基于MODIS的貴陽城市熱島時空特征分析

羅陽歡，白 慧，帥士章，李 霄，丁立國

(1.貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002；2.貴州省山地環(huán)境氣候研究所，貴州 貴陽 550002)

0 引言

城市熱島效應(yīng)是指城市發(fā)展到一定規(guī)模時，受城市下墊面性質(zhì)改變、人為熱排放以及大氣污染等因素的影響，城市內(nèi)部氣溫明顯高于周圍郊區(qū)氣溫的現(xiàn)象[1-2]。隨著城市的快速發(fā)展，人類活動加劇，能源消費量增多，城市熱島現(xiàn)象不斷加劇，對人類生產(chǎn)生活的影響越來越顯著，引起了國內(nèi)外各領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的廣泛關(guān)注。

作為一種城市氣候問題，國內(nèi)外學(xué)者對熱島效應(yīng)進(jìn)行了大量的研究分析。王曉默等[3]利用1981—2010年濟(jì)寧及周邊郊區(qū)3縣氣象臺站的氣溫資料研究分析了濟(jì)寧城區(qū)、郊區(qū)的氣溫變化趨勢和特點，并探討了城市化發(fā)展對濟(jì)寧城郊溫度的影響。張立杰等[4]利用103個自動站氣溫觀測資料，對深圳的城市熱島現(xiàn)象進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)高速的城市化進(jìn)程造成自動站周邊下墊面屬性的變化,對氣溫造成了顯著影響。尚建設(shè)等[5]利用2012—2014年濟(jì)南市自動氣象站氣溫數(shù)據(jù)分析濟(jì)南市夏季城市熱島效應(yīng)時空分布特征，發(fā)現(xiàn)濟(jì)南市夏季城市熱島效應(yīng)顯著，熱島強(qiáng)度由市區(qū)向四周輻射。裔傳祥等[6]利用遙感數(shù)據(jù)分析了土地利用覆蓋類型對城市熱島效應(yīng)的影響，結(jié)果表明城市用地是城市熱島的主要貢獻(xiàn)因素，而最能緩解城市熱島效應(yīng)的是林地。葉駿菲等[7]利用遙感數(shù)據(jù)對南寧市四季及晝夜的地表溫度、熱場強(qiáng)度和熱島強(qiáng)度進(jìn)行計算，研究城市熱島的水平空間分布、四季演變及晝夜變化特征，發(fā)現(xiàn)白天高溫區(qū)域分散于城市的南北兩側(cè)，夜晚集中于市中心，白天熱島強(qiáng)度明顯大于晚上。陳燕等[8]利用一個三維非靜力區(qū)域邊界層數(shù)值模式，對杭州地區(qū)城市熱島現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果和實測結(jié)果吻合得較好。宋迅殊等[9]采用中尺度天氣模式WRF，對穩(wěn)定天氣過程下的蘇州地區(qū)城市熱島效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并分析了城市化導(dǎo)致的城市下墊面變化對城市氣象環(huán)境的影響。

綜合上述可發(fā)現(xiàn)，目前對于城市熱島的研究方法主要包括常規(guī)氣象觀測法、衛(wèi)星遙感監(jiān)測以及數(shù)值模擬法。3種方法各有利弊，傳統(tǒng)的氣象觀測法基于氣象站點或自動氣象站氣溫觀測資料數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，雖然具有時間連續(xù)性強(qiáng)的優(yōu)點，但以點帶面，空間代表性具有一定的局限，且站點受下墊面的影響。衛(wèi)星遙感監(jiān)測方法具有時相多、范圍廣、空間上的連續(xù)性好、空間分辨率高等優(yōu)點，基本克服了傳統(tǒng)方法的缺陷，但反演結(jié)果受天氣條件影響。邊界層數(shù)值模擬法可定量化地分析城市下墊面能量平衡與能量交換以及溫度場的基本特征，但模擬城市熱島研究一般側(cè)重于單純的城市大氣環(huán)境問題，內(nèi)容局限于對城市內(nèi)外近地層氣象要素的比較分析，后期模擬也僅在數(shù)百米至數(shù)千米的尺度范圍，且受限于近地面非均一下墊面的復(fù)雜性和資料的不完整性，數(shù)值模擬并不完善[10]。

