風(fēng)云三號衛(wèi)星陸表溫度產(chǎn)品在城市熱環(huán)境監(jiān)測評估中的應(yīng)用

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一、引言

由于城市化的發(fā)展，人類消耗了大量的物質(zhì)和能量，產(chǎn)生了大量廢棄物和無效熱量，形成了城市熱環(huán)境景觀，最顯著特征就是城市熱島與城市高溫。隨著全球城市熱島和城市高溫現(xiàn)象呈現(xiàn)不斷加劇的趨勢，對城市生態(tài)環(huán)境的影響越來越顯著，已成為21世紀(jì)面臨的重要生態(tài)環(huán)境問題[1-2]。近二十年來，遙感作為一種具有空間分辨率高、覆蓋范圍廣、直觀定量等優(yōu)點的分析手段，在大城市和城市群熱環(huán)境評估和熱力空間格局分析研究中發(fā)揮了重要作用[3-5]。其中，基于遙感觀測的陸表溫度（LST）是開展城市熱環(huán)境研究的一個關(guān)鍵指標(biāo)。

LST不但是多種地表過程模型的主要輸入?yún)?shù)，也是估算區(qū)域及全球尺度上的地表能量平衡的關(guān)鍵因子[6]，不同衛(wèi)星反演的LST質(zhì)量也直接影響著城市熱環(huán)境監(jiān)測評估的精度。2008年5月我國新一代極軌氣象衛(wèi)星風(fēng)云三號A星（FY-3A）發(fā)射成功，后續(xù)又陸續(xù)發(fā)射了FY-3B、FY-3C和FY-3D等衛(wèi)星，已經(jīng)形成了全球上、下午星的組網(wǎng)觀測能力[7]。風(fēng)云三號衛(wèi)星（FY-3）攜帶的可見近紅外掃描輻射計VIRR具有類似于美國諾阿（NOAA）衛(wèi)星的AVHRR傳感器熱紅外波段探測能力，可以進(jìn)行陸表溫度LST持續(xù)觀測，具有很大的應(yīng)用前景。目前，中國氣象局通過“風(fēng)云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)”向全球免費提供FY-3A、FY-3B、FY-3C的全球10°× 10°LST分幅產(chǎn)品，此外還通過“新一代極軌氣象衛(wèi)星（風(fēng)云三號）工程地面應(yīng)用系統(tǒng)”在氣象局業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)提供5min 數(shù)據(jù)段的LST產(chǎn)品，使之在衛(wèi)星過境半個小時后即可獲得經(jīng)過質(zhì)量控制的LST產(chǎn)品，大大提高了LST衛(wèi)星產(chǎn)品服務(wù)的實時性和可用性[8]。

本文分別以北京和廣州城市為例，基于FY-3 LST,綜合運用多種熱環(huán)境評估指標(biāo)和方法開展城市熱環(huán)境及空間格局對比分析，評估FY-3 LST產(chǎn)品在城市熱環(huán)境評估的可用性，對其他城市如何利用FY-3 LST產(chǎn)品開展熱環(huán)境研究具有借鑒意義。

二、數(shù)據(jù)

文中所使用的FY-3A、FY-3B、FY-3C LST產(chǎn)品來源于“風(fēng)云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)（http://satellite.nsmc.org.cn/portalsite/default.aspx）”；MODIS Terra/Aqua LST日產(chǎn)品（MOD11A2或MYD11A2）來源于“美國地質(zhì)調(diào)查局?jǐn)?shù)據(jù)共享網(wǎng)（https://lpdaac.usgs.gov/dataset_discovery/modis/modis_products_table）”；NOAA18/AVHRR來源于北京市氣候中心接收的日1B數(shù)據(jù)，NOAA LST采用Quan等（2012）提出的改進(jìn)型Becker分裂窗方法進(jìn)行反演得到[9]。

三、方法

1. 陸表熱島強(qiáng)度

陸表熱島強(qiáng)度（SUHI）是目前城市熱環(huán)境評估最常用、最重要的指標(biāo)，估算方法較多，本文采用國際上通用的城—鄉(xiāng)二分法[5]，并參考有關(guān)劃分標(biāo)準(zhǔn)[10]，把SUHI劃分為強(qiáng)熱島、較強(qiáng)熱島、弱熱島、無熱島、弱冷島、較強(qiáng)冷島和強(qiáng)冷島等7個等級。

2. 熱場強(qiáng)度指數(shù)

熱場強(qiáng)度指數(shù)（NHFI）定義為熱場地表溫度的歸一化，參考有關(guān)計算方法及劃分標(biāo)準(zhǔn)[10]，可以把熱場強(qiáng)度指數(shù)初步劃分成5個等級：低溫區(qū)、次低溫區(qū)、常溫區(qū)、次高溫區(qū)和高溫區(qū)。

