近10年北京極端高溫天氣條件下的地表溫度變化及其對城市化的響應

李曉萌，孫永華，孟 丹，余 潔，李小娟

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

全球氣候變化是21世紀人類所面臨的重要環境問題之一，20世紀90年代以來，全球極端高溫事件呈現出強度大、頻次高、影響范圍廣等特點，給社會經濟和人民生產生活都造成了嚴重的負面影響［1］。國外學者對極端高溫的研究比較早［2-4］，我國學者自20世紀90年代開始對極端高溫進行研究，如Cuiping Zhao等選擇15個極端溫度指數，分析了海河流域1960—2009年極端溫度的時空格局［5］。史軍等分析了華東地區夏季極端高溫的變化特征、發展趨勢及高溫成因［6］。姜德娟等分析了1961—2008年山東省極端溫度事件的時空特征［7］。鄭祚芳應用1960—2009年逐日氣象記錄，分析了北京地區極端氣溫的時間變化特征及其對城市化的響應［8］。

從以上可以看出，國內外學者對于極端高溫發生頻率和強度的變化規律給予了充分關注，但對極端高溫發生時的地表溫度分布，尤其是利用遙感手段研究極端高溫對城市化的響應還涉及較少。北京市作為國際特大都市，城市快速發展，極端高溫已經日益成為一種比較常見的氣象災害。因此，本文以北京市為研究區，利用2000年和2010年極端高溫發生時MODIS衛星的地表溫度(LST)產品數據，結合DMSP/OLS夜間燈光數據，應用差值、等溫線、剖面分析等方法，研究北京市近十年來極端高溫發生時地表溫度的時空變化特征及其對城市發展的響應，對于減緩極端高溫、合理進行城市規劃等都有著重要的意義。

1 研究區概況

北京市地處華北平原西北邊緣，位于北緯39°26'—41°03'、東經115°25'—117°30'。本文的研究范圍為北京市，包括14區2縣。2005年，為了促進城市功能優化，北京市劃定四大城市功能區域，分別是首都功能核心區(西城區、東城區)、城市功能拓展區(海淀區、朝陽區、豐臺區、石景山區)、城市發展新區(昌平區、順義區、通州區、大興區、房山區)和生態涵養發展區(懷柔區、門頭溝區、平谷區、延慶縣、密云縣)(圖1)。

我國氣象局將極端高溫分為3級:高溫，大于等于35℃;危害性高溫，大于等于38℃;強危害性高溫，大于等于40℃［9-10］。北京市1980—2010年高溫、危害性高溫和強危害性高溫的日數分別為249、25、3 d。從圖2中可以看出，北京市近年來夏季極端高溫天氣呈增多趨勢。

城市地表溫度受當日氣象條件的影響比較大。分析近十年的北京夏季高溫天氣，2000年6月13日與2010年7月6日，日最高氣溫分別為39.1℃和39.2℃，其他基本氣象條件，如降水量、相對濕度、風速、日照時數等，也基本相似(表1)。因此，選用這兩個極端高溫日進行對比分析，在一定程度上可以反映近十年來北京地表溫度的時空分布及變化特征。

2 研究方法與技術路線

本文綜合利用遙感和地理信息系統技術，對近十年北京極端高溫天氣條件下的地表溫度變化及其對城市化的響應進行分析。首先，對MOD11A1地表溫度數據、DMSP/OLS夜間燈光數據和氣象站觀測資料等數據進行預處理，構建空間數據場。在此基礎上，分別提取地表溫度場信息以及城市化信息，并通過等溫線分析、剖面分析、差值變化分析和柵格計算等方法，分別對地表溫度時空演化和城市化進程進行分析。最后，從定性與定量兩方面綜合分析北京市近十年來城市化進程對極端高溫發生時地表溫度空間分布特征和時空演變規律的影響。技術路線如圖3所示。

