基于MODIS的貴陽城市熱島時空特征分析

羅陽歡，白 慧，帥士章，李 霄，丁立國

(1.貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002；2.貴州省山地環(huán)境氣候研究所，貴州 貴陽 550002)

0 引言

城市熱島效應是指城市發(fā)展到一定規(guī)模時，受城市下墊面性質改變、人為熱排放以及大氣污染等因素的影響，城市內部氣溫明顯高于周圍郊區(qū)氣溫的現象[1-2]。隨著城市的快速發(fā)展，人類活動加劇，能源消費量增多，城市熱島現象不斷加劇，對人類生產生活的影響越來越顯著，引起了國內外各領域專家學者的廣泛關注。

作為一種城市氣候問題，國內外學者對熱島效應進行了大量的研究分析。王曉默等[3]利用1981—2010年濟寧及周邊郊區(qū)3縣氣象臺站的氣溫資料研究分析了濟寧城區(qū)、郊區(qū)的氣溫變化趨勢和特點，并探討了城市化發(fā)展對濟寧城郊溫度的影響。張立杰等[4]利用103個自動站氣溫觀測資料，對深圳的城市熱島現象進行了研究，發(fā)現高速的城市化進程造成自動站周邊下墊面屬性的變化,對氣溫造成了顯著影響。尚建設等[5]利用2012—2014年濟南市自動氣象站氣溫數據分析濟南市夏季城市熱島效應時空分布特征，發(fā)現濟南市夏季城市熱島效應顯著，熱島強度由市區(qū)向四周輻射。裔傳祥等[6]利用遙感數據分析了土地利用覆蓋類型對城市熱島效應的影響，結果表明城市用地是城市熱島的主要貢獻因素，而最能緩解城市熱島效應的是林地。葉駿菲等[7]利用遙感數據對南寧市四季及晝夜的地表溫度、熱場強度和熱島強度進行計算，研究城市熱島的水平空間分布、四季演變及晝夜變化特征，發(fā)現白天高溫區(qū)域分散于城市的南北兩側，夜晚集中于市中心，白天熱島強度明顯大于晚上。陳燕等[8]利用一個三維非靜力區(qū)域邊界層數值模式，對杭州地區(qū)城市熱島現象進行了數值模擬，發(fā)現數值模擬結果和實測結果吻合得較好。宋迅殊等[9]采用中尺度天氣模式WRF，對穩(wěn)定天氣過程下的蘇州地區(qū)城市熱島效應進行了數值模擬，并分析了城市化導致的城市下墊面變化對城市氣象環(huán)境的影響。

綜合上述可發(fā)現，目前對于城市熱島的研究方法主要包括常規(guī)氣象觀測法、衛(wèi)星遙感監(jiān)測以及數值模擬法。3種方法各有利弊，傳統(tǒng)的氣象觀測法基于氣象站點或自動氣象站氣溫觀測資料數據進行分析，雖然具有時間連續(xù)性強的優(yōu)點，但以點帶面，空間代表性具有一定的局限，且站點受下墊面的影響。衛(wèi)星遙感監(jiān)測方法具有時相多、范圍廣、空間上的連續(xù)性好、空間分辨率高等優(yōu)點，基本克服了傳統(tǒng)方法的缺陷，但反演結果受天氣條件影響。邊界層數值模擬法可定量化地分析城市下墊面能量平衡與能量交換以及溫度場的基本特征，但模擬城市熱島研究一般側重于單純的城市大氣環(huán)境問題，內容局限于對城市內外近地層氣象要素的比較分析，后期模擬也僅在數百米至數千米的尺度范圍，且受限于近地面非均一下墊面的復雜性和資料的不完整性，數值模擬并不完善[10]。

由于目前關于貴陽的熱島研究較少，且沒有長時間序列的遙感資料分析研究，因此，本文充分考慮各種研究方法的利弊，利用連續(xù)的、多時相的遙感地表溫度資料(2003—2019年的MYD11A2數據)，對貴陽地表溫度和熱島強度進行研究，并從多個時間尺度對貴陽城市熱島效應的分布特征和演變規(guī)律進行探討，以期增加對貴陽城市熱島效應的認識，為貴陽城市規(guī)劃及城市生態(tài)環(huán)境保護提供更科學的依據。