3. 熱島比例指數(shù)

采用熱島比例指數(shù)（UHPI）[11]可進(jìn)行空間單元的熱島定量評估，參考有關(guān)劃分標(biāo)準(zhǔn)[12]，根據(jù)UHPI值大小，可以劃分為5個等級：輕微或無、較輕、一般、較嚴(yán)重和嚴(yán)重。

4. 熱島容量

熱島容量（SUHC）定義為城市陸表熱島足跡（產(chǎn)生地表城市熱島效應(yīng)的空間范圍）內(nèi)的熱島強(qiáng)度值與面積相乘值的累加，是一個表征熱島強(qiáng)度和面積的綜合指標(biāo)，單位km2·℃或km2·K。熱島容量模型建立的原理是：若城市熱島在空間上為高斯曲面分布，則可利用高斯曲面擬合熱島強(qiáng)度信號函數(shù)，根據(jù)該函數(shù)可確定熱島足跡及熱島中心，從而估算熱島容量[13-14]。

5. 高溫強(qiáng)度評估

本文利用平原地區(qū)自動站點日最高氣溫≥33℃的晴空氣象臺站資料，選擇相應(yīng)的下午星FY-3B LST產(chǎn)品，根據(jù)臺站相應(yīng)位置在遙感圖像上取位置為中心3×3像元的平均LST作為臺站的相應(yīng)遙感地表溫度，建立FY-3B LST與日最高氣溫的回歸關(guān)系式，從而計算不同氣溫高溫等級（35℃、37℃、40℃）下對應(yīng)的地表高溫值，并參照氣象上高溫等級劃分進(jìn)行遙感地表高溫強(qiáng)度等級劃分，劃分為輕度高溫、中度高溫、重度高溫。并可利用高溫比例指數(shù)（LSHP）對不同空間單元的高溫監(jiān)測狀況進(jìn)行有效比較，并參考相關(guān)劃分標(biāo)準(zhǔn)[15]，LSHP可以劃分為5個等級：輕微或無、較輕、一般、較嚴(yán)重和嚴(yán)重。

6. 高溫中暑指數(shù)評估

利用北京城市歷史高溫氣象資料與人群中暑資料建立高溫對中暑影響評估模型：

其中Y是高溫中暑指數(shù)，Tmax是最高氣溫，T是平均氣溫。根據(jù)北京平原地區(qū)自動站氣象站最高氣溫Tmax與下午星FY-3B LST建立的回歸模型，確定高溫中暑指數(shù)值中的陸表溫度值LST代替Tmax；通過白天和夜間的FY-3B LST平均值與自動站日平均氣溫的關(guān)系，建立基于FY-3B的平均地溫與氣溫的關(guān)系，代入公式（1），從而估算出遙感高溫中暑指數(shù)值，根據(jù)等級劃分，進(jìn)行高溫中暑影響等級評估，如表1所示。

表1 高溫中暑指數(shù)等級評估

7. 熱力景觀指標(biāo)

常用的熱力景觀指標(biāo)主要包括：熱力斑塊密度、熱力最大斑塊指數(shù)、平均斑塊分?jǐn)?shù)維、熱力分離度指數(shù)、熱力多樣性指數(shù)和熱力聚集度指數(shù)[16-17]。

熱力斑塊密度（PD）表達(dá)單位面積上熱力斑塊數(shù)量，描述熱力景觀破碎度情況；熱力最大斑塊指數(shù)（LPI）表示熱力最大斑塊所占景觀面積的比例，有助于確定景觀的優(yōu)勢類型等；平均斑塊分?jǐn)?shù)維（FRAC_MN）用于描述不規(guī)則幾何形狀的復(fù)雜程度，其值越接近1，反映斑塊形狀越簡單，其值越接近2，說明斑塊形狀越復(fù)雜；熱力分離度指數(shù)（SPLIT ）用于描述熱力斑塊在空間分布上的分散程度，分離度越大表示斑塊在空間分布上越分散。熱力多樣性指數(shù)（SHDI ）用于描述一個區(qū)域內(nèi)不同熱力景觀類型分布的均勻化和復(fù)雜化程度，等于0表明整個景觀僅有一個斑塊組成，各熱力景觀比例相等時，則多樣性指數(shù)最高，各景觀類型比例差異增大，則多樣性指數(shù)減小。熱力聚集度指數(shù)（AI）用于度量同一類型熱力斑塊的聚集度程度，值越小，熱力景觀越離散。