2.1 地表溫度場信息提取

選取2000年6月13日和2010年7月6日MODIS地表溫度產品(數據來源:美國國家航空航天局NASA)提取地表溫度信息。利用Envi下的MODIS Conversion Toolkit模塊，對MODIS地表溫度產品進行處理，通過拼接、投影等操作，分別提取極端高溫時的地表溫度信息，得到地表溫度分布圖。MOD11A1陸地表層溫度數據空間分辨率為1km，儲存格式為HDF，地圖投影為正弦投影。

圖1 研究區概況圖Fig.1 The image of study area

圖2 北京市1980—2010年極端高溫出現頻次Fig.2 The frequency of extreme high temperature during 1980—2010

2.2 城市化信息提取

選取2000年與2010年的DMSP/OLS夜間燈光數據(數據來源:美國國家海洋和大氣管理局NOAA)來表征城市化信息。夜間燈光數據是確定城市發展水平的指標之一［11］，許多國內外學者應用夜間燈光數據，研究城市建成區范圍和城市化發展，利用夜間燈光數據提取的城市格局與利用Landsat TM數據提取的城市格局特征基本一致，可以滿足城市化研究的需要［12-14］。

DMSP/OLS夜間燈光數據的空間分辨率為1 km，為了方便計算，將數據都統一轉換為橫軸墨卡托(UTM)投影，橢球體為WGS84。對DMSP/OLS夜間燈光數據進行裁剪、投影等操作，運用GIS空間分析和柵格計算方法，提取夜間燈光指數，分別得到2000年2010年北京市夜間燈光指數分布圖。夜間燈光指數范圍在0—63之間，數值越大代表城市化水平越高［15］。

表1 2000年6月13日與2010年7月6日基本氣象情況對比(數據來源:中國氣象科學數據共享服務網)Table 1 Comparison of basic meteorological conditions in June 13，2000 and July 6，2010(data source:China meteorological data sharing service system)

圖3 技術路線圖Fig.3 The technical flow

2.3 等溫線分析

在地學研究中，通常要獲取能夠反映研究對象各方面特征的數據，等溫線就是其中的重要表現方法之一［16-17］。等溫線是圖上溫度值相同各點的連線，它可以反映出地理對象的空間分布及其變化特征，等溫線分布越密集，說明溫度變化越大［18］，本文利用ArcGIS的空間分析功能分別對北京市全市和城六區進行等溫線分析。

2.4 剖面分析

為了更詳細地了解地表溫度的空間結構，對熱場進行剖面分析是一種較好的途徑［19-20］。通過對地表溫度在某一基線上進行剖面分析，可以揭示城市熱場在某一特定沿線的總體變化趨勢和平面特征，把握城市熱場的結構特征。本文選取六環路為基線，在ArcGIS中用3D Analyst工具條的Create Profile Graph對地表溫度進行剖面分析。

3 結果與分析

3.1 地表溫度時空分布特征分析

3.1.1 地表溫度呈升高趨勢

分別對2000年6月13日與2010年7月16日的地表溫度進行統計(表2)，地表溫度的最小值由24.49℃上升到 24.89 ℃，上升了0.40 ℃，最大值由51.99 ℃ 上升到52.95 ℃，上升了0.96 ℃ ，平均值由40.21 ℃ 上升到40.66℃，上升了0.45℃。由此可見，北京市極端高溫時地表溫度呈現出升高的趨勢。

表2 地表溫度值統計Table 2 Statistics result of the land surface temperature

圖4 地表溫度剖面分析圖Fig.4 The profile analysis of land surface temperature

城市道路的地表溫度也是表征城市熱環境的指標之一［21］。以北京市六環路為例，對地表溫度做剖面分析，從圖4中可以看出2000年6月13日與2010年7月6日的剖面圖走向趨勢大體一致。2010年7月6日較2000年6月13日相比，地表溫度的波動性變強，整個六環路地表溫度的最低值，2000年為38.15℃，2010年為40.45℃，增加了2.3℃。北京六環路始建于1998年12月，于2009年9月全線通車，2000年至2010年這十年間正是六環路建設時期，是北京市快速城市化的典型代表工程，由此可見，在城市發展過程中，道路與交通運輸對地表升溫有著密切的影響。

