基于MODIS數據的鹽城市熱島效應特征分析

裔傳祥，盛 也*，周宏偉，劉桐愷，梅 欽，于國強

（1.鹽城市氣象局，江蘇 鹽城224005；2.福建省氣象臺，福建 福州 350001）

近年來隨著城市的迅速發展，不斷加快的城市化進程給城鎮生態環境造成巨大的影響。作為城市生態環境評價的關鍵指標，城市熱島效應具有重要參考價值，其定義為城市溫度明顯高于周邊郊區溫度，呈現出高溫獨立于周圍低溫區的“島嶼”現象[1]。眾多學者對其進行了大量研究。謝志清等[2]通過分析MODIS反演的地表溫度數據，認為1991—2005年長江三角洲城市帶的擴張對區域溫度的增加起到了積極作用。林云杉等[3]利用Landsat數據進行了地表溫度反演，并對泉州城市用地與熱島效應的關系進行研究，結果表明城市用地擴張對城市熱島現象有著直接的影響。瓦力江·瓦黑提等[4]通過自動氣象站資料分析烏魯木齊氣溫特征，發現城市熱島強度在夜晚較大，白天較小。

研究表明，城市熱島效應與地表覆蓋類型存在著密切聯系。毛洋等[5]采用Landsat8遙感數據分析昆明地表溫度與地表覆蓋類型之間的關系，發現無熱島和較弱熱島效應等級主要分布于林地和水體，而建筑用地和裸地是主要的強熱島效應分布區。張小偉等[7]運用MODIS數據分析上述兩者的關系后指出，浙江省各地表覆蓋類型年平均地表溫度差異顯著，總體表現為建筑用地>耕地>林地>水體。綠地是城市化進程中維持城市可持續發展的必要因素，葉面積指數（Leaf Area Index，LAI）在城市綠化數量質量評價體系中的重要性日益提高，目前一些學者已從LAI角度關注綠量對城市熱環境的影響。吳菲等[8]選取北京城市綠地研究不同綠量植被對溫度變化的影響，得出在一定范圍內的喬灌草綠量比之下，綠地中的喬灌綠量越大，降溫效果越明顯。Xiao等[8]研究蘇州城市綠地對熱島效應的緩解作用，認為綠地的降溫效應隨著LAI的增加而提升。但是，對于城市熱島效應的研究多數集中在大型城市，而對我國中小型城市的關注較為少見，并且缺乏對地表溫度與LAI定量關系的研究。

相對于大型城市，中小型城市的發展會遇到局部規劃和管理不夠完善，人類活動增速過快，從而產生如熱島效應等相應的環境問題。隨著鹽城市經濟的迅速發展，城市下墊面轉變明顯，建筑逐年密集，這些都潛在影響著城市熱島效應。本文以MOD11A2地表溫度數據為基礎，并結合FROMGLC10（Finer Resolution Observation and Monitoring-Global Land Cover 10）地表覆蓋信息以及MOD15A2 LAI產品，系統研究鹽城市熱島效應特征，旨在對城市可持續發展，緩解城市熱島效應提供科學的參考。

1 研究區概況

江蘇省鹽城市（119°27′～120°54′E，32°34′～34°28′N），位于我國東部沿海（圖1a）。鹽城市界于北亞熱帶向南暖帶氣候過渡的區域，屬于季風氣候，四季分明，雨熱同季。

由圖1b可知，田地占鹽城市大部分區域；其次為城市用地，分布在各行政區中，其中大市區（鹽都區、亭湖區）的城市用地面積較大；草地的面積則最少，不足1%。

圖1 研究區域

2 數據源及方法

2.1 MODIS數據

MODIS，即中分辨率成像光譜儀，是搭載在Terra（過境時間為地方時10：30左右）和Aqua（過境時間為地方時13：30左右）兩顆衛星上用于觀測全球生物和物理過程的重要儀器。MODIS具有全球免費獲取、光譜范圍廣（0.4～14.4μm）、數據接收簡單以及更新頻率高等特點，在眾多領域中得到研究與應用[9-10]。本文運用了鹽城市2017年地表溫度數據以及LAI數據。

為了去除云覆蓋帶來的影響以及準確劃分時間范圍，本文地表溫度數據選取MODISLevel 3中8 d合成的地表溫度產品（MOD11A2），LAI數據選取MODISLevel 4中的8 d合成LAI產品（MOD15A2），其空間分辨率均為1 km。上述產品具有較好的時間分辨率與精度，已被廣泛應用于相關研究[11-13]。

