宋卿
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摘要：城市地表热环境及其变化问题日益受到关注。随着城市化的快速发展，城市地表土地利用发生了剧烈改变，土地利用/覆被变化（LUCC）是导致地表热环境变化的直接因素，在地表性质变化的基础上，城市地表热环境及其效应也随之发生了显著变化。文章运用地理信息系统与空间分析方法，研究城市化进程中我国典型城市的热环境效应，在此基础上，探索城市内景观类型对城市热环境的影响，为城市土地规划提供政策建议与理论支持。
关键词：中国典型城市；热环境效应；土地利用
引言
城市化进程带来的最直接后果就是区域下垫面的变化。下垫面透水性降低，地表温度增加，我国的城市热环境问题日益突出，这对人居环境健康有严重影响。同时，城市社会经济的可持续发展也受到了巨大威胁。城市化建设增加了城市劳动力需求，致使人口不断向城市迁移。人类活动是城市地表下垫面变化的重要原因之一，尤其是城市土地利用/覆被变化（Land-use/Land-coverchange,简称LUCC）与地表对太阳辐射的吸收息息相关。土地利用变化影响城市热环境已在不同区域得到验证并且达成一定共识。因此，探索城市土地利用背景下的热环境现状可为城市土地利用规划提供参考。
1研究背景
1.1城市化是社会发展的必然趋势
古希腊思想家亚里士多德曾说：“人们为了活着而聚集到城市，为了生活得更好而留居于城市。”这表现出城市在人类生存与社会发展中的关键程度。全球城市化现象于19世纪末开始起步，并在20世纪中期进入快速发展阶段。自1850年以来，全球许多国家的城市化进程飞速发展，大量的人口从乡镇迁移向城市。自中国改革开放以来，我国东南地区与华北地区的重点城市迈出了城市建设的脚步，经济发展促使城市建成区不断增长，交通业迅速发展，城市化因素呈现多元化，城市化建设给人们带来了很大程度的便利。2010年上海市世博会的主题是“城市使生活更美好”，这表达了人们对于现代化城市与美好生活的无限向往。习近平总书记在中国共产党第十九次全国代表大会上明确提出区域协调发展战略，尤其是“以城市群为主体构建大中小城市和小城镇协调发展的城镇格局”。截至2019年，据我国相关部门统计显示，我国的城市化建设率约为60%。
1.2城市热环境效应
城市气候因能量收支失衡而发生剧烈变化的现象被称为城市热环境效应，城市热岛效应是城市化进程中最为明显的城市热环境响应形式。本文基于遥感数据开展研究，因此选用地表温度这一指标来表征城市热环境，城市热环境是否得以改善主要体现在地表温度是否降低上。因此，本文中城市热环境最终定义为，“以地表温度为核心，由太阳辐射、人为热以及影响热量传输的大气状况（风速、空气湿度、大气浑浊度等）和下垫面状况（如下垫面类型、规模与布局、粗糙度、空间形态、反照率、发射率、热惯性、热导率、比热容等）共同组成的影响人类及其活动的复杂巨系统”。
1.3城市化背景下城市热环境问题日益突出
土地利用变化影响城市热环境已在不同区域得到验证并且达成一定共识。近年来，我国大部分地区的城乡间能量流动不断失衡，这种不平衡的能量收支对城市气候造成了重大影响。因此，能量流动是城市化导致城市热岛效应形成的重要原因。更广泛的城市热岛效应还包括因能量收支失衡现象而伴随的城市干湿气候异常。城市热岛效应加剧，大气污染加重等城市气候问题，大大降低了人居舒适程度，严重阻碍了我国可持续发展这一城市建设主题。因此，在城市化背景下，研究土地利用类型如何影响城市热环境，可能对进一步探索城市热岛效应的形成机制与城市化进程对城市热岛效应的影响提供帮助。本研究从全国31个省会城市（或直辖市）土地利用与地表温度变化出发，探索不同土地利用类型的热环境效应，为城市热岛效应机理与其影响因素的研究提供理论支持。
2数据来源
2.1行政区划数据
