基于遙感的木蘭溪流域地表溫度及熱場強度特征研究*

李欣欣 廖 廓 孫蔡亮 鄭潮宇 吳新宇 邢麗珠

(1.福建省氣候中心，福建 福州 350001；2.福建省海峽氣象科學研究所，福建 福州 350001；3.福建省莆田市氣象局，福建 莆田 351100；4.山東省棗莊市氣象局，山東 棗莊 277000)

全球變暖是21世紀人類面臨的最為嚴峻的挑戰之一。隨著城市化進程加快，人類活動造成的土地覆蓋及土地利用方式的改變，正以直接或間接的方式影響著局地和全球的氣候變化。城市熱島效應作為城市化進程的產物和全球變暖下最明顯的氣候現象之一[1]，近年來隨著人類活動的加劇而不斷增強，尤其是在夏季，氣溫升高使得城市熱島效應更為明顯，導致城市極端高溫事件頻發。這不僅對生態環境產生嚴重的威脅，也給城市居民的生產生活帶來了較大的負面影響。因此，不同季節的熱島效應也得到了更多的關注和研究，這為政府緩解熱島效應所帶來的城市生態環境問題提供參考。

針對熱島效應，國內外學者已開展了大量研究分析[2-6]。衛星遙感監測作為研究熱島效應的重要手段，相較于傳統的氣象觀測法，具有時相多、范圍廣、空間連續性好、空間分辨率高等優點[7]。Landsat與 MODIS遙感數據已被廣泛應用于城市熱島的大范圍空間監測和評估。Landsat數據空間分辨率高，但時間分辨率低，多用于城市尺度的熱島研究[8-9]。MODIS 空間分辨率低于Landsat數據，但時間分辨率更高，并且對地表溫度數據具有良好的反演精度，被廣泛用于大區域的熱島監測[10-11]。樂通潮等[12]利用Landsat 8衛星影像分析了福州春季城市熱島空間分布特征，表明福州存在明顯的城市熱島現象，老城區及擴張的城市建設區是城市熱島效應主要影響區域。相較于其他“火爐城市”，近年來福州的城市熱島效應加劇[13-14]。張春桂等[15]基于MODIS遙感數據對福建省地表溫度和植被覆蓋的互動關系進行了研究，發現福建沿海城市熱島面積整體呈上升趨勢，福州和莆田尤為明顯。福建省地表溫度自東南沿海向西北山區遞減，沿海平原的熱島效應強于內陸山區[16]。近15年來，由于快速城市化，福建省東南沿海城市的最高地溫從30.95℃上升到33.05℃，但因植被覆蓋率的增加，平均地表溫度呈小幅下降趨勢，其中全省降溫面積是升溫面積的兩倍。有學者指出，當植被覆蓋率高于20%時，覆蓋率每增加 10%，地表氣溫下降約1.1℃[17]。除了植被覆蓋率，城市化建設過程中的土地利用變化[18-19]、城市人口規模[20]、產業結構及能源消耗[21-22]、不透水面[23]、水體[24]等因素也會對熱島效應產生不同程度的影響。考慮自然和人文的多元化影響，有研究發現夜間燈光、交通路網密度、地表非滲透面、地表植被、地面高程、水體等多維因素對城市熱島的影響存在差異，前三者為正貢獻，后三者為負貢獻，其中夜間燈光、交通路網密度和地面高程的升溫、降溫作用最大[25]。

本文以福建木蘭溪流域(118°38′E～119°06′E，25°22′N～25°25′N)為研究區域，利用2000—2019年MODIS遙感數據的地表溫度和熱場強度指數數據，統計分析了木蘭溪流域地表溫度和熱場強度在不同時間尺度下的變化特征，并探討了不同下墊面類型對地表溫度的調節作用，由此構建了基于建筑、水體和植被的木蘭溪流域地表溫度評估模型。該研究成果可為當地政府開展城市生態環境治理提供科學決策參考。

1 資料與方法

1.1 數據來源

本文數據來源為8天合成的分辨率為1km的2000—2019年MOD11A2地表溫度遙感產品，獲取行列號為h28v06，共計910景影像①。

1.2 熱場強度指數

為更好地監測木蘭溪流域熱環境，引入了熱場強度指數。熱場強度指數能夠對熱場分布的相對高溫、低溫范圍及位置作出判斷。熱場強度定義為熱場的歸一化，表達式為：

式中：Ni為第i個像元對應的熱場強度指數，范圍為0～1，值越大，高溫現象越明顯；Ti為第i個像元的地表溫度；Tmin為研究區域內最低地表溫度；Tmax為研究區域內最高地表溫度。其中Tmin和Tmax分別為圖像的頻率累積直方圖上的0.05%和99.95%處的值，這可以去除異常值，同時保證圖像的高溫區域和低溫區域，更合理地研究木蘭溪流域的熱環境。對大量圖像進行分析研究，并將熱場強度指數分為5個等級，見表1。