2.2 地表覆蓋數據

地表覆蓋信息來源于FROM-GLC10產品，該產品為清華大學地球系統科學系宮鵬教授課題組與國內外多家單位合作，使用TM和ETM+數據制作出的世界首幅10 m分辨率全球地表覆蓋產品。作為目前最精細的全球地表覆蓋數據，在保證較高精度的前提下，FROM-GLC10提供了更精細的地表覆蓋信息[14]。

2.3 熱島分級

為了更直觀地分析鹽城市熱島強度情況，本文采用均值—標準差法（公式1）將全市地表溫度劃分為5個等級；該方法以平均溫度和標準差的倍數關系作為切入口，能夠有效地界定城市熱島。在不同時期城市熱島演變對比時，可以一定程度上避免時間差異所帶來的影響[15]。

式中，T為分段點，T0為研究區內地表溫度的平均值，SD為研究區內地表溫度的標準差，X為標準差的倍數，本文選取0.5和1.5[16]，表1為具體劃分標準。

表1 城市熱島強度劃分標準

城市熱島效應的研究重點在城市用地，為定量分析城市用地四季整體的增溫效應與變化趨勢，構建3個參數作為參考[2]：

式中，TCN為城市用地與非城市用地溫度之差，代表整個研究區的熱島強度；TCD為城市用地與全區域溫度之差，代表城市用地溫度偏離區域平均的程度；TDN為全區域與非城市用地溫度之差，能夠反映城市用地熱島效應對區域溫度變化的貢獻。TC、TN、TD分別為城市用地、非城市用地以及全區域的平均地表溫度。

3 結果與分析

3.1 地表溫度與地表覆蓋類型的關系

由于不同地表覆蓋類型對太陽輻射能量的吸收與反射能力不同，同一時刻不同土地類型的地表溫度會不同。通過對比鹽城地表覆蓋結果（圖1b）與熱島等級空間分布圖（圖2），可以發現地表溫度分布情況與下墊面具有一定的關聯，春夏兩季城市用地所對應的熱島等級多為高溫、次高溫，其中夏季最為明顯。春夏季低溫、次低溫以及中溫的分布呈塊狀和零散的點狀遍布在城市中，大多分布在田地與河流，而秋冬季為大片的塊狀分布在整個城市。

圖2 鹽城市2017年熱島等級分布

為探討不同地表覆蓋類型與熱島效應之間的關系，將地表覆蓋數據與地表溫度數據相疊加，得到各地表覆蓋類型白天及夜間的平均地表溫度和標準差（表2）。白天城市用地平均地表溫度在春季、夏季和秋季最高，分別為24.4、33.2、22.0℃，冬季城市用地平均地表溫度僅次于田地，但二者相差較小（0.1℃）。白天河流平均地表溫度均最低，春夏季與城市用地的溫差分別為2.9、2.7℃，河流在所有地表覆蓋類型中起主導的降溫作用。白天田地、草地與林地的平均地表溫度全年差距較小，在春、夏季3種地表類型的溫差在0.6℃左右，秋、冬季溫差在0.2℃左右，并且標準差幾乎都在2.0℃以下，這是因為田地、草地與林地都是以綠色植被為主，地表類型較為均一。到了夜間，由于城市用地主要以硬化路面為主，比熱較小，夜間平均地表溫度迅速下降，而河流由于水的比熱較大溫度下降最緩慢，導致夜間河流平均表面溫度最高，草地次之，城市處于中游，田地與林地為最低，這是因為田地與林地的植被覆蓋度較高，蒸騰與散發的能力也較高，使其能夠有效的削減地表中的熱量。城市熱島效應在夜間基本消失，河流具有明顯的“保溫”作用。

表2 2017年鹽城市各地表覆蓋類型平均地表溫度與標準差 ℃

城市用地具有非滲透性和無蒸發性，熱傳導性較強，吸收太陽輻射后溫度迅速上升，導致其具有較高的地表溫度，鹽城近幾年城市建設發展迅速，高樓密度增大，所以城市熱島效應較為顯著。水體由于其較弱的熱傳導功能及較強的蒸發作用，使地表溫度上升與下降的趨勢比較平緩，所以河流溫度在四季白天都呈現出最低值的狀態，導致城市用地和水體的地表溫度差較大。草地的地表溫度與耕地比較接近，均高于林地，這是因為草地與耕地具有相似的覆蓋特征[17-18]。

