基于MODIS數(shù)據(jù)的鹽城市熱島效應(yīng)特征分析

裔傳祥，盛 也*，周宏偉，劉桐愷，梅 欽，于國強(qiáng)

（1.鹽城市氣象局，江蘇 鹽城224005；2.福建省氣象臺(tái)，福建 福州 350001）

近年來隨著城市的迅速發(fā)展，不斷加快的城市化進(jìn)程給城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境造成巨大的影響。作為城市生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)，城市熱島效應(yīng)具有重要參考價(jià)值，其定義為城市溫度明顯高于周邊郊區(qū)溫度，呈現(xiàn)出高溫獨(dú)立于周圍低溫區(qū)的“島嶼”現(xiàn)象[1]。眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量研究。謝志清等[2]通過分析MODIS反演的地表溫度數(shù)據(jù)，認(rèn)為1991—2005年長江三角洲城市帶的擴(kuò)張對(duì)區(qū)域溫度的增加起到了積極作用。林云杉等[3]利用Landsat數(shù)據(jù)進(jìn)行了地表溫度反演，并對(duì)泉州城市用地與熱島效應(yīng)的關(guān)系進(jìn)行研究，結(jié)果表明城市用地?cái)U(kuò)張對(duì)城市熱島現(xiàn)象有著直接的影響。瓦力江·瓦黑提等[4]通過自動(dòng)氣象站資料分析烏魯木齊氣溫特征，發(fā)現(xiàn)城市熱島強(qiáng)度在夜晚較大，白天較小。

研究表明，城市熱島效應(yīng)與地表覆蓋類型存在著密切聯(lián)系。毛洋等[5]采用Landsat8遙感數(shù)據(jù)分析昆明地表溫度與地表覆蓋類型之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)無熱島和較弱熱島效應(yīng)等級(jí)主要分布于林地和水體，而建筑用地和裸地是主要的強(qiáng)熱島效應(yīng)分布區(qū)。張小偉等[7]運(yùn)用MODIS數(shù)據(jù)分析上述兩者的關(guān)系后指出，浙江省各地表覆蓋類型年平均地表溫度差異顯著，總體表現(xiàn)為建筑用地>耕地>林地>水體。綠地是城市化進(jìn)程中維持城市可持續(xù)發(fā)展的必要因素，葉面積指數(shù)（Leaf Area Index，LAI）在城市綠化數(shù)量質(zhì)量評(píng)價(jià)體系中的重要性日益提高，目前一些學(xué)者已從LAI角度關(guān)注綠量對(duì)城市熱環(huán)境的影響。吳菲等[8]選取北京城市綠地研究不同綠量植被對(duì)溫度變化的影響，得出在一定范圍內(nèi)的喬灌草綠量比之下，綠地中的喬灌綠量越大，降溫效果越明顯。Xiao等[8]研究蘇州城市綠地對(duì)熱島效應(yīng)的緩解作用，認(rèn)為綠地的降溫效應(yīng)隨著LAI的增加而提升。但是，對(duì)于城市熱島效應(yīng)的研究多數(shù)集中在大型城市，而對(duì)我國中小型城市的關(guān)注較為少見，并且缺乏對(duì)地表溫度與LAI定量關(guān)系的研究。

相對(duì)于大型城市，中小型城市的發(fā)展會(huì)遇到局部規(guī)劃和管理不夠完善，人類活動(dòng)增速過快，從而產(chǎn)生如熱島效應(yīng)等相應(yīng)的環(huán)境問題。隨著鹽城市經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市下墊面轉(zhuǎn)變明顯，建筑逐年密集，這些都潛在影響著城市熱島效應(yīng)。本文以MOD11A2地表溫度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并結(jié)合FROMGLC10（Finer Resolution Observation and Monitoring-Global Land Cover 10）地表覆蓋信息以及MOD15A2 LAI產(chǎn)品，系統(tǒng)研究鹽城市熱島效應(yīng)特征，旨在對(duì)城市可持續(xù)發(fā)展，緩解城市熱島效應(yīng)提供科學(xué)的參考。

1 研究區(qū)概況

江蘇省鹽城市（119°27′～120°54′E，32°34′～34°28′N），位于我國東部沿海（圖1a）。鹽城市界于北亞熱帶向南暖帶氣候過渡的區(qū)域，屬于季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同季。