3.1.2 地表溫度空間分布特征

由圖5的地表溫度分布圖中可以看出，2010年與2000年的地表溫度空間分布格局存在一定相似性，高溫集中分布在市中心，并由內向外逐漸降低。其中，市中心由于人口密度大、建筑物密集等原因，成為“熱島”區。西北部由于海拔高、植被密度高等原因，成為“冷島”區，和實際情況相吻合。

高溫區的范圍明顯增加。2000年，地表溫度高溫區主要集中在中心城區以及昌平區中部、房山區東南部、大興區西南部等地區;2010年，地表溫度高溫區的范圍擴大，昌平區東南部、順義區、密云縣南部、通州區、大興區等地都有高溫分布，且城市功能拓展區、發展新區的高溫區增加面積要大于功能核心區與生態涵養發展區。

分別對2000年6月13日和2010年7月6日北京市和城六區的地表溫度做等溫線(圖6)?？梢钥闯?，2010年7月6日較2000年6月13日相比，等溫線分布密集，從而反映出地表溫度分布的不均衡性進一步增加。對于全市而言，高溫中心區2000年分布在房山區東南部、昌平區中部，2010年分布在豐臺區的中部;對于城六區而言，高溫中心區2000年分布在石景山區，2010年分布在豐臺區南部和朝陽區南部，這主要是由于這十年間，豐臺區和朝陽區大力發展房地產業、工業、商業，外來人口增多等原因造成的。

圖5 北京市地表溫度分布Fig.5 The land surface temperature distribution in Beijing

圖6 地表溫度等溫線圖Fig.6 The isothermal variation of Beijing

3.2 地表溫度對城市化進程的響應分析

3.2.1 基于夜間燈光數據的北京城市化分析

本文選取2000年與2010年DMSP/OLS數據中的非輻射定標夜間平均燈光強度數據產品，來表征城市化信息。由圖7和表3可以看出，北京市近年來城市擴張明顯，由建成區向四周擴展，城郊的衛星城，如通州、昌平、亦莊、黃村、良鄉、順義等，以及城鄉結合部等都表現出了明顯的城市化特征;門頭溝區、延慶縣、懷柔區、密云縣等一些遠郊區縣，變化不大。

3.2.2 地表溫度與夜間燈光指數之間的關系分析

將2010年7月6日與2000年6月13日的地表溫度進行相減，得到地表溫度變化圖(圖8)，將這2日的夜間燈光指數進行相減，得到夜間燈光指數變化圖(圖9)。

圖7 北京市夜間燈光指數分布圖Fig.7 The night Lighte index number distribution in Beijing

表3 夜間燈光指數統計Table 3 Statistics result of the DMSP/OLS nighttime light index

從圖8、圖9可以看出:地表溫度變化較大的區域主要集中在昌平東部、順義東南部、平谷南部、通州中南部、大興北部、房山東部、豐臺中部、海淀北部等地區。夜間燈光指數增加較大的區域主要集中在昌平中東部、順義、平谷南部、通州中南部、大興北部、房山東部、豐臺西部、海淀北部等地區。這表明地表溫度增加較大的區域主要是城市化發展較快的區域，兩者在空間分布上基本一致。

采用散點圖方法對地表溫度與夜間燈光指數之間的關系進行定量分析。圖10給出，2000年地表溫度與夜間燈光指數之間的關系和2010年地表溫度與夜間燈光指數之間的關系以及地表溫度變化量與夜間燈光指數變化量之間的關系?？梢钥闯?，隨著夜間燈光指數的升高，地表溫度呈現出明顯的上升趨勢，地表溫度與夜間燈光指數的相關性較高，判定系數 R2分別為0.629與0.724(圖10)，Pearson相關系數分別為0.794和0.851，均在0.01水平上顯著相關。