表1 熱場強度指數劃分等級

2 熱場強度的時空分布特征

2.1 熱場強度的空間變化

從2000—2019年木蘭溪流域年均熱場強度空間分布可知(圖1)，絕大部分區域為正常區，相對其他區域，高溫區與較高溫區主要分布在流域的中南部至東部，這些地區主要為人口聚集的城鎮地區，相對低溫區與較低溫區主要分布在流域的西北部，這些地區主要以植被為主。

圖1 2000—2019年木蘭溪流域年均熱場強度空間分布

通過木蘭溪流域2000年、2010年和2019年各季節熱場強度空間分布可知(圖2)，各季節的熱場強度空間分布基本一致，和年均熱場強度空間分布相似。即氣溫正常區占流域面積比例最大，相對于其他區域而言，不同季節中較低溫區和低溫區集中于多植被覆蓋的流域西北部和西部，高溫區與較高溫區均集中于流域中南部至東部區域。在春、夏季，中南部和東部小部分區域的熱場強度指數相對于其他區域均較高，容易發生高溫事件。在秋、冬季，從流域的中南部至東部區域的熱場強度指數均高于其他區域，亦容易發生高溫事件。

圖2 木蘭溪流域2000年、2010年和2019年各季節熱場強度空間分布

2.2 熱場強度的時間變化

通過分析2000—2019年木蘭溪流域各熱場強度等級面積占比可以看出(圖3)，正常區面積占比最大，達到木蘭溪流域面積一半以上，20年平均面積占比62.38%，呈減小趨勢；其次是較低溫區，年平均面積占比19.15%，呈增大趨勢；較高溫區面積占比僅次于較低溫區，年平均面積占比16.23%，呈略微減小趨勢；低溫區與高溫區面積占比極小，低溫區年平均面積占比為1.20%，高溫區年平均面積占比為1.02%，總體上呈增大趨勢。由各等級變化可以看出，木蘭溪流域熱場強度由正常向兩極轉變。

圖3 2000—2019年木蘭溪流域各熱場強度等級面積占比變化

不同年份各季節木蘭溪流域的熱場強度等級面積占比也存在差異，如表2所示。從代表年份看，總體而言，春季正常區面積占比最大，其次是秋季，再次是冬季，夏季最小(除2000年外)。夏季較低溫區和低溫區面積占比最大，冬季較高溫區和高溫區面積占比最大。秋季和冬季熱場強度較春季和夏季強，這可能是由于春季和夏季降水豐沛，植被長勢較好，降低了一部分城市熱場強度，而秋季和冬季氣溫相對低，尤其是冬季，人為釋放熱量造成熱場強度較強。

表2 木蘭溪流域2000年、2010年和2019年各季節熱場強度等級面積占比(%)

3 地表溫度變化特征及下墊面的調節效應

3.1 地表溫度時間變化趨勢

如圖4所示，木蘭溪流域2000—2019年全年平均溫度、最高溫度和最低溫度均呈下降趨勢，均值分別為24.97℃、29.72℃和20.23℃，氣候傾向率分別為-0.33 ℃·(10a)-1、-0.2 ℃·(10a)-1和-0.70 ℃·(10a)-1，其中最低溫度呈顯著下降趨勢(P<0.05)。2000—2019年木蘭溪流域年平均溫度2010年最低(22.81℃)，2002年最高(26.78℃)。年最高溫度是2002年(31.47℃)，年最低溫度則是2012年(18.21℃)。

圖4 2000—2019年木蘭溪流域全年地表最高溫度、平均溫度、最低溫度變化

如圖5所示，2000—2019年木蘭溪流域春季平均溫度和最低溫度均值分別為25.40℃和20.23℃，雖有波動，但整體呈下降趨勢，遞減率分別為-0.61 ℃·(10a)-1和-0.70 ℃·(10a)-1，其中平均溫度呈顯著下降趨勢(P<0.05)。木蘭溪流域春季最高溫度呈上升趨勢，均值為30.81℃，氣候傾向率為0.79 ℃·(10a)-1。從夏季來看，木蘭溪流域平均溫度和最低溫度均值增加到30.74℃和25.71℃，近20年來也呈下降趨勢，遞減率分別為-0.25 ℃·(10a)-1和-0.70 ℃·(10a)-1，其中平均溫度呈顯著下降趨勢(P<0.05)。夏季最高溫度均值可達到37.83℃，氣候傾向率為0.93 ℃·(10a)-1，呈顯著上升趨勢(P<0.05)。從秋季來看，木蘭溪流域平均溫度和最低溫度均值與春季相當，分別為25.49℃和19.83℃，整體呈下降趨勢，氣候傾向率為-0.14 ℃·(10a)-1和-0.70 ℃·(10a)-1。秋季最高溫度均值略高于春季(31.60℃)，上升速率為1.3 ℃·(10a)-1。而到了冬季，木蘭溪流域平均溫度(17.86℃)、最高溫度(21.93℃)和最低溫度(13.36℃)整體呈下降趨勢，氣候傾向率分別為-0.81 ℃·(10a)-1、-0.28 ℃·(10a)-1和-0.70 ℃·(10a)-1。值得注意的是，冬季地表溫度在2015年后略有上升。

