城市熱環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)及時(shí)空格局分析

喬 治, 孫宗耀,孫希華,徐新良,楊 俊

1 天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300072 2 山東師范大學(xué),地理與環(huán)境學(xué)院,濟(jì)南 250014 3 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101 4 遼寧師范大學(xué)人居環(huán)境研究中心,大連 116029

城市熱島作為城市化進(jìn)程的產(chǎn)物,是城區(qū)溫度明顯高于郊區(qū)的現(xiàn)象[1]。城市發(fā)展不斷改變下墊面形態(tài)特征和土地利用/覆被,造成潛熱通量減小和顯熱通量增加,城市熱島效應(yīng)日益嚴(yán)重[2]。同時(shí),為消除城市熱島效應(yīng)產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)所付出的經(jīng)濟(jì)代價(jià)也是極為巨大的。現(xiàn)階段,熱環(huán)境安全作為城市生態(tài)安全的重要組成部分,成為影響城市生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的重大風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題[3]。保障城市熱環(huán)境安全的前提是通過(guò)熱環(huán)境時(shí)空格局和過(guò)程模擬與預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)熱環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別、評(píng)估和預(yù)控。但是,當(dāng)前城市熱環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)研究沒(méi)有引起足夠重視,熱環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的缺失也使得城市熱環(huán)境安全防范和調(diào)控措施相對(duì)滯后[4]。

學(xué)者先后通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型、能量平衡模型、數(shù)值模型、解析模型和物理模型等理論和技術(shù)方法模擬與預(yù)測(cè)城市熱環(huán)境時(shí)空格局和過(guò)程[5]。數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型通常利用統(tǒng)計(jì)規(guī)律建立城市熱環(huán)境時(shí)間序列趨勢(shì)方程,但并未真正揭示熱環(huán)境空間格局變化過(guò)程[6- 9]；能量平衡模型更加關(guān)注城市與周圍地區(qū)進(jìn)行的熱量傳遞、交換關(guān)系,對(duì)于城市熱環(huán)境在微觀尺度上的形成機(jī)理研究較為深入,但因所需參數(shù)過(guò)多導(dǎo)致宏觀尺度熱環(huán)境時(shí)空變化過(guò)程分析難度較大[10-11]；數(shù)值模型是以熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ),模擬和預(yù)測(cè)不同時(shí)空尺度下城市熱環(huán)境格局和過(guò)程。盡管數(shù)值模型彌補(bǔ)了統(tǒng)計(jì)模型和能量平衡模型的不足,但下墊面性質(zhì)(如城市人為熱源、城市建筑物)及其所處的地形特征會(huì)使模擬結(jié)果異常敏感[12- 15]；解析模型通過(guò)重新建立熱環(huán)境模型參數(shù)、初始條件和其他輸入信息以及模擬時(shí)間和結(jié)果之間的關(guān)系,可以直觀揭示城市熱環(huán)境及其影響因素的波動(dòng)性質(zhì),但模型所設(shè)置的多種理想條件難免會(huì)與現(xiàn)實(shí)條件有一定偏離[16]；物理模型中最常見的風(fēng)洞試驗(yàn),將研究區(qū)場(chǎng)景按一定比例微縮,模擬氣體和熱量交換過(guò)程,更加真實(shí)地反映城市熱島變化以及不同參數(shù)變化對(duì)熱島強(qiáng)度的影響,但其研究成本高昂。當(dāng)前城市熱環(huán)境模擬預(yù)測(cè)的諸多方法無(wú)法平衡空間精度和模型復(fù)雜度的要求,簡(jiǎn)單的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)城市熱環(huán)境空間格局的預(yù)測(cè),而較復(fù)雜的能量平衡模型、解析模型和物理模型受制于硬件環(huán)境和人為經(jīng)驗(yàn)等難以廣泛應(yīng)用。因此,如何實(shí)現(xiàn)城市熱環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的快速精準(zhǔn)預(yù)測(cè)是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

