基于MODIS數據的鄭州市城市熱島效應時空特征研究

王朝陽，宋辛辛，李海懿

(1.重慶師范大學 地理與旅游學院，重慶 401331；2.鄭州師范學院 地理與旅游學院，河南 鄭州 450044)

1 引言

近年來，我國新型城鎮化建設進程不斷加速，大量建筑和道路集中構建，自然地表被破壞，廢氣廢熱高強度排放等引起下墊面性質及結構發生改變，城市出現“高溫孤島”現象[1～3]。相關學者[4,5]已經證實了城市熱島效應是城市化對氣候影響最顯著的特征。

國內大多數學者采用氣象學和遙感學方法對城市熱島效應進行研究。黃群芳[6]通過研究表明城市空間形態可以顯著改變城市熱島強度。張曉東等[7]利用景觀格局和緩沖區分析方法，發現適當增加綠地斑塊形狀復雜度，可以很好地改善城市熱環境。李玉杰等[8]基于“源-匯”理論，發現不同匯源景觀的平均熱場變異指數不同。劉麗香等[9]利用輻射傳輸法反演地表溫度，發現城市不同功能區對地表溫度作用程度不同。錢敏蕾等[10]揭示了城市熱環境的變化與城市用地擴張或縮減的規律。潘瑩等[11]采用了定量和定性分析的手段，揭示了地表溫度與下墊面的關系，并表明城市熱島效應與環境要素關系密切。Streutker[12]發現城市熱島效應的增強與人口的增長息息相關。因此，有必要對城市熱島的形成機制及時空分布進行研究，以緩解地區的城市熱島效應。

鄭州城市化進程不斷加快，城市規模迅速擴大，城市結構也隨之發生變化，這必然會引起熱島效應變化。學界對于鄭州市城市熱島效應的研究開始較早，程炳巖等[13]分析了鄭州的熱島特征及其隨著季節和高度變化的規律，并討論了關于鄭州城市熱島效應的成因機制。李芳芳等[14]基于ETM數據分析了鄭州市城市熱島效應及其影響因素。張凡等[15]利用2007～2016年MODIS地表溫度產品，分析了鄭州市城市熱島的時空演變特征。耿麗文[16]在風景園林視角下研究鄭州中心城區的城市熱島效應時空演變。目前利用長時間序列的遙感資料對鄭州城市熱島效應晝間和夜間年際變化的研究不多，本文以鄭州為實證對象，采用2011～2020年MODIS溫度產品，利用遙感技術研究鄭州城市熱島效應特點及其演變，分析熱島效應的晝間和夜間的年際變化規律，以期為鄭州市未來實現綠色發展提供參考。

2 研究區概況

鄭州市是河南省會城市，位于河南省中部偏北，屬于我國中部的中心地區，地處東經112°42′～114°14′，北緯34°16′～34°58′。鄭州市氣溫年較差大，屬于溫帶大陸性氣候。鄭州市處于黃河下游，約有124條河流，流域面積11.4 km2。地勢西南高東北低。2020年鄭州市GDP產值已達12003億元。近10年來，鄭州中心城區建成區面積迅速擴張，由354.7 km2擴張至709.69 km2，城市的擴張必然會引起熱島效應的變化，因此有必要對鄭州市開展城市熱島效應的研究。

3 數據來源和研究方法

3.1 數據來源

使用的地表溫度產品(LST，Land Surface Temperature)是通過美國國家航空航天局(NASA)的數據下載網站選取8d合成空間分辨率為1km的MOD11A2地表溫度產品，以2011年、2015年和2020年為代表年份，選擇覆蓋研究區云量較少、圖像質量較高的數據。

土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心提供的2015年Landsat TM影像(空間分辨率30m)解譯數據，社會經濟數據來源于《鄭州統計年鑒(2011-2020)》、鄭州市統計局。

3.2 數據處理

本研究利用ENVI和ArcGIS軟件對2011～2020年共計138幅影像數據進行分析，先對數據進行投影矯正等預處理。利用ENVI中的拓展工具MCTK(The Modis Coversion Toolkit)實現數據坐標的轉換和重投影，提取LST_Day_1km和LST_Night_1km對城市熱島效應進行分析，利用公式(1)將MODIS溫度產品的單位轉為℃。

LST=DN×0.02-273.15

(1)

式(1)中:DN為原始像素值，LST為地表溫度。采用規則裁剪的方法，利用鄭州市的行政界限在ArcGIS中對處理后的圖形進行掩膜裁剪，去除殘缺數據之后求均值，得到不同年份各個像元溫度的均值，利用密度分割法對所得影像數據劃分5個不同的地表溫度等級，并利用RS和GIS計算出不同溫度區所占面積的比例.