由圖1b可知，田地占鹽城市大部分區(qū)域；其次為城市用地，分布在各行政區(qū)中，其中大市區(qū)（鹽都區(qū)、亭湖區(qū)）的城市用地面積較大；草地的面積則最少，不足1%。

圖1 研究區(qū)域

2 數(shù)據(jù)源及方法

2.1 MODIS數(shù)據(jù)

MODIS，即中分辨率成像光譜儀，是搭載在Terra（過境時(shí)間為地方時(shí)10：30左右）和Aqua（過境時(shí)間為地方時(shí)13：30左右）兩顆衛(wèi)星上用于觀測全球生物和物理過程的重要儀器。MODIS具有全球免費(fèi)獲取、光譜范圍廣（0.4～14.4μm）、數(shù)據(jù)接收簡單以及更新頻率高等特點(diǎn)，在眾多領(lǐng)域中得到研究與應(yīng)用[9-10]。本文運(yùn)用了鹽城市2017年地表溫度數(shù)據(jù)以及LAI數(shù)據(jù)。

為了去除云覆蓋帶來的影響以及準(zhǔn)確劃分時(shí)間范圍，本文地表溫度數(shù)據(jù)選取MODISLevel 3中8 d合成的地表溫度產(chǎn)品（MOD11A2），LAI數(shù)據(jù)選取MODISLevel 4中的8 d合成LAI產(chǎn)品（MOD15A2），其空間分辨率均為1 km。上述產(chǎn)品具有較好的時(shí)間分辨率與精度，已被廣泛應(yīng)用于相關(guān)研究[11-13]。

2.2 地表覆蓋數(shù)據(jù)

地表覆蓋信息來源于FROM-GLC10產(chǎn)品，該產(chǎn)品為清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系宮鵬教授課題組與國內(nèi)外多家單位合作，使用TM和ETM+數(shù)據(jù)制作出的世界首幅10 m分辨率全球地表覆蓋產(chǎn)品。作為目前最精細(xì)的全球地表覆蓋數(shù)據(jù)，在保證較高精度的前提下，F(xiàn)ROM-GLC10提供了更精細(xì)的地表覆蓋信息[14]。

2.3 熱島分級(jí)

為了更直觀地分析鹽城市熱島強(qiáng)度情況，本文采用均值—標(biāo)準(zhǔn)差法（公式1）將全市地表溫度劃分為5個(gè)等級(jí)；該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(duì)比時(shí)，可以一定程度上避免時(shí)間差異所帶來的影響[15]。

式中，T為分段點(diǎn)，T0為研究區(qū)內(nèi)地表溫度的平均值，SD為研究區(qū)內(nèi)地表溫度的標(biāo)準(zhǔn)差，X為標(biāo)準(zhǔn)差的倍數(shù)，本文選取0.5和1.5[16]，表1為具體劃分標(biāo)準(zhǔn)。

表1 城市熱島強(qiáng)度劃分標(biāo)準(zhǔn)

城市熱島效應(yīng)的研究重點(diǎn)在城市用地，為定量分析城市用地四季整體的增溫效應(yīng)與變化趨勢(shì)，構(gòu)建3個(gè)參數(shù)作為參考[2]：

式中，TCN為城市用地與非城市用地溫度之差，代表整個(gè)研究區(qū)的熱島強(qiáng)度；TCD為城市用地與全區(qū)域溫度之差，代表城市用地溫度偏離區(qū)域平均的程度；TDN為全區(qū)域與非城市用地溫度之差，能夠反映城市用地?zé)釐u效應(yīng)對(duì)區(qū)域溫度變化的貢獻(xiàn)。TC、TN、TD分別為城市用地、非城市用地以及全區(qū)域的平均地表溫度。

3 結(jié)果與分析

3.1 地表溫度與地表覆蓋類型的關(guān)系

由于不同地表覆蓋類型對(duì)太陽輻射能量的吸收與反射能力不同，同一時(shí)刻不同土地類型的地表溫度會(huì)不同。通過對(duì)比鹽城地表覆蓋結(jié)果（圖1b）與熱島等級(jí)空間分布圖（圖2），可以發(fā)現(xiàn)地表溫度分布情況與下墊面具有一定的關(guān)聯(lián)，春夏兩季城市用地所對(duì)應(yīng)的熱島等級(jí)多為高溫、次高溫，其中夏季最為明顯。春夏季低溫、次低溫以及中溫的分布呈塊狀和零散的點(diǎn)狀遍布在城市中，大多分布在田地與河流，而秋冬季為大片的塊狀分布在整個(gè)城市。