1 研究區(qū)概況

貴陽市地處貴州省中部，位于26°11′～26°55′N，106°07′～107°17′E之間，是西南地區(qū)重要的中心城市，全國重要的生態(tài)休閑度假旅游城市。該市下轄6區(qū)3縣1市，其中南明、云巖為主城區(qū)。由于城市熱島效應受城市下墊面影響，因此，在進行熱島分析時需參照城市下墊面變化情況進行對比分析。貴陽市2010年、2015年和2018年的土地利用現狀如圖1所示，該數據來源于地理國情監(jiān)測云平臺，是以Landsat TM/ETM/OLI遙感影像為主要數據源，經過影像融合、幾何校正、圖像增強與拼接等處理后，通過人機交互目視解譯的方法獲得的土地利用數據產品。

圖1 貴陽市土地利用變化圖Fig.1 Land use changed maps of Guiyang

2 數據與方法

2.1 數據來源和處理

使用遙感數據為NASA提供的貴陽市2003—2019年782幅MYD11A2遙感影像。MYD11A2遙感影像是1 km地表溫度/反射率8 d合成的MODIS AQUA L3級產品。通過MODIS重投影工具MRT (MODIS Reprojection Tool)對原始影像數據進行坐標轉換、重投影等預處理，并提取LST_Day_1km(白天地表溫度)和LST_Night_1km(夜晚地表溫度)兩個數據集，用于晝夜城市熱島效應分析。利用GIS和RS技術對預處理后的MYD11A2數據集進行貴陽市邊界裁剪，并篩選出有效DN值比例大于70%的遙感影像進行地表溫度計算，計算公式如下：

TLST=0.02DN-273.15

式中：TLST為像元地表溫度；DN為像元亮度值。

為有效減少地表溫度計算的誤差，本文采用周甜甜[1]研究中的處理方法，對篩選出的多幅遙感影像同一區(qū)域的各個像元值進行平均值計算，從而獲得不同時間尺度的地表溫度。運算中無效值不參與運算，可有效減小因為個別影像有缺測而產生的誤差，提高研究結果的可靠性。

2.2 研究方法

為消除不同時相城市熱島強度的差異，進行區(qū)域量化分析，采用武文昊等[11]、李曉敏等[12]研究方法中的局地熱島強度公式進行城市熱島強度計算，并從年代際、年際、季節(jié)及日變化4個方面進行對比分析。采用氣象學上的季節(jié)劃分:3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月—翌年2月為冬季。局地熱島強度公式將研究區(qū)的平均地表溫度作為標準代入計算以反映研究區(qū)每一像元的熱島強度，具體計算公式為：

式中，TUHI為研究區(qū)某一像元城市熱島強度；Ti為研究區(qū)某一像元地表溫度；Tmean為研究區(qū)平均地表溫度。根據計算結果以及研究區(qū)實際情況，對城市熱島強度進行等級劃分[11-14]，劃分標準如下：

TUHI≤0、00.2分別對應熱島等級無、弱、較弱、中、較強、強。

3 結果與分析

3.1 城市熱島年代際、年際變化

根據以上研究方法，對貴陽市2003—2019年的年平均地表溫度數據進行熱島強度計算，并按照城市熱島等級劃分標準對研究區(qū)城市熱島強度進行劃分。結合RS和GIS技術對研究區(qū)各等級熱島區(qū)域面積進行統(tǒng)計，獲得貴陽市2003—2019年的年均中熱島以上區(qū)域面積比例，結果如圖2所示。

圖2 2013—2019年中熱島以上區(qū)域面積比例Fig.2 Proportion of area above middle heat island from 2013 to 2019

由圖2可知，2003—2019年貴陽市中熱島以上區(qū)域面積總體上呈現增加的趨勢，大致以0.158 4的增長率逐年增加。為深入研究貴陽城市熱島強度的年代際變化，對2003—2019年中熱島以上區(qū)域面積比例結果進行M-K檢驗(圖3)，M-K檢驗中UF為標準正態(tài)分布，它是按時間序列順序計算出的統(tǒng)計量序列，UB為時間序列的逆序。通過分析統(tǒng)計序列UF和UB可以進一步分析時間序列的趨勢變化，而且可以明確突變的時間。若UF值大于0，則表示序列呈上升趨勢；小于0則表示呈下降趨勢；當超過臨界直線時，表示上升或下降趨勢顯著。

