土地覆蓋類型對城市熱島效應(yīng)的響應(yīng)分析

裔傳祥,胡繼超,李小軍

(1. 南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院，江蘇 南京 210044； 2. 中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101)

城市熱島效應(yīng)是指城市中的氣溫明顯高于外圍郊區(qū)的現(xiàn)象[1]。近些年，城市熱島效應(yīng)備受國內(nèi)外重視。隨著全球變暖和我國城市化進(jìn)程的加快，以及城市下墊面的快速變化，植被、水體等透水面被不透水面所替代，導(dǎo)致地表熱力學(xué)性質(zhì)、粗糙度等發(fā)生改變，由此也帶來了一系列的城市熱環(huán)境問題[2]。其中城市熱島效應(yīng)問題日趨嚴(yán)重，商業(yè)交通、工業(yè)生產(chǎn)等人為熱源直接或間接促使了城市熱島的形成[3-4]。城市熱島效應(yīng)不僅會(huì)引發(fā)各種熱浪災(zāi)害，而且還對城市居民健康造成了嚴(yán)重威脅[5-6]。

土地覆蓋類型是城市地表溫度分布的主要影響因素，研究城市地表溫度和土地覆蓋之間的關(guān)系，分析城市熱島特征，有助于更加深入了解城市熱島效應(yīng)在不同土地覆蓋類型下的空間特征，同時(shí)也可以從城市熱島效應(yīng)產(chǎn)生的角度為城市建設(shè)及維護(hù)生態(tài)環(huán)境提供重要的理論依據(jù)。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的快速發(fā)展，人們對熱島效應(yīng)的研究手段逐漸由單一的依靠氣象站進(jìn)行觀測轉(zhuǎn)移到利用遙感影像熱紅外波段反演獲取空間連續(xù)的地表溫度[7-8]。在遙感研究中，人們通過建立相關(guān)指數(shù)來描述某種土地覆蓋類型與城市熱島之間的關(guān)系[9-13]。近年來，對植被和建筑用地這兩種土地覆蓋類型與城市熱島效應(yīng)之間關(guān)系的研究層出不窮。眾多研究者通過引入歸一化植被指數(shù)(normalized differential vegetation index，NDVI)來表征植被覆蓋信息，探討植被與城市熱島效應(yīng)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)植被覆蓋比例與地表溫度具有較好的負(fù)相關(guān)性[9-11]。相比易受生長周期影響的植被指數(shù)，反映建筑信息的歸一化建筑指數(shù)(normalized difference built-up index，NDBI)則較穩(wěn)定，大量研究表明，城市建筑用地覆蓋比例與溫度存在明顯的正相關(guān)關(guān)系[12]。也有學(xué)者通過改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)(modified normalized difference water index，MNDWI)和歸一化裸土指數(shù)(normalized difference barren index，NDBaI)分別研究了水體和裸土與城市熱島效應(yīng)之間的關(guān)系[13]。

為研究城市熱島與土地覆蓋類型之間的關(guān)系，本文選取我國典型熱島城市濟(jì)南、武漢和重慶作為研究區(qū)，選取MODIS衛(wèi)星產(chǎn)品分別提取3個(gè)城市2003年、2008年、2013年的土地覆蓋信息與地表溫度信息，定量分析城市熱島對土地覆蓋類型的響應(yīng)關(guān)系，對于解決城市熱島效應(yīng)問題具有重要意義。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

濟(jì)南屬于暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口集中，城市化發(fā)展較快；武漢是華中地區(qū)最大的城市，位于江漢平原東部，長江中游與漢水交匯處，全市北高南低，屬于北亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，常年濕潤，城市熱島效應(yīng)明顯；重慶是西南地區(qū)的經(jīng)濟(jì)重鎮(zhèn)，位于四川盆地東部，全市以低山、丘陵為主，屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，其重工業(yè)發(fā)展迅速，人口增長快，是我國“三大火爐”城市之一。

1.2 數(shù)據(jù)源

MODIS是安裝在美國第二代觀測衛(wèi)星Terra和Aqua衛(wèi)星上的傳感器，具有波譜分辨率高、時(shí)間周期快、獲取較為容易等特點(diǎn)，在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文所需要的數(shù)據(jù)主要包括2003、2008和2013年3個(gè)城市的地表溫度數(shù)據(jù)及土地覆蓋分類數(shù)據(jù)，兩種數(shù)據(jù)主要來源于MODIS Level 3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，其中還包括Landsat TM、ETM+和MODIS Level 3級(jí)地表反射率等輔助數(shù)據(jù)。

