京滬穗三地近十年夜間熱力景觀格局演變對比研究

孟 丹，王明玉，李小娟，宮輝力

(城市環(huán)境過程與數(shù)字模擬國家重點實驗室培育基地，資源環(huán)境與地理信息系統(tǒng)北京市重點實驗室，三維信息獲取與應(yīng)用教育部重點實驗室，首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京100048)

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國的城市化進程不斷加劇，其所帶來的社會、經(jīng)濟和生態(tài)影響，不僅是我國而且是全球在未來相當(dāng)長一段時間中的最重大事件之一。城市內(nèi)包括空氣、下墊面和各種外部因素組成的與熱有關(guān)的熱現(xiàn)象被稱之為城市熱環(huán)境。在北京，上海，廣州這些大城市，熱環(huán)境問題引起相關(guān)學(xué)者關(guān)注［1-4］，已經(jīng)呈現(xiàn)比較明顯的熱島效應(yīng)。2010年7月5日，北京市最高氣溫達到40.6℃，地面溫度也超過了60℃，成為北京有史以來同期最高溫度;上海市2009年7月20日，徐家匯氣溫高達40℃，是上海氣象記載史上的次高值;廣州市2005年7月11—18日，出現(xiàn)持續(xù)性大范圍高溫炎熱天氣，導(dǎo)致市區(qū)內(nèi)多輛汽車自燃。城市熱環(huán)境體現(xiàn)了自然界輸入城市的能量轉(zhuǎn)化與人為活動造成的廢熱、廢氣排放的相互影響及關(guān)系。作為城市生態(tài)環(huán)境的重要方面，城市熱環(huán)境與城市氣候、城市生態(tài)、城市災(zāi)害等都存在著時空上的相互作用、相互依存關(guān)系，它對城市微氣候、空氣質(zhì)量、能耗結(jié)構(gòu)以及公共健康等方面都產(chǎn)生著深遠(yuǎn)的影響［5］。因此，城市熱環(huán)境的研究對于人居環(huán)境質(zhì)量的提高，城市環(huán)境治理，城市規(guī)劃問題，乃至世界氣候變化都有著重大意義。

近年來隨著空間信息技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者利用遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)在熱環(huán)境研究方面取得了良好進展。Rao［6］是首個利用熱紅外遙感來研究城市熱島的學(xué)者，他利用ITOS-1熱紅外數(shù)據(jù)研究美國大西洋中部沿海城市地表溫度分布模式，此后，Carlson［7］利用AVHRR數(shù)據(jù)研究了Los Angeles地區(qū)地表溫度分布模式，Carnahan［8］利用TM熱紅外數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)印第安納波利斯城區(qū)與周圍鄉(xiāng)村地區(qū)的溫度差異。國內(nèi)學(xué)者采用TM、ASTER、HJ-1B等熱紅外波段數(shù)據(jù)對北京、上海、廣州、南京等地城市熱島進行了大量研究［9-15］。由于MODIS衛(wèi)星的重訪周期短，其數(shù)據(jù)對全球用戶免費，應(yīng)用非常廣泛，王建凱［16］等人利用MODIS數(shù)據(jù)研究北京城市熱島效應(yīng)得出白天城市熱島具有明顯的季節(jié)變化，夜晚季節(jié)變化較為穩(wěn)定;葛偉強［17］等人利用MODIS數(shù)據(jù)反演地表溫度得出長三角地區(qū)熱島呈“Z”字型分布，夏季熱島強度最強;江志紅［18］等人對MODIS地表溫度產(chǎn)品進行了評估，通過與臺站地表溫度的對比，認(rèn)為MOD11A2數(shù)據(jù)精度高于MODISL1B反演資料。然而跨區(qū)域熱環(huán)境狀況對比研究的案例較少。景觀生態(tài)學(xué)是將地理學(xué)的景觀理論和生物學(xué)的生態(tài)理論相結(jié)合，研究景觀單元的類型組成、空間配置以及與生態(tài)學(xué)過程相互作用的綜合性學(xué)科［19］。本文參考陳云浩［20］將景觀格局理論用于城市熱環(huán)境研究的方法，并沿用“熱力景觀”的概念，以近10年的MODIS地表溫度產(chǎn)品為數(shù)據(jù)源，選取了地理差異性顯著的北京，上海，廣州三地為研究區(qū)，對比分析三地近十年熱力景觀演變特征，彌補了過去對單一地區(qū)，采用單一方法研究熱力景觀的不足［21-22］。將景觀生態(tài)學(xué)融入城市熱環(huán)境研究中，并結(jié)合遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，對城市熱環(huán)境的研究開辟了一個新的領(lǐng)域，為城市規(guī)劃、生態(tài)城市建設(shè)提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)選取

北京、上海、廣州是我國三大城市，城市規(guī)模、發(fā)展速度位于前列，是我國的政治、經(jīng)濟、文化中心。城市發(fā)展及人為熱的排放必然產(chǎn)生熱環(huán)境問題，然而由于各自規(guī)劃的發(fā)展階段、城市建設(shè)步伐及自然地理條件、氣候條件差異，熱力景觀演變也有各自的特點。研究區(qū)行政區(qū)劃見圖1。

