楊 浩， 張 輝， 王少彬

(1.北京大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，北京 100781； 2.北京市社會(huì)科學(xué)院，北京 100101； 3.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

城市化進(jìn)程引致的土地利用/覆蓋和植被蓋度變化改變了地表與大氣間的水分和能量交換過程，導(dǎo)致了城市熱環(huán)境的改變[1-4]。而以林地、濕地、草地等土地覆蓋類型所形成“城市冷島”是有效緩解城市熱環(huán)境惡化的重要影響因素[5-7]。隨著城市環(huán)境問題及城市小氣候問題越來越受重視，土地利用/覆蓋變化和植被蓋度變化與城市熱環(huán)境之間的形成機(jī)制與作用效果等問題愈發(fā)受到學(xué)術(shù)界的重視，現(xiàn)已成為生態(tài)學(xué)、地理學(xué)、氣象學(xué)、環(huán)境科學(xué)的重要研究熱點(diǎn)之一[7-8]。

近年來，大量文獻(xiàn)論證了土地利用/覆蓋與植被蓋度變化對(duì)城市熱環(huán)境的影響。莫新宇等選取蘇州作為研究區(qū)，分別利用1986年和2004年2個(gè)時(shí)相的Landsat5 TM影像數(shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)土地利用/覆蓋類型進(jìn)行分類，并采用熱紅外波段進(jìn)行地表溫度反演，得出了城市熱島范圍由老城區(qū)向四周成倍擴(kuò)大，熱島強(qiáng)度由3.12°增至4.76°的結(jié)論，同時(shí)證明了表明熱島效應(yīng)變化與土地利用時(shí)空變化之間具有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系[9]。李增加等利用Landsat TM/ETM+數(shù)據(jù)的熱紅外波段，通過單通道算法，反演西雙版納地區(qū)的地表溫度，并對(duì)西雙版納地表溫度演變的規(guī)律進(jìn)行了分析，證明了內(nèi)旱地、灌木林、有林地、荒草地等植被覆蓋對(duì)區(qū)域熱效應(yīng)貢獻(xiàn)較大，水體、水澆地、建設(shè)用地、灘涂和水體的熱效應(yīng)貢獻(xiàn)較小的結(jié)論[10]。曹崢等將WRF模式應(yīng)用于棗莊城市的熱島模擬研究中，結(jié)果證明，棗莊地區(qū)各土地利用類型對(duì)城市熱島的貢獻(xiàn)率大小排序?yàn)椋撼擎?zhèn)建設(shè)用地>農(nóng)田>林地>未利用地>草地>水體[11]。任敏分析了聊城市2013、2015年的TM和ETM+遙感圖像，基于此對(duì)聊城市土地利用變化與熱島效用之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行了定量分析，結(jié)果顯示研究區(qū)內(nèi)土地利用的變化使得城市熱島效用發(fā)生的區(qū)域分布更為廣泛[12]。劉航等選取2000、2015年5個(gè)時(shí)相Landsat系列影像數(shù)據(jù)，利用單窗算法反演地表溫度，獲取了近10年武漢市城市熱島效應(yīng)變化結(jié)果，得出了建筑用地面積的增加是城市熱島強(qiáng)度面積擴(kuò)張的重要影響因素[13]。

從已有的文獻(xiàn)來看，目前對(duì)于城市熱環(huán)境研究的空間尺度較小，多選擇單一城市或縣域作為研究對(duì)象，而將城市群作為研究區(qū)域的研究并不多。由于土地利用/覆蓋與植被蓋度變化對(duì)環(huán)境的影響具有典型的空間擴(kuò)散性[14-15]，因此，將城市群視作一個(gè)有機(jī)的整體作為研究對(duì)象，探尋區(qū)域土地利用/覆蓋變化對(duì)城市群氣候變化的貢獻(xiàn)率，不僅對(duì)地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要的參考價(jià)值，也對(duì)城市群的健康發(fā)展具有重大的戰(zhàn)略意義。

