基于MODIS地表溫度的京津冀地區城市熱島時空差異研究

陳彬輝 馮瑤 袁建國 周一敏 趙昕奕

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基于MODIS地表溫度的京津冀地區城市熱島時空差異研究

陳彬輝 馮瑤 袁建國 周一敏 趙昕奕?

北京大學城市與環境學院, 地表過程分析與模擬教育部重點實驗室, 北京100871; ? 通信作者, E-mail: sh-zhao@urban.pku.edu.cn

利用2000, 2005和2010年土地利用數據識別城市和郊區, 基于 2000—2010 年 1, 4, 7, 10 月 MODIS地溫產品探究京津冀地區城市熱島效應的時空差異, 討論城區土地利用對城市熱島效應的影響。結果表明, 京津冀地區城市熱島效應的晝夜、季節特征突出。白天熱島與夜間熱島差異較大, 夜間 92.8%以上的城鎮表現為熱島, 且季節差異小。夏季白天熱島最強, 冬季白天 85%的城市呈現冷島效應。白天水體減弱城市熱島強度, 夜間相反。春、夏季草地增加白天城市熱島強度, 冬季白天為減弱作用, 夜間四季均為增強作用。農田和林地在春、夏、秋季白天減弱城市熱島強度, 冬季白天為增強作用, 夜間四季均為減弱作用。

京津冀; 城市熱島效應; MODIS地溫

城市熱島效應(urban heat island effects, UHI)指相對于其周邊環境, 城市地區的硬化地面對溫度的影響[1]。城市地面由鋼筋、混凝土、瀝青瓷磚等材料構成, 相對于自然地表, 城市地表的不透水層占絕大部分面積, 導致城市的溫度高于周邊環境。研究表明, 城市熱島的增溫效應僅次于未利用地, 遠高于農田、草地等自然覆被[2–3]。Kalnay 等[4]研究表明, 一半的升溫結果是由于土地利用變化所導致, 土地利用變化導致的升溫率達到 0.27℃/100a。Jr Stone[5]研究表明, 美國大城市在 1951—2000 年的50年間, 年代際的熱島效應達到0.05℃, 并且在美國南部和北部熱島效應有所不同。近幾十年來, 城市熱島效應研究在研究區域、研究規模、研究內容、研究深度和研究方法上都有長足的發展[6–10]。在研究區域上, 由中高緯度城市擴展到熱帶城市[11]; 在研究規模上, 由大城市擴展到小城市和小聚落, 由單一城市擴展到城市群[12–13]; 在研究內容上, 不僅關注氣溫場, 還開始探討城市低溫分布的特征和規律[14]; 在研究深度上, 不僅對熱島現象進行研究, 還開始關注熱島造成的后果和次級效 應[15]; 在研究方法上, 數值模擬和遙感技術成為發展趨勢[16–24]。

目前, 不少學者開始關注國內大城市熱島效應。趙娜等[25]利用北京12個臺站的氣候觀測資料研究發現, 1961—2008年北京城市熱島強度增加了1.4℃, 上升幅度為0.29℃/10a。張景哲等[26]分析北京城市氣溫與下墊面結構的關系, 發現綠地、建筑物、水域三要素的相關程度隨著季節和晝夜的變化而變化。劉繼韓[27]提出可以利用城市和郊區的氣溫分布圖, 按城鎮內外, 用加權平均計算熱島強度。張恩潔等[28]研究發現, 深圳的城市熱島呈現明顯的多中心現象, 降水、有風等天氣要素對熱島發展有很大的影響。竇浩洋等[12]利用 2000—2003年珠江三角洲城市群自動氣象站的溫度數據進行空間分析, 統計熱島和冷島出現的頻率, 總結空間分布規律, 并對照土地利用類型圖分析熱島區域與地表覆被的對應關系。黃良美等[29]研究南京市 4 種下墊面的氣溫日變化規律及城市熱島效應, 結果表明, 與水泥地相比, 水體、草地和林地下墊面白天有明顯的降溫效應, 而夜晚林地和水體有輕微的保暖效應。王佳麗等[30]研究了北京地表氣溫的年變化、季節變化以及4個季節的日變化特征。