地表溫度數(shù)據(jù)來源于MODIS Level 3中的地表溫度產(chǎn)品(MOD11A1)，文中分別提取濟(jì)南、武漢、重慶市2003、2008和2013年夏季白天的地表溫度(land surface temperature，LST)和質(zhì)量控制(quality control，QC)數(shù)據(jù)，時(shí)間為各年6月1日—8月31日，共92天；土地覆蓋數(shù)據(jù)使用的是MCD12Q1。其中，MOD09A1及Landsat TM、ETM+用來輔助提取建筑用地，MOD09A1是MODIS 8天合成的地表反射率產(chǎn)品，其數(shù)據(jù)集包含紅、綠、藍(lán)、近紅外和短波波段的反射率等，根據(jù)國際地圈生物圈計(jì)劃(international geosphere-biosphere program，IGBP)分類方案，分別提取各個(gè)城市3個(gè)年份的土地覆蓋數(shù)據(jù)及各年夏季的反射率數(shù)據(jù)(紅外和短波波段)。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

文中涉及的數(shù)據(jù)處理主要包括地表溫度數(shù)據(jù)和土地覆蓋數(shù)據(jù)的投影變換、數(shù)據(jù)提取、鑲嵌、裁切及類別合并等。為保證投影信息一致，將上述數(shù)據(jù)的投影統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為阿爾伯斯投影(Albers equal-area conic projection)。

對于土地覆蓋分類數(shù)據(jù)MCD12Q1，數(shù)據(jù)處理主要包括原始分類方案的類別合并和重編碼。結(jié)合3個(gè)城市的土地覆蓋特性，最終將IGBP分類方案重新編碼為耕地、草地、林地、水體、城市用地及裸地6種土地覆蓋類型。城市用地的分布具有整體集中、局部分散的特點(diǎn)，并且零散分布的城市在遙感影像上受周圍地物影響較大，極易出現(xiàn)錯(cuò)分現(xiàn)象[14]，因此，為保證城市用地的分類精度，通過計(jì)算歸一化建筑指數(shù)并參考高分辨率遙感影像等輔助數(shù)據(jù)采取目視解譯的方式提取城市用地。最終得到濟(jì)南、武漢、重慶市不同年份的土地覆蓋分類結(jié)果，如圖1所示。對MOD09A1地表反射率產(chǎn)品的處理主要為去云處理，對每年兩個(gè)軌道(h27v05、h27v06)獲取的各12景影像采取最小值合成法合成為一幅無云影像。

2 熱島效應(yīng)分析模型

為了更好地分析土地覆蓋與城市熱島的關(guān)系，將研究量綱化，避免分析過于籠統(tǒng)，需要引進(jìn)具體的指數(shù)。因此，本文引入了熱島分級(jí)、建筑指數(shù)、相關(guān)性分析計(jì)算方法進(jìn)行系統(tǒng)的研究。

2.1 熱島分級(jí)

為了更加直觀地表達(dá)城市熱島強(qiáng)度，采用均值-標(biāo)準(zhǔn)差法(式(1))將城市熱島劃分為5個(gè)等級(jí)。這種分級(jí)方法以平均溫度和標(biāo)準(zhǔn)差的倍數(shù)關(guān)系作為切入口，能夠有效地界定城市熱島，在不同時(shí)期城市熱島演變對比研究中可以在一定程度上避免時(shí)間差異的影響[15]。

T=T0+X·SD

(1)

式中，T為分段點(diǎn)；T0為影像的平均值；SD為影像的標(biāo)準(zhǔn)差；X為標(biāo)準(zhǔn)差的倍數(shù)，本文設(shè)為0.5和1.5[8]。

2.2 建筑指數(shù)

城市用地的分類通過計(jì)算歸一化建筑指數(shù)[16](式(2))得到，它能夠較準(zhǔn)確地提取城市用地。

(2)

式中，RNIR和RSWIR分別對應(yīng)MOD09A1中的第2波段和第6波段的光譜反射率。

圖1 濟(jì)南、武漢和重慶不同年份的土地覆蓋分類結(jié)果

2.3 相關(guān)性分析

Pearson簡單相關(guān)系數(shù)(pearson product-moment correlation coefficient，PPCC)(式(3))用來分析地表溫度與土地覆蓋類型之間的關(guān)系。PPCC是考察兩個(gè)變量之間線性關(guān)系的一種統(tǒng)計(jì)分析方法[17]，取值范圍為[-1,1]，通常用R來表示。當(dāng)R為正值時(shí)，表示兩變量正相關(guān)；反之為負(fù)相關(guān)；R的絕對值越大，表明兩個(gè)變量之間的相關(guān)程度越密切。公式如下