由于目前關(guān)于貴陽的熱島研究較少，且沒有長時間序列的遙感資料分析研究，因此，本文充分考慮各種研究方法的利弊，利用連續(xù)的、多時相的遙感地表溫度資料(2003—2019年的MYD11A2數(shù)據(jù))，對貴陽地表溫度和熱島強(qiáng)度進(jìn)行研究，并從多個時間尺度對貴陽城市熱島效應(yīng)的分布特征和演變規(guī)律進(jìn)行探討，以期增加對貴陽城市熱島效應(yīng)的認(rèn)識，為貴陽城市規(guī)劃及城市生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供更科學(xué)的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

貴陽市地處貴州省中部，位于26°11′～26°55′N，106°07′～107°17′E之間，是西南地區(qū)重要的中心城市，全國重要的生態(tài)休閑度假旅游城市。該市下轄6區(qū)3縣1市，其中南明、云巖為主城區(qū)。由于城市熱島效應(yīng)受城市下墊面影響，因此，在進(jìn)行熱島分析時需參照城市下墊面變化情況進(jìn)行對比分析。貴陽市2010年、2015年和2018年的土地利用現(xiàn)狀如圖1所示，該數(shù)據(jù)來源于地理國情監(jiān)測云平臺，是以Landsat TM/ETM/OLI遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，經(jīng)過影像融合、幾何校正、圖像增強(qiáng)與拼接等處理后，通過人機(jī)交互目視解譯的方法獲得的土地利用數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

圖1 貴陽市土地利用變化圖Fig.1 Land use changed maps of Guiyang

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源和處理

使用遙感數(shù)據(jù)為NASA提供的貴陽市2003—2019年782幅MYD11A2遙感影像。MYD11A2遙感影像是1 km地表溫度/反射率8 d合成的MODIS AQUA L3級產(chǎn)品。通過MODIS重投影工具M(jìn)RT (MODIS Reprojection Tool)對原始影像數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、重投影等預(yù)處理，并提取LST_Day_1km(白天地表溫度)和LST_Night_1km(夜晚地表溫度)兩個數(shù)據(jù)集，用于晝夜城市熱島效應(yīng)分析。利用GIS和RS技術(shù)對預(yù)處理后的MYD11A2數(shù)據(jù)集進(jìn)行貴陽市邊界裁剪，并篩選出有效DN值比例大于70%的遙感影像進(jìn)行地表溫度計算，計算公式如下：

TLST=0.02DN-273.15

式中：TLST為像元地表溫度；DN為像元亮度值。

為有效減少地表溫度計算的誤差，本文采用周甜甜[1]研究中的處理方法，對篩選出的多幅遙感影像同一區(qū)域的各個像元值進(jìn)行平均值計算，從而獲得不同時間尺度的地表溫度。運算中無效值不參與運算，可有效減小因為個別影像有缺測而產(chǎn)生的誤差，提高研究結(jié)果的可靠性。

2.2 研究方法

為消除不同時相城市熱島強(qiáng)度的差異，進(jìn)行區(qū)域量化分析，采用武文昊等[11]、李曉敏等[12]研究方法中的局地?zé)釐u強(qiáng)度公式進(jìn)行城市熱島強(qiáng)度計算，并從年代際、年際、季節(jié)及日變化4個方面進(jìn)行對比分析。采用氣象學(xué)上的季節(jié)劃分:3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月—翌年2月為冬季。局地?zé)釐u強(qiáng)度公式將研究區(qū)的平均地表溫度作為標(biāo)準(zhǔn)代入計算以反映研究區(qū)每一像元的熱島強(qiáng)度，具體計算公式為：