圖3 貴陽市2003—2019年中熱島以上區(qū)域面積M—K統(tǒng)計量曲線Fig.3 Mann Kendall statistical curve of area above middle heat island in Guiyang from 2003 to 2019

如果UF和UB兩條曲線出現交點，則這些交點即為該時間序列的突變點。由UF曲線可見，自2003年以來，貴陽市熱島強度有明顯的增強趨勢。2010—2019年增強趨勢大大超過顯著性水平0.05臨界線，甚至超過0.001顯著性水平(U0.001=2.56)，表明貴陽的熱島強度上升趨勢十分顯著。根據UF和UB曲線交點的位置，確定貴陽熱島強度2012年前后的增強是一突變現象，具體是從2012年開始的，由此可見，近幾年貴陽市城市熱島效應有所增強。

對突變前后的貴陽市城市熱島強度進行計算，結果如圖4，可知，2012年前貴陽市城市熱島效應較弱，不存在強熱島區(qū)，較強熱島僅存在于南明和云巖兩區(qū)；2012年之后，貴陽市城市熱島效應增強，中熱島以上區(qū)域面積擴大，且在南明和云巖兩區(qū)出現了強熱島區(qū)。

圖4 2003—2011年(a)和2012—2019年(b)貴陽市城市熱島強度Fig.4 Urban heat island intensity of Guiyang from 2003 to 2011(a) and 2012 to 2019(b)

為深入研究貴陽市2003—2019年城市熱島年際變化，對2003—2019年貴陽市中熱島以上區(qū)域面積比例做標準化研究，結果如圖5。由圖可發(fā)現，貴陽市2003、2004、2005、2008年城市熱島強度中熱島以上區(qū)域面積低于1倍標準差，為熱島強度偏弱年，2016—2019年高于1倍標準差，為熱島強度偏強年。

圖5 2003—2019年貴陽市中熱島以上區(qū)域面積比例標準化時間序列Fig.5 Standardized time series of area proportion above middle heat island in Guiyang from 2003 to 2019

分別對所有熱島偏弱年和偏強年的熱島強度進行空間化處理，結果如圖6所示，由圖可知，偏弱年和偏強年的熱島強度空間分布與突變前后的空間分布相似，熱島區(qū)均主要集中在南明和云巖兩主城區(qū)。對偏弱年和偏強年的熱島等級進行統(tǒng)計發(fā)現(表1)，偏弱年和偏強年的熱島區(qū)面積比例整體變化不大，但偏強年相比偏弱年弱熱島區(qū)面積比例變小，其他熱島等級增加。

圖6 貴陽市熱島偏弱年(a)和偏強年(b)熱島強度Fig.6 Heat island intensity in weak(a) and strong(b) years of Guiyang

表1 貴陽市熱島偏弱年和偏強年各等級熱島面積比例(單位：%)Tab.1 Proportion of heat island area of different grades in weak and strong years of Guiyang(unit：%)

3.2 城市熱島季節(jié)變化

根據貴陽市城市熱島效應的年際變化情況，選擇貴陽市城市熱島顯著增強的2012—2019年為代表，按照氣象學季節(jié)劃分，進行貴陽市城市熱島效應季節(jié)分析。經篩選冬季夜晚地表溫度有效數據較少，無法準確地反映城市熱島的分布狀況[15]。因此以下季節(jié)變化討論僅以白天為代表，結果如圖7所示。

圖7 2012—2019年貴陽市四季城市熱島強度Fig.7 Urban heat island intensity of Guiyang in four seasons from 2012 to 2019