本研究中的行政区划数据从中国科学院资源环境数据云平台的中国行政区划数据集中下载获得，以地市为最小单位，选取中国31个省会（直辖市）城市，为了研究城市热环境的地理变化，根据中国的地理环境将这些城市分为六个区域：华北地区（北京、太原、呼和浩特、石家庄和天津），华东地区（福州、南昌、杭州、合肥，济南、南京和上海），中南地区（长沙、广州、海口、南宁、武汉和郑州），东北地区（长春、哈尔滨和沈阳），西北地区（兰州、西宁、乌鲁木齐、西安和银川）和西南地区（成都、重庆、昆明、贵阳和拉萨）。
2.2MODIS地表温度数据
中分辨率成像光谱仪（MODIS）被广泛应用于城市热岛效应过程和机理的研究与模拟中。本研究使用的地表温度数据来源于美国国家航空航天管理局，是搭载在Aqua卫星上获得的全球陆地系列产品MODIS8天3级（L3）数据。其空间分辨率为1km，研究中选取2005—2018年四季昼夜与全年数据。
2.3土地利用数据
从中国科学院资源环境科学数据中心的土地利用现状数据库下载2005年与2018年土地利用数据。数据由美国国家航空航天局搭载Landsat卫星获得的TM/ETM+遥感图像人工目视解译而来。研究提取31个省会城市2005年与2018年土地利用数据，用于探索不同土地利用类型的热环境变化情况。根据研究需要，土地利用类型分为7大类，分别为耕地、林地、草地、水域、城市建设用地、农村居民点与未利用地。
3土地利用变化对地表热环境时空变化的影响
3.1对热环境时空分布的影响
城市土地利用/覆被的显著变化直接影响了地表温度的时空分布规律。一般来讲，伴随着城市化进程的不断加快，城市建设用地的面积与密度不断增加，导致区域温度不断升高；城市植被、水体等面积的减少则导致其对地表温度抑制作用的降低。高温区与次高温区集中分布在工业区和人口密集的住宅区，中温区主要分布在城市郊区农田与农村建设用地，次低温区和低温区覆盖范围为森林、赣江以及湖泊；在空间尺度上，城市热岛面积的增大与南昌市建设用地的扩张趋势一致。土地利用变化对城市热力景观产生重要影响，通过研究热力景观空间格局演变，可以定量研究地表热环境时空变化及规律。
3.2与地表热环境时空分布的相关性
土地利用/覆被变化是城市地表热环境变化的基础，其类型、性质、持续时间、变化剧烈程度等均会引起地表热环境的相应变化，两者之间存在一定的关联性。城区建设用地和未利用地分布区形成高温中心，呈现高—高空间关联模式；黄河等水体和部分绿地形成低温区，呈现低—低空间关联模式；黄河等水体周边分布部分高温区，呈现出高—低空间关联模式；城市建设用地中存在部分低温区域，呈现低—高空间关联模式。景观类型组成、空间格局与地表温度空间分异之间存在一定的联系。各变量与地表温度的相关性均较强，景观多样性和破碎化程度与地表温度的相关性最高。通过对城市热岛效应周边土地利用的分形格局进行了分析，发现未利用地的半径维数接近2，说明未利用地从高温中心向四周低温区分布较为均匀，对城市热环境的效应不明显；建设用地的半径维数小于2，表示随着远离高温中心建设用地的密度急剧减小，其城市热环境表现为正效应；水域、林地及农用地的半径维数均大于2，表明林地、农用地及水域表现为负效应，对热岛效应有较好的缓解作用。
结束语
当前，随着世界范围内城市化的快速发展，城市建设用地不断增加，林地、河流等自然表面不断减少，深刻改变了城市地表性质，使得不同土地利用类型、不同空间布局及时空变化下地表温度发生了显著变化，产生了不同的热环境效应，对人居环境、城市可持续发展等产生了一定的影响。目前，城市土地利用/覆被变化的地表热环境效应已有较多的研究，但土地利用/覆被变化对城市热环境的影响过程、作用机理极其复杂，今后应加强该方面的研究，从而促进城市地表热环境研究的深入发展。
参考文献
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