圖8 地表溫度變化圖像Fig.8 The variation of land surface temperature

圖9 夜間燈光指數變化圖像Fig.9 The variation of night light index number

隨著夜間燈光指數變化量的增大，地表溫度變化量呈現出增加趨勢(圖10)。判定系數R2為0.435，Pearson相關系數為0.660，在0.01水平上顯著相關，說明地表溫度的空間分布與城市空間發展趨勢基本吻合。

圖10 地表溫度與夜間燈光指數之間關系定量分析Fig.10 The quantitative analysis of the relationship between the surface temperature and night light index number

4 結論與展望

北京市近十年來極端高溫發生時地表溫度的時空變化特征及其對城市發展的響應研究表明:

(1)近十年來，北京市極端高溫時地表溫度的最小值、最大值以及平均值均呈現出升高的趨勢;北京市近年來地表溫度空間分布特征發生變化，高溫區的范圍呈現出明顯的增加趨勢，且城市功能拓展區與城市發展新區的高溫區增加面積要高于首都功能核心區與生態涵養發展區;

(2)2000年至2010年間，北京市城市擴張明顯，由建成區向四周擴展;城市擴張對極端高溫條件下的地表溫度時空分布與變化趨勢起著主導與控制作用。因此，應從北京市的整體規劃角度考慮，優化城市用地功能結構，合理進行城市開發與建設，才能有效的緩解和應對極端高溫帶來的危害。

Renferences:

［1］Vincent L A，Peterson T C，Barros V R，Marino M B，Rusticucci M，Carrasco G，Ramirez E，Alves L M，Ambrizzi T，Berlato M A，Grimm A M，Marengo J A，Molion L，Moncunill D F，Rebello E，Anuncia??o Y M T，Quintana J，Santos J L，Baez J，Coronel G，Garcia J，Trebejo I，Bidegain M，Haylock M R，Karoly D.Observed trends in indices of daily temperature extremes in South America 1960—2000.Journal of Climate，2005，18(23):5011-5023.

［2］Mantou M J，Della-Marta P M，Haylock M R，Hennessy K J，Nicholls N，Chambers L E，Collins D A，Daw G，Finet A，Gunawanf D，Inape K，Isobe H，Kestin T S，Lefale P，Leyu CH，Lwin T，Maitrepierre L，Ouprasitwong N，Page CM，Pahalad J，Plummer N，Salinger M J，Suppiah R，Tran V L，Trewin B，Tibig I，Yeer D.Trend in extreme daily rainfall land temperature in southeast Asia and the south Pacific:1961—1998.International Journal of Climatology，2001，21(1):269-284.

［3］Tonkaz T，Cetin M.Effects of urbanization and land-use type on monthly extreme temperatures in a developing semi-arid region，Turkey.Journal of Arid Environment，2007，68(1):143-158.

［4］Bartholy J，Pongrácz R.Regional analysis of extreme temperature and precipitation indices for the Carpathian Basin from 1946 to 2001.Global and Planetary Change，2007，57(1/2):83-95.

［5］Zhao C P，Wang W G，Xing W Q.Regional analysis of extreme temperature indices for the Haihe river basin from 1960 to 2009.Procedia Engineering，2012，28:604-607.

［6］Shi J，Diao Y H，Cui L L.Climatic characteristics of extreme maximum temperature in east China and its causes.Journal of Atmospheric Sciences，2009，33(2):347-358.

［7］Jiang D J，Li Z，Wang K.Temporal and spatial characteristics of extreme temperature events over Shandong province during 1961—2008.Science and Technology Review，2011，29(1):30-35.

［8］Zheng Z F.Characteristics of extreme temperature variation and their response to urbanization in Beijing.Scientia Geographica Sinica，2011，31(4):459-463.

［9］Wang Z Y，Pan A D.Research about summer high temperature influence factor and countermeasure in Guangzhou.Journal of Meteorological Research and Application，2007，28(1):35-40.

［10］Zhang SY，Song Y L，Zhang D K，Wang S R.The climatic characteristics of high temperature and the assessment method in the large cities of Northern China.Acta Geographica Sinica，2004，59(3):383-390.

