近10年北京極端高溫天氣條件下的地表溫度變化及其對(duì)城市化的響應(yīng)

李曉萌，孫永華，孟 丹，余 潔，李小娟

(城市環(huán)境過(guò)程與數(shù)字模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，資源環(huán)境與地理信息系統(tǒng)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，三維信息獲取與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048)

全球氣候變化是21世紀(jì)人類(lèi)所面臨的重要環(huán)境問(wèn)題之一，20世紀(jì)90年代以來(lái)，全球極端高溫事件呈現(xiàn)出強(qiáng)度大、頻次高、影響范圍廣等特點(diǎn)，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人民生產(chǎn)生活都造成了嚴(yán)重的負(fù)面影響［1］。國(guó)外學(xué)者對(duì)極端高溫的研究比較早［2-4］，我國(guó)學(xué)者自20世紀(jì)90年代開(kāi)始對(duì)極端高溫進(jìn)行研究，如Cuiping Zhao等選擇15個(gè)極端溫度指數(shù)，分析了海河流域1960—2009年極端溫度的時(shí)空格局［5］。史軍等分析了華東地區(qū)夏季極端高溫的變化特征、發(fā)展趨勢(shì)及高溫成因［6］。姜德娟等分析了1961—2008年山東省極端溫度事件的時(shí)空特征［7］。鄭祚芳應(yīng)用1960—2009年逐日氣象記錄，分析了北京地區(qū)極端氣溫的時(shí)間變化特征及其對(duì)城市化的響應(yīng)［8］。

從以上可以看出，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于極端高溫發(fā)生頻率和強(qiáng)度的變化規(guī)律給予了充分關(guān)注，但對(duì)極端高溫發(fā)生時(shí)的地表溫度分布，尤其是利用遙感手段研究極端高溫對(duì)城市化的響應(yīng)還涉及較少。北京市作為國(guó)際特大都市，城市快速發(fā)展，極端高溫已經(jīng)日益成為一種比較常見(jiàn)的氣象災(zāi)害。因此，本文以北京市為研究區(qū)，利用2000年和2010年極端高溫發(fā)生時(shí)MODIS衛(wèi)星的地表溫度(LST)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，結(jié)合DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)，應(yīng)用差值、等溫線、剖面分析等方法，研究北京市近十年來(lái)極端高溫發(fā)生時(shí)地表溫度的時(shí)空變化特征及其對(duì)城市發(fā)展的響應(yīng)，對(duì)于減緩極端高溫、合理進(jìn)行城市規(guī)劃等都有著重要的意義。

1 研究區(qū)概況

北京市地處華北平原西北邊緣，位于北緯39°26'—41°03'、東經(jīng)115°25'—117°30'。本文的研究范圍為北京市，包括14區(qū)2縣。2005年，為了促進(jìn)城市功能優(yōu)化，北京市劃定四大城市功能區(qū)域，分別是首都功能核心區(qū)(西城區(qū)、東城區(qū))、城市功能拓展區(qū)(海淀區(qū)、朝陽(yáng)區(qū)、豐臺(tái)區(qū)、石景山區(qū))、城市發(fā)展新區(qū)(昌平區(qū)、順義區(qū)、通州區(qū)、大興區(qū)、房山區(qū))和生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)(懷柔區(qū)、門(mén)頭溝區(qū)、平谷區(qū)、延慶縣、密云縣)(圖1)。

我國(guó)氣象局將極端高溫分為3級(jí):高溫，大于等于35℃;危害性高溫，大于等于38℃;強(qiáng)危害性高溫，大于等于40℃［9-10］。北京市1980—2010年高溫、危害性高溫和強(qiáng)危害性高溫的日數(shù)分別為249、25、3 d。從圖2中可以看出，北京市近年來(lái)夏季極端高溫天氣呈增多趨勢(shì)。

城市地表溫度受當(dāng)日氣象條件的影響比較大。分析近十年的北京夏季高溫天氣，2000年6月13日與2010年7月6日，日最高氣溫分別為39.1℃和39.2℃，其他基本氣象條件，如降水量、相對(duì)濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)等，也基本相似(表1)。因此，選用這兩個(gè)極端高溫日進(jìn)行對(duì)比分析，在一定程度上可以反映近十年來(lái)北京地表溫度的時(shí)空分布及變化特征。

