between land surface temperature and vegetation coverage under different vegetation coverages圖中每一行為同一年份，每一列為同一植被覆蓋度條件。Each row in the figure is the same year,and each column is the same vegetation coverage condition.
4 討論
4.1 北京五環(huán)內(nèi)地表溫度時(shí)空變化
1999—2017年，北京五環(huán)內(nèi)熱環(huán)境的時(shí)間變化總體分為2個(gè)階段：1999—2011年,高溫區(qū)和極高溫區(qū)面積逐漸增加；2011—2017年，高溫區(qū)和極高溫區(qū)面積逐漸下降，極低溫區(qū)和低溫區(qū)面積逐漸增加，熱環(huán)境狀況有所改善。與本研究類似，葛榮鳳等(2016)基于8期Landsat-5遙感影像研究發(fā)現(xiàn)，1991—2011年，北京六環(huán)內(nèi)熱島強(qiáng)度呈增長趨勢，增長速率為1.35 ℃·a-1；Chen等(2017)研究指出，1995—2009年北京高溫區(qū)域面積逐漸增加。城市化進(jìn)程越快地表溫度增長趨勢越明顯。由此可見，北京熱環(huán)境變化與城市化進(jìn)程密切相關(guān)，1999—2011年北京城市化進(jìn)程較快，不透水面快速增加，因此導(dǎo)致北京五環(huán)內(nèi)區(qū)域高溫區(qū)面積逐漸增加。本研究的溫區(qū)空間分布變化也進(jìn)一步證明了城市化水平對地表升溫的促進(jìn)作用(Caoetal.,2019)，1999年，北京東西向開發(fā)建設(shè)比南北向早，導(dǎo)致城市高溫區(qū)集聚在東西向區(qū)域。此后，高溫區(qū)和極高溫區(qū)逐漸向外環(huán)轉(zhuǎn)移，至2011年，高溫區(qū)和極高溫區(qū)主要集聚在三環(huán)至五環(huán)間的東南部區(qū)域。2001—2003年，四環(huán)路、五環(huán)路建成通車帶動了三環(huán)至五環(huán)區(qū)域的發(fā)展，尤其是2008年北京奧運(yùn)會期間該區(qū)域建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施和體育設(shè)施，不透水面顯著增加，導(dǎo)致該區(qū)域地溫升高(Guoetal.,2019b)。同時(shí)，三環(huán)至五環(huán)區(qū)域的快速發(fā)展一定程度上緩解了二環(huán)內(nèi)區(qū)域人口壓力，從而使二環(huán)內(nèi)熱環(huán)境有所緩解。此外，本研究也證明城市化進(jìn)程中提升植被覆蓋度可有效改善城市熱環(huán)境(Estoqueetal.,2017)。2017年植被覆蓋度最高，為47.21%，且中高植被覆蓋度區(qū)和高植被覆蓋度區(qū)面積占比均為2017年最高(分別為13.84%和19.73%)，同期整個(gè)五環(huán)內(nèi)區(qū)域的熱環(huán)境狀況有一定改善，以四環(huán)至五環(huán)間區(qū)域最為顯著。
4.2 地表溫度與植被覆蓋度的相關(guān)性
植被通過吸收地表的太陽輻射、樹冠遮擋減少入射地表的太陽輻射、蒸散增加周邊空氣濕度等方式降低環(huán)境溫度。本研究顯示，植被覆蓋度每增加10%，地表溫度下降1.09～1.71 ℃。由于植被降溫效應(yīng)受立地條件影響(Lietal.,2012)，地表溫度隨植被覆蓋度增加的下降幅度存在差異。如在英國大曼徹斯特，每增加10%的植被覆蓋可導(dǎo)致地表溫度降低2 ℃(Gilletal.,2013)，在加拿大多倫多為0.5～0.8 ℃(Wangetal.,2016)。此外，植被降溫作用存在有效尺度(Naeemetal.,2018)。本研究發(fā)現(xiàn)，極低的植被覆蓋度(<20%)無法產(chǎn)生顯著的地表降溫，而在相對較低(20%～40%)的植被覆蓋度條件下，地表溫度與植被覆蓋度不總是存在顯著相關(guān)。在同一柵格尺度下，植被覆蓋度越高，降溫效應(yīng)越強(qiáng)。