1 研究區(qū)域

城市群是城市發(fā)展到成熟階段的一種高級(jí)空間組織形式[16]，是由若干大都市區(qū)、都市區(qū)和外圍縣組成的大中小城市和小城鎮(zhèn)，依托發(fā)達(dá)的交通、能源、通信等軸線發(fā)展形成的呈不規(guī)則集合狀布局的多中心城鎮(zhèn)群體。京津冀城市群作為全國文化、政治中心，地處于環(huán)渤海地區(qū)和東北亞核心重要區(qū)域的特殊地理位置，國土面積約22萬km2，是中國城市分布最密集、綜合實(shí)力最強(qiáng)的區(qū)域之一，地域范圍涵蓋北京市、天津市與河北省11個(gè)設(shè)區(qū)市的80多個(gè)縣(市)，2016年地區(qū)生產(chǎn)總值約為68 857億元，是中國北方經(jīng)濟(jì)的重要核心區(qū)。近年來在京津冀一體化國家發(fā)展戰(zhàn)略的驅(qū)動(dòng)下，區(qū)域內(nèi)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、良性互動(dòng)、協(xié)調(diào)發(fā)展的局面正在逐漸形成。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

土地利用/覆蓋類型數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生產(chǎn)的國家尺度土地利用/覆蓋變化數(shù)據(jù)庫(http：//www.resdc.cn)。土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)基于Landsat TM遙感影像解譯而成，每5年生產(chǎn)1期，空間分辨率為 1 km，數(shù)據(jù)經(jīng)過野外實(shí)地驗(yàn)證，土地利用/覆蓋一級(jí)分類精度可以達(dá)到94.3%以上。數(shù)據(jù)集共分為林地、草地、水體、耕地、城鎮(zhèn)建設(shè)用地、裸地共6個(gè)一級(jí)類，基本涵蓋了京津冀城市群的主要土地利用/覆蓋類型，本研究選取2000年和2015年2期土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)。植被蓋度數(shù)據(jù)基于MODIS NDVI(Normalized Difference Vegetation Index；https：//modis.gsfc.nasa.gov/)數(shù)據(jù)計(jì)算獲取，采用混合像元二分模型，具體計(jì)算方法如下：

FVC=(N-Ns)/(Nv-Ns)。

式中：N為每個(gè)柵格的NDVI值，Ns為裸露地表的NDVI值，Nv為全植被覆蓋時(shí)的NDVI值。本研究選用2000年和2015年2期的NDVI數(shù)據(jù)，計(jì)算相應(yīng)年份的植被蓋度。

2.2 WRF模式

在區(qū)域氣候研究領(lǐng)域，中尺度氣象數(shù)值模擬可以較好地刻畫土地利用/覆蓋與植被蓋度變化對(duì)城市熱環(huán)境的貢獻(xiàn)值[17-18]。目前普遍應(yīng)用的中尺度數(shù)值模式包括：MM5(非靜力移動(dòng)套網(wǎng)格格點(diǎn)模式)、MC2(半拉格朗日半隱式寬帶格點(diǎn)模式)、REM(靜力格點(diǎn)模式)、WRF(非靜力格點(diǎn)模式)等。在近年的研究中，WRF(weather research and forecasting model)模式因具有高度模塊化、并行化和分層設(shè)計(jì)技術(shù)、更為合理的模式動(dòng)力框架、先進(jìn)的三維變分資料同化系統(tǒng)、更豐富的內(nèi)部參數(shù)化方案等優(yōu)勢(shì)逐漸成為中尺度數(shù)值模擬的主流工具[19]。因此，選用WRF模式對(duì)京津冀城市群土地利用/覆蓋和植被蓋度變化對(duì)熱環(huán)境的影響進(jìn)行模擬研究。