3.2 城市熱島效應的季節性差異

從鹽城市2017年熱島等級分布情況（圖2）可以看出，春夏季的次高溫、高溫區占比明顯高于秋冬季。運用地表覆蓋數據結合地表溫度數據，計算出各季節鹽城區域熱島強度的整體特征（圖3）。白天春夏季的城市熱島強度較強，城市用地與非城市用地平均地表溫度差TCN分別為1.0、0.8℃，秋冬季的熱島強度不顯著；夜間城市熱島強度四季變化較為平穩，其中秋季相對較強，TCN為0.8℃。白天不同季節城市用地的地表溫度偏離區域平均程度TCD存在較大差異，春、夏季最為顯著，分別為0.9、0.7℃。白天城市用地使鹽城全區域平均地表溫度的增加值TDN也是在春、夏季最強，均增加0.1℃左右，秋、冬季均為0℃；夜間TDN的差異相對較小。值得注意的是冬季白天城市熱島強度參數幾乎均為0℃。綜合來看，鹽城市熱島效應在春、秋兩季時較強，秋、冬兩季不夠顯著，這與長三角地區其他城市較為相似，而由于地理位置的差異，與京津冀地區則有所差別[2，15，19]。

圖3 鹽城市四季城市熱島效應特征狀況

在鹽城市地表覆蓋類型（圖1b）與熱島等級分布（圖2）的基礎上，統計各地表覆蓋類型中的熱島等級（去除缺失樣本）所占百分比，得到各地表覆蓋熱島強度等級有效百分比統計結果（表3）。夏季城市用地次高溫與高溫區的占比最高，達到55.4%，春季其次（49.8%）。全年來看，河流低溫與次低溫的占比較高，其中春、夏、秋季分別為69.2%、67.3%、62.6%，田地、草地與林地大多集中在中溫區。城市用地會使城市熱島效應變強，并且其它各地表覆蓋類型對緩解城市熱島效應的能力具有差異。

表3 2017年鹽城市各地表覆蓋熱島強度等級有效百分比統計 %

3.3 地表溫度與LAI的相關性

河流能緩解鹽城市的熱島強度，而植被也能夠起到很好的降溫作用。LAI越大，植被反射的太陽輻射越多，降溫效果越好[20]。為了更好地了解不同季節田地、草地、林地對城市熱島效應的降溫效果，計算了鹽城市區各季節地表溫度與LAI的相關系數（表4）。

表4 地表溫度與LAI相關系數

從四季地表溫度與LAI的相關系數（表4）可以看出，鹽城市區四季地表溫度與LAI均為負相關，且除冬季外均通過0.01的顯著性檢驗。夏季地表溫度與LAI相關性最好，相關系數達到0.579，較好地反映出LAI與地表溫度有著密切的相關性。從季節分布上來看，植被在夏季的降溫效果最明顯，其次為春季，相關系數為0.528。冬季LAI對城市地表溫度無明顯影響，主要是由于冬季植被覆蓋率低，LAI值都處于2以下。這為緩解鹽城市熱島效應提供了重要的理論依據，在城市化的進程中，加強植被覆蓋的綠化工作，能夠起到很好的降溫作用。

4 結論與討論

本文基于MODIS數據，分析了鹽城市熱島效應的特征，得到以下結論：

（1）白天城市用地具有較高的平均地表溫度，其中春季、夏季、秋季最為明顯，分別為24.4、33.2、22.0℃，河流平均表面溫度最低。

（2）到了夜間城市用地平均地表溫度迅速下降，而河流表面溫度最高，田地與林地平均地表溫度最低。

（3）不同地表覆蓋類型對緩解城市熱島效應的能力都不相同，河流具有一定的“冷島效應”，在鹽城所有地表覆蓋類型中起主導的降溫作用。

（4）熱島效應特征在夏季表現最明顯，春季其次，秋、冬兩季不夠顯著。

（5）鹽城市區地表溫度與LAI呈負相關性，其中夏季植被的降溫效果最明顯，春季其次。

由于本文所運用的FROM-GLC10現有資料無法滿足長時間序列研究，僅選取2017年數據研究鹽城市熱島效應，雖不足以掌握其歷史規律，但具有一定的理論支撐，未來可運用長時間序列資料定量分析研究區四季地表溫度與地表覆蓋類型、LAI的關系。本研究在分析鹽城市熱島效應特征后，也為城市建設提供理論性建議，在城市化進程中，需注意湖泊建設與植被結構優化，以緩解城市熱島效應。