氣溶膠光學厚度和不透水地表覆蓋度對城市熱島強度的影響
——以關中地區為例

張 秀,王旭紅,*,鄭玉蓉,崔思穎,楊 霞,蔣子琪

1 西北大學城市與環境學院,西安 710127 2 陜西省地表系統與環境承載力重點實驗室,西安 710127 3 陜西西安城市生態系統定位觀測研究站,西安 710127

城市熱島效應(Urban heat island effect, UHI)是指城市地區溫度比周圍郊區溫度高的現象,由人類活動導致的城市氣候環境變化[1]和城市化快速發展而引起的城市生態環境效應[2]。城市熱島增加了空氣制冷、供暖等所帶來的燃料燃燒和能源消耗[3]。此外,城市熱島是城市空氣污染的主要貢獻者[4],會使城市局地氣候環境變得更為嚴峻。有研究表明,城市熱島與熱浪之間的協同作用會增加城市的熱風險[5-6],過熱的室外環境會威脅到人類身體健康與居住環境的舒適性[7- 9],研究城市熱島效應時空變化規律及其影響因子對于制定緩解城市熱島效應的措施具有重要作用。

由于城市熱島為城市帶來諸多的負面影響,城市熱島及其影響因子的研究已成為20世紀以來的多領域多學科關注的熱點。城市熱島形成的原因大概分為兩種：一是社會原因,主要包括人口規模、交通、建筑物以及GDP等；二是自然原因,主要有土地利用類型、風速風向、濕度和大氣中的懸浮顆粒物等。國內外學者對這兩大驅動因素都已做了深入研究,例如社會經濟因素中的人口規模與GDP的增長是UHI加劇的主要社會因素[10],人類的生產、生活活動以及交通所排放的人為熱會促進城市內部氣溫向高值區發展[11-12]。此外,建筑高度和建筑密度的增加會導致城市熱島強度的增加[13-14]。在自然原因中,不同的土地利用類型對UHI影響是有差異的,植被和水體都能起到調節城市局地氣候的作用,減輕城市熱島效應[15- 17]；不透水地表與裸土因反照率小,吸熱快,對城市熱島效應有促進作用[18-19],特別是不透水地表與夜間UHI有顯著正相關[20]。此外,已有研究表明局地氣候因素也會影響城市熱島,其中炎熱潮濕的氣候會放大城市熱島效應[21],潛熱和顯熱亦會對城市熱島造成影響[22]。Ngarambe[23]通過回歸分析和方差分析檢驗,發現大氣中的CO,NO2,SO2等與UHI呈正相關,表明大氣污染的加重也會導致城市熱島效應的加劇。然而,大氣中氣溶膠濃度對城市熱島強度的正負影響還未達成一致性的研究結論。有學者認為氣溶膠顆粒物濃度與城市熱島強度之間存在顯著正相關[24-25],大氣中的氣溶膠阻擋了空氣的垂直與平行流動,使得城市內部熱量擴散較弱,起到了保溫的作用。另有研究表明氣溶膠與UHI呈負相關[26-27],氣溶膠吸收和散射太陽短波輻射,使到達地面的輻射減少,進而導致地面降溫。綜上研究,目前對由城鄉ΔAOD輻射效應而導致城市內地表溫度變化以及城鄉ΔAOD對城市熱島強度貢獻的定量研究仍然較少,對城鄉ΔAOD與UHI的相互關系仍需深入研究和分析。

關中地區因特殊地形阻礙,大氣顆粒物擴散不暢,霧霾污染甚為嚴重,城市化進程中的城市熱島效應與氣溶膠光學厚度和不透水地表覆蓋度的關系還未得到深入的研究和分析。因此,本文利用熱島足跡、局部G*指數空間自相關分析、Pearson相關分析和AOD定量歸因分析等方法來探究關中地區城市熱島效應的時空變化,以及氣溶膠濃度變化和不透水地表擴張對城市熱島效應的影響,這對緩解關中城市群城市熱島效應,建設生態型城市具有重要意義,并為城市未來發展規劃提供必要的理論依據。

