基于遙感的木蘭溪流域地表溫度及熱場強(qiáng)度特征研究*

李欣欣 廖 廓 孫蔡亮 鄭潮宇 吳新宇 邢麗珠

(1.福建省氣候中心，福建 福州 350001；2.福建省海峽氣象科學(xué)研究所，福建 福州 350001；3.福建省莆田市氣象局，福建 莆田 351100；4.山東省棗莊市氣象局，山東 棗莊 277000)

全球變暖是21世紀(jì)人類面臨的最為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)之一。隨著城市化進(jìn)程加快，人類活動(dòng)造成的土地覆蓋及土地利用方式的改變，正以直接或間接的方式影響著局地和全球的氣候變化。城市熱島效應(yīng)作為城市化進(jìn)程的產(chǎn)物和全球變暖下最明顯的氣候現(xiàn)象之一[1]，近年來隨著人類活動(dòng)的加劇而不斷增強(qiáng)，尤其是在夏季，氣溫升高使得城市熱島效應(yīng)更為明顯，導(dǎo)致城市極端高溫事件頻發(fā)。這不僅對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅，也給城市居民的生產(chǎn)生活帶來了較大的負(fù)面影響。因此，不同季節(jié)的熱島效應(yīng)也得到了更多的關(guān)注和研究，這為政府緩解熱島效應(yīng)所帶來的城市生態(tài)環(huán)境問題提供參考。

針對(duì)熱島效應(yīng)，國內(nèi)外學(xué)者已開展了大量研究分析[2-6]。衛(wèi)星遙感監(jiān)測作為研究熱島效應(yīng)的重要手段，相較于傳統(tǒng)的氣象觀測法，具有時(shí)相多、范圍廣、空間連續(xù)性好、空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)[7]。Landsat與 MODIS遙感數(shù)據(jù)已被廣泛應(yīng)用于城市熱島的大范圍空間監(jiān)測和評(píng)估。Landsat數(shù)據(jù)空間分辨率高，但時(shí)間分辨率低，多用于城市尺度的熱島研究[8-9]。MODIS 空間分辨率低于Landsat數(shù)據(jù)，但時(shí)間分辨率更高，并且對(duì)地表溫度數(shù)據(jù)具有良好的反演精度，被廣泛用于大區(qū)域的熱島監(jiān)測[10-11]。樂通潮等[12]利用Landsat 8衛(wèi)星影像分析了福州春季城市熱島空間分布特征，表明福州存在明顯的城市熱島現(xiàn)象，老城區(qū)及擴(kuò)張的城市建設(shè)區(qū)是城市熱島效應(yīng)主要影響區(qū)域。相較于其他“火爐城市”，近年來福州的城市熱島效應(yīng)加劇[13-14]。張春桂等[15]基于MODIS遙感數(shù)據(jù)對(duì)福建省地表溫度和植被覆蓋的互動(dòng)關(guān)系進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)福建沿海城市熱島面積整體呈上升趨勢，福州和莆田尤為明顯。福建省地表溫度自東南沿海向西北山區(qū)遞減，沿海平原的熱島效應(yīng)強(qiáng)于內(nèi)陸山區(qū)[16]。近15年來，由于快速城市化，福建省東南沿海城市的最高地溫從30.95℃上升到33.05℃，但因植被覆蓋率的增加，平均地表溫度呈小幅下降趨勢，其中全省降溫面積是升溫面積的兩倍。有學(xué)者指出，當(dāng)植被覆蓋率高于20%時(shí)，覆蓋率每增加 10%，地表氣溫下降約1.1℃[17]。除了植被覆蓋率，城市化建設(shè)過程中的土地利用變化[18-19]、城市人口規(guī)模[20]、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及能源消耗[21-22]、不透水面[23]、水體[24]等因素也會(huì)對(duì)熱島效應(yīng)產(chǎn)生不同程度的影響?？紤]自然和人文的多元化影響，有研究發(fā)現(xiàn)夜間燈光、交通路網(wǎng)密度、地表非滲透面、地表植被、地面高程、水體等多維因素對(duì)城市熱島的影響存在差異，前三者為正貢獻(xiàn)，后三者為負(fù)貢獻(xiàn)，其中夜間燈光、交通路網(wǎng)密度和地面高程的升溫、降溫作用最大[25]。

