基于Landsat和MODIS的福州市夏季地表熱島研究

官雨潔 吳 濱

(1.福州市氣象局，福建 福州 350000；2.福建省氣候中心，福建 福州 350000)

工業化的發展、城市人口的增加以及城市地區本身特殊的地表特征造就了獨特的城市氣候特征[1]。在氣候變暖背景下，城市熱島問題正變得愈發突出[2]，尤其在夏季，已經嚴重影響城市居民的正常生活與健康[3-4]。遙感以其快速、覆蓋范圍廣、信息量大等特點成為熱島研究主要數據源[5]，各國學者利用不同衛星遙感數據進行了熱島相關研究。Clason等[6]利用熱紅外遙感數據對洛杉磯地區的晝夜熱場分布進行了研究；Streutker等[7]利用NOAA數據剖析了休斯頓地區城市熱島的機制；周紅妹等[8]利用RS和GIS方法了解上海地區的城市化變化動態；任永建等[9]通過遙感影像成功反演紹興市地表亮溫并總結了熱島分布特點；吳天安等[10]利用普適性單通道算法以MODIS數據為輔助，從ETM+得到陸地表面溫度來研究城市熱島。遙感能提供一定精度的地表信息，滿足城市地表熱島的時空動態分析與研究要求。此外，大氣污染物對城市氣溫的影響越發嚴重，基于此，本文以福州市夏季為例，使用Landsat TM/ETM+/8遙感影像以及MODIS遙感產品對其地表熱島的時空變化特征進行分析，同時研究植被和大氣污染對地表熱島的影響，以期為城市規劃建設提供參考依據。

1 研究區域和研究方法

1.1 研究區域

福州是福建省會，地處我國東南沿海，近年來城市化進程不斷加快，城市氣候與環境也發生了巨大變化，特別是夏季城市熱島效應明顯，熱環境質量下降。本文選擇福州四城區(鼓樓區、臺江區、倉山區、晉安區)作為主要對象進行研究(見圖1)。

圖1 研究區域

1.2 研究方法

1.2.1 資料來源和處理

使用福州市2000年6月、2008年7月和2016年7月夏季晴朗無云的Landsat TM/ETM+/8影像以及2003—2016年夏季MODIS遙感產品(包括地表溫度產品、植被指數產品和氣溶膠產品)。Landsat影像從USGS官方網站下載，并在使用前對其進行輻射定標和大氣校正等預處理。MODIS遙感數據在NASA MODIS網站下載，地表溫度產品(MYD11A2)時間分辨率8天，空間分辨率1km；植被指數產品(MYD13Q1)時間分辨率16天，空間分辨率250m；氣溶膠產品(MYD04_3K)空間分辨率3km，由Kriging空間插值法得到。

1.2.2 地表亮溫反演算法

Landsat TM/ETM+/8第6波段為熱紅外輻射強度，由其所接收到的地面熱輻射值可得到對應的地面溫度，但衛星在接收過程中會受到大氣和地面等諸多因素的干擾，要準確反演地面溫度目前還較難實現[11]。本文主要是對強度和空間分布進行分析，故選用地表亮溫數據代表地面溫度，雖然地表亮溫和地面溫度在數值上不同，但具有相同的變化趨勢和很強的相關性，地表亮溫可以很好地擬合地面溫度的分布格局[12]。采用單窗算法對熱紅外波段進行地表亮溫反演。首先運用式(1)將熱紅外波段的灰度值轉化為熱輻射亮度值。

(1)

式(1)中，L為熱輻射亮度，DN為像元灰度值，Lmax、Lmin分別是該遙感器接收的最高、最低輻射值。

其次，將熱輻射亮度轉化為地表亮溫，計算公式為：

(2)

式(2)中，Tb為地表亮溫，K1、K2為亮度反演常量，單位為K。

最后運用ENVI中的波譜運算功能得到地表亮溫。

1.2.3 溫度差值分級法

選擇溫度差值分級法對熱島進行等級劃分[13]，本文根據地表溫度圖像中計算出的像元平均溫度值作為基礎值，使用反演后的地表溫度圖像與基礎值做差得到溫度差值圖像，運用ArcGIS幾何間隔法對地表溫度差值圖像進行分級，從而得到熱島等級圖。

2 結果與分析

2.1 基于Landsat數據的地表熱島時空分布特征

依據地表亮溫計算結果，結合ArcMap地理信息系統分析福州市夏季地表熱島空間分布特征，將地表熱島強度進行等級劃分(詳見表1)，從低溫到高溫依次分為：低溫(冷島)、中溫(無熱島)、次高溫(弱熱島)、高溫(熱島)、特高溫(強熱島)，得到城市地表熱島等級圖(圖2)。可以看出，2000—2016年福州市夏季地表熱島不斷加劇，熱島面積和強度都有明顯增加，呈現出中心向四周擴散的現象。