(3)

3 研究結(jié)果與分析

3.1 地表溫度與土地覆蓋類型的關(guān)系

為探討不同地表覆蓋類型與城市熱島之間的關(guān)系，分別把濟(jì)南、武漢、重慶3個(gè)城市2003年、2008年和2013年的土地覆蓋數(shù)據(jù)與地表溫度數(shù)據(jù)相疊加，得到每種土地覆蓋類型的平均地表溫度及溫度標(biāo)準(zhǔn)差，并加入各種土地類型所占比例得到表1。從表中可以看出，3個(gè)城市不同類型土地覆蓋的熱特性之間存在共性，城市用地和裸地由于具有相似的非滲透性和無蒸發(fā)性、較強(qiáng)的熱傳導(dǎo)性和較高的熱容量，地表溫度較高；而水體由于其較強(qiáng)的蒸發(fā)作用，呈現(xiàn)出明顯的低溫狀態(tài)，城市用地和水體的地表溫度差異較大。由于本文獲取的耕地覆蓋類型與草地具有相似的植被覆蓋特征。草地和耕地地表溫度比較接近，均高于林地。同時(shí)，3個(gè)城市不同類型土地覆蓋的熱特性之間也存在差異，并且這種熱特性隨時(shí)間的變化而變化。

表1 濟(jì)南、武漢、重慶各年份土地覆蓋類型平均地表溫度、標(biāo)準(zhǔn)差及所占比例

結(jié)合表1與圖1可以看出，濟(jì)南和武漢的土地覆蓋類型以耕地為主，并且分布比較穩(wěn)定。此外，濟(jì)南市水體、林地、裸地所占面積相對較少，年際變化不明顯，而草地和城市用地變化則較明顯。武漢市水域面積比例較大，從2003年的15.79%降到2013年的14.38%，而城市用地比例增加。相比濟(jì)南和武漢，重慶市下墊面以耕地、林地和草地為主，2003年至2013年，草地面積所占比例由19.72%減少到14.75%，而林地面積比重增加。

濟(jì)南不同土地覆蓋類型地表溫度從高到低的順序?yàn)椋?003年，城市用地>裸地>草地>耕地>水體>林地；2008年，城市用地>裸地>草地>耕地>林地>水體；2013年，裸地>城市用地>草地>耕地>水體>林地。3個(gè)年份各個(gè)土地覆蓋類型的溫度排序不一致，城市用地與裸地的平均溫度一直高居前兩位，并明顯高于其他土地覆蓋類型，草地一直處于第3位，水體、林地則一直占據(jù)后兩位，這說明濟(jì)南市草地的降溫效果并不明顯，而水體、林地相對更能影響濟(jì)南市的溫度變化。武漢3個(gè)時(shí)期各土地覆蓋類型地表溫度的排序均為：城市用地>裸地>耕地>草地>林地>水體。由表1可以看出，裸地的溫度標(biāo)準(zhǔn)差在2003年和2013年均高于同一時(shí)期的其他土地覆蓋類型，這是由于裸地主要以裸露的地表及在建工地為主，接受太陽輻射后，溫度會(huì)迅速上升導(dǎo)致。重慶3個(gè)時(shí)期土地覆蓋類型的溫度排序均為：城市用地>裸地>耕地>草地>水體>林地，與武漢一致，水體與林地排在后兩位，說明水體和林地更能影響城市熱島的溫度變化，除裸地外，林地溫度的標(biāo)準(zhǔn)差也較高，這是由于重慶東西部海拔高度差異大，植被垂直地帶性分異明顯導(dǎo)致。

濟(jì)南城市用地平均地表溫度較高，處于33.3℃與34.59℃之間，水體地表溫度的差值在4.48℃與5.73℃之間；武漢水域面積大，3個(gè)時(shí)期白天水體溫度相比其他覆蓋類型均處于最低位置，它與城市用地的地表溫度的差值在2.91℃與4.32℃之間；重慶3個(gè)時(shí)期林地溫度要明顯低于其他覆蓋類型，在25.36℃與26.85℃之間，它與城市用地溫度之間的差值在6.44℃與6.69℃之間?？梢钥闯龅乇頊囟扰c土地覆蓋類型有著密切的聯(lián)系。