本文以福建木蘭溪流域(118°38′E～119°06′E，25°22′N～25°25′N)為研究區(qū)域，利用2000—2019年MODIS遙感數(shù)據(jù)的地表溫度和熱場強(qiáng)度指數(shù)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析了木蘭溪流域地表溫度和熱場強(qiáng)度在不同時(shí)間尺度下的變化特征，并探討了不同下墊面類型對(duì)地表溫度的調(diào)節(jié)作用，由此構(gòu)建了基于建筑、水體和植被的木蘭溪流域地表溫度評(píng)估模型。該研究成果可為當(dāng)?shù)卣_展城市生態(tài)環(huán)境治理提供科學(xué)決策參考。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)來源為8天合成的分辨率為1km的2000—2019年MOD11A2地表溫度遙感產(chǎn)品，獲取行列號(hào)為h28v06，共計(jì)910景影像①。

1.2 熱場強(qiáng)度指數(shù)

為更好地監(jiān)測木蘭溪流域熱環(huán)境，引入了熱場強(qiáng)度指數(shù)。熱場強(qiáng)度指數(shù)能夠?qū)釄龇植嫉南鄬?duì)高溫、低溫范圍及位置作出判斷。熱場強(qiáng)度定義為熱場的歸一化，表達(dá)式為：

式中：Ni為第i個(gè)像元對(duì)應(yīng)的熱場強(qiáng)度指數(shù)，范圍為0～1，值越大，高溫現(xiàn)象越明顯；Ti為第i個(gè)像元的地表溫度；Tmin為研究區(qū)域內(nèi)最低地表溫度；Tmax為研究區(qū)域內(nèi)最高地表溫度。其中Tmin和Tmax分別為圖像的頻率累積直方圖上的0.05%和99.95%處的值，這可以去除異常值，同時(shí)保證圖像的高溫區(qū)域和低溫區(qū)域，更合理地研究木蘭溪流域的熱環(huán)境。對(duì)大量圖像進(jìn)行分析研究，并將熱場強(qiáng)度指數(shù)分為5個(gè)等級(jí)，見表1。

表1 熱場強(qiáng)度指數(shù)劃分等級(jí)

2 熱場強(qiáng)度的時(shí)空分布特征

2.1 熱場強(qiáng)度的空間變化

從2000—2019年木蘭溪流域年均熱場強(qiáng)度空間分布可知(圖1)，絕大部分區(qū)域?yàn)檎^(qū)，相對(duì)其他區(qū)域，高溫區(qū)與較高溫區(qū)主要分布在流域的中南部至東部，這些地區(qū)主要為人口聚集的城鎮(zhèn)地區(qū)，相對(duì)低溫區(qū)與較低溫區(qū)主要分布在流域的西北部，這些地區(qū)主要以植被為主。

圖1 2000—2019年木蘭溪流域年均熱場強(qiáng)度空間分布

通過木蘭溪流域2000年、2010年和2019年各季節(jié)熱場強(qiáng)度空間分布可知(圖2)，各季節(jié)的熱場強(qiáng)度空間分布基本一致，和年均熱場強(qiáng)度空間分布相似。即氣溫正常區(qū)占流域面積比例最大，相對(duì)于其他區(qū)域而言，不同季節(jié)中較低溫區(qū)和低溫區(qū)集中于多植被覆蓋的流域西北部和西部，高溫區(qū)與較高溫區(qū)均集中于流域中南部至東部區(qū)域。在春、夏季，中南部和東部小部分區(qū)域的熱場強(qiáng)度指數(shù)相對(duì)于其他區(qū)域均較高，容易發(fā)生高溫事件。在秋、冬季，從流域的中南部至東部區(qū)域的熱場強(qiáng)度指數(shù)均高于其他區(qū)域，亦容易發(fā)生高溫事件。

圖2 木蘭溪流域2000年、2010年和2019年各季節(jié)熱場強(qiáng)度空間分布

2.2 熱場強(qiáng)度的時(shí)間變化

通過分析2000—2019年木蘭溪流域各熱場強(qiáng)度等級(jí)面積占比可以看出(圖3)，正常區(qū)面積占比最大，達(dá)到木蘭溪流域面積一半以上，20年平均面積占比62.38%，呈減小趨勢；其次是較低溫區(qū)，年平均面積占比19.15%，呈增大趨勢；較高溫區(qū)面積占比僅次于較低溫區(qū)，年平均面積占比16.23%，呈略微減小趨勢；低溫區(qū)與高溫區(qū)面積占比極小，低溫區(qū)年平均面積占比為1.20%，高溫區(qū)年平均面積占比為1.02%，總體上呈增大趨勢。由各等級(jí)變化可以看出，木蘭溪流域熱場強(qiáng)度由正常向兩極轉(zhuǎn)變。