由圖7可知，貴陽市中熱島以上等級區(qū)域在秋、冬季分布較分散，而在春、夏季分布較為集中，但均圍繞主城區(qū)分布。為更好的分析各季節(jié)熱島強弱情況，對貴陽市各個季節(jié)不同等級熱島區(qū)面積比例進行統(tǒng)計分析(表2)發(fā)現，四季熱島區(qū)面積占比相差不大，中熱島以上區(qū)域面積占比春、夏季較多，分別為4.60%和5.86%，冬季稍小，為4.16%，秋季最少，為3.33%。由此可見，貴陽市城市熱島效應夏季較強，其次是春季和冬季，秋季最弱。

表2 貴陽市四季各等級熱島面積比例(單位：%)Tab.2 Proportion of heat island area of different grades in Guiyang in four seasons(unit：%)

3.3 城市熱島日變化

以貴陽市2012—2019年白天、夜晚地表溫度數據為代表，計算貴陽市白天、夜晚城市熱島強度，并進行城市熱島強度分級，以表征貴陽市城市熱島效應晝夜變化，結果如圖8所示。

圖8 2012—2019年貴陽市晝夜城市熱島強度Fig.8 Urban heat island intensity during daytime and nighttime in Guiyang from 2012 to 2019

由圖8可發(fā)現，貴陽市白天較強熱島及強熱島區(qū)域相比于夜晚分布較分散，熱島強度由主城區(qū)向四周輻射；而貴陽市夜晚出現兩個強熱島區(qū)，分別在南明、云巖兩區(qū)和貴陽市東北角，結合貴陽市下墊面實際情況(圖1)發(fā)現，貴陽市東北角出現的熱島區(qū)位置為清水河，夜間水溫高于周圍地面，因此，此區(qū)域并非城市熱島，而僅為地溫高的地區(qū)。綜合考慮城市下墊面情況發(fā)現，夜晚較強熱島及強熱島區(qū)域分布較白天更為集中，主要分布在南明和云巖兩區(qū)，且強熱島區(qū)域面積比重較大。由此可見，貴陽市夜晚城市熱島效應稍強于白天。

4 結論

本文基于2003—2019年MODIS地表溫度數據，利用3S技術及局地熱島強度公式對貴陽市城市熱島強度進行計算及分級，并從年際、季節(jié)及日變化等方面對貴陽市城市熱島效應的時空變化特征進行分析。研究主要結論如下：

①2003—2019年貴陽市城市熱島效應總體呈現增加的趨勢，中熱島以上區(qū)域面積大致以0.158 4的增長率逐年增加。由M-K檢驗結果發(fā)現，貴陽市城市熱島強度在2012年前后產生增強突變現象，2012年之后城市熱島效應明顯增強。2012年以前，貴陽市不存在強熱島區(qū)，較強熱島僅存在于南明和云巖兩區(qū)；2012年之后，貴陽市南明和云巖兩區(qū)出現了強熱島區(qū)，且中熱島以上區(qū)域面積擴大。

②貴陽市2003、2004、2005、2008年城市熱島強度中熱島以上區(qū)域面積低于1倍標準差，為熱島強度偏弱年，2016—2019年高于1倍標準差，為熱島強度偏強年。偏弱年和偏強年的熱島強度空間分布與突變前后的空間分布相似，熱島區(qū)均主要集中在南明和云巖兩主城區(qū)。對偏弱年和偏強年的熱島等級進行統(tǒng)計發(fā)現，偏弱年和偏強年的熱島區(qū)面積比例整體變化不大，但偏強年相比于偏弱年弱熱島區(qū)面積比例變小，其他熱島等級增加。

③貴陽市城市熱島效應夏季較強，其次是春季和冬季，秋季最弱。就空間分布而言，貴陽市城市熱島區(qū)在秋、冬季分布較分散，而在春、夏季分布較為集中。四季熱島區(qū)面積占比相差不大，中熱島以上區(qū)域面積占比春、夏季較多，分別為4.60%和5.86%，冬季稍小，為4.16%，秋季最少，為3.33%。

④貴陽市城市熱島效應夜晚強于白天。貴陽市白天較強熱島及以上區(qū)域相對于夜晚分布較分散，熱島強度由南明、云巖兩區(qū)向四周輻射，而貴陽市夜晚分布較白天更為集中，主要分布在南明和云巖兩區(qū)，且強熱島區(qū)域面積比重較大。