3.2 土地覆蓋類型對城市熱島的影響分析

為了更好地研究土地覆蓋類型對城市熱島的影響，分別計(jì)算2003年、2008年、2013年濟(jì)南、武漢、重慶不同地表覆蓋類型所占比例與其對應(yīng)地表溫度的相關(guān)系數(shù)(見表2)，并結(jié)合上述統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，分析這二者之間的相關(guān)性，確定不同城市熱島效應(yīng)對土地覆蓋類型的響應(yīng)。

表2 濟(jì)南、武漢、重慶土地覆蓋類型所占比例與地表溫度的相關(guān)系數(shù)表

結(jié)合表1和表2可以看出，城市用地所占比例與地表溫度呈正相關(guān)，并且由沿海到內(nèi)陸相關(guān)性逐漸降低，濟(jì)南城市用地比例與地表溫度的相關(guān)性最高，武漢其次，相關(guān)性最低的為重慶。濟(jì)南市的城市用地所占比例與地表溫度呈正相關(guān)，并且相關(guān)性系數(shù)從2003年的0.48、2008年的0.55，至2013年的0.73，相關(guān)性逐漸增加；而與地表溫度呈較明顯負(fù)相關(guān)的地表類型是耕地和林地，耕地的相關(guān)系數(shù)最高達(dá)-0.43，說明林地和耕地是緩解濟(jì)南熱島的主要地物類型。結(jié)合表1，濟(jì)南的城市用地面積雖呈增加趨勢，但增長速度緩慢，同時(shí)在耕地面積相對平衡的狀態(tài)下，林地面積有所增加，因此濟(jì)南的高溫區(qū)比例沒有出現(xiàn)較大的波動(dòng)。

武漢除城市用地外，耕地與地表溫度也呈正相關(guān)，但相關(guān)性較?。凰w、林地、草地與地表溫度呈負(fù)相關(guān)，其中水體與地表溫度的響應(yīng)系數(shù)最高達(dá)到-0.6。結(jié)合表1和表2可以看出，在這段時(shí)間內(nèi)武漢的城市化進(jìn)程迅速，城市用地比例大幅上升，使得許多水體區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘杏玫?，水體比例持續(xù)下降，導(dǎo)致高溫區(qū)所占的比例增長迅速，熱島效應(yīng)明顯。

重慶耕地與地表溫度呈較高的正相關(guān)，2003年、2008年、2013年的相關(guān)系數(shù)分別為0.56、0.69、0.66，城市用地其次；而林地與地表溫度存在較高的負(fù)相關(guān)，對應(yīng)年份的相關(guān)系數(shù)分別為-0.75、-0.82、-0.81。結(jié)合表1和表2可以看出，隨著重慶耕地面積的減少及林地區(qū)域的增加，高溫區(qū)所占比例有所降低，城市熱島得到一定程度的緩解。綜合這3個(gè)城市的土地覆蓋類型所占比例與地表溫度的相關(guān)性可以發(fā)現(xiàn)，對城市熱島影響最大的土地類型是城市用地，而最能緩解城市城市熱島效應(yīng)的土地覆蓋類型為林地。

4 結(jié) 語

本文基于MODIS數(shù)據(jù)，分別提取了熱島效應(yīng)典型城市濟(jì)南、武漢、重慶在2003年、2008年、2013年夏季的地表溫度和土地覆蓋類型，定量分析了不同土地利用類型與城市熱島效應(yīng)的響應(yīng)關(guān)系，識(shí)別出各個(gè)城市緩解城市熱島效應(yīng)的主要土地利用類型?？梢园l(fā)現(xiàn)，地表溫度與土地覆蓋類型有著緊密的聯(lián)系，城市用地所占比例與地表溫度均為正相關(guān)，濟(jì)南、武漢、重慶由沿海到內(nèi)陸城市用地與地表溫度的相關(guān)性逐漸降低。不同城市中最能緩解城市熱島效應(yīng)的土地覆蓋類型有所不同：濟(jì)南的土地分布類型中林地和耕地相對更能影響濟(jì)南的溫度變化；武漢水體對城市起到了最主要的降溫作用；重慶3個(gè)時(shí)期林地溫度要低于其他土地覆蓋類型，林地對重慶的城市熱島效應(yīng)緩解能力最強(qiáng)。

本文工作對解釋城市熱島效應(yīng)與土地覆蓋類型響應(yīng)關(guān)系、減緩城市熱島效應(yīng)具有重要的參考意義。

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