當(dāng)前,GIS和遙感技術(shù)的發(fā)展則有效推動(dòng)了城市熱環(huán)境時(shí)空格局和過(guò)程模擬與預(yù)測(cè)研究,在提高空間精度和簡(jiǎn)化模擬過(guò)程中具有顯著意義。尤其通過(guò)土地利用/覆被及時(shí)空格局變化揭示城市地表能量吸收和傳輸機(jī)制,成為當(dāng)前研究城市熱環(huán)境時(shí)空異質(zhì)性和格局過(guò)程預(yù)測(cè)的重要研究方法和手段。本文擬構(gòu)建基于MARKOV-CA(Cellular Automata)的城市熱環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型,以北京市為研究區(qū),根據(jù)土地利用和城市熱環(huán)境等級(jí)的空間匹配性,計(jì)算熱環(huán)境等級(jí)與土地利用及其空間變化的概率關(guān)系,并將其作為CA模型迭代因子層。從空間和時(shí)間兩個(gè)維度上,建立基于土地利用類型的城市熱環(huán)境時(shí)空演化預(yù)測(cè)方法,大大降低了熱環(huán)境模擬的復(fù)雜過(guò)程,實(shí)現(xiàn)城市熱環(huán)境快速精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。在此基礎(chǔ)上,構(gòu)建基于現(xiàn)狀風(fēng)險(xiǎn)與預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)的城市熱環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)劃分標(biāo)準(zhǔn),預(yù)測(cè)城市熱環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空格局,為城市總體規(guī)劃和城市生態(tài)安全保護(hù)提供決策支持,最終實(shí)現(xiàn)城市熱環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防范和調(diào)控。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

北京市地處華北平原北部,面積1.68×105km2,地勢(shì)西北高、東南低,屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,夏季炎熱多雨,冬季寒冷干燥,年平均氣溫為10—12℃,年平均降水量為600—700 mm。作為我國(guó)政治、文化和國(guó)際交往中心,近50年來(lái),北京市基本建設(shè)投資增加近390倍,城市人口增加6.5倍,線性增溫速率達(dá)到0.36℃/10a[17]。2012年北京市熱島足跡面積比2001年增加1.4倍[18],嚴(yán)重干擾其生態(tài)壞境可持續(xù)發(fā)展[19- 21]。北京市單核心圈層式發(fā)展模式極易影響其城市熱環(huán)境,而其城市空間發(fā)展模式又代表著我國(guó)大部分城市發(fā)展共性。研究表明,當(dāng)建設(shè)用地面積比例超過(guò)50%時(shí),該區(qū)域會(huì)產(chǎn)生顯著的熱島效應(yīng)[18]。因此,從土地利用角度預(yù)測(cè)北京市城市熱環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),可為我國(guó)城市生態(tài)安全防控提供理論和技術(shù)支撐。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

由于MODIS具有高時(shí)間分辨率優(yōu)勢(shì),可保證區(qū)域地表溫度年際和季節(jié)變化規(guī)律對(duì)比分析的時(shí)間一致性。本文使用2005年和2015年夏季(6—8月)MODIS地表溫度8天合成產(chǎn)品(MOD11A2)表征城市熱環(huán)境時(shí)空格局和過(guò)程,每年包括13期數(shù)據(jù),覆蓋研究區(qū)需要4景影像進(jìn)行鑲嵌處理。MODIS地表溫度產(chǎn)品使用分裂窗算法,由MODIS的第31通道(10.780—11.280 μm)和第32通道(11.770—12.270 μm)地表比輻射率和亮溫作為輸入條件反演得到,空間分辨率為1 km。大量研究表明,MODIS分裂窗算法反演得到的地表溫度達(dá)到了1K的精度[22]。原始MODIS地表溫度產(chǎn)品為HDF格式,需使用MODIS Reprojection Tools軟件進(jìn)行幾何糾正和重采樣等預(yù)處理,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為GEOTIFF格式,輸出投影Geographic,基準(zhǔn)面是WGS84。對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù),需要進(jìn)一步將其像元灰度值轉(zhuǎn)為地表實(shí)際溫度值。在計(jì)算季節(jié)地表平均溫度時(shí)需進(jìn)行云掩膜處理,對(duì)被云覆蓋的像元不進(jìn)行計(jì)算,從而去除溫度的離群值,最終得到北京市2005和2015年夏季平均地表溫度空間分布數(shù)據(jù)。