圖1 研究區(qū)行政區(qū)劃圖Fig．1 The location of study areas

本文選取MODIS溫度產(chǎn)品MOD11A2進行京滬穗三地?zé)岘h(huán)境研究。MODIS可以提供多達44種增值產(chǎn)品，其中MOD11產(chǎn)品為陸地2、3級標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，它利用大氣窗口2個熱紅外通道31(10.78—11.28μm)和32(11.77—12.27μm)的地表比輻射率和地表亮溫作為輸入條件，利用分裂窗算法進行地面溫度反演，得出某一時刻的地表溫度。MOD11A2是MODIS的三級產(chǎn)品，是通過8d的MOD11A1數(shù)據(jù)計算平均值而得到的，其投影為正弦曲線投影。該產(chǎn)品提供白天夜間地表溫度數(shù)據(jù)、質(zhì)量評估、觀測時間、觀測角、晴好白天和夜晚的天數(shù)以及不同地表覆蓋類型在波段31、32的地表發(fā)射估計。本文選取MOD11A2夜間溫度數(shù)據(jù)，空間分辨率1km，數(shù)據(jù)格式為HDF-EOS。

MODIS產(chǎn)品始于1999年，可為研究近10年的京滬穗三地?zé)崃坝^演變提供數(shù)據(jù)，為探索熱力景觀隨時

間的演變規(guī)律，本次研究從近10年中選取2002、2007、2011 3a夜間1月份數(shù)據(jù)(由于數(shù)據(jù)質(zhì)量原因，北京地區(qū)選取2004年1月數(shù)據(jù)作為早期數(shù)據(jù)，上海地區(qū)選取2008年和2012年1月數(shù)據(jù)作為中期和晚期數(shù)據(jù))作為10a中早、中、晚期數(shù)據(jù)，研究近10年京滬穗三地冬季夜間熱力景觀格局演變特征。

2 數(shù)據(jù)處理與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)處理

本文以京滬穗3個城市作為研究區(qū)域，利用地表溫度數(shù)據(jù)MOD11A2和三地行政區(qū)劃數(shù)據(jù)獲取研究區(qū)近10年的地表溫度。數(shù)據(jù)處理采用ENVI4.5、ArcGIS9.3軟件，數(shù)據(jù)采用UTM投影。為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，減少數(shù)據(jù)空洞現(xiàn)象，將8d合成數(shù)據(jù)采用最大值合成方法進行月數(shù)據(jù)的合成，將合成的月數(shù)據(jù)按矢量邊界裁剪，作為后續(xù)研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

城市熱島效應(yīng)通常定義為城區(qū)溫度高于郊區(qū)溫度的現(xiàn)象，對于不同年份不同地點影像之間的城市熱島效應(yīng)和熱力景觀動態(tài)變化對比，通常是將溫度進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，在此基礎(chǔ)上，對溫度按等級劃分［12，23］。本次研究分別對各時相各區(qū)域的溫度進行了極差標(biāo)準(zhǔn)化處理，統(tǒng)一到0到1之間，記做Ni。對歸一化的溫度數(shù)據(jù)等間距劃分為5級，作為熱力景觀5種類型，依次為:0≤Ni＜0.2為低溫區(qū)，0.2≤Ni＜0.4為次中溫區(qū)，0.4≤Ni＜0.6為中溫區(qū)，0.6≤Ni＜0.8為次高溫區(qū)，0.8≤Ni＜1.0為高溫區(qū)，后三類景觀屬于熱島范疇。統(tǒng)計地表溫度數(shù)據(jù)范圍，北京-19.07—0.38℃，上海-6.41—11.68℃，廣州0.51—20.18℃。參考中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)的“中國地面氣候標(biāo)準(zhǔn)月值數(shù)據(jù)集(1971—2000年)”累年各月極端最低地溫與最高地溫數(shù)據(jù)，地溫范圍依次為，北京站-25.4—22.5℃，寶山站-7.0—26.8℃，廣州站-2.4—48.3℃。雖然參考數(shù)據(jù)的時間跨度與本文采用的數(shù)據(jù)有些偏差以及單個測站數(shù)據(jù)有一定局限，但是累年數(shù)據(jù)可代表該區(qū)域的地溫背景，文中地溫范圍均在參考數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，認(rèn)為數(shù)據(jù)較合理。

2.2 研究方法

本文從熱力景觀質(zhì)心的遷移、熱力景觀格局指數(shù)演變、熱環(huán)境空間自相關(guān)三方面分析三地?zé)崃坝^格局演變特征。

景觀空間質(zhì)心分析主要用于研究各類景觀的動態(tài)變化。景觀質(zhì)心的變化遷移能夠很好地從空間上描述景觀類型的時空演變特征，通過了解各研究時段的景觀類型分布質(zhì)心，可以發(fā)現(xiàn)景觀空間變化趨勢。景觀質(zhì)心變化已在沙漠化土地變遷［24］、濕地類型演變［25］、海岸生態(tài)景觀遷移［26］等景觀的動態(tài)變化分析中有很好的應(yīng)用。本文將景觀質(zhì)心分析用于熱景觀的研究，探究熱景觀格局演變特征。如果景觀面積在空間各方位上均勻消長，則其質(zhì)心基本不變;若在某一方向上消長明顯，則其質(zhì)心發(fā)生明顯偏移［24］。通過計算景觀類型的面積加權(quán)質(zhì)心變化，來分析景觀格局空間變化規(guī)律和趨勢。質(zhì)心的計算方法如下［27］:

式中，Xc和Yc是按面積加權(quán)的熱力景觀質(zhì)心坐標(biāo)，Xi和Yi是某一類熱力景觀第i個斑塊的質(zhì)心坐標(biāo)，Ci為第i個斑塊的面積，n是熱力景觀類型的斑塊總數(shù)目。

景觀格局指數(shù)是能夠高度濃縮景觀格局信息，反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置特征的簡單定量指標(biāo)［28］。本文利用景觀格局分析軟件Fragstats，以京滬穗三地?zé)峋坝^空間分布圖為基礎(chǔ)，從斑塊類型水平，選取類型比例(PLAND)、斑塊密度(PD)、景觀形狀指數(shù)(LSI)等景觀格局指數(shù)，系統(tǒng)分析京滬穗三地?zé)峋坝^空間格局變化特征，公式見表1［29-30］。

空間自相關(guān)分析最初起源于生物計量學(xué)研究，現(xiàn)今成為理論地理學(xué)的基本方法之一?？臻g自相關(guān)屬于空間統(tǒng)計分析中研究空間依賴的重要方法，主要用于空間數(shù)據(jù)的分類和綜合評價。其核心是認(rèn)識與地理位置相關(guān)的數(shù)據(jù)間的空間依賴、空間關(guān)聯(lián)或空間自相關(guān)，通過空間位置建立數(shù)據(jù)間的統(tǒng)計關(guān)系［31-32］?？捎糜诓煌貐^(qū)之間的空間相似性或差異研究以及解釋產(chǎn)生這種空間格局的原因［33］。宋艷暾等［34］采用全局空間自相關(guān)指數(shù)分析了深圳特區(qū)表面溫度空間分異特征，然而全局空間自相關(guān)指數(shù)是總體統(tǒng)計指標(biāo)，無法描述局部差異，本文采用Anselin提出的局部空間自相關(guān)指標(biāo)LISA分析熱環(huán)境空間特征，公式如下［31］:

公式2，3分別表示全局自相關(guān)指數(shù)Moran's I和局部空間自相關(guān)指數(shù)Local Moran's I。式中，xi和xj分別代表景觀要素在相鄰配對空間單元的取值，ˉx是變量的平均值，n是空間單元總數(shù)，wij是鄰接權(quán)重，S2是方差。正的Ii表示一個高值被高值所包圍，或者一個低值被低值所包圍;負(fù)的Ii表示一個高值被低值所包圍，或者一個低值被高值所包圍。

表1 景觀格局指數(shù)及其生態(tài)意義Table 1 Indices and their ecological meaning of landscape pattern

3 京滬穗三地?zé)崃坝^質(zhì)心變化特征探討

3.1 京滬穗三地?zé)崃坝^質(zhì)心演變特征

本研究結(jié)合京滬穗三地行政區(qū)劃數(shù)據(jù)，三地選取近10年早中晚3a中的1月份夜晚溫度數(shù)據(jù)繪制城市熱景觀等級圖，并確定5種熱景觀的空間質(zhì)心。圖2—圖4分別為北京、上海、廣州熱力景觀及其空間質(zhì)心分布圖。

3.1.1 北京市熱力景觀質(zhì)心演變特征

結(jié)合北京市行政區(qū)劃圖，對北京市熱力景觀質(zhì)心演變特征分析如下:

(1)低溫區(qū)，即圖5(a)低溫區(qū)的質(zhì)心2004、2007、2011年始終在延慶縣的中部。10a間，低溫區(qū)的質(zhì)心先向東北方向偏移，然后向西偏移。

(2)次中溫區(qū)，即圖5(b)次中溫區(qū)的質(zhì)心2004年在順義區(qū)，2007年向北遷移到懷柔縣，2011年繼續(xù)向北，遷移到延慶縣。次中溫區(qū)的質(zhì)心一直向北偏移。

(3)中溫區(qū)，即圖5(c)中溫區(qū)的質(zhì)心2004年在昌平縣的東南端，2007年遷移到順義區(qū)西北部，2011年遷回昌平區(qū)西南部。中溫區(qū)的質(zhì)心先向南偏移，再向東偏移。

(4)次高溫區(qū)，即圖5(d)次高溫區(qū)的質(zhì)心2004年在昌平縣東南角，2007年在海淀區(qū)，2011年遷回昌平縣東南角。次高溫區(qū)的質(zhì)心先向西南偏移，再向東北偏移。

(5)高溫區(qū)，即圖5(e)高溫區(qū)的質(zhì)心2004，2007，2011年都在朝陽區(qū)。高溫區(qū)的質(zhì)心先向東偏移，再向西北部偏移。