WRF模式的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)有2種：下墊面數(shù)據(jù)和大氣背景場(chǎng)數(shù)據(jù)。下墊面數(shù)據(jù)主要包括土地利用/覆蓋類型和植被蓋度，能夠影響地表與大氣之間的能量、動(dòng)量和水分交換；大氣背景場(chǎng)數(shù)據(jù)包括大氣狀態(tài)變量(氣溫、位溫、風(fēng)場(chǎng)、濕度和氣壓等)。WRF模式通過讀取用戶提供的下墊面數(shù)據(jù)和大氣背景場(chǎng)數(shù)據(jù)，模擬地-氣相互作用，計(jì)算并輸出區(qū)域氣候要素。本研究通過更改下墊面土地利用/覆蓋類型和植被蓋度，同時(shí)保持大氣背景場(chǎng)一致，通過對(duì)比2次模擬結(jié)果的差異，得到土地利用/覆蓋變化或植被蓋度變化對(duì)區(qū)域氣溫的影響。

2.3 模擬方案設(shè)計(jì)

采用WRF模式V3.61版本對(duì)京津冀城市群土地利用/覆蓋和植被蓋度變化進(jìn)行氣候數(shù)值模擬研究。模擬時(shí)間范圍為2000—2015年。設(shè)計(jì)了3層嵌套方案，模擬區(qū)分為3層，范圍從大到小分別為d01、d02和d03，其中d01的中心點(diǎn)位于117.07°E、40.19°N，而d03為整個(gè)京津冀城市群范圍。數(shù)據(jù)投影類型為Lambert，雙緯線分別為25°N和47°N，中央經(jīng)線為105°E。水平格網(wǎng)數(shù)分別為111×75、166×112和249×169，3個(gè)尺度的空間分辨率分別為27 km、9 km和3 km。WRF中的模擬范圍如圖1所示。主要物理過程參數(shù)化方案包括：LSM陸面過程方案、CAM3輻射方案、WSM3-class simple ice微物理方案、Kain-Fritsch(new Eta)scheme積云對(duì)流方案和YSU邊界層方案，其中僅d01采用積云對(duì)流方案。該模式所需要的大氣邊界場(chǎng)數(shù)據(jù)及土壤數(shù)據(jù)來自NCEP/FNL和NCEP/NCAR再分析資料集。

在WRF模式中將采取3組方案來進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)2000年和2015年的京津冀城市群氣溫分別進(jìn)行模擬，分析由于土地利用/覆蓋和植被蓋度變化所導(dǎo)致的氣候效應(yīng)。以2000年1月1日至2015年12月31日為氣候背景場(chǎng)，為每組方案輸入數(shù)據(jù)及參數(shù)(表1)。方案A和方案B結(jié)果對(duì)比，可分析出土地利用/覆蓋變化和植被蓋度變化即(LUCC)同時(shí)導(dǎo)致的2000—2015年氣溫變化，可認(rèn)為是15年來京津冀城市群由于地表變化引起真實(shí)氣溫的變化。方案C和方案A結(jié)果對(duì)比分析，可獲得單純由土地利用/覆蓋變化引起的氣溫變化，此情景未考慮在土地利用/覆蓋類型未發(fā)生變化區(qū)域植被蓋度變化對(duì)氣溫產(chǎn)生的影響。方案D和方案A結(jié)果對(duì)比分析，可獲得由土地利用/覆蓋未發(fā)生變化區(qū)域的植被蓋度變化引起的氣溫變化，此情景視為方案C的對(duì)照情景。這種模擬方案設(shè)計(jì)的目的是檢驗(yàn)土地利用/覆蓋變化和植被蓋度的變化，并分析哪種變化對(duì)京津冀城市群的氣溫影響更大。

在季均區(qū)域溫度模擬中，按照“氣象劃分法”將一年劃分為春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12月—次年2月)，分別對(duì)2000年和2015年的每一季進(jìn)行模擬計(jì)算，可以分析出土地利用/覆蓋變化和植被蓋度變化對(duì)京津冀區(qū)域氣候效應(yīng)的影響。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及相關(guān)說明

注：(1)2000—2015土地利用/覆蓋變化區(qū)域采用2015年地表參數(shù)，無變化區(qū)域采用2000年地表參數(shù)；(2)2000—2015土地利用/覆蓋變化區(qū)域采用2000年地表參數(shù)，無變化區(qū)域采用2015年地表參數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 城市群土地利用/覆蓋變化和植被蓋度變化對(duì)區(qū)域氣溫的影響