圖2 鹽城市2017年熱島等級(jí)分布

為探討不同地表覆蓋類型與熱島效應(yīng)之間的關(guān)系，將地表覆蓋數(shù)據(jù)與地表溫度數(shù)據(jù)相疊加，得到各地表覆蓋類型白天及夜間的平均地表溫度和標(biāo)準(zhǔn)差（表2）。白天城市用地平均地表溫度在春季、夏季和秋季最高，分別為24.4、33.2、22.0℃，冬季城市用地平均地表溫度僅次于田地，但二者相差較?。?.1℃）。白天河流平均地表溫度均最低，春夏季與城市用地的溫差分別為2.9、2.7℃，河流在所有地表覆蓋類型中起主導(dǎo)的降溫作用。白天田地、草地與林地的平均地表溫度全年差距較小，在春、夏季3種地表類型的溫差在0.6℃左右，秋、冬季溫差在0.2℃左右，并且標(biāo)準(zhǔn)差幾乎都在2.0℃以下，這是因?yàn)樘锏?、草地與林地都是以綠色植被為主，地表類型較為均一。到了夜間，由于城市用地主要以硬化路面為主，比熱較小，夜間平均地表溫度迅速下降，而河流由于水的比熱較大溫度下降最緩慢，導(dǎo)致夜間河流平均表面溫度最高，草地次之，城市處于中游，田地與林地為最低，這是因?yàn)樘锏嘏c林地的植被覆蓋度較高，蒸騰與散發(fā)的能力也較高，使其能夠有效的削減地表中的熱量。城市熱島效應(yīng)在夜間基本消失，河流具有明顯的“保溫”作用。

表2 2017年鹽城市各地表覆蓋類型平均地表溫度與標(biāo)準(zhǔn)差 ℃

城市用地具有非滲透性和無蒸發(fā)性，熱傳導(dǎo)性較強(qiáng)，吸收太陽輻射后溫度迅速上升，導(dǎo)致其具有較高的地表溫度，鹽城近幾年城市建設(shè)發(fā)展迅速，高樓密度增大，所以城市熱島效應(yīng)較為顯著。水體由于其較弱的熱傳導(dǎo)功能及較強(qiáng)的蒸發(fā)作用，使地表溫度上升與下降的趨勢(shì)比較平緩，所以河流溫度在四季白天都呈現(xiàn)出最低值的狀態(tài)，導(dǎo)致城市用地和水體的地表溫度差較大。草地的地表溫度與耕地比較接近，均高于林地，這是因?yàn)椴莸嘏c耕地具有相似的覆蓋特征[17-18]。

3.2 城市熱島效應(yīng)的季節(jié)性差異

從鹽城市2017年熱島等級(jí)分布情況（圖2）可以看出，春夏季的次高溫、高溫區(qū)占比明顯高于秋冬季。運(yùn)用地表覆蓋數(shù)據(jù)結(jié)合地表溫度數(shù)據(jù)，計(jì)算出各季節(jié)鹽城區(qū)域熱島強(qiáng)度的整體特征（圖3）。白天春夏季的城市熱島強(qiáng)度較強(qiáng)，城市用地與非城市用地平均地表溫度差TCN分別為1.0、0.8℃，秋冬季的熱島強(qiáng)度不顯著；夜間城市熱島強(qiáng)度四季變化較為平穩(wěn)，其中秋季相對(duì)較強(qiáng)，TCN為0.8℃。白天不同季節(jié)城市用地的地表溫度偏離區(qū)域平均程度TCD存在較大差異，春、夏季最為顯著，分別為0.9、0.7℃。白天城市用地使鹽城全區(qū)域平均地表溫度的增加值TDN也是在春、夏季最強(qiáng)，均增加0.1℃左右，秋、冬季均為0℃；夜間TDN的差異相對(duì)較小。值得注意的是冬季白天城市熱島強(qiáng)度參數(shù)幾乎均為0℃。綜合來看，鹽城市熱島效應(yīng)在春、秋兩季時(shí)較強(qiáng)，秋、冬兩季不夠顯著，這與長三角地區(qū)其他城市較為相似，而由于地理位置的差異，與京津冀地區(qū)則有所差別[2，15，19]。

