基于MODIS數(shù)據(jù)的寶雞城市熱島季節(jié)特征分析

楊 瓊，梁 萍，楊婷婷

(1.寶雞市氣象局，陜西 寶雞 721006；2.96873部隊(duì)，陜西 寶雞 721006)

1 引言

城市熱島效應(yīng)(Urban Heat Island Effect，簡(jiǎn)稱UHI )是指城市中的氣溫明顯高于外圍郊區(qū)的現(xiàn)象，是在人類活動(dòng)下，由于城市下墊面條件改變和人為產(chǎn)熱等原因而形成的獨(dú)特城市氣候現(xiàn)象。

近年來，在全球增溫和高速城市化的背景下，城市氣候被認(rèn)為是主導(dǎo)城市生態(tài)環(huán)境的重要因素之一，其最明顯的特征就是城市熱島效應(yīng)[1]。隨著城市化進(jìn)程的加快，城市人口不斷膨脹、新型建筑大量增加、運(yùn)行車輛急劇增多、工業(yè)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展、生產(chǎn)規(guī)模日益擴(kuò)大以及其他諸多因素的影響，城市熱島現(xiàn)象正呈現(xiàn)不斷加劇的趨勢(shì)，對(duì)城市生態(tài)環(huán)境的影響越來越顯著[2]。因此對(duì)城市熱島效應(yīng)的研究分析，具有現(xiàn)實(shí)意義，而且一直是研究的熱點(diǎn)問題。

目前，城市熱島常用研究手段包括氣象觀測(cè)[3～5]、數(shù)值模擬和衛(wèi)星遙感技術(shù)，其中衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)具有空間分布聯(lián)系、來源穩(wěn)定和時(shí)間同步性好等優(yōu)勢(shì)，近20年基于遙感反演地表溫度的方法在城市熱島效應(yīng)的研究上較為廣泛[6]。許多學(xué)者利用LandsatTM熱紅外波段數(shù)據(jù)、Landsat7 ETM+和Landsat8 TIRS影像等多源遙感數(shù)據(jù)對(duì)城市熱島進(jìn)行相關(guān)領(lǐng)域的分析和研究[7～12]。本文通過MODIS遙感影像提取地表溫度，對(duì)寶雞城市熱島效應(yīng)的空間分布和季節(jié)規(guī)律進(jìn)行分析。

2 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.1 研究區(qū)概況

寶雞市位于秦嶺緯向構(gòu)造體系與其他構(gòu)造體系的復(fù)合交接部位，具有南、西、北三面環(huán)山，以渭河為中軸向東拓展，呈尖角開口槽形的特點(diǎn)，屬于溫帶大陸季風(fēng)性氣候，受局部地形影響，冷暖干濕四季分明。境內(nèi)受秦嶺山地等影響，海拔變化明顯，消除海拔變化對(duì)地表溫度的影響，經(jīng)綜合考慮，選取海拔小于等于800 m的寶雞境內(nèi)區(qū)域進(jìn)行分析，即寶雞轄區(qū)內(nèi)的川塬區(qū)一帶，海拔高程數(shù)據(jù)通過美國NASA提供的30m分辨率的SRTM數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)進(jìn)行提取[13]。同時(shí)為確保研究區(qū)內(nèi)郊區(qū)選擇的代表性，滿足“結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，種植制度和土壤性質(zhì)在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)很少發(fā)生變化、離城中心相對(duì)較遠(yuǎn)不易受城市化環(huán)境污染帶來的影響”的條件[14]，結(jié)合2018年基于Landsat-8 TM/ETM2通過遙感解譯獲取的土地利用分類(LUCC)數(shù)據(jù)，確定了本文研究區(qū)域的郊區(qū)范圍。如圖1所示。