運(yùn)用WRF模型模擬京津冀城市群的區(qū)域氣候效應(yīng)，可獲得2000—2015年京津冀城市群土地利用/覆蓋和植被蓋度變化(統(tǒng)稱為LUCC)過程對(duì)年均氣溫變化的影響呈現(xiàn)明顯的空間分異特征(圖2)。

LUCC過程對(duì)不同城市表現(xiàn)出不同的溫度效應(yīng)(圖3)，其中北京市、天津市、唐山市和廊坊市溫度升高，其他城市則呈降溫趨勢(shì)。同時(shí)LUCC變化過程使京津冀城市群年均氣溫降低0.07 ℃。

2000—2015年京津冀城市群LUCC過程對(duì)季均氣溫的影響亦呈現(xiàn)出明顯的時(shí)空分異特征(圖4和表2)。LUCC對(duì)京津冀城市群在春季和冬季呈現(xiàn)增溫效應(yīng)，而夏季和秋季呈現(xiàn)出降溫效應(yīng)。分季節(jié)看，夏季除天津市增溫0.17 ℃外，LUCC過程使京津冀城市群降溫0.33 ℃；秋季LUCC過程使京津冀城市群降溫0.03 ℃，其中降溫地最明顯的是位于城市群西北部的張家口市和承德市，而天津、廊坊、唐山和北京有不同程度的升溫效應(yīng)。春季除張家口市和承德市呈現(xiàn)降溫趨勢(shì)以外，其他城市均呈明顯升溫趨勢(shì)；冬季平均溫度變化較其他季節(jié)趨于平穩(wěn)，出現(xiàn)增溫的區(qū)域主要集中在北京市、天津市和廊坊市。

通過計(jì)算主要土地利用/覆蓋類型轉(zhuǎn)換對(duì)季均與年均氣溫的影響(表3)可以看出：城鎮(zhèn)建設(shè)用地侵占耕地、林地、草地和濕地等生態(tài)用地使年均溫度呈顯著上升趨勢(shì)。其中草地開墾為耕地促使年均氣溫下降0.21 ℃；濕地與耕地相互轉(zhuǎn)化過程中表現(xiàn)出耕地比濕地具有更高的年均氣溫；而其他土地利用/覆蓋類型轉(zhuǎn)變過程對(duì)年均氣溫的影響則不明顯。分季節(jié)看，不同土地利用/覆蓋變化對(duì)季均氣溫的影響表現(xiàn)出明顯的差異。城鎮(zhèn)建設(shè)用地侵占其他生態(tài)用地類型過程中，秋季平均氣溫變化最為顯著，而其他生態(tài)用地之間進(jìn)行土地利用/覆蓋類型轉(zhuǎn)換時(shí)，夏季是溫度變化最為明顯的季節(jié)。

2000—2015年京津冀城市群植被蓋度與其他土地利用類型變化對(duì)氣溫的影響呈現(xiàn)出一定的差異性(表4)。植被蓋度對(duì)氣溫影響排序?yàn)椋?草地(0.19 ℃)>林地(0.13 ℃)>濕地(0.06 ℃)>耕地(0.05 ℃)。植被蓋度變化導(dǎo)致的季節(jié)平均溫度變化在夏季最為顯著，其中草地由于植被蓋度變化導(dǎo)致溫度下降0.48 ℃，林地下降0.43 ℃，耕地和濕地分別下降0.29 ℃和0.20 ℃；秋季溫度變化次之，其中草地由該變化導(dǎo)致溫度下降0.19 ℃，林地下降0.11 ℃。而在其他土地利用類型中，城鎮(zhèn)建設(shè)用地使區(qū)域年均氣溫升高0.11 ℃，分析季節(jié)溫度變化的趨勢(shì)可以看出城鎮(zhèn)建設(shè)用地在春季和秋季升溫作用明顯，分別升高0.18 ℃和0.17 ℃，而夏季和冬季升溫作用均不明顯，均為0.05 ℃。