圖3 鹽城市四季城市熱島效應(yīng)特征狀況

在鹽城市地表覆蓋類型（圖1b）與熱島等級(jí)分布（圖2）的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)各地表覆蓋類型中的熱島等級(jí)（去除缺失樣本）所占百分比，得到各地表覆蓋熱島強(qiáng)度等級(jí)有效百分比統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表3）。夏季城市用地次高溫與高溫區(qū)的占比最高，達(dá)到55.4%，春季其次（49.8%）。全年來看，河流低溫與次低溫的占比較高，其中春、夏、秋季分別為69.2%、67.3%、62.6%，田地、草地與林地大多集中在中溫區(qū)。城市用地會(huì)使城市熱島效應(yīng)變強(qiáng)，并且其它各地表覆蓋類型對(duì)緩解城市熱島效應(yīng)的能力具有差異。

表3 2017年鹽城市各地表覆蓋熱島強(qiáng)度等級(jí)有效百分比統(tǒng)計(jì) %

3.3 地表溫度與LAI的相關(guān)性

河流能緩解鹽城市的熱島強(qiáng)度，而植被也能夠起到很好的降溫作用。LAI越大，植被反射的太陽輻射越多，降溫效果越好[20]。為了更好地了解不同季節(jié)田地、草地、林地對(duì)城市熱島效應(yīng)的降溫效果，計(jì)算了鹽城市區(qū)各季節(jié)地表溫度與LAI的相關(guān)系數(shù)（表4）。

表4 地表溫度與LAI相關(guān)系數(shù)

從四季地表溫度與LAI的相關(guān)系數(shù)（表4）可以看出，鹽城市區(qū)四季地表溫度與LAI均為負(fù)相關(guān)，且除冬季外均通過0.01的顯著性檢驗(yàn)。夏季地表溫度與LAI相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.579，較好地反映出LAI與地表溫度有著密切的相關(guān)性。從季節(jié)分布上來看，植被在夏季的降溫效果最明顯，其次為春季，相關(guān)系數(shù)為0.528。冬季LAI對(duì)城市地表溫度無明顯影響，主要是由于冬季植被覆蓋率低，LAI值都處于2以下。這為緩解鹽城市熱島效應(yīng)提供了重要的理論依據(jù)，在城市化的進(jìn)程中，加強(qiáng)植被覆蓋的綠化工作，能夠起到很好的降溫作用。

4 結(jié)論與討論

本文基于MODIS數(shù)據(jù)，分析了鹽城市熱島效應(yīng)的特征，得到以下結(jié)論：

（1）白天城市用地具有較高的平均地表溫度，其中春季、夏季、秋季最為明顯，分別為24.4、33.2、22.0℃，河流平均表面溫度最低。

（2）到了夜間城市用地平均地表溫度迅速下降，而河流表面溫度最高，田地與林地平均地表溫度最低。

（3）不同地表覆蓋類型對(duì)緩解城市熱島效應(yīng)的能力都不相同，河流具有一定的“冷島效應(yīng)”，在鹽城所有地表覆蓋類型中起主導(dǎo)的降溫作用。

（4）熱島效應(yīng)特征在夏季表現(xiàn)最明顯，春季其次，秋、冬兩季不夠顯著。

（5）鹽城市區(qū)地表溫度與LAI呈負(fù)相關(guān)性，其中夏季植被的降溫效果最明顯，春季其次。

由于本文所運(yùn)用的FROM-GLC10現(xiàn)有資料無法滿足長時(shí)間序列研究，僅選取2017年數(shù)據(jù)研究鹽城市熱島效應(yīng)，雖不足以掌握其歷史規(guī)律，但具有一定的理論支撐，未來可運(yùn)用長時(shí)間序列資料定量分析研究區(qū)四季地表溫度與地表覆蓋類型、LAI的關(guān)系。本研究在分析鹽城市熱島效應(yīng)特征后，也為城市建設(shè)提供理論性建議，在城市化進(jìn)程中，需注意湖泊建設(shè)與植被結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以緩解城市熱島效應(yīng)。