3.1.2 上海市熱力景觀質(zhì)心演變特征

結(jié)合上海市行政區(qū)劃圖，對上海市熱力景觀質(zhì)心演變特征分析如下:

(1)低溫區(qū)，即圖6(a)低溫區(qū)質(zhì)心2002年在寶山區(qū)，2007年南遷到主城區(qū)，2012年遷移到崇明縣。低溫區(qū)質(zhì)心先向東南偏移，再向東北偏移。

圖2 北京市熱力景觀及其空間質(zhì)心分布圖Fig．2 The thermal landscapes and their space centroids in Beijing

(2)次中溫區(qū)，即圖6(b)次中溫區(qū)質(zhì)心2002年在主城區(qū)，2007年遷移到閔行區(qū)中部，2012年遷移到閔行區(qū)西南部。次中溫區(qū)質(zhì)心一直向西南方向偏移。

(3)中溫區(qū)，即圖6(c)中溫區(qū)質(zhì)心2002年在閔行區(qū)，2007年遷移到青浦縣，2012年遷移到主城區(qū)。中溫區(qū)質(zhì)心先向西北偏移，再向東北遷移。

(4)次高溫區(qū)，即圖6(d)次高溫區(qū)質(zhì)心2002年在主城區(qū)西南部，2007年遷移到主城區(qū)東北部，2012年遷移到閔行區(qū)。次高溫區(qū)質(zhì)心先向東北再向西南方向偏移。

(5)高溫區(qū)，即圖6(e)高溫區(qū)質(zhì)心2002年在主城區(qū)，2007年遷移到浦東，2011年遷移到寶山區(qū)。高溫區(qū)質(zhì)心先向東北方向偏移，再向西北方向偏移。

3.1.3 廣州市熱力景觀質(zhì)心演變特征

結(jié)合廣州市行政區(qū)劃圖，對廣州市熱力景觀質(zhì)心演變特征分析如下:

(1)低溫區(qū)，即圖7(a)2002、2008、2011年的低溫區(qū)質(zhì)心都在從化的西北部，做小幅度遷移。低溫區(qū)質(zhì)心先向東北再向東南方向偏移。

(2)次中溫區(qū)，即圖7(b)2002、2008、2011年次中溫區(qū)的質(zhì)心在從化中部。次中溫區(qū)質(zhì)心先向西南方向偏移，再向東北方向偏移。

圖3 上海市熱力景觀及其空間質(zhì)心分布圖Fig．3 The thermal landscapes and their space centroids in Shanghai

(3)中溫區(qū)，即圖7(c)中溫區(qū)的質(zhì)心2002年和2007年、2011年均在蘿崗區(qū)。中溫區(qū)質(zhì)心先向西南方向偏移，再向北偏移。

(4)次高溫區(qū)，即圖7(d)次高溫區(qū)的質(zhì)心2002年在蘿崗區(qū)中北部，2007年遷移到海珠區(qū)，2011年遷移到黃埔區(qū)。次高溫區(qū)質(zhì)心總體南遷，先向西南部偏移，再向東北方向偏移。

(5)高溫區(qū)，即圖7(e)高溫區(qū)的質(zhì)心2002年在白云區(qū)和天河區(qū)交接處，2007年遷移到海珠區(qū)，2011年遷移到市區(qū)與增城區(qū)交接處。高溫區(qū)質(zhì)心先向西南方向偏移，再向東北方向偏移。

3.2 京滬穗三地?zé)崃坝^質(zhì)心演變初步綜合分析

近10年北京、上海、廣州的城市格局都發(fā)生了重大變遷，熱島效應(yīng)明顯存在，但是由于城市建設(shè)布局差異，不同等級熱力景觀分布格局及遷移方向各有不同。熱力景觀類型中的中溫區(qū)、次高溫區(qū)、高溫區(qū)代表溫度高值區(qū)，將此三類合并稱為“熱島景觀”，分析其質(zhì)心變化能表征熱島景觀總體變化趨勢。

圖4 廣州市熱力景觀及其空間質(zhì)心分布圖Fig．4 The thermal landscapes and their space centroids in Guangzhou

北京市熱力景觀質(zhì)心空間分布規(guī)律為:由北至南大致呈低溫區(qū)—次中溫區(qū)—中溫區(qū)—次高溫區(qū)—高溫區(qū)分布。反映了北京市1月地表溫度南高北低的趨勢。熱力景觀區(qū)別明顯。10年來，低溫區(qū)分布向西北偏移，次中溫區(qū)向北偏移，中溫區(qū)向東南偏移，次高溫區(qū)向東偏移，高溫區(qū)向東北偏移。2004—2007年熱島景觀總體格局分布向西南偏移，其中向西偏移3.3km，向南偏移30.5km;2007—2011年熱島景觀總體格局分布向東北偏移，其中向東偏移1.9km，向北偏移40.7km。北京交通呈現(xiàn)“攤大餅”式發(fā)展，四環(huán)、五環(huán)、六環(huán)路分別于2001、2003、2009年全線通車，并且北京市在歷次規(guī)劃中都堅持高強度、高密度的立體開發(fā)，這種開發(fā)模式造成了城市縱向的立體開發(fā)。東部發(fā)展帶CBD大廈林立，軌道交通亦莊線完成、西部發(fā)展帶首鋼的遷出、2008年奧運會奧運村的建設(shè)等這些城市格局的演變必然造成了北京市熱環(huán)境的改變。