1 數據來源與預處理

1.1 研究區概況

關中地區是陜西省的政治、經濟、文化中心,從古至今都具有極其重要的政治、經濟、軍事地位。地處陜西省中部,北臨黃土高原,南靠秦嶺,總面積為55386km2,轄西安、寶雞、咸陽、渭南、銅川、楊凌5市1區(圖1)。氣候屬于暖溫帶季風氣候,夏季高溫多雨,冬季溫和少雨,年降水量達604mm,降水主要集中于夏秋兩季,年平均氣溫為12—13.6℃。 2018年底常住人口為2448.15萬人,國民生產總值達15237.60億元,占陜西省的62.35%,城市化率達58.13%。其中,西安市是重點建設的國家級中心城市之一,連接著我國東西兩大經濟區,是西北地區最大的城市,具有不可替代的經濟地位。同時,西安市是一帶一路的重要節點城市,因其優越的地理位置,在全球化經濟發展中具有重要的戰略地位。

由于渭南、銅川城區面積過小,城市熱島效應不明顯,熱島足跡不易劃分,故不做研究,本文著重研究西安、咸陽和寶雞市城區的城市熱島效應、AOD和白天/夜晚LST冷熱點分布規律,ISP、城鄉ΔAOD與城市熱島強度關系以及城鄉ΔAOD對城市熱島強度的貢獻度。

圖1 研究區示意圖Fig.1 Schematic diagram of study area

1.2 數據來源

城市熱島效應一般可用氣溫和地溫表示[28],本文僅選取白天/夜晚地表溫度(LST)來研究近20年來關中地區城市群的熱島時空分布規律,主要研究時段為2000年、2005年、2010年、2015年和2018年。地表溫度LST選用分辨率為1km的8天合成產品MOD11A2,其白天與夜晚的地溫由通道31與32劈窗算法[29]反演得到,其反演精度達到1K[30]。MOD11A2數據需要在MRT中進行批量投影與拼接,然后對缺省值和無效值進行剔除,將DN值轉換為真實地溫值,轉換公式為：

T=0.02×DN-273.15

(1)

式中,T為地表真實溫度(℃),DN值為其像元灰度值,0.02為頭文件中的輻射縮放比例。

氣溶膠光學厚度(AOD)是大氣氣溶膠重要的光學特性參數,是表征大氣氣溶膠含量及大氣渾濁度的重要物理量[31],本文采用MOD04_3K產品中的“Optical_Depth_Land_And_Ocean”數據集,它是基于暗像元算法得出的全球氣溶膠日產品。MODIS產品獲取的軌道號為H26V5和H27V5。

人工不透水地表面積數據和建成區邊界數據從宮鵬研究團隊的全球人工不透水區域(GAIA)和全球建成區邊界(GUB)數據成果中下載(http://data.ess.tsinghua.edu.cn)。GAIA是基于GEE平臺繪制而成,其平均精度高于90%[32]。GUB數據與夜間燈光數據和人工解譯圖具有良好的一致性[33],本文提取關中地區建成區邊界作為城區邊界,包括西咸、寶雞市城區,主要用于研究城市熱島足跡。

2 研究方法

2.1 城市熱島足跡

(2)

圖2 西咸城區各同心環內地表溫度均值散點圖(2000年白天) Fig.2 Scatter plot of mean surface temperature of Xixian rings(daytime,2000)

2.2 局部G*指數

Getis-Ord G*指數[35]用于研究觀測值的熱點與冷點聚集分布,分析地溫與AOD時空變化特征,表達式為：

(3)

2.3 氣溶膠對城市熱島強度貢獻的定量分析

城市熱島強度表示為城市地溫與周圍鄉村地溫之差,用于表征城市熱島效應影響的程度,可用ΔT(℃)表示。因城市熱島足跡的確定不僅對城市熱島強度ΔT計算有重要的影響[36],而且對估算城鄉ΔAOD對城市熱島強度的貢獻力亦有重要的意義。因此,利用已確定的熱島足跡為計算城市熱島效應的空間范圍,在足跡范圍內選取不透水地表覆蓋區,計算年均白天/夜晚LST和AOD,以此作為城區LST和AOD值；熱島足跡范圍外擴5km建立鄉村緩沖區,剔除ISP覆蓋圖斑,分別計算鄉村LST和AOD值。