隨著遙感技術的發展, 基于遙感數據的研究也取得大量的成果。Rigo 等[31]對不同衛星和實地測量的城市地表溫度進行差異分析, 發現MODIS提供的地表溫度與實測的差異小于5%。Zhao 等[32]運用MODIS 地溫數據和模式模擬的方式發現, 在北美洲局地氣候通過改變對流效率來影響城市熱島強度, 在濕潤地區的影響強度為 3±0.3 K, 而干旱地區為–1.5±0.2 K。Pandey等[33]運用MODIS地溫數據研究德里的熱島, 發現夜間熱島全年存在, 而 5—6 月和 10—12 月白天存在冷島, 并且熱島強度與氣溶膠光學厚度負相關。

京津冀作為我國經濟發展的第三極, 正在進行大規模的城市化, 并向一體化發展。1990—2008年期間, 京津冀都市圈城鎮擴展明顯, 18年間, 城鎮用地面積由 1990 年的 1.17 萬 km2增長到2008 年的 1.57 萬 km2, 凈增加4022.37 km2, 城鎮擴展平均速率為每年1.91%[34]。

以往研究都是以單個城市或不同氣候區的多個城市作為研究對象, 較少選擇一個區域的多個城市運用 MODIS 地溫數據(LST)進行區域研究。本文選擇經濟發展迅速的京津冀地區作為研究區域, 利用土地覆被數據和MODIS地溫數據, 分析京津冀地區城市熱島的時空差異。

1 數據和方法

1.1 數據來源

本文使用的數據包括 MODIS 8 天平均地溫產品和土地覆被數據。地表溫度數據為NASA Earth Data提供的2000年1月至2012年12月MODIS 8天平均地溫產品(https://lpdaac.usgs.gov/prod-ucts/modis_products_table/mod11a2), 該產品包括夜間地溫和白天地溫, 其傳感器搭載在Terra衛星上, 過境時間為當地太陽時的 10:30 和 22:30, 空間分辨率為 1 km。土地覆被數據來源于全國生態環境十年變化(2000—2010 年)遙感調查與評估項目提供的京津冀地區2000, 2005 和 2010 年土地覆被數據, 空間分辨率為 30 m。土地覆被分類系統分為兩級: 一級為 IPCC 土地覆被類型; 二級基于碳收支的LCCS 土地覆被類型。土地覆被系統中, 一級為 6 類: 林地、草地、水體、農田、人工地表和其他。其他指一年最大植被覆蓋度小于 20%的地表和冰雪, 人工地表包括居住地、交通用地、工業用地和采礦場。

1.2 研究方法

由于京津冀地區采礦場少且離城鎮遠, 因此將居住地、交通用地和工業用地這三類人工地表定義為城市用地類型, 判斷是否城市區的基礎條件是至少有3 km×3 km的網格為城市用地類型, 確定主體后, 以該主體區域為中心點, 向外擴展, 若以上三類用地與該區域相連接, 則判定為城市區域。在城市區域的基礎上向外擴展出與城市面積相等的區域作為郊區(圖 1)。基于此算法, 分別確定 2000, 2005和2010年的城郊區域。

定義城市熱島強度為城市區域地溫平均值與郊區地溫平均值之差:

其中UHI為城市熱島強度, LSTu為城市區域地表溫度平均值, LSTs為對應郊區地表溫度平均值。同時選擇 2000—2002年、2003—2007 年、2008—2012年1, 4, 7, 10 月平均白天地溫和平均夜間地溫分別代表 2000, 2005和2010 年京津冀地區冬、春、夏、秋季的白天地溫和夜間地溫, 利用城區和郊區的識別方法, 計算城區范圍內的地溫平均值和郊區范圍內的地溫平均值, 其差值為城郊溫度差, 即城市熱島。

2 結果分析

依據本文的定義, 2000, 2005 和 2010 年京津冀地區分別有 56, 60 和 72 個城鎮, 城鎮的面積分別為 4497.5, 6698.2 和 8965.0 km2, 分別占京津冀土地總面積的 2.09%, 3.11%和 4.16%, 每 5 年增長 1個百分點。