2 研究方法與技術(shù)路線

本文綜合利用遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，對(duì)近十年北京極端高溫天氣條件下的地表溫度變化及其對(duì)城市化的響應(yīng)進(jìn)行分析。首先，對(duì)MOD11A1地表溫度數(shù)據(jù)、DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)和氣象站觀測(cè)資料等數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，構(gòu)建空間數(shù)據(jù)場(chǎng)。在此基礎(chǔ)上，分別提取地表溫度場(chǎng)信息以及城市化信息，并通過(guò)等溫線分析、剖面分析、差值變化分析和柵格計(jì)算等方法，分別對(duì)地表溫度時(shí)空演化和城市化進(jìn)程進(jìn)行分析。最后，從定性與定量?jī)煞矫婢C合分析北京市近十年來(lái)城市化進(jìn)程對(duì)極端高溫發(fā)生時(shí)地表溫度空間分布特征和時(shí)空演變規(guī)律的影響。技術(shù)路線如圖3所示。

2.1 地表溫度場(chǎng)信息提取

選取2000年6月13日和2010年7月6日MODIS地表溫度產(chǎn)品(數(shù)據(jù)來(lái)源:美國(guó)國(guó)家航空航天局NASA)提取地表溫度信息。利用Envi下的MODIS Conversion Toolkit模塊，對(duì)MODIS地表溫度產(chǎn)品進(jìn)行處理，通過(guò)拼接、投影等操作，分別提取極端高溫時(shí)的地表溫度信息，得到地表溫度分布圖。MOD11A1陸地表層溫度數(shù)據(jù)空間分辨率為1km，儲(chǔ)存格式為HDF，地圖投影為正弦投影。

圖1 研究區(qū)概況圖Fig.1 The image of study area

圖2 北京市1980—2010年極端高溫出現(xiàn)頻次Fig.2 The frequency of extreme high temperature during 1980—2010

2.2 城市化信息提取

選取2000年與2010年的DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)來(lái)源:美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局NOAA)來(lái)表征城市化信息。夜間燈光數(shù)據(jù)是確定城市發(fā)展水平的指標(biāo)之一［11］，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用夜間燈光數(shù)據(jù)，研究城市建成區(qū)范圍和城市化發(fā)展，利用夜間燈光數(shù)據(jù)提取的城市格局與利用Landsat TM數(shù)據(jù)提取的城市格局特征基本一致，可以滿(mǎn)足城市化研究的需要［12-14］。

DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)的空間分辨率為1 km，為了方便計(jì)算，將數(shù)據(jù)都統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為橫軸墨卡托(UTM)投影，橢球體為WGS84。對(duì)DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪、投影等操作，運(yùn)用GIS空間分析和柵格計(jì)算方法，提取夜間燈光指數(shù)，分別得到2000年2010年北京市夜間燈光指數(shù)分布圖。夜間燈光指數(shù)范圍在0—63之間，數(shù)值越大代表城市化水平越高［15］。

表1 2000年6月13日與2010年7月6日基本氣象情況對(duì)比(數(shù)據(jù)來(lái)源:中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng))Table 1 Comparison of basic meteorological conditions in June 13，2000 and July 6，2010(data source:China meteorological data sharing service system)

圖3 技術(shù)路線圖Fig.3 The technical flow

2.3 等溫線分析

在地學(xué)研究中，通常要獲取能夠反映研究對(duì)象各方面特征的數(shù)據(jù)，等溫線就是其中的重要表現(xiàn)方法之一［16-17］。等溫線是圖上溫度值相同各點(diǎn)的連線，它可以反映出地理對(duì)象的空間分布及其變化特征，等溫線分布越密集，說(shuō)明溫度變化越大［18］，本文利用ArcGIS的空間分析功能分別對(duì)北京市全市和城六區(qū)進(jìn)行等溫線分析。

2.4 剖面分析

為了更詳細(xì)地了解地表溫度的空間結(jié)構(gòu)，對(duì)熱場(chǎng)進(jìn)行剖面分析是一種較好的途徑［19-20］。通過(guò)對(duì)地表溫度在某一基線上進(jìn)行剖面分析，可以揭示城市熱場(chǎng)在某一特定沿線的總體變化趨勢(shì)和平面特征，把握城市熱場(chǎng)的結(jié)構(gòu)特征。本文選取六環(huán)路為基線，在ArcGIS中用3D Analyst工具條的Create Profile Graph對(duì)地表溫度進(jìn)行剖面分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 地表溫度時(shí)空分布特征分析

