珠三角城市群城市热岛与地表覆盖时空变化分析

梁珂，任秀波，张洋，刘伟东，李鸿轶

（1.自然资源部第一大地测量队，陕西 西安 710054）

城市化进程的加快促进了社会经济的繁荣，同时衍生而来的是一系列环境问题，如城市热环境问题等。城市热岛是城市热环境问题中的一项重要评估指标，是指城市温度高于周围郊区温度而形成的温度岛屿现象[1]。城市热岛与城市人口健康、居民舒适度等息息相关，因此对城市热岛进行实时有效监测是很有必要的[2]。根据观测手段的不同，城市热岛可分为大气城市热岛和地表城市热岛。大气城市热岛通过气象站点观测的气温数据进行监测[3-5]，该数据虽然具有较长时间的观测资料，但由于站点稀疏，难以准确捕捉城市热岛的空间分布。随着遥感技术的发展，利用卫星观测的热红外遥感影像反演的地表温度监测城市热岛变化被广泛应用，其中MODIS卫星因具有相对较高的时间分辨率和空间分辨率，且其地表温度产品精度可靠，被广泛应用于大区域尺度城市热岛的研究中[6-14]。鉴于此，本文以珠三角城市群为研究区，基于2005—2019年MODIS地表温度数据和土地利用数据，研究了其城市热岛的时空变化特征，并揭示了其形成机制。

1 研究方法

1.1 研究区概况

珠三角城市群位于我国华南地区，珠江下游，与长三角城市群、京津冀城市群并列为我国三大城市群。珠三角城市群地处广东省东南部，由广东省15个城市组成，土地覆盖面积为4.22万km2；绝大部分地区属于热带，属南亚热带季风气候，常年高温多雨。珠三角城市群作为我国核心城市群，具有得天独厚的发展优势，随着社会经济的快速发展，近年来呈现城市化进程加快、农村工业化程度高的特点，导致其城市热岛现象十分明显。因此，对珠三角城市群的城市热岛进行实时有效监测是十分必要的。

1.2 研究数据与预处理

本文采用MYD11A2与MCD12Q1两种MODIS产品。MYD11A2为美国宇航局（NASA）制作的8 d地表温度合成产品，由MODIS日地表温度产品合成而来，在空间上提高了其覆盖率，是目前使用最多的地表温度产品。该产品的空间分辨率为1 km，适合大区域的城市热岛研究；包含两个时刻的地表温度，分别为当地时间的下午13：30与夜晚01：30。本文采用的研究数据为2005—2019年珠三角城市群日地表温度数据集，数据源为hdf格式文件，通过IDL调用MODIS数据处理软件（MRT）批量进行影像拼接、投影和裁剪，最终得到珠三角城市群的地表温度影像。为分析研究区城市热岛季节及其年际变化特征，本文对8 d合成地表温度影像进行季节均值合成，得到4个季节的地表温度影像，并采用同样的方法进行年地表温度合成。MCD12Q1为NASA制作的全球土地利用数据产品，时间分辨率为1 a，空间分辨率为500 m。MODIS土地利用数据包括多种分类方案，本文采用IGBP全球植被分类方案土地覆盖类型，该方案将全球地表分为17种用地类型。在Matlab中将其进行进一步处理，合并为林地、灌木、草地、耕地、建成区、裸土、湿地和水体8种用地类型。为与地表温度影像的空间分辨率保持一致，将其统一重采样至1 km。

1.3 城市热岛时空特征研究方法

为分析珠三角城市群的城市热岛时空分异特征，本文通过定性和定量两种方法进行研究。为揭示珠三角城市群城市热岛的空间分异特征，采用均值标准差法进行热岛等级划分。为消除不同时间影像带来的差异，首先将地表温度进行归一化处理，即

式中，Tnorm为归一化后的地表温度，范围为0～1；Tmax、Tmin分别为地表温度最大值和最小值；T为每个地表温度的像元值。

然后，利用均值—标准差法对归一化后的地表温度进行热岛划分。该方法通过地表温度均值与标准差的倍数关系划分城市热岛[12]，将研究区分为强负热岛、较强负热岛、弱负热岛、无热岛、弱热岛、较强热岛和强热岛7个城市热岛等级，可对珠三角城市群城市热岛的年际和季节空间变化进行定性分析。

为定量研究城市热岛，本文采用城乡温差法进行城市热岛强度计算。城市热岛强度是指城市与郊区地表温度的差值，将建成区视为城市区域，将林地、灌木、草地与耕地等有植被覆盖的区域视为郊区。其计算公式为：