城鄉ΔAOD對城市熱島強度的貢獻力ΔTAOD用歸因分析方法計算得到,該方法由Lee等[37]提出,最初主要用于量化森林砍伐對氣溫的影響,之后由Zhao[38]進一步拓展,用于研究美國東部城市氣候對熱島效應的貢獻,隨后Cao等[39]進一步完善研究AOD對城市熱島強度的貢獻。為了研究城鄉AOD差異對城市熱島強度的貢獻,在此引入Cao等的理論公式,表達式為：

(4)

式中,ΔTAOD為城鄉ΔAOD對城市熱島強度的貢獻力(℃),λ0(≈0.2℃m2/W)為當地固有氣候敏感性,f(≈1.7±0.9)為無量綱能量再分配因子,ΔL↓是長波輻射L↓的城鄉對比,用衛星觀測的ΔAOD與長波輻射對AOD的靈敏度的乘積來計算。因關中地區氣候屬于暖溫帶季風氣候,查表可知該地區的AOD輻射效應靈敏度為(23.8±4.6)W/m2。

3 研究結果與分析

3.1 城市熱島足跡

從圖3中可以看出,近20年來,隨著不透水地表的擴展,西咸城區白天/夜晚城市熱島足跡在總體上呈階段性增加的態勢。其中,2000年白天的城市熱島足跡為前6環,在距離城區重心半徑11km范圍內。隨著城市化進程的發展,至2018年城市熱島足跡達33環,距離城區重心距離增至28.7km,熱島足跡范圍是2000年的6.8倍,白天城市熱島足跡顯著擴展。西咸城區夜晚的城市熱島足跡較小且增長緩慢,2000年城市熱島足跡為前3環,到2018年時城市熱島足跡達17環,距離城區重心20.6km,遠遠小于白天的熱島足跡。對比西咸城市熱島足跡晝夜變化,2018年的白天熱島足跡是夜晚的1.9倍,表明白天城市熱島效應影響的范圍更大。寶雞市由于城區形態比較特殊,呈長條形,東部部分城區被渭河隔斷,近20年來城區主要沿渭河呈東西向發展,不透水地表面積擴張緩慢,雖然城區重心有所變化,但距離相差不大。白天與夜晚熱島足跡基本保持不變,白天熱島足跡多年均為前17環,夜晚在13環附近,城市熱島效應影響范圍變化不大。對比而言,近20年來西咸城區向四周擴展顯著,其中2018年不透水地表面積是寶雞市的8.6倍,熱島足跡在逐年增大,表明人工不透水地表增加會顯著加強城市熱島效應[18]。

圖3 關中地區城市熱島足跡年際變化圖Fig.3 Annual variations of UHI FP in Guanzhong Region

3.2 基于城市熱島足跡與局部G*指數的UHI和AOD時空變化

3.2.1城市熱島足跡內的LST和AOD冷熱點

在ArcGIS中利用Getis-Ord G*聚類分布制圖對局部G*指數進行可視化表達,并按照自然間斷點分級法(Jenks)將白天/夜晚LST和AOD的G*指數從低到高分為冷點、次冷、次熱、熱點區4類。