3.1.1 地表溫度呈升高趨勢(shì)

分別對(duì)2000年6月13日與2010年7月16日的地表溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表2)，地表溫度的最小值由24.49℃上升到 24.89 ℃，上升了0.40 ℃，最大值由51.99 ℃ 上升到52.95 ℃，上升了0.96 ℃ ，平均值由40.21 ℃ 上升到40.66℃，上升了0.45℃。由此可見(jiàn)，北京市極端高溫時(shí)地表溫度呈現(xiàn)出升高的趨勢(shì)。

表2 地表溫度值統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics result of the land surface temperature

圖4 地表溫度剖面分析圖Fig.4 The profile analysis of land surface temperature

城市道路的地表溫度也是表征城市熱環(huán)境的指標(biāo)之一［21］。以北京市六環(huán)路為例，對(duì)地表溫度做剖面分析，從圖4中可以看出2000年6月13日與2010年7月6日的剖面圖走向趨勢(shì)大體一致。2010年7月6日較2000年6月13日相比，地表溫度的波動(dòng)性變強(qiáng)，整個(gè)六環(huán)路地表溫度的最低值，2000年為38.15℃，2010年為40.45℃，增加了2.3℃。北京六環(huán)路始建于1998年12月，于2009年9月全線通車(chē)，2000年至2010年這十年間正是六環(huán)路建設(shè)時(shí)期，是北京市快速城市化的典型代表工程，由此可見(jiàn)，在城市發(fā)展過(guò)程中，道路與交通運(yùn)輸對(duì)地表升溫有著密切的影響。

3.1.2 地表溫度空間分布特征

由圖5的地表溫度分布圖中可以看出，2010年與2000年的地表溫度空間分布格局存在一定相似性，高溫集中分布在市中心，并由內(nèi)向外逐漸降低。其中，市中心由于人口密度大、建筑物密集等原因，成為“熱島”區(qū)。西北部由于海拔高、植被密度高等原因，成為“冷島”區(qū)，和實(shí)際情況相吻合。

高溫區(qū)的范圍明顯增加。2000年，地表溫度高溫區(qū)主要集中在中心城區(qū)以及昌平區(qū)中部、房山區(qū)東南部、大興區(qū)西南部等地區(qū);2010年，地表溫度高溫區(qū)的范圍擴(kuò)大，昌平區(qū)東南部、順義區(qū)、密云縣南部、通州區(qū)、大興區(qū)等地都有高溫分布，且城市功能拓展區(qū)、發(fā)展新區(qū)的高溫區(qū)增加面積要大于功能核心區(qū)與生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)。

分別對(duì)2000年6月13日和2010年7月6日北京市和城六區(qū)的地表溫度做等溫線(圖6)?？梢钥闯?，2010年7月6日較2000年6月13日相比，等溫線分布密集，從而反映出地表溫度分布的不均衡性進(jìn)一步增加。對(duì)于全市而言，高溫中心區(qū)2000年分布在房山區(qū)東南部、昌平區(qū)中部，2010年分布在豐臺(tái)區(qū)的中部;對(duì)于城六區(qū)而言，高溫中心區(qū)2000年分布在石景山區(qū)，2010年分布在豐臺(tái)區(qū)南部和朝陽(yáng)區(qū)南部，這主要是由于這十年間，豐臺(tái)區(qū)和朝陽(yáng)區(qū)大力發(fā)展房地產(chǎn)業(yè)、工業(yè)、商業(yè)，外來(lái)人口增多等原因造成的。