圖5 北京市熱景觀等級質(zhì)心空間演變Fig．5 The migration of each thermal landscapes type'centroids in Beijing

圖6 上海市夜晚熱景觀等級質(zhì)心空間演變Fig．6 The migration of each thermal landscapes type'centroids in Shanghai

圖7 廣州市夜晚熱景觀等級質(zhì)心空間演變Fig．7 The migration of each thermal landscapes type'centroids in Guangzhou

上海市熱力景觀質(zhì)心空間分布和地理方位沒有一個明顯的趨勢，這也反映了上海市1月全市熱力景觀分布破碎度高，各種熱力景觀分布分散。熱力景觀質(zhì)心遷移沒有顯著性規(guī)律。2002—2008年熱島景觀總體格局分布向西北偏移，其中向西偏移9.6km，向北偏移7.5km;2008—2012年熱島景觀總體格局分布向東南偏移，其中向東偏移11.5km，向南偏移0.8km。上海市圍繞“新城”建設(shè)展開了城市規(guī)劃和建設(shè)，近十年，新城建設(shè)初具規(guī)模，成為上海先進制造業(yè)集聚的主要空間，在新城建設(shè)的帶動下，上海完成了制造業(yè)由中心城向郊區(qū)的調(diào)整轉(zhuǎn)移，軌道交通9號線、11號線、3號線建成，改善了整個上海市的交通格局，上海城市格局有了較大的改變。

廣州市熱力景觀質(zhì)心空間分布和北京市相似，也為由北至南大致呈低溫區(qū)—次中溫區(qū)—中溫區(qū)—次高溫區(qū)—高溫區(qū)分布格局，地表溫度南高北低，熱力景觀南北區(qū)分明顯。10年來，低溫區(qū)、次中溫區(qū)、中溫區(qū)分布向北偏移，次高溫區(qū)、高溫區(qū)分布向南偏移。2002—2007年熱島景觀總體格局分布向西南偏移，其中向西偏移6.1km，向南偏移14.7km;2007—2011年熱島景觀總體格局分布向東北偏移，其中向東偏移3.2km，向北偏移9.1km。廣州市自2006年實施城市“中調(diào)”戰(zhàn)略以來，逐步加快城市更新改造的探索步伐，工業(yè)企業(yè)“退二進三”、城中村和舊城改造力度不斷加大，到2010年珠江核心區(qū)項目、中軸線工程、919項人居環(huán)境綜合整治完工，廣州市城市規(guī)劃進一步向前邁進。

4 滬穗三地?zé)崃坝^格局指數(shù)分析

綜合三地?zé)崃坝^類型比例(PLAND)格局指數(shù)可知，城市熱力景觀大致分布規(guī)律為:中溫區(qū)所占比例最大，并以其為中心，向兩側(cè)遞減。三地對比分析，上海熱島比例遠(yuǎn)低于其他兩地;10a中，三地都呈現(xiàn)一個先降低再升高的趨勢，北京、上海兩地10a中熱島比例總體升高，而廣州略有下降(圖8，圖9)。

斑塊密度反映景觀破碎度，三地比較上海市熱力景觀破碎度最高;不同熱力景觀類型比較，次中溫區(qū)和高溫區(qū)的破碎度最高。景觀形狀指數(shù)反映城市熱力景觀離散度，三地比較北京最高;不同熱力景觀類型比較，低溫區(qū)和高溫區(qū)的離散度較高。

由于數(shù)據(jù)較多，選擇近期數(shù)據(jù)及熱環(huán)境惡劣的高溫區(qū)景觀為例，對比分析京滬穗三地?zé)崃坝^離散度LSI值。近期的景觀離散度分析表明，在5級熱力景觀中北京、上海兩地的LSI均表現(xiàn)為先增后減，而廣州的LSI變化不大，北京、上海的低溫區(qū)和高溫區(qū)的分布較集中，而次低溫區(qū)、中溫區(qū)和次高溫區(qū)的分布較離散(圖10)。三地10年間高溫區(qū)景觀的LSI變化分析表明，北京、廣州夜晚熱島的離散度都呈現(xiàn)一個先集中后離散的趨勢，而上海夜晚熱島的離散度持續(xù)下降，說明極強熱島景觀的分布愈發(fā)集中(圖11)。

圖8 京滬穗近10年三期熱力景觀類型比例Fig．8 The percentage of thermal landscape in Beijing，Shanghai and Guangzhou nearly a decade

圖9 京滬穗三地?zé)釐u類型比例Fig．9 The percentage of the heat island region landscape in Beijing，Shanghai and Guangzhou

圖10 京滬穗三地后期景觀形狀指數(shù)(LSI)Fig．10 The landscape shape index of thermal landscape in Beijing，Shanghai and Guangzhou in the later stage

圖11 京滬穗三地高溫區(qū)景觀形狀指數(shù)(LSI)Fig．11 The landscape shape index of high temperature region in Beijing，Shanghai and Guangzhou