圖1 北京市2015年土地利用現(xiàn)狀圖Fig.1 Land use type in Beijing in 2015

本文土地利用數(shù)據(jù)使用中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生產(chǎn)的土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)品(2005年、2010年和2015年),空間分辨率為1 km。土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)建設(shè)用地、未利用地等6種一級(jí)土地利用類型和25種二級(jí)土地利用類型,其中城鄉(xiāng)建設(shè)用地類型包括城市建設(shè)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)和工礦用地等3種二級(jí)土地利用類型。通過(guò)驗(yàn)證分析,土地利用類型綜合評(píng)價(jià)精度可達(dá)92.9%[23],該數(shù)據(jù)集已廣泛應(yīng)用于城市熱環(huán)境時(shí)空格局分析和生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)估等領(lǐng)域(圖1)。

2 研究方法

首先根據(jù)2005年和2010年城市熱環(huán)境空間格局建立城市熱環(huán)境分級(jí)空間轉(zhuǎn)移矩陣,并進(jìn)一步與2005年土地利用類型空間格局耦合,構(gòu)建熱環(huán)境分級(jí)變化與土地利用類型空間關(guān)系矩陣；其次,將所構(gòu)建的城市熱環(huán)境分級(jí)空間轉(zhuǎn)移矩陣、熱環(huán)境分級(jí)變化與土地利用類型空間關(guān)系矩陣分別作為MARKOV和CA規(guī)則,預(yù)測(cè)2015年熱環(huán)境空間格局并通過(guò)2015年熱環(huán)境空間格局現(xiàn)狀進(jìn)行驗(yàn)證,最終預(yù)測(cè)2020年北京城市熱環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)空間格局(圖2)。

圖2 總體技術(shù)路線圖Fig.2 General technical routeMARKOV,馬爾科夫；CA,元胞自動(dòng)機(jī) Cellular automata

2.1 地表溫度等級(jí)劃分

根據(jù)已有研究結(jié)果,北京市夏季城市熱島范圍和強(qiáng)度最為顯著[18]。因此,本文主要對(duì)北京市夏季城市熱島時(shí)空格局及熱環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)。為消除溫度變化年際影響,首先對(duì)2005—2015年3期地表溫度歸一化處理并采用平均值標(biāo)準(zhǔn)差法進(jìn)行定量分級(jí)[24](表1)。

(1)

式中,ti為歸一化后的像元值；Ti為原始地表溫度值；Tmax為研究區(qū)地表溫度最大值；Tmin為研究區(qū)地表溫度最小值。

表1 地表溫度等級(jí)劃分

tmean為所有像元平均值,tstd為所有像元標(biāo)準(zhǔn)差;LST,地表溫度 land surface temperature

2.2 城市熱環(huán)境空間格局預(yù)測(cè)

城市熱環(huán)境空間格局預(yù)測(cè)需要明確不同熱環(huán)境等級(jí)的像元數(shù)量及其空間位置。不同熱環(huán)境等級(jí)的像元數(shù)量基于MARKOV過(guò)程模型定量計(jì)算[5]；同時(shí),根據(jù)兩期熱環(huán)境等級(jí)變化及其與土地利用類型的空間關(guān)系建立CA空間過(guò)程規(guī)則[9, 25],從而預(yù)測(cè)目標(biāo)年份熱環(huán)境等級(jí)空間分布。