將LST和AOD的局部G*指數分布圖與城市熱島足跡結合進行空間疊置分析,研究城區LST與AOD的冷熱點與熱島足跡分布的一致性和異質性。如圖4和圖6所示,隨著西咸城區范圍的擴展,城市熱島足跡在不斷擴大,熱島足跡內的白天LST熱點面積顯著提高,次熱區面積在逐漸下降。足跡內白天LST熱點區占比從2000年的9.04%上升到2018年的53.62%,高值越來越聚集,白天城市熱環境持續惡化。近20年來,足跡內的夜晚LST熱點分布廣, 熱點面積占比均在90%以上,表明夜晚城市熱島足跡與LST熱點分布較為一致,足跡內無冷點與次冷點分布,夜晚城市熱島效應顯著。在2000年至2018年,寶雞市的白天/夜晚城市熱島足跡內多年均為LST次熱區占主導,為較高值聚集,城市熱環境較為嚴峻。白天LST次熱區占比起伏較大,從2000年的56.20%下降至2018年的36.19%,但仍占主導。夜晚LST次熱區占比均在50%以上,夜晚熱污染比白天嚴重。西咸與寶雞市白天/夜晚城市熱島足跡內均為LST熱點、次熱區占主導,說明不透水地表會顯著影響城市地表熱環境,使得城區內部為高溫所占據。

圖4 LST局部G*指數與城市熱島足跡Fig.4 Getis-Ord G*of LST and UHI FPLST: 地表溫度Land surface temperature

由圖5和圖6可以看出,從2000年至2018年西咸白天城市熱島足跡內AOD熱點占主導,占比均在50%左右,其次是次熱區的分布。因夜晚城市熱島足跡比白天足跡普遍較小,在夜晚熱島足跡范圍內AOD次熱區分布最多,比例大于30%,其次是熱點的分布,表明氣溶膠濃度會影響夜晚的城市熱島效應。從空間分布上看,AOD熱點分布于西咸城區周圍, AOD次熱區分布于城區中心,這與加強西安古城的環境保護力度有關,使得城市中心區AOD比周圍低,高濃度氣溶膠分布與城市中心區存在異質性。寶雞市 2000年的白天/夜晚熱島足跡內AOD熱點、次熱、次冷、冷點均有覆蓋,而2018年白天/夜晚熱島足跡內無AOD熱點分布,均為次冷點占主導,表明2018年寶雞市城市熱島足跡內AOD值較低,空氣質量有所改善,但城市熱島效應依然顯著。

圖5 AOD局部G*指數與城市熱島足跡Fig.5 Getis-Ord G* of AOD and UHI FPAOD: 氣溶膠光學厚度

圖6 熱島足跡內LST和AOD局部G*指數面積變化Fig.6 Getis-Ord G* area changes of LST and AOD within the UHI FP

3.2.2LST和AOD的冷熱點疊置分析

為了剖析關中地區城市熱島效應與AOD的高低值對應關系,將2000年至2018年白天/夜晚LST和AOD的熱點與熱點,冷點與冷點進行疊置分析,得到白天/夜晚LST和AOD熱熱點重合、冷冷點重合區(圖7和表1)。從時間上來看,關中地區白天LST和AOD熱熱點重合顯著增加,面積從2000年的2257km2擴張到2018年的8704km2,占比也從4.08%上升到15.72%,說明關中地區空氣污染與城市熱島效應有一定的對應關系。從空間區位上來看,熱熱點主要分布于關中地區的東部,因關中地區地勢南北兩邊高,中間低平,西窄東寬的喇叭口狀地形有利于偏北風將西部空氣污染顆粒和陜北風沙帶到東部下游地區[40],導致東部氣溶膠濃度高。此外,東部渭南市為傳統的農業大市,夏季收割小麥,秋季收割玉米的耕作制度導致裸土面積廣,地表溫度較高,呈熱熱點聚集。至2018年,LST和AOD熱熱點已擴展到關中中部盆地地區,表明城市熱污染與大氣污染兩者均呈增強的態勢。但西咸、寶雞市城市中心區幾乎無熱熱點分布(圖7),這是由于西咸城區環境保護措施力度加強等原因所導致AOD高值分布區域少,而寶雞市處于偏西風上游,空氣顆粒物向下游擴散,AOD高值分布區亦較少,因此西咸和寶雞市城市中心區LST與AOD熱熱點分布少。冷冷點主要分布于南部山區,因南部山區植被豐富,地勢較高,人類活動少,故地表溫度低,氣溶膠載荷濃度低,LST與AOD均呈冷點分布。