圖5 北京市地表溫度分布Fig.5 The land surface temperature distribution in Beijing

圖6 地表溫度等溫線圖Fig.6 The isothermal variation of Beijing

3.2 地表溫度對(duì)城市化進(jìn)程的響應(yīng)分析

3.2.1 基于夜間燈光數(shù)據(jù)的北京城市化分析

本文選取2000年與2010年DMSP/OLS數(shù)據(jù)中的非輻射定標(biāo)夜間平均燈光強(qiáng)度數(shù)據(jù)產(chǎn)品，來(lái)表征城市化信息。由圖7和表3可以看出，北京市近年來(lái)城市擴(kuò)張明顯，由建成區(qū)向四周擴(kuò)展，城郊的衛(wèi)星城，如通州、昌平、亦莊、黃村、良鄉(xiāng)、順義等，以及城鄉(xiāng)結(jié)合部等都表現(xiàn)出了明顯的城市化特征;門(mén)頭溝區(qū)、延慶縣、懷柔區(qū)、密云縣等一些遠(yuǎn)郊區(qū)縣，變化不大。

3.2.2 地表溫度與夜間燈光指數(shù)之間的關(guān)系分析

將2010年7月6日與2000年6月13日的地表溫度進(jìn)行相減，得到地表溫度變化圖(圖8)，將這2日的夜間燈光指數(shù)進(jìn)行相減，得到夜間燈光指數(shù)變化圖(圖9)。

圖7 北京市夜間燈光指數(shù)分布圖Fig.7 The night Lighte index number distribution in Beijing

表3 夜間燈光指數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics result of the DMSP/OLS nighttime light index

從圖8、圖9可以看出:地表溫度變化較大的區(qū)域主要集中在昌平東部、順義東南部、平谷南部、通州中南部、大興北部、房山東部、豐臺(tái)中部、海淀北部等地區(qū)。夜間燈光指數(shù)增加較大的區(qū)域主要集中在昌平中東部、順義、平谷南部、通州中南部、大興北部、房山東部、豐臺(tái)西部、海淀北部等地區(qū)。這表明地表溫度增加較大的區(qū)域主要是城市化發(fā)展較快的區(qū)域，兩者在空間分布上基本一致。

采用散點(diǎn)圖方法對(duì)地表溫度與夜間燈光指數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行定量分析。圖10給出，2000年地表溫度與夜間燈光指數(shù)之間的關(guān)系和2010年地表溫度與夜間燈光指數(shù)之間的關(guān)系以及地表溫度變化量與夜間燈光指數(shù)變化量之間的關(guān)系?？梢钥闯?，隨著夜間燈光指數(shù)的升高，地表溫度呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)，地表溫度與夜間燈光指數(shù)的相關(guān)性較高，判定系數(shù) R2分別為0.629與0.724(圖10)，Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.794和0.851，均在0.01水平上顯著相關(guān)。

圖8 地表溫度變化圖像Fig.8 The variation of land surface temperature

圖9 夜間燈光指數(shù)變化圖像Fig.9 The variation of night light index number

隨著夜間燈光指數(shù)變化量的增大，地表溫度變化量呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)(圖10)。判定系數(shù)R2為0.435，Pearson相關(guān)系數(shù)為0.660，在0.01水平上顯著相關(guān)，說(shuō)明地表溫度的空間分布與城市空間發(fā)展趨勢(shì)基本吻合。

圖10 地表溫度與夜間燈光指數(shù)之間關(guān)系定量分析Fig.10 The quantitative analysis of the relationship between the surface temperature and night light index number

4 結(jié)論與展望

北京市近十年來(lái)極端高溫發(fā)生時(shí)地表溫度的時(shí)空變化特征及其對(duì)城市發(fā)展的響應(yīng)研究表明:

(1)近十年來(lái)，北京市極端高溫時(shí)地表溫度的最小值、最大值以及平均值均呈現(xiàn)出升高的趨勢(shì);北京市近年來(lái)地表溫度空間分布特征發(fā)生變化，高溫區(qū)的范圍呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢(shì)，且城市功能拓展區(qū)與城市發(fā)展新區(qū)的高溫區(qū)增加面積要高于首都功能核心區(qū)與生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū);

(2)2000年至2010年間，北京市城市擴(kuò)張明顯，由建成區(qū)向四周擴(kuò)展;城市擴(kuò)張對(duì)極端高溫條件下的地表溫度時(shí)空分布與變化趨勢(shì)起著主導(dǎo)與控制作用。因此，應(yīng)從北京市的整體規(guī)劃角度考慮，優(yōu)化城市用地功能結(jié)構(gòu)，合理進(jìn)行城市開(kāi)發(fā)與建設(shè)，才能有效的緩解和應(yīng)對(duì)極端高溫帶來(lái)的危害。

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