圖3 2000—2019年木蘭溪流域各熱場強(qiáng)度等級(jí)面積占比變化

不同年份各季節(jié)木蘭溪流域的熱場強(qiáng)度等級(jí)面積占比也存在差異，如表2所示。從代表年份看，總體而言，春季正常區(qū)面積占比最大，其次是秋季，再次是冬季，夏季最小(除2000年外)。夏季較低溫區(qū)和低溫區(qū)面積占比最大，冬季較高溫區(qū)和高溫區(qū)面積占比最大。秋季和冬季熱場強(qiáng)度較春季和夏季強(qiáng)，這可能是由于春季和夏季降水豐沛，植被長勢較好，降低了一部分城市熱場強(qiáng)度，而秋季和冬季氣溫相對(duì)低，尤其是冬季，人為釋放熱量造成熱場強(qiáng)度較強(qiáng)。

表2 木蘭溪流域2000年、2010年和2019年各季節(jié)熱場強(qiáng)度等級(jí)面積占比(%)

3 地表溫度變化特征及下墊面的調(diào)節(jié)效應(yīng)

3.1 地表溫度時(shí)間變化趨勢

如圖4所示，木蘭溪流域2000—2019年全年平均溫度、最高溫度和最低溫度均呈下降趨勢，均值分別為24.97℃、29.72℃和20.23℃，氣候傾向率分別為-0.33 ℃·(10a)-1、-0.2 ℃·(10a)-1和-0.70 ℃·(10a)-1，其中最低溫度呈顯著下降趨勢(P<0.05)。2000—2019年木蘭溪流域年平均溫度2010年最低(22.81℃)，2002年最高(26.78℃)。年最高溫度是2002年(31.47℃)，年最低溫度則是2012年(18.21℃)。

圖4 2000—2019年木蘭溪流域全年地表最高溫度、平均溫度、最低溫度變化

如圖5所示，2000—2019年木蘭溪流域春季平均溫度和最低溫度均值分別為25.40℃和20.23℃，雖有波動(dòng)，但整體呈下降趨勢，遞減率分別為-0.61 ℃·(10a)-1和-0.70 ℃·(10a)-1，其中平均溫度呈顯著下降趨勢(P<0.05)。木蘭溪流域春季最高溫度呈上升趨勢，均值為30.81℃，氣候傾向率為0.79 ℃·(10a)-1。從夏季來看，木蘭溪流域平均溫度和最低溫度均值增加到30.74℃和25.71℃，近20年來也呈下降趨勢，遞減率分別為-0.25 ℃·(10a)-1和-0.70 ℃·(10a)-1，其中平均溫度呈顯著下降趨勢(P<0.05)。夏季最高溫度均值可達(dá)到37.83℃，氣候傾向率為0.93 ℃·(10a)-1，呈顯著上升趨勢(P<0.05)。從秋季來看，木蘭溪流域平均溫度和最低溫度均值與春季相當(dāng)，分別為25.49℃和19.83℃，整體呈下降趨勢，氣候傾向率為-0.14 ℃·(10a)-1和-0.70 ℃·(10a)-1。秋季最高溫度均值略高于春季(31.60℃)，上升速率為1.3 ℃·(10a)-1。而到了冬季，木蘭溪流域平均溫度(17.86℃)、最高溫度(21.93℃)和最低溫度(13.36℃)整體呈下降趨勢，氣候傾向率分別為-0.81 ℃·(10a)-1、-0.28 ℃·(10a)-1和-0.70 ℃·(10a)-1。值得注意的是，冬季地表溫度在2015年后略有上升。

圖5 2000—2019年木蘭溪流域各季節(jié)地表溫度時(shí)間變化

3.2 不同下墊面對(duì)地表溫度的影響

通過分析木蘭溪流域2001年、2010年和2019年不同下墊面地表溫度與平均地表溫度的差值變化可以看出(圖6)，建筑、植被和水體對(duì)地表溫度的影響各有差異。2001—2019年建筑溫度高于木蘭溪流域平均溫度，植被溫度低于木蘭溪流域平均溫度，水體溫度在平均溫度附近浮動(dòng)，多數(shù)低于木蘭溪流域平均溫度?？傮w來說，建筑的地表溫度在三種下墊面中較高，對(duì)熱環(huán)境的影響較大。水體和植被地表溫度較低，對(duì)熱環(huán)境具有較好的緩解作用。