式中，UHII为城市热岛强度；Turban、Trural分别为城市地表温度均值和郊区地表温度均值。

2 研究结果与分析

2.1 珠三角城市群城市热岛时空变化

2.1.1 年际变化特征

珠三角城市群2005—2019年的城市热岛空间变化情况如图1所示，可以看出，珠三角城市群城市热岛现象明显，城市热岛呈倒“U”型增长趋势；2005年城市热岛主要分布在珠江入海口沿岸，如珠海市、中山市南部、深圳市和东菀市，主要为强热岛和较强热岛，其他地市城市热岛零星分布；在2005—2012年和2012—2019年期间城市热岛的倒“U”型趋势进一步加强，强热岛范围进一步增大，主要体现在广东省南部地区、深圳市、中山市和珠海市；城市热岛增长具有阶段性差异，2005—2012年城市热岛增长快于2012—2019年；城市热岛范围增长主要体现在2005—2012年，该时段内珠三角城市群的强热岛面积明显扩大，2012—2019年虽也有扩大，但扩大范围比2005—2012年小。

图1 珠三角城市群城市热岛年空间分布

根据热岛强度的定义，本文分别统计珠三角城市群的城市地表温度和郊区地表温度均值，并计算出二者的差值。珠三角城市群2005—2019年城市温度、郊区温度和热岛强度统计如图2所示，可以看出，2005—2019年城市温度和郊区温度均呈逐渐上升趋势，城市温度由2005年的28.36℃上升到2012年的30.29℃，2012—2019年城市温度上升了1.0℃；郊区温度在2005—2012年和2012—2019年分别上升了0.07℃和0.84℃，因此珠三角城市群近15 a的地表温度呈逐渐上升趋势；2005—2019年城市热岛强度呈逐渐增长趋势，2005年的热岛强度为2.48℃，2012年和2019年分别增长至4.34℃和4.50℃，可见热岛效应越来越明显；2005—2012年城市热岛强度增长较明显，增长了1.86℃，2012—2019年也有所增长，但增长较少，只增长0.16℃。

图2 珠三角城市群热岛强度年际变化

2.1.2 季节变化特征

2005—2019年珠三角城市群城市热岛季节空间分布特征如图3所示，可以看出，珠三角城市群的城市热岛具有明显的季节性特点，对于同年的不同季节，城市热岛均表现为夏季最强，秋季和春季次之，冬季最弱；对于不同年份的相同季节，城市热岛在4个季节均呈逐渐增强趋势，且表现为倒“U”型扩张，与年际城市热岛空间分布一致；在冬季，珠三角城市群的西南角和东南角部分区域呈现强热岛，主要是由于这些区域分布的是耕地，冬天无植被覆盖时，裸露土地白天可吸收大量热量，导致这些区域也呈现强热岛。

图3 珠三角城市群城市热岛季节变化

2005—2019年珠三角城市群城市热岛强度季节变化情况如图4所示，可以看出，珠三角城市群的城市热岛强度具有明显的季节性差异，夏季最强，秋季和春季次之，冬季最弱；所有季节的热岛强度均在2.15℃以上，夏季热岛强度均在4.46℃以上，2019年夏季的热岛强度达到6.70℃；2005—2012年城市热岛强度在各季节的增长均大于2012—2019年，2005—2012年的城市热岛强度在各季节分别增长了0.52～1.99℃，2012—2019年的热岛强度在各季节分别增长了0.16～0.91℃。

图4 珠三角城市群热岛强度季节变化

2.2 珠三角城市群地表覆盖时空变化特征

2005—2019年珠三角城市群各用地类型的空间分 布情况如图5所示，可以看出，珠三角城市群的城乡界线明显，城市化进程呈逐年加快趋势；与城市热岛的空间分布一致，城市范围主要呈现围绕珠江入海口的倒“U”型空间分布；建成区主要表现为强热岛或较强热岛区域，而林地、水体和湿地等主要体现为负热岛区域；珠三角城市群的建成区范围逐年扩大，表现为明显的城市扩张，且建成区面积增长在2005—2012年快于2012—2019年。