在MARKOV過(guò)程模型中,熱環(huán)境不同等級(jí)可以看作MARKOV過(guò)程中的可能狀態(tài)。通過(guò)計(jì)算前后兩期不同熱環(huán)境等級(jí)間轉(zhuǎn)換的面積和概率,建立熱環(huán)境等級(jí)間轉(zhuǎn)移的數(shù)量規(guī)則,最終預(yù)測(cè)目標(biāo)年份不同熱環(huán)境等級(jí)的像元數(shù)量。

(2)

C=[C低溫,C次低溫,C中溫,C次高溫,C高溫]

(3)

式中,C代表像元數(shù)量。

Ct+a=P×Ct

(4)

式中,t代表過(guò)程年份,a代表過(guò)程年份與初始年份的時(shí)間間隔。

目標(biāo)年份城市熱環(huán)境等級(jí)空間分布是基于CA空間模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)MARKOV預(yù)測(cè)得到的不同城市熱環(huán)境等級(jí)像元數(shù)量,CA空間模型建立了不同熱環(huán)境等級(jí)像元的空間轉(zhuǎn)移規(guī)則。這種轉(zhuǎn)移規(guī)則是基于前后兩期城市熱環(huán)境等級(jí)空間轉(zhuǎn)移及其與初始年份土地利用類型之間的空間相關(guān)性所構(gòu)建的概率矩陣,可得到不同土地利用類型的熱力等級(jí)轉(zhuǎn)移概率(表2)。

表2 土地利用類型熱力等級(jí)轉(zhuǎn)移概率

P高(耕|高)表示在所有初始年份和目標(biāo)年份均為高溫等級(jí)的像元,耕地類型所占的概率。其他依此類推

2.3 熱環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

基于前后兩期熱環(huán)境等級(jí)建立城市熱環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為極高風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)、臨界風(fēng)險(xiǎn)、較安全和理想安全5級(jí),不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)具有不同的指示意義(表3)。

3 結(jié)果與分析

3.1 基于MARKOV過(guò)程的城市熱環(huán)境分級(jí)時(shí)空規(guī)則

通過(guò)分析2005—2010年北京市熱力等級(jí)時(shí)空格局特征(圖3),2005年高溫區(qū)域主要分布于東城區(qū)、西城區(qū)以及朝陽(yáng)區(qū)西南部、大興區(qū)西部、豐臺(tái)區(qū)中部、石景山區(qū)南部和順義區(qū)首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)區(qū)域,高溫斑塊分布較為分散；朝陽(yáng)區(qū)、海淀區(qū)、石景山區(qū)、豐臺(tái)區(qū)、大興區(qū)以及順義區(qū)幾乎均處于次高溫區(qū),通州北部、昌平區(qū)中東部、房山區(qū)東部和延慶區(qū)西部也有大片次高溫區(qū)熱力斑塊分布；低溫區(qū)域主要分布于懷柔區(qū)中部和密云區(qū)密云水庫(kù)周邊。2010年,北京市建成區(qū)城市熱島效應(yīng)進(jìn)一步加劇,豐臺(tái)區(qū)東部和大興區(qū)北部出現(xiàn)新的高溫區(qū)域,并且原有的高溫區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大。

表3 城市熱環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

初始年份熱環(huán)境等級(jí)與目標(biāo)年份熱環(huán)境等級(jí)采用并集規(guī)則；同時(shí)滿足兩個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的像元依據(jù)較高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