5 京滬穗三地?zé)崃坝^空間自相關(guān)分析

本文選用Geoda 095i軟件計算Moran's I、Local Moran's I指數(shù)并生成聚類圖，對三地的地表溫度空間變異特征進行研究。通過計算可知，所有的Moran's I值均為正值，這說明三地10年中地表溫度的空間分布并非隨機，而是表現(xiàn)出溫度相似值的空間集聚性。北京市夜晚熱環(huán)境高—高集聚區(qū)域隨時間變化逐漸增長，主要分布于北京市中南部，低—低集聚區(qū)域主要分布在北部，且高—高集聚成為主要趨勢。上海市高—高集聚早期分布在主城區(qū)中心地帶、中期分布在長江入?？诘貛颐娣e較小，后期分布比較離散，除在主城區(qū)分布，浦東分布面積較大;早、中期低—低集聚區(qū)域較大，而后期分布大幅減少。廣州市夜晚表現(xiàn)為南部高—高集聚且呈逐漸減少的趨勢，中北部低—低集聚，先南遷而后北遷。

綜合三地夜間溫度空間自相關(guān)分析可知，在四類溫度集聚中，三地均以高溫—高溫區(qū)相鄰、低溫—低溫區(qū)相鄰為主。由于熱區(qū)集中分布對熱環(huán)境危害較大，人們主要關(guān)心高溫—高溫集聚區(qū)，北京、廣州高溫-高溫區(qū)分布于南部，且集中成片分布，而上海市高溫-高溫區(qū)分布比較離散。從分布面積來說，10年中北京、上海表現(xiàn)為先減少后增加，而廣州則持續(xù)減少?？傮w而言北京熱環(huán)境惡化，而廣州熱環(huán)境明顯好轉(zhuǎn)，上海地區(qū)較為復(fù)雜，從分布面積來看變化不大，而從熱區(qū)分布更加離散的角度來看，上海熱環(huán)境狀況有所好轉(zhuǎn)。

圖12 北京市熱力景觀格局空間關(guān)聯(lián)圖Fig．12 Spatial association of the thermal landscape pattern in Beijing

圖13 上海市熱力景觀格局空間關(guān)聯(lián)圖Fig．13 Spatial association of the thermal landscape pattern in Shanghai

6 展望

本研究初步揭示了京滬穗三地近十年夜間熱力景觀分布格局及演化特征，研究結(jié)論可為城市規(guī)劃、城市人居環(huán)境改善提供借鑒，但仍有很多不足之處，需要進一步研究探討:

(1)本次研究只選取了三地1月份的溫度數(shù)據(jù)，由于城市熱環(huán)境格局也會隨著季節(jié)產(chǎn)生變化，熱環(huán)境格局變化的全面性有待加強。且只選取了三地3a的數(shù)據(jù)，熱環(huán)境格局的時間規(guī)律性變化嚴(yán)謹(jǐn)性有待提高。另外沒有實地數(shù)據(jù)做驗證，其精度評價方面有待加強。

(2)熱力景觀的劃分直接影響到后續(xù)分析，本文采用的對地表溫度數(shù)據(jù)極值標(biāo)準(zhǔn)化處理，而后等間距劃分的方法，可以代表地表熱場分布，目前還有均值-標(biāo)準(zhǔn)差法，其在本區(qū)域的適用性可進一步對比分析。

圖14 廣州市熱力景觀格局空間關(guān)聯(lián)圖Fig．14 Spatial association of the thermal landscape pattern in Guangzhou

(3)本文僅就三地?zé)崃坝^的時間演變進行分析，由于熱環(huán)境影響因素眾多，受城市下墊面、氣象、地形、人為熱排放等多種因素制約，且作用機理復(fù)雜。

［1］Ji C P，Liu W D，Xuan C Y.Impact of urban growth on the heat island in Beijing.Chinese Journal of Geophysics，2006，49(1):69-77.

［2］Jiang X D，Xia B C.Spatial characteristics and dynamic simulations of urban heat environment of cities in Pearl River Delta.Acta Ecologica Sinica，2007，27(4):1461-1470.

［3］Meng D，Li X，Zhao W，Gong H.Quantitative exploration of the mechanisms behind the urban thermal environment in Beijing.Progress in Natural Science，2009，19:1757-1763.

［4］Deng Y J，Liu C，Lin JX.Research into thermal environment in guangzhou based on modis data.Journal of Tropical Meteorology，2007，23(3):261-264.

［5］Xu X D，Tang X.An Introduction of Environmental Meteorology Under Urbanization Background.Beijing:Meteorological Press，2002:62-80.

［6］Rao P K.Remote sensing of urban heat islands from an environmental satellite.Bulletin of the American Meteorological Society，1972，53:647-648.

［7］Carlson T N，Augustine JA，Boland F E.Potential application of satellite temperature measurements in the analysis of land use over urban areas.Bulletin of the American Meteorological Society，1977，58:1301-1303.

［8］Carnahan W H，Larson R C.An analysis of an urban heat sink.Remote Sensing of Environment，1990，33(1):65-71.