3.3 熱島指標

本研究利用UHIER指數[17]對熱島等級進行劃分，UHIER指數的計算方法如下：

UHIERn=(Tn-Tmin)/(Tmax-Tmin)

(2)

式(1)中，UHIERn代表第n個像元的城市熱島強度，Tn表示第n個像元的地表溫度值，Tmax則代表研究區地表溫度最大值，Tmin代表研究區地表溫度的最小值。UHIER指數可以反映熱島強度，利用密度分割法[17]將計算結果劃分為5個等級。

4 結果與分析

4.1 鄭州熱島平均場空間分布

采用2011～2020年每個像素的平均值表示熱島平均場(圖1)，以高溫區和較高溫區面積之和表示熱島范圍，熱島中心為高溫區最集中區域，熱島效應的明顯程度反應熱島強度，以高溫區面積進行定量描述。對2011～2020年熱島平均場空間分布進行研究，可以反映出鄭州市熱島范圍的大體分布。

圖1 2011～2020年研究區熱島平均場空間分布

從空間上來看，熱島范圍由點狀中心向外擴散，熱島中心的分布范圍相對來說更為集中，大部分位于鄭州市市轄區，而這些區域正是鄭州市經濟發展以及城市化水平較高的地區。高溫區所占面積的比例為4.84%，較高溫區在市轄區的周邊地區、鞏義市、登封市、新鄭市、新密市及中牟縣均有分布。在范圍上，較高溫區分布范圍比高溫區大，所占面積為26.93%。鄭州市多數區域還是以中溫區為主，所占面積為44.95%。低溫區和較低溫區分布于鄭州的北部、東北部、登封北部及南部，所占面積為23.25%。

4.2 熱島效應時空變化分析

利用RS和GIS技術對研究區不同溫度等級所占面積進行計算，獲得鄭州2011～2020年晝夜各溫度區所占比例(表1)。近10年間，熱島范圍所占面積基本穩定在25%～26%，沒有預期的擴張現象，也沒有明顯的萎縮趨勢，總體趨勢較為平穩。

表1 2011～2020年晝夜各溫度區所占的比例 %

從空間分布來看，2011年高溫區主要集中分布在鄭州市市轄區，其他地區分布較少，所占面積為4.89%。較高溫區的分布比較分散，研究區內均有分布(圖2a)，所占面積為21.56%；2015年較高溫區分布相對集中，主要分布在市轄區及其周邊地區(圖2b)，所占面積為19.82%；2020年較高溫區分布區域與2015年相似，分布范圍有所擴張(圖2c)，所占面積為4.55%.低溫區和較低溫區分布范圍保持相對穩定，主要分布于鄭州西部、北部以及東北部地區，其中東北部地區的較低溫區在2011年后有縮減趨勢。從熱島中心的空間分布來看，自2011～2020年，市轄區的熱島中心位置從未發生變動(圖2)。

圖2 研究區熱島平均場空間分布

從時間上來看，2011～2020年高溫區分布范圍先擴大后縮減，較高溫區分布范圍先縮減后擴大，新密市的熱島范圍在2011～2015年有所縮減，但2015～2020年又被高溫區覆蓋。中溫區分布范圍持續擴大，這與王燕強等[19]對鄭州市城市熱島的研究結論一致。低溫區和較低溫區分布范圍持續縮減，中牟縣大量較低溫區轉為中溫區。計算每個像元的溫度求平均值，得到鄭州市2011年平均地表溫度為17.03 ℃，2015年平均地表溫度為18.24 ℃，2020年平均地表溫度為17.38 ℃，2011～2020年平均地表溫度基本維持在17～19 ℃之間(圖3)。