圖7 白天/夜晚地溫與AOD冷熱點重合區分布Fig.7 Distribution of cold and hot spots overlap area of Day/Night LST and AOD

表1 關中地區白天/夜晚LST 與AOD冷熱點重合區面積變化

3.3 城市熱島強度及其影響因子的關系

利用Pearson相關系數分析研究關中城鄉ΔAOD、ISP與白天/夜晚ΔT的相關關系。從圖8中可以看出,2000年至2018年白天ΔT與ISP相關性較弱,但夜晚ΔT與ISP均呈顯著正相關性。其中,西咸夜晚ΔT與ISP的Pearson相關系數多年均在0.65以上(P<0.01),城市地表所釋放的熱加劇夜間地溫的升高。寶雞市ISP對夜晚ΔT影響也十分顯著,2000年至2018年平均相關系數為0.52(P<0.01),表明不透水地表覆蓋度是城市夜間地溫升高的重要驅動因子之一,因此控制不透水地表擴展對夜晚城市熱島效應的防治至關重要。

從圖8可以看出,西咸ΔAOD對白天熱島強度影響較小,相關系數年均為-0.26。夜晚ΔT與ΔAOD有著顯著的負相關關系,Pearson相關系數均小于-0.44(P<0.01), 其中2010年ΔAOD對夜晚ΔT影響最為顯著(線性相關系數為-0.70,P<0.01),表明城區氣溶膠光學厚度的增加會導致夜晚地溫的降低。寶雞市ΔAOD與白天熱島強度呈正相關,但總體上相關性不顯著。夜晚ΔT與ΔAOD大部分年份呈較顯著的負相關,相關系數大都在-0.2以下(P<0.01),表明城區內氣溶膠光學厚度低值區卻是地表溫度高值分布區。ΔAOD與夜晚城市熱島強度的顯著負相關性,揭示出關中地區城市群氣溶膠輻射效應對城市熱島強度的抑制作用。

圖8 ISP、ΔAOD與白天/夜晚ΔT的關系Fig.8 The relationship of day/night ΔT with ISP、ΔAODISP: 不透水地表覆蓋度Impervious surface percentage; **顯著性水平P<0.01; *P<0.05

3.4 氣溶膠對城市熱島強度貢獻的定量分析

圖9 西咸、寶雞城區年均ΔAOD和ΔTAOD變化Fig.9 Annual changes of ΔAOD and ΔTAOD in main urban area of Xixian and BaojiΔT: 城市熱島強度Urban island intensity

因白天氣溶膠輻射效應對城市熱島效應的影響是不確定的,故這里不做研究分析,僅研究西咸、寶雞市每年ΔAOD對夜晚城市熱島強度的貢獻度。從圖9可以看出,2000年和2018年西咸城鄉ΔAOD均為負,其中2000年ΔAOD為(-0.29±0.16),2018年減小為(-0.10±0.10),表明城區的氣溶膠濃度在增大,城鄉ΔAOD絕對值減小。因ΔAOD與夜晚ΔT的負相關性,當城鄉ΔAOD為負時,將加劇夜晚城市熱島強度的增加。從2000年至2018年,ΔAOD的平均貢獻度為(0.41±0.14)℃,但貢獻度從2000年(0.51±0.28)℃降低至2018年(0.17±0.18)℃,表明城鄉ΔAOD對西咸城區熱島強度的影響力在逐年降低。寶雞市除2018年ΔAOD為(-0.08±0.06)外,其余年份的ΔAOD全部為正,城區氣溶膠光學厚度比鄉村高,但總體上城鄉ΔAOD呈逐年降低趨勢。寶雞市城鄉ΔAOD正差值會使得夜晚城市熱島強度年均下降(0.26±0.25)℃。