分析2005—2010年北京市熱環(huán)境分級(jí)時(shí)空轉(zhuǎn)移特征 (表4),低溫和中溫?zé)崃Φ燃?jí)像元數(shù)量減少,次低溫、次高溫和高溫?zé)岘h(huán)境等級(jí)像元數(shù)量增加,整體呈現(xiàn)升級(jí)趨勢(shì),其中高溫等級(jí)增幅為85.81%,主要來(lái)源于次高溫等級(jí)；次高溫等級(jí)中有747個(gè)像元轉(zhuǎn)向中溫等級(jí),551個(gè)像元轉(zhuǎn)向高溫等級(jí),分別占次高溫等級(jí)像元的12.16%和8.97%；中溫等級(jí)有26.38%轉(zhuǎn)向次高溫等級(jí),有58.19%維持中溫等級(jí)；次低溫等級(jí)中僅有161個(gè)和414個(gè)像元轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏氐燃?jí)和中溫等級(jí),分別占4.18%和10.75%；低溫等級(jí)面積減幅為25.18%,其中有454個(gè)像元轉(zhuǎn)向次低溫等級(jí)。

表4 北京市2005—2010年城市熱環(huán)境分級(jí)轉(zhuǎn)移矩陣

3.2 基于CA過(guò)程的土地利用類型與城市熱環(huán)境分級(jí)變化空間規(guī)則

耦合土地利用類型和城市熱環(huán)境等級(jí)空間變化關(guān)系,分析北京市2005—2010年城市熱環(huán)境分級(jí)變化與土地利用類型相關(guān)關(guān)系(表5)。林地在保持低溫情況下比例為88.66%,在低溫區(qū)域轉(zhuǎn)向次低溫區(qū)域比例高達(dá)94.27%；耕地主要分布于中溫條件和次高溫條件,在中溫轉(zhuǎn)向次高溫區(qū)域和保持次高溫比例都超過(guò)50%；城市建設(shè)用地主要分布在高溫區(qū)域,其中保持高溫情況下,城市建設(shè)用地比例為69.73%。根據(jù)土地利用類型與城市熱環(huán)境分級(jí)變化空間規(guī)律,建立2015年北京市城市熱環(huán)境分級(jí)空間分布概率(圖4)。

表5 2005—2010年北京市城市熱環(huán)境分級(jí)變化與土地利用類型空間關(guān)系

圖4 2015年北京市城市熱環(huán)境分級(jí)空間分布概率Fig.4 The probability of spatial distribution of urban thermal environment levels in Beijing in 2015

圖5 2015年北京市城市熱環(huán)境分級(jí)空間分布現(xiàn)狀(a)和預(yù)測(cè)圖(b)Fig.5 The status and prediction map of urban thermal environment in Beijing in 2015

3.3 城市熱環(huán)境空間格局預(yù)測(cè)及驗(yàn)證

首先,通過(guò)2005—2010年城市熱環(huán)境分級(jí)時(shí)空變化MARKOV過(guò)程計(jì)算2015年北京市熱環(huán)境各等級(jí)像元數(shù)量；在此基礎(chǔ)上,耦合土地利用類型與城市熱環(huán)境分級(jí)變化CA過(guò)程所生成的2015年北京市熱環(huán)境分級(jí)空間分布概率,預(yù)測(cè)2015年北京市熱環(huán)境分級(jí)空間分布(圖5)。北京市高溫等級(jí)區(qū)域集中在以東西城區(qū)為中心的城市中心區(qū)域并有向南延伸的趨勢(shì),其中朝陽(yáng)區(qū)中西南大部分地區(qū)、海淀區(qū)東南部、石景山區(qū)中南部、豐臺(tái)區(qū)中東部、大興區(qū)西北部及順義區(qū)西南部熱島效應(yīng)進(jìn)一步加劇；平谷區(qū)、昌平區(qū)、順義區(qū)次高溫等級(jí)區(qū)域繼續(xù)擴(kuò)大；門頭溝區(qū)西北部、延慶區(qū)西部、懷柔區(qū)中部和密云水庫(kù)地區(qū)仍保持低溫等級(jí)。對(duì)比北京市2015年熱環(huán)境分級(jí)空間現(xiàn)狀,熱環(huán)境分級(jí)空間分布預(yù)測(cè)與真實(shí)結(jié)果具有較高一致性(Kappa系數(shù)為0.73)。