圖3 研究區2011～2020年晝夜平均地表溫度變化

自2011～2020年市轄區一直處于熱島范圍內。相關研究[7,19,20]表明，城市熱島效應與城市的植被覆蓋率呈現出負相關關系。鄭州城市擴建造成植被覆蓋度減小[19]。汪洋等[20]學者認為在都市區內部的高密度建成區，植被覆蓋度具有主導性約束力，因此緩解鄭州市的城市熱效應，可以通過發展城市綠化來實現。

在城市化推進過程中，鄭州市城區面積不斷擴大。劉宇峰等[21]研究表明：不同因素對于熱島強度變化的影響程度也存在著差異，其中城市常住人口數、城市常住人口密度以及城市建成區面積，對城市熱島效應的影響最為顯著。在市轄區人口較多，極易形成一個強熱島，而周邊地區較難形成強熱島區。鄭州城區建成時間較早。相關研究[22,23]表明，鄭州城區面積在2001～2010年間建設用地迅速向四周擴張，城市下墊面性質改變，致使城市熱島效應顯著增強，因而可以通過優化鄭州市國土空間格局來緩解城市熱島效應。

4.2.1 晝間熱島時空變化分析

晝間熱島范圍(表1)和中心(圖4)波動較大，2011年熱島范圍所占面積達到42.13%， 2015年后，熱島范圍基本上穩定在34%～35%，晝間熱島范圍有微弱縮減趨勢，高溫區和較高溫區的變化趨勢明顯(表1)。

從空間分布來看，2011年較高溫區在鄭州市轄區、新鄭市、中牟縣、新密市和登封市分布廣泛(圖4a)，所占面積達到了39.63%。高溫區只有零星分布，所占面積為2.50%。低溫區和較低溫區主要分布在鄭州北部、東北部以及登封北部，所占面積為24.37%；2015年高溫區集中分布在鄭州市市轄區、新鄭市以及中牟縣(圖4b)，所占面積為13.41%。低溫區與較低溫區分布與2011年基本保持相似；2020年高溫區分布區域極小(圖4c)，所占面積僅為0.90%。較高溫區主要分布在鄭州市市轄區、登封市以及中牟縣，所占面積為33.26%。

圖4 研究區晝間熱島平均場空間分布

從時間上來看，2011～2020年高溫區分布范圍先擴大后縮小，較高溫區分布范圍先縮小后擴大，中溫區分布范圍一直保持擴大的趨勢，較低溫區分布范圍先擴大后縮小，低溫區分布范圍先減小后擴大。 2011年鄭州市的高溫區只有零星分布，較高溫區分布范圍廣,2015年較高溫區面積縮減，高溫區面積擴散，使得市中心熱島強度增加，熱島中心向新鄭市擴散，2020年鄭州市市轄區以及東南地區的高溫區大幅衰減，轉而成為較高溫區。從2011～2020年，鄭州北部、西部以及西南邊緣都為較低溫區和低溫區，結合鄭州土地利用類型分布，鄭州北鄰黃河，西部以及西南邊緣都分布有大量林地。由圖3得到，2011～2020年晝間平均地表溫度先上升后下降，與熱島強度的變化趨勢保持一致。

綜上所述，晝間熱島范圍先縮小后擴大。結合數據[24,25]，鄭州市2011年生產總值為4952.1億元，到2020年增加至12003.0億元；2010年鄭州市中心城區建成區面積為316 km2，到2020年增加至709.69 km；2010年鄭州市區常住人口為862.7萬人，到2020年增加至1262萬人。經濟高速發展以及城鎮化建設是鄭州市中溫區面積增加的主要原因。熱島效應的變化與城市化關系密切，伴隨城市化向新鄭市等地區推進，熱島中心有向新鄭市逐漸轉移的趨勢。

4.2.2 夜間熱島時空變化分析

夜間的城市熱島范圍相對于晝間縮小程度更加明顯(表1)。熱島范圍先縮小后擴大，熱島范圍所占面積維持在25%～28%之內，各溫度區所占面積變化較小，市轄區的熱島中心位置從未發生變動。