圖5 2000—2019年木蘭溪流域各季節地表溫度時間變化

3.2 不同下墊面對地表溫度的影響

通過分析木蘭溪流域2001年、2010年和2019年不同下墊面地表溫度與平均地表溫度的差值變化可以看出(圖6)，建筑、植被和水體對地表溫度的影響各有差異。2001—2019年建筑溫度高于木蘭溪流域平均溫度，植被溫度低于木蘭溪流域平均溫度，水體溫度在平均溫度附近浮動，多數低于木蘭溪流域平均溫度。總體來說，建筑的地表溫度在三種下墊面中較高，對熱環境的影響較大。水體和植被地表溫度較低，對熱環境具有較好的緩解作用。

圖6 木蘭溪流域2001年、2010年和2019年不同下墊面地表溫度與平均溫度之差

綜合考慮建筑、水體和植被對地表溫度的影響，對建筑、水體、植被與地表溫度進行相關性分析。結果表明，建筑、植被、水體均對地表溫度產生顯著影響(P<0.01)，其中，建筑與地表溫度呈正相關，相關系數為0.73，而植被、水體與地表溫度均呈負相關，相關系數分別為-0.68與-0.52。植被、水體與建筑之間也呈負相關，相關系數分別為-0.60和-0.25。基于此，構建木蘭溪流域建筑、植被和水體與地表溫度之間的多元逐步回歸關系。

y=0.14x1-0.13x2-0.05x3+30.15R2=0.80

式中：y代表地表溫度，x1代表建筑，x2代表植被，x3代表水體。建筑與地表溫度的相關系數和植被與地表溫度的相關系數差距不大，比水體與地表溫度的相關系數大，可以看出植被的降溫能力強于水體。由此可以說明，由于建筑面積的增加導致的地表溫度升溫可以通過提高植被覆蓋率進行部分抵消。

進一步使用控制變量法，即假設三者中一個變量不變，其他兩個變量改變，來比較建筑、植被、水體對木蘭溪流域的降溫效果。木蘭溪流域建筑、植被、水體的實際占比分別為22.48%、63.55%和12.31%。假設在建筑面積不變的情況下，植被面積每減少10%、水體面積增加10%，溫度升高0.008℃。假設植被面積不變，建筑面積每減少10%、水體面積增加10%，則地表溫度下降0.019℃。而假設水體面積不變，建筑面積每減少10%、植被面積增加10%，地表溫度降低0.027℃，降溫效果顯著。

綜上所述，建筑有明顯的增溫效果，水體與植被都有明顯的降溫效果，且植被的降溫效果較水體更為明顯。

4 結論

以木蘭溪流域為研究區域，以MODIS監測數據為研究基礎，基于地表溫度和熱場強度指數得出以下結論與討論。

①2000—2019年木蘭溪流域熱場強度空間分布以正常為主，高溫區與較高溫區主要分布在流域中南部至東部人口聚集的城鎮地區，低溫區與較低溫區主要分布在以植被為主的西北部地區。

②2000—2019年木蘭溪流域熱場強度各等級面積占比中，正常區面積平均占比最大(62.38%)，其次是較低溫區(19.15%)，再次是較高溫區(16.23%)，近20年來分別呈減小趨勢、增大趨勢和略微減小趨勢。低溫區(1.20%)與高溫區(1.02%)面積占比極小，總體上呈增大趨勢。由各等級變化可以看出，木蘭溪流域熱場強度由正常向兩極轉變。

③近20年來木蘭溪流域全年平均地表溫度(24.97℃)、最高溫度(29.72℃)和最低溫度(20.23℃)均呈下降趨勢，遞減速率分別為-0.33℃·(10a)-1、-0.2℃·(10a)-1、-0.70℃·(10a)-1。春季、夏季和秋季平均溫度和最低溫度整體呈下降趨勢，最高溫度呈上升趨勢，其中春夏兩季平均溫度和夏季最高溫度趨勢顯著。冬季平均溫度、最高溫度和最低溫度均呈下降趨勢。

④不同下墊面對地表溫度的調節能力不同，建筑與地表溫度呈正相關關系(0.74)，而植被(-0.69)、水體(-0.53)與地表溫度則呈負相關關系。控制變量法結果顯示，建筑有明顯的增溫效果，水體與植被都有明顯的降溫效果，且植被的降溫效果更為明顯。

⑤從季節來看，秋季和冬季熱場強度較春季和夏季強，這可能是由于春季和夏季降水豐沛，植被長勢較好，降低了一部分城市熱場強度。而冬季氣溫相對低，人為釋放熱量多造成熱場強度較強。從下墊面類型來看，基于建筑、植被和水體的木蘭溪地表溫度評估模型分析結果表明，不同下墊面對地表溫度的調節能力不同，但目前有關不同季節、不同因子的影響和定量化貢獻仍有待探討，更多的影響因子和它們的交叉作用也仍需加強研究。

注釋：

①該數據從NASA官網上獲取(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)。