式中，TUHI為研究區(qū)某一像元城市熱島強(qiáng)度；Ti為研究區(qū)某一像元地表溫度；Tmean為研究區(qū)平均地表溫度。根據(jù)計算結(jié)果以及研究區(qū)實際情況，對城市熱島強(qiáng)度進(jìn)行等級劃分[11-14]，劃分標(biāo)準(zhǔn)如下：

TUHI≤0、00.2分別對應(yīng)熱島等級無、弱、較弱、中、較強(qiáng)、強(qiáng)。

3 結(jié)果與分析

3.1 城市熱島年代際、年際變化

根據(jù)以上研究方法，對貴陽市2003—2019年的年平均地表溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行熱島強(qiáng)度計算，并按照城市熱島等級劃分標(biāo)準(zhǔn)對研究區(qū)城市熱島強(qiáng)度進(jìn)行劃分。結(jié)合RS和GIS技術(shù)對研究區(qū)各等級熱島區(qū)域面積進(jìn)行統(tǒng)計，獲得貴陽市2003—2019年的年均中熱島以上區(qū)域面積比例，結(jié)果如圖2所示。

圖2 2013—2019年中熱島以上區(qū)域面積比例Fig.2 Proportion of area above middle heat island from 2013 to 2019

由圖2可知，2003—2019年貴陽市中熱島以上區(qū)域面積總體上呈現(xiàn)增加的趨勢，大致以0.158 4的增長率逐年增加。為深入研究貴陽城市熱島強(qiáng)度的年代際變化，對2003—2019年中熱島以上區(qū)域面積比例結(jié)果進(jìn)行M-K檢驗(圖3)，M-K檢驗中UF為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，它是按時間序列順序計算出的統(tǒng)計量序列，UB為時間序列的逆序。通過分析統(tǒng)計序列UF和UB可以進(jìn)一步分析時間序列的趨勢變化，而且可以明確突變的時間。若UF值大于0，則表示序列呈上升趨勢；小于0則表示呈下降趨勢；當(dāng)超過臨界直線時，表示上升或下降趨勢顯著。

圖3 貴陽市2003—2019年中熱島以上區(qū)域面積M—K統(tǒng)計量曲線Fig.3 Mann Kendall statistical curve of area above middle heat island in Guiyang from 2003 to 2019

如果UF和UB兩條曲線出現(xiàn)交點，則這些交點即為該時間序列的突變點。由UF曲線可見，自2003年以來，貴陽市熱島強(qiáng)度有明顯的增強(qiáng)趨勢。2010—2019年增強(qiáng)趨勢大大超過顯著性水平0.05臨界線，甚至超過0.001顯著性水平(U0.001=2.56)，表明貴陽的熱島強(qiáng)度上升趨勢十分顯著。根據(jù)UF和UB曲線交點的位置，確定貴陽熱島強(qiáng)度2012年前后的增強(qiáng)是一突變現(xiàn)象，具體是從2012年開始的，由此可見，近幾年貴陽市城市熱島效應(yīng)有所增強(qiáng)。

對突變前后的貴陽市城市熱島強(qiáng)度進(jìn)行計算，結(jié)果如圖4，可知，2012年前貴陽市城市熱島效應(yīng)較弱，不存在強(qiáng)熱島區(qū)，較強(qiáng)熱島僅存在于南明和云巖兩區(qū)；2012年之后，貴陽市城市熱島效應(yīng)增強(qiáng)，中熱島以上區(qū)域面積擴(kuò)大，且在南明和云巖兩區(qū)出現(xiàn)了強(qiáng)熱島區(qū)。

圖4 2003—2011年(a)和2012—2019年(b)貴陽市城市熱島強(qiáng)度Fig.4 Urban heat island intensity of Guiyang from 2003 to 2011(a) and 2012 to 2019(b)