图5 珠三角城市群各用地类型的空间分布

2005—2019年珠三角城市群各用地类型的面积统计如图6所示，可以看出，珠三角城市群的用地类型以草地和林地为主，其次为建成区和耕地，湿地、水体和祼土的面积占比较少。2005—2019年珠三角城市群各用地类型的面积变化情况如图7所示，可以看出，珠三角城市群的建成区面积呈逐年增加趋势，2005—2012年约扩张了500 km2，2012—2019年约扩张了229 km2；裸土和草地呈减少趋势，截至2019年裸土减少了约80 km2，草地减少了15 000 km2，这两种用地类型的减少，一方面表现在城市用地的增加，另一方面是响应国家植树造林政策，2005—2019年珠三角城市群的林地面积约增加了12 000 km2。

图6 珠三角城市群各用地类型面积统计

图7 不同时段珠三角城市群各用地类型面积变化

2.3 珠三角城市群不同用地类型的地表温度变化情况

2005—2019年珠三角城市群各用地类型的地表温度统计情况如图8所示，可以看出，由于地表下垫面的不同，不同用地类型表现出不同的热属性和温度分布，2005—2019年各用地类型的温度变化趋势呈现相同规律，均为建成区地表温度最高，其原因在于城市化进程使得大量自然地表转化为水泥路面、建筑物等不透水面，这些材料具有较好的吸热性，易在白天吸收大量热量，导致建成区地表温度最高；林地的地表温度最低，其次为水体和湿地，其原因在于植被的蒸腾作用能带走大量热量，具有降温作用，且水体、湿地含有较高水分，其蒸发作用也可降温，因此这些用地类型的地表温度相对较低。

图8 珠三角城市群各用地类型的温度统计

2005—2019年珠三角城市群各用地类型地表温度在4个季节的分布情况如图9所示，可以看出，2005—2019年4个季节均表现为建成区地表温度最高、林地地表温度最低，这与年际各用地类型的分布是一致的；各年份各用地类型的地表温度均具有季节性特征，均表现为夏季地表温度最高，春季和秋季次之，冬季最低。

图9 珠三角城市群各用地类型的季节地表温度统计

由上述分析可知，珠三角城市群的城市热岛现象逐渐增强，主要原因在于城市化进程使得建成区面积不断增加，大量自然地表转化为不透水面，城市区域比周围郊区吸收的热量多，且由于城市内植被覆盖较少，植被蒸腾作用带来的降温效果不明显，从而导致城市地表温度比其他用地类型的地表温度高；而珠三角城市群郊区的用地类型主要为林地，白天蒸腾作用显著，降温效果明显，从而导致郊区的地表温度较低，因此较大的城市与郊区的地表温度反差，导致了较高的城市热岛强度。珠三角城市群的建成区面积逐年增加，建成区地表温度也逐渐上升，从而导致了逐年增长的城市热岛强度，因此若想缓解城市热岛效应，可在城市区域内多种植树木、加强公园绿化，减少城市和郊区的温度差；另外，水体、湿地也具有缓解城市热岛的作用，可在城市区域内多建设池塘、水池、湖泊等。由于珠三角城市群的城市热岛效应具有明显的季节性特点，因此各用地类型也表现为季节性变化特征。特别是对于建成区，其地表温度在夏季最高，应特别注意夏季城市区域的城市热岛缓解策略，夏季高温时可在道路等城市不透水面上多洒水，有利于降低城市内部的地表温度，从而起到缓解城市热岛的作用。

3 结语

基于MODIS地表温度数据和土地利用数据，本文研究了2005—2019年珠三角城市群城市热岛的年际变化和季节变化特征，分析了其地表覆盖变化情况；并研究了珠三角城市群不同用地类型的年际和季节地表温度变化情况。

1）珠三角城市群的城市热岛现象明显，且呈逐年增长的趋势。城市热岛主要呈倒“U”型分布与增长，强热岛主要分布在珠江入海口处的广州市、深圳市、佛山市和中山市。2005—2012年珠三角城市群的城市热岛强度增长快于2012—2019年，各年热岛强度均在2.48℃以上。

2）珠三角城市群的城市热岛具有明显的季节特征，表现为夏季最强，秋季和春季次之，冬季最弱。2005—2019年各季节的热岛强度均在2.15℃以上，夏季均在4.46℃以上。

3）珠三角城市群城市化进程逐年加快，建成区面积逐年增加。2005—2019年珠三角城市群各用地类型的地表温度分布趋势一致，均表现为建成区的地表温度最高，林地、水体的地表温度较低。因此，可通过加强城市内部绿化、设立池塘和水池等方式减缓城市热岛效应，特别应注意夏季城市热岛的缓解策略。