四、基于FY-3衛(wèi)星的城市熱環(huán)境監(jiān)測和評估

1. 熱島強(qiáng)度監(jiān)測和評估

如圖1和圖2所示為北京和廣州典型晴空高溫日（日最高氣溫≥35℃）2017年7月10日和2017年8月20日熱島強(qiáng)度SUHI等級監(jiān)測及熱島比例指數(shù)UHPI，可以看出北京城六區(qū)大部分區(qū)域及各郊區(qū)城中心出現(xiàn)明顯熱島，主要建成區(qū)五環(huán)內(nèi)區(qū)域UHPI達(dá)0.92，UHPI排名前三位的區(qū)分別是城區(qū)（1.0）、朝陽（0.79）和豐臺（0.71），分別評估為“嚴(yán)重”、“較嚴(yán)重”和“較嚴(yán)重”等級。廣州城區(qū)荔灣熱島最重，UHPI為0.88，評估為“嚴(yán)重”等級；海珠（UHPI為0.67）次之，評估為“較嚴(yán)重”，表明這些區(qū)域熱島現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

圖1 基于FY-3B衛(wèi)星的北京和廣州SUHI等級監(jiān)測（左：北京 2017-07-10 13∶25 右：廣州 2017-08-20 14∶43）

圖2 基于FY-3B衛(wèi)星的北京和廣州UHPI評估（左：北京 2017-07-10 13∶25 右：廣州 2017-08-20 14∶43）

如圖3利用1990—2017年不同年份夏季典型晴空日NOAA/AVHRR和FY-3B衛(wèi)星資料對北京市SUHI進(jìn)行時間動態(tài)變化監(jiān)測：1990—2017年北京熱島出現(xiàn)了從中心城區(qū)向北、東和南三面擴(kuò)展趨勢，2001年后由于北京奧運會的舉辦，舊城改造和綠化率明顯增加使得熱島面積有所減小，2008年后則熱島持續(xù)增加，其中向昌平、順義和通州方向城市熱島擴(kuò)展最為明顯。2017年，北京城六區(qū)熱島面積為1115km2，占城六區(qū)總面積的80%，略高于2016年，結(jié)果顯示利用FY-3衛(wèi)星資料可有效監(jiān)測城市熱島時空動態(tài)變化。

圖3 1990-2017年北京NOAA/AVHRR（1990、1996、2001、2004、2008、2012）和FY-3B（2016、2017）衛(wèi)星監(jiān)測熱島強(qiáng)度等級圖

2. 熱場強(qiáng)度指數(shù)監(jiān)測

如圖4所示為北京和廣州典型晴空高溫日2017年7月10日和2017年8月20日熱場強(qiáng)度指數(shù)NHFI分布圖，可以看出，北京和廣州城區(qū)出現(xiàn)明顯高溫區(qū)，城市熱島明顯，結(jié)合圖1熱島強(qiáng)度SUHI分布圖可以看出，北京城市地區(qū)的“高溫區(qū)”和“次高溫區(qū)”范圍分別與城市強(qiáng)熱島和較強(qiáng)熱島范圍分布較為一致，但廣州城市地區(qū)的“高溫區(qū)”范圍明顯小于強(qiáng)熱島范圍，表明基于FY-3B衛(wèi)星的熱場強(qiáng)度指數(shù)雖然可有效反映城市熱島，但兩者在確定熱島范圍上可能存在較大差異。

圖4 基于FY-3B衛(wèi)星的熱場強(qiáng)度指數(shù)監(jiān)測（左：北京 2017-07-10 13∶25 右：廣州 2017-08-20 14∶43）

3. 熱島容量評估

圖5為分別利用北京2016年8月28日的FY-3C LST數(shù)據(jù)和廣州2016年7月25日的FY-3B LST數(shù)據(jù)進(jìn)行地區(qū)城市熱島高斯模擬結(jié)果?？梢钥闯觯本?、廣州都存在一個熱島中心和橢圓形的熱島足跡，對北京、廣州的熱島容量估算如表2所示：北京2016年8月28日的熱島容量SUHC明顯高于廣州地區(qū)2016年7月25日，分別為3554.9 km2·K 和572.3 km2·K ，SUHI最大值也是北京高于廣州，分別為7.9 K和3.0 K。結(jié)合圖1熱島強(qiáng)度分布圖可以看出，針對北京這種以城市中心向四周擴(kuò)展只有一個明顯熱島中心的SUHI分布，高斯模擬可以較好地模擬出熱島中心和熱島范圍，但對于廣州這種并非以城市中心向四周擴(kuò)展可能存在多個熱島中心的SUHI分布，高斯模擬并不能很好地模擬出番禺區(qū)和白云區(qū)的大片熱島范圍。