圖6 木蘭溪流域2001年、2010年和2019年不同下墊面地表溫度與平均溫度之差

綜合考慮建筑、水體和植被對(duì)地表溫度的影響，對(duì)建筑、水體、植被與地表溫度進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果表明，建筑、植被、水體均對(duì)地表溫度產(chǎn)生顯著影響(P<0.01)，其中，建筑與地表溫度呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.73，而植被、水體與地表溫度均呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.68與-0.52。植被、水體與建筑之間也呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.60和-0.25?；诖?，構(gòu)建木蘭溪流域建筑、植被和水體與地表溫度之間的多元逐步回歸關(guān)系。

y=0.14x1-0.13x2-0.05x3+30.15R2=0.80

式中：y代表地表溫度，x1代表建筑，x2代表植被，x3代表水體。建筑與地表溫度的相關(guān)系數(shù)和植被與地表溫度的相關(guān)系數(shù)差距不大，比水體與地表溫度的相關(guān)系數(shù)大，可以看出植被的降溫能力強(qiáng)于水體。由此可以說明，由于建筑面積的增加導(dǎo)致的地表溫度升溫可以通過提高植被覆蓋率進(jìn)行部分抵消。

進(jìn)一步使用控制變量法，即假設(shè)三者中一個(gè)變量不變，其他兩個(gè)變量改變，來比較建筑、植被、水體對(duì)木蘭溪流域的降溫效果。木蘭溪流域建筑、植被、水體的實(shí)際占比分別為22.48%、63.55%和12.31%。假設(shè)在建筑面積不變的情況下，植被面積每減少10%、水體面積增加10%，溫度升高0.008℃。假設(shè)植被面積不變，建筑面積每減少10%、水體面積增加10%，則地表溫度下降0.019℃。而假設(shè)水體面積不變，建筑面積每減少10%、植被面積增加10%，地表溫度降低0.027℃，降溫效果顯著。

綜上所述，建筑有明顯的增溫效果，水體與植被都有明顯的降溫效果，且植被的降溫效果較水體更為明顯。

4 結(jié)論

以木蘭溪流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，以MODIS監(jiān)測數(shù)據(jù)為研究基礎(chǔ)，基于地表溫度和熱場強(qiáng)度指數(shù)得出以下結(jié)論與討論。

①2000—2019年木蘭溪流域熱場強(qiáng)度空間分布以正常為主，高溫區(qū)與較高溫區(qū)主要分布在流域中南部至東部人口聚集的城鎮(zhèn)地區(qū)，低溫區(qū)與較低溫區(qū)主要分布在以植被為主的西北部地區(qū)。

②2000—2019年木蘭溪流域熱場強(qiáng)度各等級(jí)面積占比中，正常區(qū)面積平均占比最大(62.38%)，其次是較低溫區(qū)(19.15%)，再次是較高溫區(qū)(16.23%)，近20年來分別呈減小趨勢、增大趨勢和略微減小趨勢。低溫區(qū)(1.20%)與高溫區(qū)(1.02%)面積占比極小，總體上呈增大趨勢。由各等級(jí)變化可以看出，木蘭溪流域熱場強(qiáng)度由正常向兩極轉(zhuǎn)變。

③近20年來木蘭溪流域全年平均地表溫度(24.97℃)、最高溫度(29.72℃)和最低溫度(20.23℃)均呈下降趨勢，遞減速率分別為-0.33℃·(10a)-1、-0.2℃·(10a)-1、-0.70℃·(10a)-1。春季、夏季和秋季平均溫度和最低溫度整體呈下降趨勢，最高溫度呈上升趨勢，其中春夏兩季平均溫度和夏季最高溫度趨勢顯著。冬季平均溫度、最高溫度和最低溫度均呈下降趨勢。

④不同下墊面對(duì)地表溫度的調(diào)節(jié)能力不同，建筑與地表溫度呈正相關(guān)關(guān)系(0.74)，而植被(-0.69)、水體(-0.53)與地表溫度則呈負(fù)相關(guān)關(guān)系?？刂谱兞糠ńY(jié)果顯示，建筑有明顯的增溫效果，水體與植被都有明顯的降溫效果，且植被的降溫效果更為明顯。

⑤從季節(jié)來看，秋季和冬季熱場強(qiáng)度較春季和夏季強(qiáng)，這可能是由于春季和夏季降水豐沛，植被長勢較好，降低了一部分城市熱場強(qiáng)度。而冬季氣溫相對(duì)低，人為釋放熱量多造成熱場強(qiáng)度較強(qiáng)。從下墊面類型來看，基于建筑、植被和水體的木蘭溪地表溫度評(píng)估模型分析結(jié)果表明，不同下墊面對(duì)地表溫度的調(diào)節(jié)能力不同，但目前有關(guān)不同季節(jié)、不同因子的影響和定量化貢獻(xiàn)仍有待探討，更多的影響因子和它們的交叉作用也仍需加強(qiáng)研究。

注釋：

①該數(shù)據(jù)從NASA官網(wǎng)上獲取(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)。