圖1 寶雞轄區(qū)范圍內(nèi)研究區(qū)域及土地利用分類示意

2.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本文使用的地表溫度數(shù)據(jù)來自MODIS傳感器的Aqua衛(wèi)星數(shù)據(jù)第6版地表溫度8日合成產(chǎn)品(MYD11A2)，空間分辨率為1 km。MYD11A2數(shù)據(jù)利用分裂窗算法，通過MODIS傳感器的31通道(10.78～11.28 μm)和32通道(11.77～12.27 μm)的地表比輻射率和亮溫對(duì)地表溫度進(jìn)行反演。搭載在Aqua衛(wèi)星平臺(tái)的MODIS傳感器，在一天內(nèi)通過陜西上空的兩個(gè)時(shí)間段為北京時(shí)間12:00～16:00和1:00～4:00(次日)，正值寶雞每日氣溫最高值出現(xiàn)的時(shí)段。鑒于MODIS在時(shí)間分辨率上的連續(xù)性，本文利用2010年12月至2011年11月和2019年12月至2020年11月共計(jì)92期的MYD11A2資料，進(jìn)行最優(yōu)影像挑選，組成涵蓋研究時(shí)期內(nèi)各個(gè)月份的數(shù)據(jù)集，指定2010年12月至2011年2月為2011年冬季，2011年3～5月為2011年春季，2011年6～8月為2011年夏季，2011年9～11月為2011年秋季，2019年12月至2020年2月為2020年冬季，2020年3～5月為2020年春季，2020年6～8月為2020年夏季，2020年9～11月為2020年秋季，進(jìn)行研究分析。

2.3 研究方法

2.3.1 熱島強(qiáng)度

按照多數(shù)文獻(xiàn)研究城市熱島的方法，城市熱島強(qiáng)度(UHII：Urban Heat Island Inntensity)定義為城市和郊區(qū)氣溫之差，應(yīng)用到地表城市熱島中可定義為城市地表溫度與郊區(qū)地表溫度之差，城市熱島強(qiáng)度能說明城區(qū)溫度高于郊區(qū)溫度的程度[15]。其表達(dá)式為：

(1)

式(1)中，Ii是遙感影像上第i個(gè)像元所對(duì)應(yīng)的熱島強(qiáng)度，Ti是第i個(gè)像元所對(duì)應(yīng)的地表溫度，n為郊區(qū)像元的個(gè)數(shù)，Tcrop(i)為郊區(qū)像元地表溫度。

由于本文選取的數(shù)據(jù)是2010年12月至2011年11月和2019年12月至2020年11月的遙感數(shù)據(jù)，不同時(shí)期地表溫度范圍存在差異，不便于進(jìn)行對(duì)比分析，本文利用均值—標(biāo)準(zhǔn)差等間距的方法[16]，對(duì)研究區(qū)熱島強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。如表1。

表1 均值—標(biāo)準(zhǔn)差熱島強(qiáng)度等級(jí)劃分

2.3.2 熱島比例指數(shù)

熱島比例指數(shù)(UHPI：Urban Heat Proportion Index)是城市空間單元范圍內(nèi)熱島面積與所在區(qū)域面積的比例，并賦值權(quán)重來表征該空間單元的城市熱島的發(fā)育程度，能有效比較不同空間單元的熱島強(qiáng)弱，還可以比較同一地區(qū)在不同時(shí)期的熱島強(qiáng)度大小[14]。其表達(dá)式為：

(2)

式(2)中，UHPI是城市熱島比例指數(shù)，m是熱島強(qiáng)度等級(jí)數(shù)，i是城區(qū)溫服高于郊區(qū)溫度等級(jí)序號(hào)，n是城區(qū)溫度高于郊區(qū)溫度的等級(jí)數(shù)，wi是第i級(jí)的權(quán)重，Pi是第i級(jí)在研究區(qū)內(nèi)所占面積的百分比。UHPI在0～1.0之間，該值越大，熱島現(xiàn)象越嚴(yán)重。