3.4 城市熱環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空格局變化特征

根據(jù)城市熱環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn),分析2015—2020年北京市城市熱環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空格局變化特征(圖6和表6)。

2015年北京市熱環(huán)境高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)比例最高,達(dá)到36.16%,主要分布在通州區(qū)、大興區(qū)和房山區(qū)東部、豐臺(tái)區(qū)西部、朝陽(yáng)區(qū)東北部、順義區(qū)、平谷區(qū)中南部、密云區(qū)南部和懷柔區(qū)東南部地區(qū)；極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)比例為9.66%,集中于東西城區(qū)、朝陽(yáng)區(qū)、豐臺(tái)區(qū)、石景山區(qū)、海淀區(qū)東部和大興區(qū)西北部；臨界安全區(qū)和較安全區(qū)占比分別為26.64%和22.51%,主要分布在高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)外圍的房山區(qū)、門頭溝區(qū)、昌平區(qū)、懷柔區(qū)、延慶區(qū)和密云區(qū)；熱環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)理想安全區(qū)域僅占全市面積的5.02%,分布在懷柔區(qū)中部、門頭溝區(qū)和延慶區(qū)西部。

圖6 2015—2020年北京市城市熱環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)空間分布圖Fig.6 The spatial distribution of urban thermal environment risk in Beijing between 2015 and 2020

2020年北京市熱環(huán)境極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)比例升高到12.08%,新增區(qū)域主要分布在朝陽(yáng)區(qū)和海淀區(qū)外圍區(qū)域、順義區(qū)以及昌平區(qū)、平谷區(qū)、密云區(qū)的城鎮(zhèn)地區(qū)；高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)降至28.96%,變化區(qū)域主要位于平谷區(qū)西部、順義區(qū)東北部和懷柔西南部；較安全區(qū)域面積比例達(dá)到29.19%,主要由密云區(qū)和房山區(qū)的臨界風(fēng)險(xiǎn)區(qū)轉(zhuǎn)移；臨界風(fēng)險(xiǎn)區(qū)未有明顯變化；理想安全區(qū)面積進(jìn)一步減少,僅占全市面積的3.14%。

表6 2015—2020年北京市城市熱環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)空間轉(zhuǎn)移矩陣

分別選取斑塊數(shù)量(NP)、形狀指數(shù)(LSI)和聚合度指數(shù)(AI)從數(shù)量特征、形態(tài)特征和結(jié)構(gòu)特征3個(gè)方面分析2015—2020年熱環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空變化特征[5, 26](表7)。對(duì)于極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū),斑塊數(shù)量有所增加(主要是零星斑塊的出現(xiàn)),但整體形狀逐漸規(guī)則,聚合程度也有所提高；高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和臨界風(fēng)險(xiǎn)區(qū)呈現(xiàn)一致特征,斑塊數(shù)量明顯增加,斑塊形狀也更為復(fù)雜,聚合程度均有所降低；理想安全區(qū)和較安全區(qū)斑塊數(shù)量明顯減少,整體形狀明顯變得規(guī)則并且聚合程度有所提升。

表7 2015—2020年北京市城市熱環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)斑塊景觀格局指數(shù)

NP, 斑塊數(shù)量 number of patches; LSI, 形狀指數(shù) landscape shape index; AI, 聚合度指數(shù)aggregation index