［9］Han Q J，F(xiàn)U Q Y，PAN Z Q，YANG L，WNAG A C.Study on Urban Heat Island Effect with HJ-1B Thermal Infrared Remote Sensing Image.Spacecraft Recovery＆Remote Sensing，2012，33(1):67-74.

［10］Zhang Z M，He G J，Xiao R B，Wang W.A Study of the Urban Heat Island Changes of BEIJING City Based on Remote Sensing.Remote Sensing Information，2005，(6):46-48，70.

［11］Chen M N，Zhang H，Tang JY，Chen WZ，Zhang Y，Ma WC.Study on the thermal environment of land surface in Shanghai with multi-temporal remote sensing images.China Environmental Science，2011，31(7):1143-1151.

［12］Su Y L，ZHANGY F.Spatio-temporal Characteristics of Urban Heat Island Effect of Xi'an City Based on Landsat TM/ETM+.Bulletin of Soil and Water Conservation，2011，31(5):230-234.

［13］Jiang X D，Xia B C，Guo L.Research on Urban Heat Island and its Environmental Effects of Rapidly Urbanized Regions.Ecologic Science，2006，25(2):171-175.

［14］Yang Y B，SU WZ，JIANGN.Time-Space Character Analysis of Urban Heat Island Effect in Nanjing City Using Remote Sensing.Remote Sensing Technology and Application，2006，21(6):488-492，479.

［15］Shen SH，Zhao X Y，Yang SB，Zhou Q.Case Study of LST Distribution in Nanjing Based on ASTER Data.Journal of Applied Meteorological Science，2009，20(4):458-464.

［16］Wang JK，Wang K C，Wang PC.Urban Heat(or Cool)Island over Beijing from MODISLand Surface Temperature.Journal of Remote Sensing，2007，11(3):330-339.

［17］Ge W Q，Zhou H M，Yang H Q.Characteristics Analysis on Heat Island Effect in Yangtze Delta Urban Agglomerations in Recent 8 Years by MODISData.Meteorological Monthly，2010，36(11):77-81.

［18］Jiang Z H，YE L M.A study of the urban heat island changes of Nanjing in the past decade based on remote sensing.Journal of Nanjing University of Information Science＆Technology(Natural Science Edition)，2010，(2):148-154.

［19］Wu JG.Landscape Ecology.Beijing:Higher Education Press，2000:104-105.

［20］Chen Y H，Li Jing，Li X B.Research on Patterns，Process，Simulation and Effect of Urban Spatial Thermal Environment Using Remote Sensing Image.Beijing:Science Press，2004:85-95.

［21］Meng D，Li X J，Gong H L，Zhao W J.The thermal environment landscape pattern and typical urban landscapes effect linked with thermal environment in Beijing.Acta Ecologica Sinica，2010，30(13):3491-3500.

［22］Yue W Z.Study on Urban Landscape Pattern and ItsThermal Environment Effect Based on Remote Sensing Image.Beijing:Science Press，2008:105-136.

［23］Xu H Q，Chen B Q.A study on urban heat island and its spatial relationship with urban expansion:Xiamen，SE China.Urban Studies，2004，(2):65-70.

［24］Chen F，Wei H D，Xu X Y，Zhou J H，Tang J N，Liu H J.Landscape Dynamics of Land Desertification of Different Origins of First Bends of Yellow River in Maqu County.Journal of Northwest Forestry University，2011，26(05):198-201.

［25］Gong Z N，Zhang Y R，Gong H L，Zhao W J.Evolution of wetland landscape pattern and its driving factors in Beijing.Acta Geographica Sinica，2011，66(1):77-88.

［26］Feng Y J，Han Z.RSand GISDerived Spatio-temporal Evolution of Water Landscape in Coastal Areas:a Case Study of Shanghai Section on the Northern Bank of Hangzhou Bay.Remote Sensing for Land＆Resources，2011，22(1):123-127.

［27］Wang F H.Quantitative Methods and Application in GIS//LLC:CRC Press，2006.

［28］Li C，Liu JP，Liu Q F，Yu Y.Dynamic Change of Wetland Landscape Patterns in Songnen Plain.Wetland Science，2008，6(2):167-172.

［29］Shen W，Jenerette GD，Wu J.Gardner.Evaluaring empirical scaling relations of pattern metrics with simulated landscapes.Ecography，2004，27:459-469.

［30］Wu J，Shen W，Sun W.Empirical patterns of the effects of changing scale on landscape metrics.Landscape Ecol，2002，17:761-782.

［31］Anselin L.Local indicators of spatial association LISA.Geographical Analysis，1995，27:93-115.

［32］Bian H Y，Ren ZY.Spatial Autocorrelation of Land Carrying Capacity in the Guanzhong—Tianshui Areas.Journal of Ningxia Teachers University，2011，32(3):56-59.

［33］Hu Q F，Zhang Z P，He R，Niu SW.Study on Spatial Statistical Analysis of Regional Economic Growth Rate Based on Geoda 095i.Geomatics＆Spatial Information Technology，2007，30(2):53-55.