表2 2000—2015年LUCC過程對(duì)各市季均氣溫的影響

表3 2000—2015主要土地利用/覆蓋類型轉(zhuǎn)換對(duì)季均與年均氣溫的影響

通過對(duì)比分析2000—2015年京津冀城市群不同土地利用/覆蓋類型的植被蓋度變化對(duì)氣溫的影響，來進(jìn)一步揭示LUCC對(duì)氣候的影響強(qiáng)度年均差異(表3、表4)?？傮w來看，由草地、耕地、林地、濕地等生態(tài)用地轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)建設(shè)用地的土地利用/覆蓋變化對(duì)氣候的影響強(qiáng)度遠(yuǎn)高于其他類型土地利用/覆蓋變化以及植被蓋度變化各類植被蓋度變化對(duì)氣候的影響強(qiáng)度。

表4 2000—2015年各植被蓋度及其他土地利用類型變化對(duì)季均與年均氣溫的影響

3.2 京津冀城市群土地利用/覆蓋變化對(duì)區(qū)域氣溫的影響

采用WRF模型模擬2000—2015年土地利用/覆蓋對(duì)京津冀城市群氣候的影響效應(yīng)，結(jié)果顯示，2000—2015年土地利用/覆蓋變化使京津冀城市群年均氣溫增加0.04 ℃。從空間分布來看，京津冀城市群土地利用/覆蓋變化對(duì)年均氣溫變化的影響呈現(xiàn)出明顯的空間分異特征(圖5)，由土地利用/覆蓋變化引起的升溫效應(yīng)主要集中在天津市(0.24 ℃)、北京市(0.18 ℃)和廊坊市(0.15 ℃)(圖6)。

從時(shí)間尺度來看，2000—2015年京津冀城市群土地利用/覆蓋變化過程對(duì)氣溫的影響呈現(xiàn)出明顯的時(shí)空分異特征(圖7、表5)。土地利用/覆蓋變化對(duì)不同季節(jié)的氣溫影響大小排序?yàn)椋呵锛?0.07 ℃)>春季(0.05 ℃)>夏季和冬季(0.03 ℃)。其中天津市由于土地利用/覆蓋變化產(chǎn)生的季節(jié)增溫效應(yīng)最為明顯，在溫度變化最為顯著的秋季，天津市溫度升高達(dá)到0.30 ℃，廊坊市和北京市和唐山市分別增溫0.24、0.21、0.15 ℃，其他地區(qū)均低于0.1 ℃。不同于城市群溫度變化整體特征，在北京市、天津市、廊坊市和唐山市夏季溫度變化幅度僅次于秋季，分別達(dá)到了0.19、0.27、0.14、0.12 ℃。春季增溫的重點(diǎn)區(qū)域?yàn)樘旖蚴?、北京市和廊坊市，分別增加0.21、0.17、0.15 ℃，其他地區(qū)也呈增溫趨勢(shì)，但均在0.06 ℃以下。冬季各城市由于土地利用/覆蓋變化導(dǎo)致溫度變化較其他季節(jié)相對(duì)平穩(wěn)。只有天津市和北京市冬季平均溫度升高明顯高于其他城市，分別增加0.18、0.15 ℃，而其他城市溫度增加均在0.07 ℃以下，其中張家口市冬季平均溫度降低0.01 ℃。

表5 2000—2015年土地利用/覆蓋變化對(duì)各市季均氣溫的影響

3.3 土地利用/覆蓋與植被蓋度變化對(duì)城市群氣候影響的對(duì)比分析

通過對(duì)比分析2000—2015年土地利用/覆蓋變化和LUCC過程對(duì)京津冀城市群平均氣溫的影響(表6)，可以看出，城市群土地利用/覆蓋變化對(duì)年均氣溫變化的影響明顯比LUCC過程的氣溫效應(yīng)緩和。在LUCC的作用下，城市群全年平均氣溫下降了0.07 ℃，其中土地利用/覆蓋變化致使城市群全年平均氣溫增加了0.04 ℃。通過計(jì)算二者之差，可以計(jì)算得出植被蓋度變化導(dǎo)致城市群降溫0.11 ℃，這表明植被蓋度變化對(duì)區(qū)域年均氣溫的影響力大于土地利用/覆蓋變化的影響力。