圖5 基于FY-3衛(wèi)星資料的北京地區(qū)和廣州地區(qū)熱島模擬

表2 北京、廣州地區(qū)城市熱島容量模擬結(jié)果

4. 高溫強(qiáng)度監(jiān)測和評估

圖6和圖7所示為基于FY-3B和自動氣象站資料對北京地區(qū)2017年7月10日和廣州地區(qū)2017年7月29日的高溫強(qiáng)度監(jiān)測以及相應(yīng)的高溫比例指數(shù)LSHI圖，可以看出北京2017年7月10日和廣州2017年7月29日主要建成區(qū)出現(xiàn)明顯高溫現(xiàn)象，中心城區(qū)出現(xiàn)重度高溫，這與自動站氣象觀測基本一致。北京2017年7月10日高溫比例指數(shù)排名前三位的分別是城區(qū)（0.75，“較嚴(yán)重”高溫等級）、朝陽（0.60，“一般”高溫等級）和豐臺（0.49，“一般”高溫等級），其余區(qū)均在0.40以下，為“較輕”或“輕微或無”高溫等級；廣州2017年7月29日高溫強(qiáng)度排名前三位的分別是荔灣（0.91）、越秀（0.71）和海珠（0.41），分別評估為“嚴(yán)重”、“較嚴(yán)重”和“一般”等級。結(jié)果表明利用FY-3B LST產(chǎn)品可有效監(jiān)測基于網(wǎng)格的城市高溫強(qiáng)度。

圖6 基于FY-3B衛(wèi)星資料的高溫強(qiáng)度監(jiān)測（左：北京 2017-07-10 13∶25 右：廣州 2017-07-29 15∶15）

圖7 基于FY-3B衛(wèi)星的城市高溫比例指數(shù)評估 （左：北京 2017-07-10 13∶25 右：廣州 2017-07-29 15∶15）

5. 北京高溫中暑評估

圖8 基于FY-3B衛(wèi)星的北京高溫中暑指數(shù)監(jiān)測（2017-07-10 13∶25）

如圖8所示為基于FY-3B白天和夜間衛(wèi)星的2017年7月10日北京高溫中暑指數(shù)監(jiān)測，可以看出，中心城區(qū)及城六區(qū)都處于“易發(fā)生”、“極易發(fā)生”和“可能發(fā)生”等級區(qū)域，其他地區(qū)不容易發(fā)生中暑。

6. 北京和廣州熱力景觀評估對比分析

分別利用圖1中北京2017年7月10日和廣州2017年8月20日 FY-3B估算的SUHI圖，可對北京和廣州城市熱力景觀進(jìn)行對比分析，如表3所示。

①斑塊密度（PD）：廣州地區(qū)比北京地區(qū)大，說明各類熱島北京地區(qū)分布集中，破碎度低于廣州；②最大斑塊指數(shù)（LPI）：廣州地區(qū)比北京地區(qū)大，表明廣州優(yōu)勢熱力類型斑塊較大；③景觀形狀指數(shù)（LSI）：北京地區(qū)比廣州地區(qū)值大，說明北京地區(qū)熱力景觀中各類斑塊形狀不規(guī)則更復(fù)雜；④平均斑塊分?jǐn)?shù)維（FRAC_MN）：北京地區(qū)基本與廣州地區(qū)斑塊規(guī)則程度接近；⑤分離度指數(shù)（SPLIT）：北京地區(qū)熱力景觀斑塊分散程度比廣州地區(qū)大；⑥聚集度指數(shù)（AI）: 北京地區(qū)大于廣州地區(qū)，說明北京地區(qū)景觀由少數(shù)團(tuán)聚的大斑塊組成，廣州地區(qū)熱島斑塊類型較分散。

表3 基于熱力整體景觀水平上的北京、廣州城市熱環(huán)境景觀格局分析對比

五、結(jié)論

FY-3是我國新一代極軌氣象衛(wèi)星，從第一顆衛(wèi)星FY-3A于2008年發(fā)射至今已有十余年，已積累了大量的LST產(chǎn)品。本文以北方城市北京和南方城市廣州為例，主要目的是檢驗FY-3 LST產(chǎn)品的可用性以及在城市熱島和高溫監(jiān)測評估中的應(yīng)用。研究結(jié)果顯示：

①利用晴空FY-3 LST估算的熱島強(qiáng)度SUHI和熱島比例指數(shù)UHPI可有效反映北京和廣州的熱島強(qiáng)度及時空變化；②熱場強(qiáng)度指數(shù)NHFI也可反映熱島大小，但與SUHI在空間分布上存在著差異；③熱島容量SUHC可定量評估熱島大小，但在空間分布上還不能對多中心熱島的城市進(jìn)行有效評估；④利用高溫強(qiáng)度和高溫比例指數(shù)可有效評估城市高溫，相應(yīng)的高溫中暑指數(shù)也可評估城市高溫對人體中暑影響；⑤基于FY-3 LST的熱力景觀指數(shù)則可評估北京和廣州熱力景觀類型上的差異。但不同的指標(biāo)反映強(qiáng)弱不同，在具體評估中需要根據(jù)實際情況進(jìn)行選擇。