基于MODIS數(shù)據(jù)的貴陽市地表熱場時空特征分析

李可相，肖玖軍，陳 遠(yuǎn)，謝 剛，張藍(lán)月,董艷艷

(貴州科學(xué)院貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽 550001)

1 引言

地表溫度是城市下墊面能量平衡的核心，也是城市熱島研究的關(guān)鍵。遙感監(jiān)測法是目前宏觀尺度獲取城市地表溫度，研究城市熱島效應(yīng)的主要研究方法之一，具有監(jiān)測面積廣、時間序列長、可在時空上進(jìn)行長期連續(xù)監(jiān)測等優(yōu)點。許多研究者對此進(jìn)行了研究，如裴志方[1]等以鄭州市為例研究了城市化下城市熱環(huán)境與下墊面關(guān)系，結(jié)果表明城市化下城市熱島效應(yīng)明顯，地表溫度與植被覆蓋高度負(fù)相關(guān)。魏冠軍[2]基于Landsat TM/ETM +對蘭州市城市熱環(huán)境格局動態(tài)變化進(jìn)行了研究分析。侯浩然[3]等基于遙感方法對福州市近20年城市熱環(huán)境變化進(jìn)行了研究分析。多是利用Landsat TM/ETM +等高空間分辨率的遙感數(shù)據(jù)，基于高時間分辨率遙感的長期監(jiān)測研究較少見，欠缺針對地表溫度的季節(jié)變化特征研究。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，選取典型喀斯特山地城市(貴陽市)作為研究區(qū)域，采用近20年的MODIS遙感數(shù)據(jù)，對貴陽市地表熱環(huán)境進(jìn)行研究，探討其城市熱島效應(yīng)的分布及強(qiáng)度，分析研究區(qū)域地表熱環(huán)境的長期變化情況，以期為緩解城市熱島效應(yīng)提供參考。

2 研究區(qū)域與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

貴陽市地處長江和珠江水系分水嶺地帶，云貴高原東斜坡，東部平原向西部高原的過渡地帶，屬巖溶峰叢洼地、峰叢槽谷和峰林谷地地貌，海拔高，緯度低，是一座典型的喀斯特發(fā)育完全、城市生態(tài)脆弱的高原山區(qū)城市[4]。轄6個區(qū)，3個縣，1個縣級市，為云貴高原上僅有的兩個省會城市之一。常年受西風(fēng)帶控制，屬于亞熱帶濕潤溫和型氣候，兼有高原性和季風(fēng)性氣候特點。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文選取的數(shù)據(jù)包括MODIS產(chǎn)品中的土地利用數(shù)據(jù)和MOD11A2地表溫度數(shù)據(jù)。其中，遙感數(shù)據(jù)為2000～2019年MOD11A2數(shù)據(jù)，分辨率1km，是已經(jīng)過定標(biāo)定位，大氣和氣溶膠校正的8天合成產(chǎn)品，此數(shù)據(jù)消除了部分的云干擾，提高了LST數(shù)據(jù)的有效性；土地利用數(shù)據(jù)為2006年分辨率為500m的土地利用覆被數(shù)據(jù)MCD12Q1。為保障數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性MOD11A2和MCD12Q1均獲取自NASA官網(wǎng)(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)。為便于季節(jié)變化分析，四季按照MOD11A2原始數(shù)據(jù)的時間編碼(001～361)進(jìn)行劃分，春季(3～5月份)為065～145，夏季(6～8月份)為153～241，秋季(9～11月份)為249～329，冬季(12月～次年2月份)為337～361和次年的001～057。

2.3 研究方法

利用MODIS產(chǎn)品中的土地利用數(shù)據(jù)和地表溫度數(shù)據(jù)，對貴陽市地表熱場的時空特征進(jìn)行分析。在空間上，對城市的地表熱場強(qiáng)度等級進(jìn)行劃分，分析地表熱環(huán)境空間變化趨勢；時間上，分析城市地表熱場的年際變化特征。

采用MODIS地表溫度產(chǎn)品(LST)表示熱場分布，LST是反映熱場最直接、最重要的定量指標(biāo)[5]。由于白天貴陽市地表溫度數(shù)據(jù)空值較多且不穩(wěn)定，而夜間的熱島強(qiáng)度較穩(wěn)定[6]，因此使用夜間地表溫度進(jìn)行研究。本文采用地表熱島強(qiáng)度指數(shù)[7](Urban Heat Island Intensity Index，UHII)和斜率分析法對研究區(qū)地表溫度的時空特征進(jìn)行研究。地表熱島強(qiáng)度指數(shù)是將地表熱島強(qiáng)度劃分為強(qiáng)冷島、較強(qiáng)冷島、弱冷島、無熱島、弱熱島、較強(qiáng)熱島和強(qiáng)熱島等7級，以反映城區(qū)溫度高于郊區(qū)鄉(xiāng)村的程度；斜率分析法能對不同的柵格變化趨勢進(jìn)行分析，得到地表溫度的年際變化特征。使用的軟件環(huán)境為ArcGIS 10.4、ENVI5.3、SPSS20等軟件。

3 結(jié)果與分析

3.1 貴陽市地表熱場時空變化特征

貴陽市作為典型喀斯特山地城市，熱島效應(yīng)最典型的特點是：大部分城區(qū)沒有熱島，而在沒有大面積集中建設(shè)和高耗能工礦企業(yè)的城郊區(qū)域卻出現(xiàn)了大面積的熱島，這與蔡宏等人[8]的研究結(jié)果一致。說明貴陽市存在區(qū)別于常規(guī)熱島的異常熱島。