為深入研究貴陽市2003—2019年城市熱島年際變化，對2003—2019年貴陽市中熱島以上區(qū)域面積比例做標(biāo)準(zhǔn)化研究，結(jié)果如圖5。由圖可發(fā)現(xiàn)，貴陽市2003、2004、2005、2008年城市熱島強(qiáng)度中熱島以上區(qū)域面積低于1倍標(biāo)準(zhǔn)差，為熱島強(qiáng)度偏弱年，2016—2019年高于1倍標(biāo)準(zhǔn)差，為熱島強(qiáng)度偏強(qiáng)年。

圖5 2003—2019年貴陽市中熱島以上區(qū)域面積比例標(biāo)準(zhǔn)化時間序列Fig.5 Standardized time series of area proportion above middle heat island in Guiyang from 2003 to 2019

分別對所有熱島偏弱年和偏強(qiáng)年的熱島強(qiáng)度進(jìn)行空間化處理，結(jié)果如圖6所示，由圖可知，偏弱年和偏強(qiáng)年的熱島強(qiáng)度空間分布與突變前后的空間分布相似，熱島區(qū)均主要集中在南明和云巖兩主城區(qū)。對偏弱年和偏強(qiáng)年的熱島等級進(jìn)行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)(表1)，偏弱年和偏強(qiáng)年的熱島區(qū)面積比例整體變化不大，但偏強(qiáng)年相比偏弱年弱熱島區(qū)面積比例變小，其他熱島等級增加。

圖6 貴陽市熱島偏弱年(a)和偏強(qiáng)年(b)熱島強(qiáng)度Fig.6 Heat island intensity in weak(a) and strong(b) years of Guiyang

表1 貴陽市熱島偏弱年和偏強(qiáng)年各等級熱島面積比例(單位：%)Tab.1 Proportion of heat island area of different grades in weak and strong years of Guiyang(unit：%)

3.2 城市熱島季節(jié)變化

根據(jù)貴陽市城市熱島效應(yīng)的年際變化情況，選擇貴陽市城市熱島顯著增強(qiáng)的2012—2019年為代表，按照氣象學(xué)季節(jié)劃分，進(jìn)行貴陽市城市熱島效應(yīng)季節(jié)分析。經(jīng)篩選冬季夜晚地表溫度有效數(shù)據(jù)較少，無法準(zhǔn)確地反映城市熱島的分布狀況[15]。因此以下季節(jié)變化討論僅以白天為代表，結(jié)果如圖7所示。

圖7 2012—2019年貴陽市四季城市熱島強(qiáng)度Fig.7 Urban heat island intensity of Guiyang in four seasons from 2012 to 2019

由圖7可知，貴陽市中熱島以上等級區(qū)域在秋、冬季分布較分散，而在春、夏季分布較為集中，但均圍繞主城區(qū)分布。為更好的分析各季節(jié)熱島強(qiáng)弱情況，對貴陽市各個季節(jié)不同等級熱島區(qū)面積比例進(jìn)行統(tǒng)計分析(表2)發(fā)現(xiàn)，四季熱島區(qū)面積占比相差不大，中熱島以上區(qū)域面積占比春、夏季較多，分別為4.60%和5.86%，冬季稍小，為4.16%，秋季最少，為3.33%。由此可見，貴陽市城市熱島效應(yīng)夏季較強(qiáng)，其次是春季和冬季，秋季最弱。

表2 貴陽市四季各等級熱島面積比例(單位：%)Tab.2 Proportion of heat island area of different grades in Guiyang in four seasons(unit：%)

3.3 城市熱島日變化

以貴陽市2012—2019年白天、夜晚地表溫度數(shù)據(jù)為代表，計算貴陽市白天、夜晚城市熱島強(qiáng)度，并進(jìn)行城市熱島強(qiáng)度分級，以表征貴陽市城市熱島效應(yīng)晝夜變化，結(jié)果如圖8所示。

圖8 2012—2019年貴陽市晝夜城市熱島強(qiáng)度Fig.8 Urban heat island intensity during daytime and nighttime in Guiyang from 2012 to 2019