Taha等(1997)比較加拿大4個(gè)城市植被的降溫效應(yīng)發(fā)現(xiàn)，植被覆蓋度超過30%才有明顯的降溫效應(yīng)，33%和67%的植被覆蓋度分別降溫0.5和1.0 ℃；在美國麥迪遜市，當(dāng)樹冠蓋度超過一定程度后(40%)，其降溫效應(yīng)顯著增強(qiáng)(Ziteretal.，2019)；在香港,5種植被覆蓋度(0%、8%、16%、34%、56%)下56%植被覆蓋度的植被降溫效果最顯著(Ngetal.，2012)；在慕尼黑，植被覆蓋度達(dá)到70%～80%時(shí)的降溫效果最顯著(Alavipanahetal.,2015)。雖然不同城市植被覆蓋度降溫閾值有所差異，但均表明當(dāng)植被覆蓋度過低時(shí)植被降低地表溫度的作用較弱，只有達(dá)到一定的植被體量才能有效降溫，且較大的植被覆蓋度更有利于降溫。
4.3 不足與展望
在地面研究的單木或斑塊尺度下，實(shí)地觀測分析植被降溫影響因素時(shí)發(fā)現(xiàn)，樹種組成、冠層結(jié)構(gòu)(郁閉度、葉面積指數(shù)、冠幅等)等植物群落特征是非常重要的影響因子(劉海軒等，2019；秦仲等，2016)。相比之下，在城區(qū)尺度通常利用遙感監(jiān)測法并選用植被遙感指數(shù)(歸一化植被指數(shù)、植被覆蓋度等)來分析植被降溫效應(yīng)(Minetal.,2019;徐涵秋等，2011)?；贚andsat影像進(jìn)行遙感監(jiān)測的方法不適用于辨析植被種類、組成和樹高等因子(崔鳳嬌等，2020)，植被高度、組成和類型對地表溫度的影響較弱。雖然地面研究時(shí)的植被組成和結(jié)構(gòu)等與環(huán)境溫度相關(guān)顯著，但遙感反演無法得到精度較高的局部區(qū)域溫度，也就無法反映出植被組成和結(jié)構(gòu)的降溫差異。
不同植被區(qū)域?qū)Φ乇頊囟鹊挠绊懖粌H來自植被本身，而且受周圍不透水表面的影響。在城市環(huán)境中，植被空間較為破碎，大部分植被斑塊較小，因此，雖然植被類型等條件會造成降溫效應(yīng)差異，但由于周圍環(huán)境(如不透水面)的影響，不同植被斑塊間的溫度差異會有所降低。這一現(xiàn)象在Zhang等(2009)的研究中得到了證實(shí)，基于遙感反演得到的喬木、灌木和草坪/野草地斑塊的地表溫度幾乎不存在差異。
本研究對遙感影像進(jìn)行土地利用監(jiān)督分類后發(fā)現(xiàn)，林地所占比例高于草地，雖然遙感影像無法確認(rèn)植被類型和組成，但由于草地占比低，且相對遙感影像的獲取高度而言，林地中樹木高度不存在顯著差異，因此，植被類型、組成和平均高度對地表溫度的影響在本研究尺度上相對較弱，結(jié)論仍可靠。
鑒于植被組成和結(jié)構(gòu)對植被降溫效果的重要影響，后續(xù)研究應(yīng)嘗試使用更高精度的遙感影像解譯綠地空間的植被類型與組成，并結(jié)合地面調(diào)查獲取植被樣方詳細(xì)信息，進(jìn)一步驗(yàn)證遙感評估的植被降溫效應(yīng)，或發(fā)現(xiàn)該手段存在的問題及可能解決方法。
5 結(jié)論
1)北京市五環(huán)內(nèi)區(qū)域在1999—2017年的熱環(huán)境時(shí)間變化總體分為2個(gè)階段：1999—2011年，高溫區(qū)和極高溫區(qū)面積逐漸增加，且高溫區(qū)域由二環(huán)內(nèi)向外逐漸轉(zhuǎn)移；2011—2017年，熱環(huán)境狀況有所改善。
2)研究期內(nèi)北京五環(huán)內(nèi)區(qū)域植被覆蓋度總體呈先降后升的趨勢，且植被覆蓋度較高的區(qū)域主要分布在四環(huán)至五環(huán)間，四環(huán)內(nèi)區(qū)域植被覆蓋度相對較低。
3)地表溫度與植被覆蓋度總體呈線性負(fù)相關(guān)(P<0.001)，且在植被覆蓋度達(dá)到40%～60%時(shí)才表現(xiàn)出穩(wěn)定的降溫效果。同一柵格尺度下，植被覆蓋度越高，降溫效應(yīng)越強(qiáng)，地表溫度越低。在城市綠地規(guī)劃中，可通過適當(dāng)提高植被覆蓋度，提升城市綠地降溫功能，緩解城市熱環(huán)境。
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