［34］Song Y T，Yu SX，Li N，Gong Y F.Spatial structure of the surface temperature in Shenzhen，China.Acta Ecologica Sinica.2007，27(4):1489-1498.

參考文獻:

［1］ 季崇萍，劉偉東，軒春怡.北京城市化進程對城市熱島的影響研究.地球物理學(xué)報，2006，49(1):69-77.

［2］ 江學(xué)頂，夏北成.珠江三角洲城市群熱環(huán)境空間格局動態(tài).生態(tài)學(xué)報，2007，27(04):1461-1470.

［4］ 鄧玉嬌，劉誠，林錦祥.基于MODIS資料研究廣州市熱環(huán)境.熱帶氣象學(xué)報，2007，23(03):261-264.

［5］ 徐祥德，湯緒.城市化環(huán)境氣象學(xué)引論.北京:氣象出版社，2002:62-80.

［9］ 韓啟金，傅俏燕，潘志強，楊磊，王愛春.利用HJ-1B星熱紅外遙感圖像研究城市熱島效應(yīng).航天返回與遙感，2012，33(1):67-74.

［10］ 張兆明，何國金，肖榮波，王威.北京市熱島演變遙感研究.遙感信息，2005，(6):46-48，70.

［11］ 陳命男，張浩，唐靖寅，陳蔚鎮(zhèn)，張艷，馬蔚純.上海城市地表熱環(huán)境多時期遙感研究.中國環(huán)境科學(xué)，2011，31(7):1143-1151.

［12］ 蘇雅麗，張艷芳.基于Landsat TM/ETM+的西安市城市熱島效應(yīng)時空演變.水土保持通報，2011，31(5):230-234.

［13］ 江學(xué)頂，夏北成，郭濼.快速城市化區(qū)域城市熱島及其環(huán)境效應(yīng)研究.生態(tài)科學(xué)，2006，25(2):171-175.

［14］ 楊英寶，蘇偉忠，江南.南京市熱島效應(yīng)時空特征的遙感分析.遙感技術(shù)與應(yīng)用，2006，21(6):488-492，479.

［15］ 申雙和，趙小艷，楊沈斌，周強.利用ASTER數(shù)據(jù)分析南京城市地表溫度分布.應(yīng)用氣象學(xué)報，2009，20(4):458-464.

［16］ 王建凱，王開存，王普才.基于MODIS地表溫度產(chǎn)品的北京城市熱島(冷島)強度分析.遙感學(xué)報，2007，11(3):330-339.

［17］ 葛偉強，周紅妹，楊何群.基于MODIS數(shù)據(jù)的近8年長三角城市群熱島特征及演變分析.氣象，2010，36(11):77-81.

［18］ 江志紅，葉麗梅.近十年南京城市熱島演變的遙感研究.南京信息工程大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010，(2):148-154.

［19］ 鄔建國.景觀生態(tài)學(xué)——格局、過程、尺度與等級.北京:高等教育出版社，2000:104-105.

［20］ 陳云浩，李京，李曉兵.城市熱環(huán)境遙感分析——格局、過程、模擬與影響.北京:科學(xué)出版社，2004:85-95.

［21］ 孟丹，李小娟，宮輝力，趙文吉.北京地區(qū)熱力景觀格局及典型城市景觀的熱環(huán)境效應(yīng).生態(tài)學(xué)報，2010，30(13):3491-3500.

［22］ 岳文澤.基于遙感影像的城市景觀格局及其熱環(huán)境效應(yīng)研究.北京:科學(xué)出版社，2008:105-136.

［23］ 徐涵秋，陳本清.城市熱島與城市空間發(fā)展的關(guān)系探討——以廈門市為例.城市發(fā)展研究，2004，(2):65-70.

［24］ 陳芳，魏懷東，徐先英，周堅華，唐進年，劉虎俊.黃河首曲瑪曲縣高寒草地沙化景觀動態(tài)研究.西北林學(xué)院學(xué)報，2011，26(05):198-201.

［25］ 宮兆寧，張翼然，宮輝力，趙文吉.北京濕地景觀格局演變特征與驅(qū)動機制分析.地理學(xué)報，2011，66(01):77-88.

［26］ 馮永玖，韓震.基于遙感和GIS的海岸帶水域生態(tài)景觀格局演變研究——以杭州灣北岸上海市段為例.國土資源遙感，2011，22(1):123-127.

［28］ 李闖，劉吉平，劉慶鳳，于洋.松嫩平原濕地景觀格局動態(tài)變化研究.濕地科學(xué)，2008，6(02):167-172.

［32］ 卞鴻雁，任志遠(yuǎn).關(guān)中—天水地區(qū)土地承載力空間自相關(guān)研究.寧夏師范學(xué)院學(xué)報，2011，32(03):56-59.

［33］ 胡青峰，張子平，何榮，牛遂旺.基于Geoda 095i區(qū)域經(jīng)濟增長率的空間統(tǒng)計分析研究.測繪與空間地理信息，2007，30(02):53-55.

［34］ 宋艷暾，余世孝，李楠，龔友夫.深圳特區(qū)表面溫度空間分異特征.生態(tài)學(xué)報，2007，27(4):1489-1498.