由圖8可發(fā)現(xiàn)，貴陽市白天較強(qiáng)熱島及強(qiáng)熱島區(qū)域相比于夜晚分布較分散，熱島強(qiáng)度由主城區(qū)向四周輻射；而貴陽市夜晚出現(xiàn)兩個強(qiáng)熱島區(qū)，分別在南明、云巖兩區(qū)和貴陽市東北角，結(jié)合貴陽市下墊面實際情況(圖1)發(fā)現(xiàn)，貴陽市東北角出現(xiàn)的熱島區(qū)位置為清水河，夜間水溫高于周圍地面，因此，此區(qū)域并非城市熱島，而僅為地溫高的地區(qū)。綜合考慮城市下墊面情況發(fā)現(xiàn)，夜晚較強(qiáng)熱島及強(qiáng)熱島區(qū)域分布較白天更為集中，主要分布在南明和云巖兩區(qū)，且強(qiáng)熱島區(qū)域面積比重較大。由此可見，貴陽市夜晚城市熱島效應(yīng)稍強(qiáng)于白天。

4 結(jié)論

本文基于2003—2019年MODIS地表溫度數(shù)據(jù)，利用3S技術(shù)及局地?zé)釐u強(qiáng)度公式對貴陽市城市熱島強(qiáng)度進(jìn)行計算及分級，并從年際、季節(jié)及日變化等方面對貴陽市城市熱島效應(yīng)的時空變化特征進(jìn)行分析。研究主要結(jié)論如下：

①2003—2019年貴陽市城市熱島效應(yīng)總體呈現(xiàn)增加的趨勢，中熱島以上區(qū)域面積大致以0.158 4的增長率逐年增加。由M-K檢驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，貴陽市城市熱島強(qiáng)度在2012年前后產(chǎn)生增強(qiáng)突變現(xiàn)象，2012年之后城市熱島效應(yīng)明顯增強(qiáng)。2012年以前，貴陽市不存在強(qiáng)熱島區(qū)，較強(qiáng)熱島僅存在于南明和云巖兩區(qū)；2012年之后，貴陽市南明和云巖兩區(qū)出現(xiàn)了強(qiáng)熱島區(qū)，且中熱島以上區(qū)域面積擴(kuò)大。

②貴陽市2003、2004、2005、2008年城市熱島強(qiáng)度中熱島以上區(qū)域面積低于1倍標(biāo)準(zhǔn)差，為熱島強(qiáng)度偏弱年，2016—2019年高于1倍標(biāo)準(zhǔn)差，為熱島強(qiáng)度偏強(qiáng)年。偏弱年和偏強(qiáng)年的熱島強(qiáng)度空間分布與突變前后的空間分布相似，熱島區(qū)均主要集中在南明和云巖兩主城區(qū)。對偏弱年和偏強(qiáng)年的熱島等級進(jìn)行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，偏弱年和偏強(qiáng)年的熱島區(qū)面積比例整體變化不大，但偏強(qiáng)年相比于偏弱年弱熱島區(qū)面積比例變小，其他熱島等級增加。

③貴陽市城市熱島效應(yīng)夏季較強(qiáng)，其次是春季和冬季，秋季最弱。就空間分布而言，貴陽市城市熱島區(qū)在秋、冬季分布較分散，而在春、夏季分布較為集中。四季熱島區(qū)面積占比相差不大，中熱島以上區(qū)域面積占比春、夏季較多，分別為4.60%和5.86%，冬季稍小，為4.16%，秋季最少，為3.33%。

④貴陽市城市熱島效應(yīng)夜晚強(qiáng)于白天。貴陽市白天較強(qiáng)熱島及以上區(qū)域相對于夜晚分布較分散，熱島強(qiáng)度由南明、云巖兩區(qū)向四周輻射，而貴陽市夜晚分布較白天更為集中，主要分布在南明和云巖兩區(qū)，且強(qiáng)熱島區(qū)域面積比重較大。