從時(shí)間尺度來看，土地利用/覆蓋變化與LUCC對(duì)城市群各季節(jié)平均氣溫影響存在一定的差異性。夏季土地利用/覆蓋變化導(dǎo)致城市群溫度增加0.03 ℃，而LUCC綜合氣候效應(yīng)則為土地利用/覆蓋氣候效應(yīng)的11倍。春季土地利用/覆蓋變化導(dǎo)致京津冀城市群溫度增加0.05 ℃，而LUCC綜合氣候效應(yīng)只有土地土地利用/覆蓋氣候效應(yīng)的1.8倍。其余季節(jié)氣候效應(yīng)較為平穩(wěn)，其中秋季土地利用/覆蓋變化導(dǎo)致氣溫增加0.07 ℃，而LUCC綜合氣候效應(yīng)使平均溫度降低0.03 ℃。冬季土地利用/覆蓋變化溫度升高0.03 ℃，而LUCC過程使城市群溫度升高0.01 ℃。

從空間尺度來看，土地利用/覆蓋變化與LUCC對(duì)不同城市的氣溫影響差異較大。其中天津市和北京市由于土地利用/覆蓋變化導(dǎo)致升溫較高，分別為0.09、0.22 ℃；而LUCC綜合氣候效應(yīng)導(dǎo)致北京市、天津市、唐山市、廊坊市升溫，其余城市氣溫降低。分季節(jié)來看，對(duì)于北京市、天津市、唐山市和廊坊市以土地利用/覆蓋變化為主的城市，各季節(jié)差距較小。但對(duì)于以植被蓋度為主的區(qū)域，LUCC綜合氣候效應(yīng)要明顯高于土地利用/覆蓋變化氣候效應(yīng)，具體排序?yàn)橄募京兇杭京兦锛京兌?。其中張家口與承德市夏季的負(fù)增溫效應(yīng)最為明顯。

4 結(jié)論

2000—2015年LUCC變化過程使京津冀城市群年均氣溫降低0.07 ℃，同時(shí)LUCC對(duì)季均氣溫的變化亦呈現(xiàn)出明顯的時(shí)空分異特征，其中，春季和冬季呈現(xiàn)增溫效應(yīng)， 夏季和秋季呈現(xiàn)降溫效應(yīng)；城鎮(zhèn)建設(shè)用地侵占耕地、林地、草地和濕地等生態(tài)用地使年均和季均平均溫度呈顯著上升趨勢(shì)；植被蓋度對(duì)氣溫影響排序?yàn)椋翰莸?0.19 ℃)>林地(0.13 ℃)>濕地(0.06 ℃)>耕地(0.05 ℃)。

表6 京津冀城市群各市LUCC對(duì)平均氣溫影響

注：A為土地利用/覆蓋變化對(duì)平均氣溫的影響，B為LUCC對(duì)平均氣溫的影響。

京津冀城市群土地利用/覆蓋變化對(duì)年均氣溫變化的影響呈現(xiàn)出明顯的空間分異特征，升溫變化地區(qū)主要集中在天津市(0.24 ℃)、北京市(0.18 ℃)和廊坊市(0.15 ℃)。土地利用/覆蓋變化對(duì)不同季節(jié)的氣溫影響大小排序?yàn)椋呵锛?0.07 ℃)>春季(0.05 ℃)>夏季和冬季(0.03 ℃)，其中天津市季節(jié)增溫效應(yīng)最為明顯，在秋季溫度升高達(dá)到0.30 ℃。不同于京津冀城市群溫度變化的整體特征，北京市、天津市、廊坊市和唐山市夏季溫度變化幅度僅次于秋季；而生態(tài)用地轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)建設(shè)用地等城市擴(kuò)展活動(dòng)對(duì)區(qū)域氣溫的影響強(qiáng)度最大，遠(yuǎn)高于其他類型土地利用/覆蓋變化以及植被蓋度變化對(duì)區(qū)域氣溫的影響。