2.1 研究區域平均熱島特征

京津冀地區基于地溫的平均熱島強度如圖 2 所示。可以看出, 白天地溫熱島與夜間地溫熱島呈現不同的特征: 冬、春季夜間大于白天, 夏季相反, 秋季則無明顯晝夜特征。夏季和冬季的熱島晝夜差異明顯大于春秋兩季。白天熱島各季節差異巨大, 夏季熱島最強可達2.53℃, 春秋次之, 而冬季存在冷島現象(UHI<0); 各季節夜間熱島差異較小, 強度均在1~1.6℃之間, 呈現出冬季最強而春季次之、秋季再次、夏季最弱的特點。

2.2 研究區熱島的級別特征

將所有熱島值從大到小排序, 并將其分為熱島(>0℃)和冷島(<0℃), 定義熱島的前 20%為三級熱島(>1.5℃), 中間60%為二級熱島(0.5~1.5℃), 后20%為一級熱島(<0.5℃), 分為3個等級。

從圖3可以看出, 各季節白天熱島所占比例差異較大, 大部分城市在冬季白天出現冷島現象(3個年份出現冷島的城鎮所占比例分別為 85.7%, 85.0%和 90.3%), 只有少部分為熱島, 主要出現在邯鄲市周圍以及渤海灣周圍幾個面積較小的城鎮。冬季白天出現冷島的原因可能是城市周邊被農田環繞, 冬季農田沒有植被, 土壤裸露, 反照率較低, 而且土壤含水量較低, 白天受太陽照射時, 農田的地表溫度迅速升高, 高于城區地表溫度, 從而出現冷島的現象。夏季白天所有城鎮均存在熱島, 且三級熱島的數量和比例都在增長, 分別為 23 (41.1%), 30 (50.0%)和 37 (51.4%), 呈現出上升趨勢, 且分布上有所改變。2000 年三級熱島主要分布在北京市、天津市以及河北南部城鎮, 2010年三級熱島主要分布在渤海灣附近。各個時段各個季節夜間出現熱島的城鎮比例均在92.8%以上, 2000—2010 年 4 個季節二級熱島城鎮所占比例均呈現上升趨勢, 其中冬季和春季增長明顯, 分別為13.0%和38.9%, 而冬季和春季一級熱島的比例分別下降13.1%和38.5%, 冷島主要分布在渤海灣附近。

2.3 城區土地覆被對UHI的影響

劃分出的城區中包括水體、草地等多種土地類型, 這部分與人工地表差異巨大, 對城市熱島有一定的作用。將這部分土地覆被分別剔除, 重新計算UHI, 與未剔除對比, 得出各種土地覆被對UHI的影響強度(表 1), 其中負值表示該土地覆被減弱城市熱島, 正值相反。

2.3.1 水體對UHI的影響

將城鎮中水體剔除后計算新的城市熱島, 與未剔除時對比, 有72個城鎮包含水體, 面積占城鎮面積的0.50%~23.91%。去除這部分后, 計算其平均ΔUHI, 發現各個季節白天水體均減弱 UHI, 其中冬、春季節效果較為明顯。各個季節夜間水體對城市熱島為保持作用, 其強度均在0.01℃左右。

表1 不同覆被對城市熱島的影響強度

2.3.2 草地對UHI的影響

有 93 個城鎮包含草地, 面積占城鎮面積的0.50%~13.85%。計算剔除后與剔除前的差異, 發現草地在春、夏季白天對城市熱島有增強作用, 而秋季白天作用不明顯, 冬季則是減弱作用。各個季節草地對夜間城市熱島均表現為增強作用, 且季節差異較小。

2.3.3 林地對UHI的影響

有 63 個城鎮包含林地, 面積占城鎮面積的0.26%~11.11%。運用同樣的方法計算平均 ΔUHI, 發現林地在春、夏、秋季白天對于城市熱島有減弱作用, 夏季減弱作用最強, 而春、秋減弱效果接近。冬季白天林地對城市熱島有增強效果。夜間林地減弱城市熱島, 春、夏季較為明顯, 而秋、冬季影響較小。