表1 地表熱島強度分級標準

由圖2(a)可知，2000年福州市夏季地表弱熱島呈片狀覆蓋中心城區，出現少量高溫區和散點狀的特高溫區，城市熱島不強，其中高溫區域大多位于河谷平原地帶，也是福州市老城區，人口密度較大，建筑物密集，建筑物多以磚石、水泥、瀝青等材料為主，這些材料對太陽光的吸收率大反射率小，造成城市下墊面吸熱多，加上人為熱排放影響，導致地表溫度更高；圖2(a)左側出現異常高溫現象的原因是，影像獲取時土地處于裸土或沙地，熱容小，接收太陽輻射時升溫快，使得地面溫度明顯上升；2000年的中低溫區域面積最大，多為水體綠植覆蓋區，如森林、農田、水庫、河流等。2008年(圖2b)城區熱島面積進一步擴大，熱島效應加劇，次高溫和高溫區域明顯增多，2000年的主要高溫區被分散，晉安區、倉山區和沿江兩岸處于開發建設中，出現了較為明顯的斑點狀特高溫區；中溫區面積相比于2000年有明顯減少，農田地塊被開發。2016年(圖2c)城區熱島面積繼續擴大，熱島強度繼續增強，出現片狀覆蓋的高溫區和特高溫區，除水體覆蓋區和密集植被區外，城區在夏季都出現了不同程度的熱島效應；2008年的部分高溫區在2016年發展成了特高溫區，其余高溫區范圍明顯變大，特別是倉山區的工業園和物流中心增幅十分明顯，熱島效應顯著；此外閩江部分流域也由低溫區變成了中溫區，低溫區面積相比于2008年明顯減少。

通過對比福州市2000年、2008年和2016年的夏季地表熱島等級圖，對照土地實際使用結果，發現城市建筑和裸地的面積不斷增加，水域、林地和農田的面積不斷減少。熱島較明顯區域主要分布在火車站、商業中心、工業園區，也是人口集中、建筑密集、綠化率偏低的區域。熱島強度的分布差異由多種因素造成[14]，自然因素有太陽輻射、風、大氣運動等，人為因素有土地利用類別、人口密度等。

(a)2000年 (b)2008年 (c)2016年圖2 福州市夏季地表熱島等級圖

2.2 基于MODIS數據的地表熱島影響因素分析

歸一化植被指數(NDVI)是近紅外和紅光波段反射率的歸一化比值，是MODIS數據中反映植被生長及覆蓋的最佳指數。MODIS數據中氣溶膠產品(AOD)在可見光波段中比植被更亮，可用于表征氣溶膠特性。將MODIS地表溫度、NDVI和AOD數據分別計算得到城鄉差值，進行相關性分析，結果如表2所示。

表2 2003—2016年福州市夏季地表熱島與植被指數及氣溶膠的相關性

從表2可以看出，城鄉氣溶膠濃度差異(ΔAOD)與福州市夏季夜間地表熱島存在較為顯著的正相關性，其余相關性不顯著。由此可見，較高的氣溶膠濃度是導致福州市夏季夜間地表熱島增強的影響因子之一。夜間城市地表發射的長波輻射被氣溶膠粒子散射，造成向下長波輻射增加使得城市地表溫度不能有效降低，加劇了夜間城鄉地表溫度差異，夜間熱島效應顯著。這與WANG[15]等人的長波輻射對比分析所得到的結果一致。氣溶膠濃度對白天地表熱島并沒有明顯影響，原因是白天氣溶膠顆粒在截留地表長波輻射的同時還散射出入射的太陽短波輻射，降低了城市地區凈輻射量，在一定程度上緩解了地表熱島。也有研究表明，白天這兩種效應基本可以互相抵消[16]，因此氣溶膠對白天城市熱島的影響較弱。

以往研究結果顯示，城鄉植被覆蓋率差異(ΔNDVI)與ΔT在夏季(植被生長季)存在很強的負相關性[17]，但本研究中兩者未呈現顯著相關性。原因可能是，福州市植被覆蓋率處于相對較高水平且夏季綠度值高，城鄉NDVI差值較小，城鄉地區通過植被蒸騰降溫的差異不大，故對城市地表熱島無明顯影響。

3 結論

本文利用2000年6月、2008年7月和2016年7月的Landsat TM/ETM+/8遙感影像以及2003—2016年夏季MODIS遙感產品作為數據源，對福州市夏季地表熱島的時空變化和影響因素進行了分析，得到以下結論：

①2000—2016年福州市夏季地表熱島面積和強度均明顯增加，熱島效應顯著。熱島區由零星的點狀逐漸形成成片的熱島區，且不斷向四周擴散。高等級的熱島區增多，不同等級的熱島之間轉換明顯。

②熱島分布與城市空間結構基本吻合，熱島強度的變化趨勢也與城市發展基本一致。福州市夏季主要地表熱島區為火車站、商業中心、工業園區，地表裸露會導致熱島異常區出現。

③城鄉氣溶膠濃度差異與福州市夏季夜間地表熱島存在顯著的正相關性，城市大氣污染使城市地表溫度不能有效降低從而導致夜間熱島效應更為明顯。城鄉植被覆蓋率差異與福州市夏季地表熱島無明顯相關性。