［11］Croft T A.Burning waste gas in oil fields.Nature，1973，245(5425):375-376.

［12］Zhang Q L，Seto K C.Mapping urbanization dynamics at regional and global scales using multi-temporal DMSP/OLSnighttime light data.Remote Sensing of Environment，2011，115(9):2320-2329.

［13］Zhuo L，Shi P J，Chen J，Ichinose T.Application of compound night light index derived from DMSP/OLSdata to urbanization analysis in China in the 1990s.Acta Geographica Sinica，2003，58(6):893-902.

［14］Ma T，Zhou CH，Pei T，Haynie S，Fan JF.Quantitative estimation of urbanization dynamics using time series of DMSP/OLSnighttime light data:A comparative case study from China's cities.Remote Sensing of Environment，2012，124:99-107.

［15］Wang C P，Wang H W，Li C M，Dong R C.Analysis of the spatial expansion characteristics of major urban agglomerations in China using DMSP/OLSimages.Acta Ecologica Sinica，2012，32(3):942-954.

［16］Bai S B，Chen Y，Wang J.An introduction to nine gridding methods and their application in suffer version 7.0.Computing Techniques for Geophysical and Geochemical Exploration，2002，24(2):157-162.

［17］Sun G R，Ma L，Lu D P，Zhao G R，Hao JL.Investigation on the algorithm of making and filling isoline.Journal of Tianjin University，2000，33(6):816-818.

［18］Peng W F，Zhang L H，He Z W，Yang C J，Zhao J F.Study on response of urban surface temperature to impervious surface Area in the city Chengdu.Remote Sensing Information，2010，(2):98-102.

［19］Chen Y H，Gong A D，Li J.Study of urban thermal environment using remote sensing data based on radiation normalization.Journal of China University of Mining and Technology，2006，35(4):462-467.

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

［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.

［6］史軍，刁一匯，崔林麗.華東極端高溫氣候特征及成因分析.大氣科學，2009，33(2):347-358.

［7］姜德娟，李志，王昆.1961—2008年山東省極端溫度事件時空特征分析.科技導報，2011，29(1):30-35.

［8］鄭祚芳.北京極端氣溫變化特征及其對城市化的響應.地理科學，2011，31(4):459-463.

［9］王志英，潘安定.廣州市夏季高溫影響因素及防御對策研究.氣象研究與應用，2007，28(1):35-40.

［10］張尚印，宋艷玲，張德寬，王守榮.華北主要城市夏季高溫氣候特征及評估方法.地理學報，2004，59(3):383-390.

［13］卓莉，史培軍，陳晉，一之瀬俊明.20世紀90年代中國城市時空變化特征——基于燈光指數CNLI方法的探討.地理學報，2003，58(6):893-902.

［15］王翠平，王豪偉，李春明，董仁才.基于DMSP_OLS影像的我國主要城市群空間擴張特征分析.生態學報，2012，32(3):942-954.

［16］白世彪，陳曄，王建.等值線繪圖軟件SURFER7.0中九種插值法介紹.物探化探計算技術，2002，24(2):157-162.

［17］孫桂茹，馬亮，路登平，趙國瑞，郝嘉林.等值線生成與圖形填充算法.天津大學學報，2000，33(6):816-818.

［18］彭文甫，張樂輝，何政偉，楊存建，趙景峰.成都市地表溫度對不透水面的響應研究.遙感應用，2010，(2):98-102.

［19］陳云浩，宮阿都，李京.基于地表輻射亮溫標準化的城市熱環境遙感研究——以上海市為例.中國礦業大學學報，2006，35(4):462-467.

［20］宋艷，余世孝，李楠，龔友夫.深圳特區表面溫度空間分異特征.生態學報，2007，27(4):1489-1498.

［21］孟丹，李小娟，宮輝力，趙文吉.北京地區熱力景觀格局及典型城市景觀的熱環境效應.生態學報，2010，30(13):3491-3500.