2.3.4 農田對UHI的影響

171個城鎮包含農田, 面積占城鎮面積的1.09%~35.54%。春、夏、秋季白天, 農田對城市熱島有減弱作用, 其中夏季作用最強, 減弱0.108℃, 而春、秋季減弱幅度均在0.01℃左右。冬季農田對城市熱島具有增強作用,增強幅度達0.109℃。各個季節農田對夜間城市熱島強度具有減弱作用, 冬季減弱效果最強, 而夏季最弱。

2.3.5 水體、草地、林地、農田對城市熱島的綜合影響

剔除城市中其他覆被, 只將居住地、工業用地和交通用地的地溫用于計算 LSTu, 與未剔除的情況做對比(表 2, 負值表示減弱作用, 正值相反), 發現白天其他覆被類型對春、夏、秋季熱島有減弱作用, 其中夏季效果最明顯, 而對冬季白天熱島有增強作用。夜間其他覆被類型對4個季節的熱島均為減弱作用, 冬季效果最好而夏季最差。

表2 4種土地覆被的綜合影響

3 結論

1) 京津冀冬、春季夜間熱島強于白天, 而夏季相反, 冬季晝夜差異最大可達 2.5℃以上, 夏季次之, 在 1.34~1.53℃之間, 春季和秋季再次。各季節白天熱島差異大, 夏季最強, 冬季最弱, 為冷島。各季節夜間熱島差異小, 均在 1℃左右, 冬季最強, 春秋次之, 夏季最弱。

2) 85%以上的城鎮冬季白天出現冷島, 而夏季白天所有城鎮均為熱島, 且 2000—2010 年呈三級熱島的城鎮數量和比例都在上升。各個時段各個季節夜間出現熱島的城鎮比例均在 92.8%以上, 且2000—2010 年冬、春季一級熱島城鎮比例下降明顯, 二級熱島城鎮比例上升明顯。

3) 各個季節白天, 水體對城市熱島有減弱作用, 而夜間為增強作用; 草地在春、夏季白天對城市熱島有增強作用, 秋季白天作用不明顯, 冬季白天是減弱作用, 夜間則均呈增強作用。林地春、夏、秋季白天對于城市熱島有減弱作用, 冬季白天為增強效果。夜間林地對于城市熱島為減弱作用, 夏季最為明顯, 春季次之, 秋、冬季影響小。農田在春、夏、秋季白天對城市熱島有減弱作用, 而在冬季白天為增強作用, 夜間均表現為減弱作用。4 種土地覆被對城市熱島的綜合作用為春、夏、秋季白天和四季夜間為減弱作用, 而冬季白天為增強作用。

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Spatiotemporal Difference of Urban Heat Island in Jing-Jin-Ji Area Based on MODIS Land Surface Temperature

CHEN Binhui, FENG Yao, YUAN Jianguo, ZHOU Yimin, ZHAO Xinyi?

College of Urban and Environmental Sciences, Laboratory for Earth Surface Processes (MOE), Peking University, Beijing 100871; ? Corresponding author, E-mail: sh-zhao@urban.pku.edu.cn

Utilizing land cover change(LCC) information together with MODIS land surface temperature in Jing-Jin-Ji area in 2000, 2005 and 2010, spatiotemporal difference of urban heat island (UHI) effects and the factors influenced UHI is explored. Results reveal that the seasonal fluctuations of daytime UHI is bigger than that of nighttime UHI. More than 92.8% of the urban have UHI in the nighttime every season. The strongest daytime UHI happens in summer, but more than 85% of the cities have urban cooling effect in winter. The nighttime UHI in different seasons appear to be similar. The water in urban has different influence to UHI in daytime and nighttime which is to weaken the UHI and to enhance the UHI. The grass in urban enhance the UHI in the daytime of spring and summer and in the nighttime of all seasons but weaken the UHI in the daytime of winter. The forest and the crop land in the urban have the same effect which are weaken the UHI in the daytime of spring, summer and autumn and in the nighttime of all seasons but enhance the UHI in the daytime of winter.

Jing-Jin-Ji; urban heat island; MODIS LST

10.13209/j.0479-8023.2016.104

P423

國家自然科學基金(41471073)資助

2015-05-19;

2015-07-14;

網絡出版日期: 2016-11-05