3 結(jié)果與分析

3.1 寶雞市地表溫度分布特征

圖2為反演寶雞2011年冬(圖2a)、春(圖2b)、夏(圖2c)、秋(圖2d)和2020年冬(圖2e)、春(圖2f)、夏(圖2g)、秋(圖2 h)的地表溫度發(fā)現(xiàn)：2011年冬季地表溫度最高是13.5 ℃，出現(xiàn)在扶風(fēng)東部，2020年冬季地表溫度最高是15.6 ℃，出現(xiàn)在眉縣西北部；2011年春季地表溫度高值區(qū)面積大于2020年春季，其中2011年春季地表溫度最高是33.6 ℃，出現(xiàn)渭濱區(qū)東北部，2020年春季地表溫度最高是32.9 ℃，出現(xiàn)在岐山縣與陳倉區(qū)交界處；2011年夏季地表溫度最高是39.9 ℃，出現(xiàn)在扶風(fēng)東部，2020年夏季地表溫度最高是41.7 ℃，出現(xiàn)在金臺(tái)區(qū)南部；2011年秋季地表溫度最高是25.8 ℃，出現(xiàn)在扶風(fēng)與眉縣交界處，2020年秋季地表溫度最高是28.5 ℃，出現(xiàn)在岐山縣。

圖2 寶雞2011年冬(a)、春(b)、夏(c)、秋(d)和2020年冬(e)、春(f)、夏(g)、秋(h)遙感反演地表溫度(單位：℃)分布

3.2 研究區(qū)熱島強(qiáng)度分布特征

表2列出了2011年、2020年冬、春、夏、秋四季研究區(qū)的熱島強(qiáng)度不同等級(jí)面積以及面積占比。可以看出，本文研究區(qū)內(nèi)次熱島強(qiáng)度等級(jí)以上(含次熱島強(qiáng)度)面積范圍冬季和夏季2011年大，春季和秋季2020年大；強(qiáng)熱島等級(jí)面積范圍冬季、夏季和秋季2020年大，春季2011年大。次熱島強(qiáng)度等級(jí)以上(含次熱島強(qiáng)度)面積占比2011年四季大于2020年四季，強(qiáng)熱島面積占比2011年四季小于2020年四季。表2也可看出2011年四季中次熱島強(qiáng)度等級(jí)以上(含次熱島強(qiáng)度)面積范圍夏季最大，占比46.78%，強(qiáng)熱島強(qiáng)度等級(jí)面積范圍春季最大，占比19.9%；2020年四季中次熱島強(qiáng)度等級(jí)以上(含次熱島強(qiáng)度)面積范圍夏季最大，占比37.78%，強(qiáng)熱島強(qiáng)度等級(jí)面積范圍春季最大，占比19.27%。2011年的強(qiáng)熱島面積占比冬、夏、秋三季小于次熱島等級(jí)，春季大于次熱島等級(jí)，2020年強(qiáng)熱島面積占比夏、秋季小于次熱島等級(jí)，冬、春季大于次熱島等級(jí)。