從空間分布來看，2011年高溫區主要分布在鄭州市市轄區，其他地區只是零星分布，高溫區所占面積為5.82%(表1)。低溫中心多分布于登封北部，低溫區和較低溫區主要分布于鄭州的北部、西南以及東南地區，分布范圍較廣(圖5a)，所占面積達到了33.58%；2015年鄭州市市轄區仍以高溫區為主導，鞏義市部分地區的較高溫區轉為高溫區(圖5b)，高溫區所占面積為7.08%，低溫區和較低溫區的分布范圍與2011年基本相似，所占面積為35.35%；2020年高溫區分布仍以市轄區為主(圖5c)，所占面積為6.47%。低溫區和較低溫區仍主要分布于鄭州的北部、西南和東南地區，所占面積為33.92%；2011～2020年新鄭市、登封市以及中牟縣的南部都保持著較大面積的低溫區，其他地區的低溫區只是零星分布，未形成較大規模(圖5)。

圖5 研究區夜間熱島平均場空間分布

從時間上來看，2011～2020年高溫區分布范圍先擴大后縮小，較高溫區則出現與高溫區相反趨勢，低溫區分布范圍先縮小后擴大，較低溫區分布范圍先擴大后縮小。夜間的高溫中心不同于晝間，自2011年以來，夜間的高溫中心一直存在于市轄區。中溫區基本保持穩定趨勢。在鞏義市，2011年有大量較高溫區分布，2015年部分較高溫區轉變為高溫區，2020年強熱島中心開始縮減；鄭州西南、東南地區始終大面積處于較低溫區；新鄭市自2011～2020年一直存在著一個小面積的高溫中心。鞏義市的高溫區在2015～2020年間有縮減的趨勢。經過計算得到鄭州市2011、2015和2020年夜間平均地表溫度分別為11.58 ℃、12.89 ℃和13.53 ℃，夜間平均地表溫度有逐漸上升的趨勢(圖3)。

綜上所述，夜間熱島變化范圍比晝間小。結合數據及圖像可得:夜間熱島范圍先縮小再擴大，趨勢與晝間保持一致。夜間城市熱島效應比晝間弱，說明太陽輻射減弱，人口流動減少，交通壓力減小等在一定程度上可緩解或減弱城市熱島效應。

4.3 熱島效應空間分布與用地關系

為了探究熱島效應的空間分布與城市用地的關系，選取研究期內中間年份2015年為代表，分析該時期的土地利用類型(圖6)與2015年熱島平均場的空間分布(圖2b)關系。

從空間上看，2015年熱島范圍集中分布與市轄區及周邊地區，滎陽市、鞏義市、新密市以及登封市均只分布小面積高溫中心，高溫中心呈現零星分布的特點，結合圖6這些高溫中心都為城鄉居民用地。鄭州市多數區域以中溫區為主，結合其土地利用類型，中溫區以水田旱地為主，可知耕地、草地、林地以及水域在一定程度上可緩解或減弱城市熱島效應。

低溫區分布在登封的北部、南部以及鄭州的北部，此區域林地是其主要土地利用類型，鄭州北鄰黃河，所以此區域為低溫區，土地利用類型為水域(圖6)。通過對比平均場的空間分布和土地利用類型，鄭州市城市熱島效應的空間分布范圍和形式與鄭州市的下墊面性質基本保持一致，下墊面性質可以影響城市溫度。

圖6 2015年研究區土地利用類型

5 結論

本文利用遙感和GIS技術，根據2011年、2015年和2020年的MODIS數據、社會經濟數據以及土地利用數據等，經過分析和綜合處理等一系列過程，對鄭州市長時序熱島效應變化進行了一系列的時間和空間分析，總結出鄭州市熱島效應的變化特點，得出以下結論。

(1)鄭州市的城市熱力環境主要以市轄區為主，此地區為經濟發達、人口密度大、建筑密集地區；2011～2020年高溫區有相對縮減的趨勢，2020年高溫區所占面積較2011年減少了0.34%，(較)低溫區逐漸減少轉為中溫區。

(2)鄭州市以中溫區為主，熱島區的擴展趨勢與鄭州城市化息息相關，隨著城市化向周邊地區擴張，熱島效應集中區也開始向建筑地密集區及新鄭市轉移，城市下墊面性質可影響城市溫度，城鄉居民用地多為高溫區，水域和林地多為(較)低溫區。

(3)從晝夜熱島平均場分布情況來看，夜間熱島的中心表面呈現出較大的團體狀分布，熱島中心位置未發生明顯移動，2011～2020年夜間平均熱島范圍所占面積為26.68%，晝間平均熱島范圍所占面積為36.80%。