基于MODIS數(shù)據(jù)的近10年宜昌城市熱島效應(yīng)時(shí)空變化特征

張 麗，劉 俊，葉 丹

(宜昌市氣象局，湖北宜昌 443000)

城市熱島效應(yīng)是受日照和城市下墊面影響而造成的城市“高溫化”現(xiàn)象，是一種熱量在城區(qū)空間范圍內(nèi)聚集的現(xiàn)象。城市熱島強(qiáng)度與區(qū)域氣候、城市化程度、地形等諸多因素有關(guān)[1]。21世紀(jì)以來，隨著城市化高速發(fā)展，城市建筑群密集，自然下墊面減少[2]，同時(shí)大量人口向城市聚集，工業(yè)生產(chǎn)和生活用能的不斷增加更加劇了城市熱島效應(yīng)，導(dǎo)致其范圍擴(kuò)大，強(qiáng)度亦有增加[3]。過去人們對(duì)城市熱島的研究主要是通過同時(shí)期城市與郊區(qū)的氣溫對(duì)比來獲取有關(guān)規(guī)律，但由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)有限，難以全面反映出研究區(qū)域的城市熱島效應(yīng)[4]。遙感監(jiān)測(cè)法具有分辨率高 、覆蓋范圍廣、點(diǎn)位密集等優(yōu)勢(shì)[5]，是目前應(yīng)用最為廣泛的研究方法[6]。多年以來，國內(nèi)外學(xué)者利用遙感技術(shù)對(duì)城市熱島效應(yīng)的時(shí)空分布特征和影響因素進(jìn)行了大量的研究。金麗娜等[7]指出遙感反演溫度與氣象站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本一致；曾勝蘭[3]指出熱島強(qiáng)度存在晝夜和季節(jié)性差異；趙小鋒等[8]指出熱島現(xiàn)象已經(jīng)由春夏秋擴(kuò)展到冬季；薛乃婷等[9]指出自然因素和人為因素共同影響熱島強(qiáng)度。隨著城市化快速發(fā)展，宜昌城市規(guī)模和經(jīng)濟(jì)總量已經(jīng)躍升為湖北省第二位，又處在長江三峽庫區(qū)局地氣候變化敏感區(qū)，其城市熱島效應(yīng)和時(shí)空演變趨勢(shì)成為政府和公眾關(guān)注的熱點(diǎn)，開展區(qū)域性熱島研究勢(shì)在必行。

MODIS是搭載在Terra 和Aqua 衛(wèi)星上的一個(gè)重要傳感器，可獲得一天4次的地表溫度數(shù)據(jù)，對(duì)分析城市熱島強(qiáng)度驅(qū)動(dòng)因素研究的晝夜規(guī)律有很大優(yōu)勢(shì)[7]。MOD11A2 是一種8 d均值合成陸地地表溫度產(chǎn)品。江志紅等[10]研究發(fā)現(xiàn)MOD11A2 地表溫度數(shù)據(jù)的質(zhì)量優(yōu)，并且精度好于MODIS L1B 數(shù)據(jù)通過分裂窗算法反演得到的地表溫度。宜昌地區(qū)氣候濕潤，云量較多，單日影像數(shù)據(jù)覆蓋有大片云層，相比較而言，MOD11A2 更適合作為研究該區(qū)域的遙感數(shù)據(jù)源。本文利用近十年MOD11A2 遙感影像數(shù)據(jù)，通過地表溫度和熱島強(qiáng)度等級(jí)指標(biāo)分析宜昌城市熱島效應(yīng)時(shí)空分布特征，以期為政府和公眾提供服務(wù)參考。