表2 2011年四季不同熱島強(qiáng)度等級(jí)熱面積及占比

圖3是研究區(qū)2011年冬(a)、春(b)、夏(c)、秋(d)和2020年冬(e)、春(f)、夏(g)、秋(h)不同熱島強(qiáng)度等級(jí)空間分布情況。可以看出，研究區(qū)2011年強(qiáng)熱島范圍冬季在鳳翔東南部、扶風(fēng)縣城；春季在千陽縣城、渭濱區(qū)金臺(tái)區(qū)陳倉區(qū)交界處、眉縣南部、扶風(fēng)縣城；夏季強(qiáng)熱島中心位于鳳翔陳倉區(qū)岐山的交界處，金臺(tái)區(qū)渭濱區(qū)陳倉區(qū)的交界處以及岐山城區(qū)也出現(xiàn)了強(qiáng)熱島中心，強(qiáng)熱島中心位置較分散；秋季強(qiáng)熱島中心位于鳳翔東南部和扶風(fēng)城區(qū)，金臺(tái)區(qū)東南有強(qiáng)熱島中心。2020年冬季強(qiáng)熱島中心主要位于眉縣北部一帶，金臺(tái)區(qū)東南有零星強(qiáng)熱島中心；春季的強(qiáng)熱島中心分布與2011年春季相同，但是強(qiáng)熱島面積較2011年增加；夏季強(qiáng)熱島中心分布在金臺(tái)區(qū)渭濱區(qū)陳倉區(qū)交界處和鳳翔陳倉區(qū)岐山的交界處以及扶風(fēng)的西南、岐山的東南部，強(qiáng)熱島中心分布的范圍廣且零散，較2011年夏季增加；秋季強(qiáng)熱島中心位于陳倉區(qū)鳳翔岐山交界一帶以及岐山縣中部地區(qū)，寶雞市區(qū)處在綠島范圍內(nèi)。從圖3可看出研究區(qū)內(nèi)，2011年冬季、2020年冬季和秋季，寶雞市區(qū)屬于冷島和綠島的強(qiáng)度等級(jí)低，2011年和2020年春季寶雞市區(qū)呈現(xiàn)強(qiáng)熱島等級(jí)。

3.3 研究區(qū)熱島比例指數(shù)變化

熱島比例指數(shù)可比較同一地區(qū)在不同時(shí)期的熱島強(qiáng)度大小。圖4是研究區(qū)2011年、2020年冬、春、夏、秋四季熱島比例指數(shù)。從圖4可看出，本文研究區(qū)總熱島比例指數(shù)2020年低于2011年，2020年冬季、夏季熱島比例指數(shù)低于2011年，2020年春季、秋季熱島比例指數(shù)高于2011年，且2011年夏季熱島比例指數(shù)最高。

表3 2020年寶雞四季不同熱島強(qiáng)度等級(jí)熱面積及占比

圖3 研究區(qū)2011年冬(a)、春(b)、夏(c)、秋(d)和2020年冬(e)、春(f)、夏(g)、秋(h)熱島強(qiáng)度等級(jí)空間分布

4 結(jié)論

(1)寶雞市地表溫度冬季最高值出現(xiàn)在2020年眉縣西北部，達(dá)15.6 ℃；春季最高值出現(xiàn)在2011年渭濱區(qū)東北部，達(dá)33.6 ℃；夏季最高值出現(xiàn)在2020年金臺(tái)區(qū)南部，達(dá)41.7 ℃；秋季最高值出現(xiàn)在2020年岐山縣，達(dá)28.5 ℃。

圖4 研究區(qū)2011年、2020年冬、春、夏、秋季熱島比例指數(shù)

(2)研究區(qū)內(nèi)次熱島強(qiáng)度等級(jí)以上(含次熱島強(qiáng)度)面積范圍冬季和夏季2011年大，春季和秋季2020年大；強(qiáng)熱島等級(jí)面積范圍冬季、夏季和秋季2020年大，春季2011年大。次熱島強(qiáng)度等級(jí)以上(含次熱島強(qiáng)度)面積占比2011年四季大于2020年四季，強(qiáng)熱島面積占比2011年四季小于2020年四季。

(3)研究區(qū)內(nèi)，2011年冬季、2020年冬季和秋季，寶雞市區(qū)屬于冷島和綠島的強(qiáng)度等級(jí)低，2011年和2020年春季寶雞市區(qū)呈現(xiàn)強(qiáng)熱島等級(jí)。

(4)研究區(qū)內(nèi)，熱島比例指數(shù)2020年低于2011年，2020年冬季、夏季熱島比例指數(shù)低于2011年，2020年春季、秋季熱島比例指數(shù)高于2011年，且2011年夏季熱島比例指數(shù)最高。