4 討論與結(jié)論

本文構(gòu)建了基于MARKOV-CA的城市熱環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型,預(yù)測(cè)2015—2020年城市熱環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空格局及其變化特征。所構(gòu)建的城市熱環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型以土地利用類型與熱力等級(jí)的空間匹配性作為CA模型因子進(jìn)行迭代分析,預(yù)測(cè)未來(lái)熱環(huán)境空間格局,并顯示出較好的熱力等級(jí)模擬效果,2015年模擬情況與真實(shí)情況的Kappa系數(shù)為0.73,該模型在一定程度可替代復(fù)雜的解析模擬模型。在此基礎(chǔ)上,所構(gòu)建的基于現(xiàn)狀風(fēng)險(xiǎn)與預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)的城市熱環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)劃分標(biāo)準(zhǔn),從時(shí)間過(guò)程角度實(shí)現(xiàn)熱環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)空間評(píng)估,具有較強(qiáng)的實(shí)踐性。本文研究結(jié)果如下：2020年北京市熱環(huán)境極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域?qū)⑦M(jìn)一步擴(kuò)大,所占比例達(dá)到12.08%,有向東西方向延伸的趨勢(shì)并且空間聚合程度有所提高；高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)所占比例較2015年下降至28.96%,但斑塊數(shù)量明顯增加,斑塊形狀更為復(fù)雜,空間破碎化程度有所增加；理想安全區(qū)域面積逐步減小,多出現(xiàn)于北京市西部邊緣地區(qū)?；谏鲜鲅芯拷Y(jié)果進(jìn)一步提出城市熱環(huán)境空間調(diào)控措施：在空間上,城市建設(shè)用地與極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)具有極高的空間相關(guān)性,因此優(yōu)化多種土地利用類型空間配置,通過(guò)科學(xué)設(shè)置生態(tài)用地分割連片的城市建設(shè)用地對(duì)于防范城市熱環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義；從管理上,嚴(yán)格控制城市建設(shè)用地增長(zhǎng)數(shù)量,劃定城市增長(zhǎng)邊界,對(duì)不同熱環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)域采取不同的發(fā)展控制手段,在熱環(huán)境安全較好區(qū)域可進(jìn)行適度的城市用地挖潛,在熱環(huán)境極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)嚴(yán)禁繼續(xù)高強(qiáng)度開發(fā)并發(fā)展有效降溫措施。

本研究所構(gòu)建的城市熱環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型的最大優(yōu)勢(shì)是可基于土地利用類型與熱力等級(jí)的空間關(guān)系快速預(yù)測(cè)未來(lái)城市熱環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)空間格局,可為熱環(huán)境調(diào)控政策提供判定依據(jù)和決策支持,為城市生態(tài)評(píng)估提供可靠的評(píng)價(jià)方法,有利于輔助城市規(guī)劃中各類限制界線的劃定。模型具有較高的模擬和預(yù)測(cè)精度,但是仍具有較高的提升空間。一方面,所使用的MODIS地表溫度產(chǎn)品和土地利用數(shù)據(jù)空間分辨率均為1 km,這在很大程度上影響預(yù)測(cè)精度。同時(shí),本研究?jī)H使用土地利用一級(jí)分類建立其與熱環(huán)境的空間耦合規(guī)律。但是土地利用類型內(nèi)部結(jié)構(gòu)在一定程度上也會(huì)影響地表能量平衡過(guò)程,如林地蓋度影響地表粗糙度、土壤濕度影響地表反照率和能量平衡過(guò)程、建筑形態(tài)及空間布局影響城市通風(fēng)環(huán)境等,并最終影響城市熱環(huán)境。因此,應(yīng)進(jìn)一步提高地表溫度產(chǎn)品和土地利用數(shù)據(jù)的空間分辨率,深入挖掘地表溫度與土地利用/覆被空間關(guān)系特征規(guī)律；另一方面,地形等自然因素會(huì)影響城市熱環(huán)境。盡管本研究所使用的CA所具有的空間模擬優(yōu)勢(shì)在一定程度上能夠減小空間異質(zhì)性所帶來(lái)模擬精度的降低,但是人為熱排放等社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素對(duì)于熱環(huán)境的影響應(yīng)進(jìn)一步考慮,從而提高熱環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)的科學(xué)性。