從氣溶膠輻射效應的貢獻力上看,西咸|ΔTAOD|大于寶雞市|ΔTAOD|,表明西咸的城鄉ΔAOD輻射效應對城市熱島效應影響更大。由西咸城鄉ΔAOD氣溶膠輻射作用所引起的夜晚熱島強度的增強疊加在因地表硬化而導致的城市熱島效應增加上(表2),使得西咸城區城市熱島強度常年均在2℃之上。此外,寶雞市熱島強度亦有較為明顯的增長,表明即使有氣溶膠輻射效應降溫作用,而由其他驅動因素導致的城市熱島強度仍在逐年增加,如不透水地表增加而導致的地表反照率減低、人為熱排放增加等。

表2 西咸、寶雞城區年均夜晚ΔT變化

4 討論

研究結果顯示,城市熱島足跡晝夜差異顯著,西咸晝夜城市熱島足跡變化比寶雞市變化大,表明不透水地表擴展和人為熱排放等因素對城市熱島效應產生顯著的影響[34],不透水面改變地表的潛熱與顯熱通量,是影響城市地表熱環境變化的關鍵因素[41]。西咸與寶雞市城區白天/夜晚的LST熱點、次熱分布面積變化與城市熱島足跡變化基本一致,即不透水地表覆蓋度高的區域為LST熱點、次熱分布區,表明下墊面結構是城市地表溫度總體分布的決定機制[42],合理規劃城市用地能有效調節城市熱島效應。西咸與寶雞市AOD熱點區主要分布于城市中心區周圍,城市中心區為AOD次熱點分布區,AOD熱點分布與城市熱島足跡中心區具有異質性。

在Pearson相關分析中,不透水地表覆蓋度與夜晚城市熱島強度呈顯著正相關性,揭示出瀝青、混凝土等不透水地表在白天吸收和儲存太陽輻射,夜晚逐漸釋放熱量,使得夜晚城市熱環境更為嚴峻[20]。城鄉ΔAOD與夜晚城市熱島強度之間呈負相關性,氣溶膠可以通過減少地表短波輻射的吸收而導致地表溫度降低[43]。城區氣溶膠濃度升高,增強了對長波輻射的吸收、散射作用,降低城區地表溫度,減小了城鄉夜晚地表溫度的差異,這與多位學者研究結果相同[27, 44]。氣溶膠輻射強迫對不同高度的城市氣候具有不同的影響作用,唐利琴等[45]研究發現氣溶膠輻射強迫對大氣層頂和地面為冷卻效應,對大氣則是加熱效應。因氣溶膠分布和組成的時段性,不同時期的氣溶膠濃度對城市熱島強度的影響亦暫無定論,Han等[46]發現氣溶膠對城市熱島強度影響差異很大,夏季氣溶膠會抑制城市熱島強度,冬季則會加強城市熱島強度。而Pandey等[26]研究發現AOD與白天城市熱島效應呈正相關,與夜晚城市熱島效應呈負相關。本文僅研究年均夜晚ΔT與ΔAOD的相關性和城鄉ΔAOD對城市熱島強度的貢獻,并未深入分析氣溶膠輻射強迫對城市熱島效應的影響機制和時段的變化性與不確定性,后續將加強氣溶膠輻射強迫效應對城市熱島強度的影響機理和不確定性研究。

5 結論

以城市熱島足跡為基礎,研究熱島足跡內部的LST和AOD的局部G*指數分布、LST和AOD、ISP的Pearson相關關系以及氣溶膠對城市熱島強度的定量歸因分析,最終得出以下結論：(1)西咸與寶雞城市熱島足跡晝夜差異顯著,白天城市熱島足跡明顯高于夜晚。西咸因不透水地表向四周呈“攤大餅”式擴張,晝夜均比寶雞市具有明顯的城市熱島現象,且城市熱島足跡呈階段性擴張。(2)西咸、寶雞市白天/夜晚LST熱點、次熱區變化與城市熱島足跡變化基本一致,而AOD熱點分布于熱島足跡中心周圍,AOD熱點與LST熱點分布具有異質性。(3)不透水地表覆蓋度與夜晚城市熱島強度存在顯著正相關性,不透水地表擴展會使夜晚地溫升高。城鄉ΔAOD與夜晚城市熱島強度呈顯著負相關性,城區氣溶膠濃度的增加會抑制城市熱島強度的上升。