圖1為基于MODIS數(shù)據(jù)得到的貴陽市2005、2010、2015、2019年夜晚熱島強(qiáng)度等級分布圖。由圖可知，貴陽市夜晚熱島強(qiáng)度等級僅包含7個等級中的4個等級(即：弱冷島、無熱島、弱熱島、較強(qiáng)熱島)。2005～2019年，貴陽市的熱島效應(yīng)以弱熱島為主，主要分布在云巖區(qū)、南明區(qū)、花溪區(qū)及北部低洼河谷地帶，其次是較強(qiáng)熱島，較集中地分布于云巖區(qū)、南明區(qū)及開陽縣東部的低海拔區(qū)域。弱熱島在觀山湖區(qū)、白云區(qū)、烏當(dāng)區(qū)僅有零星分布，而在云巖區(qū)、南明區(qū)及花溪區(qū)則呈現(xiàn)出擴(kuò)散趨勢。較強(qiáng)熱島未出現(xiàn)明顯擴(kuò)散趨勢，歷年均較集中地分布于云巖區(qū)、南明區(qū)及花溪區(qū)北部的低海拔區(qū)域。

圖1 2005～2019年貴陽市熱島強(qiáng)度變化

統(tǒng)計2005～2019年貴陽市夜晚熱島強(qiáng)度范圍平均地表面積占貴陽市總面積的比例情況，發(fā)現(xiàn)貴陽市82.27%的區(qū)域無熱島效應(yīng)，僅有17.73%的區(qū)域存在熱島現(xiàn)象，且以弱熱島為主，占貴陽市總面積的17.41%，較強(qiáng)熱島僅占0.32%，說明貴陽市雖然存在熱島效應(yīng)，但并不強(qiáng)烈。

由圖2可見，貴陽市地表溫度變化幅度均超過1.5 ℃/a，中部高海拔區(qū)域地表溫度變化幅度較四周低海拔區(qū)域低，大部分區(qū)域變化幅度均在1.5～1.8 ℃/a，而北部、西部及西南部城郊的大部分區(qū)域地表溫度變化幅度均超過1.8 ℃/a，尤其是南部的南明區(qū)和花溪區(qū)，部分區(qū)域變化幅度均超過2.0 ℃/a。從地表溫度平均變化幅度來看，周邊修文縣、開陽縣、息烽縣及清鎮(zhèn)市平均變化幅度為1.78 ℃/a，云巖區(qū)、南明區(qū)及花溪區(qū)平均變化幅度為1.81 ℃/a，而中部觀山湖區(qū)、白云區(qū)及烏當(dāng)區(qū)平均變化幅度為1.72 ℃/a。

圖2 2000～2019年貴陽市地表溫度年際變化率

3.2 貴陽市地表熱場的時間變化特征

2000～2019年貴陽市地表溫度年際變化呈增加趨勢，這與全球氣候變暖趨勢相一致，但變化率很小，僅為0.0617 ℃/a，增溫幅度不明顯(圖3)。分析不同季節(jié)地表溫度年際變化，發(fā)現(xiàn)貴陽市地表溫度四季均有微小的增加趨勢，其中冬季的變化率最大，達(dá)0.0832 ℃/a，春季、夏季和秋季的變化率分別為0.0678 ℃/a、0.0336 ℃/a和0.0239 ℃/a。

圖3 2000～2019年貴陽市地表溫度年際變化

2000～2019年，貴陽市地表溫度季節(jié)差異明顯(圖4)，夏季地表溫度最高，冬季最低，夏季平均地表溫度達(dá)20.08 ℃，冬季平均地表溫度達(dá)7.18 ℃。夏季與冬季地表溫度平均溫差為12.90 ℃，變異系數(shù)達(dá)12.09%。春季和秋季的平均地表溫度較為接近，分別為15.90 ℃和15.10 ℃。四季中以冬季地表溫度的變異系數(shù)最大，達(dá)到19.11%，其次是春季和秋季地表溫度變異系數(shù)，分別為10.72%和8.33%，而夏季地表溫度波動幅度最小，變異系數(shù)只有3.92%。冬季地表溫度波動幅度最大，可能是由于氣候變化，貴陽市冬季各年降雪量發(fā)生較大變化，導(dǎo)致下墊面反射和吸收太陽輻射的能力出現(xiàn)明顯差異，引起冬季地表溫度波動幅度高于其他季節(jié)。

圖4 2000～2019年貴陽市四季地表溫度年際變化

4 結(jié)論

2000～2019年貴陽市地表溫度年際變化呈增加趨勢，這與全球氣候變暖趨勢相一致，但變化率很小，僅為0.0617 ℃/a，增溫幅度不明顯；貴陽市雖然存在熱島效應(yīng)，但并不強(qiáng)烈，大部分城區(qū)沒有熱島，而在沒有大面積集中建設(shè)和高耗能工礦企業(yè)的城郊區(qū)域卻出現(xiàn)了大面積的熱島；貴陽市的熱島效應(yīng)以弱熱島為主，較強(qiáng)熱島僅有少量分布；地表溫度季節(jié)差異明顯，夏季地表溫度最高，冬季最低，平均溫差為12.90 ℃，春季和秋季的平均地表溫度較為接近，平均溫差小于1 ℃。本文使用的MOD11A2數(shù)據(jù)，雖然時間分辨率較高，但由于其空間分辨率較低，未能針對不同地類及地表環(huán)境與地表溫度間的關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)分析，未來還需結(jié)合精度更高的數(shù)據(jù)研究下墊面與地表溫度間的相互影響過程。