1 研究區(qū)概況

宜昌市位于湖北省西南部，地處長江上游與中游的結(jié)合部，鄂西山區(qū)向江漢平原的過渡地帶。本研究區(qū)域?yàn)橐瞬菂^(qū)(西陵區(qū)、伍家崗區(qū)、點(diǎn)軍區(qū)和猇亭區(qū))及周邊臨近縣市(夷陵區(qū)、枝江市、當(dāng)陽市、宜都市、長陽市)，地理坐標(biāo)約為110°24′E～112°04′E，30°08′N～31°24′N。通過宜昌熱島研究主要區(qū)域DEM(digital elevation model) 和土地利用類型分布圖(圖1，見第65頁)可見，宜昌地勢(shì)復(fù)雜，海拔高度范圍為27～2 218 m，相差懸殊，呈現(xiàn)自西向東逐級(jí)下降的趨勢(shì)，形成山地、丘陵和平原兼?zhèn)涞匦?。其中無滲透地面主要沿江分布，并在當(dāng)陽形成孤島；農(nóng)田主要分布于城區(qū)近郊、夷陵南部、枝江大部、宜都和當(dāng)陽東部等平原地區(qū)，宜都和當(dāng)陽西部、夷陵北部、長陽大部等地基本為森林覆蓋區(qū)。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

遙感影像數(shù)據(jù)為2010—2019年宜昌研究區(qū)2、5、8月和11月MOD11A2產(chǎn)品，空間分辨率為1 km，數(shù)據(jù)來源于地理信息應(yīng)用開放平臺(tái)(https://search.earthdata.nasa.gov/search)。其中，資料月份的選擇主要根據(jù)基于自動(dòng)氣象站的宜昌城市熱島分析結(jié)果[11]，選擇“臺(tái)階期”為代表月進(jìn)行研究。土地利用數(shù)據(jù)為全球土地覆蓋的精細(xì)分辨率觀測(cè)和監(jiān)測(cè)網(wǎng)站(http://data. ess.tsinghua.edu.cn)提供的宜昌30 m分辨率全球土地覆蓋圖。宜昌市有關(guān)社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于湖北省統(tǒng)計(jì)局網(wǎng)站(http://tjj.hubei.gov.cn/tjsj/)提供的宜昌市2000—2019年國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展年度統(tǒng)計(jì)公報(bào)及統(tǒng)計(jì)年鑒。

2.2 研究方法

2.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 為盡可能去除云覆蓋影響，在每年2、5、8月和11月的四景遙感影像中各挑選一景云覆蓋最少的影像進(jìn)行相關(guān)研究。采用MODIS重投影工具(MODIS reprojection tools，MRT)對(duì)MOD11A2產(chǎn)品進(jìn)行投影變換，提取白天和夜間2個(gè)波段的地表溫度數(shù)據(jù)集。本文所獲取的地表溫度數(shù)據(jù)集中的DN值為亮度溫度值，通過ENVI/IDL和ArcGIS進(jìn)行定標(biāo)、影像裁切、地面溫度反演等預(yù)處理，將亮度溫度值轉(zhuǎn)換為真實(shí)地表溫度值，得到研究區(qū)的地表溫度柵格，并分別計(jì)算2010—2019年四季白天平均地表溫度、夏季夜間平均地表溫度。按照季節(jié)劃分法[12]，將“臺(tái)階期”代表月份與季節(jié)劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行匹配，選取2月代表冬季、5月代表春季、8月代表夏季、11月代表秋季進(jìn)行相關(guān)季節(jié)分析。

2.2.2 城市熱島強(qiáng)度計(jì)算 城市熱島強(qiáng)度(IUHIi)定義為城市地表溫度與郊區(qū)鄉(xiāng)村地表溫度之差，用以說明城區(qū)溫度高于郊區(qū)鄉(xiāng)村溫度的程度。其表達(dá)式為[13]

(1)

其中，IUHIi為遙感圖像上第i個(gè)像元所對(duì)應(yīng)的熱島強(qiáng)度，Ti是第i個(gè)像元的地表溫度，n為郊區(qū)的有效像元數(shù)，Tsub為郊區(qū)的地表溫度。郊區(qū)地表溫度的提取和統(tǒng)計(jì)利用經(jīng)驗(yàn)法，選擇遠(yuǎn)離市區(qū)的利用性質(zhì)穩(wěn)定(土地利用類型多年保持不變)的常年綠地(農(nóng)田)作為背景區(qū)，為保證監(jiān)測(cè)結(jié)果的可比性，各年份均采用相同的背景區(qū)。為便于統(tǒng)計(jì)分析，將地表城市熱島強(qiáng)度劃分為7個(gè)等級(jí)[13]，具體劃分標(biāo)準(zhǔn)為：IUHIi<-7.0為強(qiáng)冷島，-7.0≤IUHIi≤-5.0為較強(qiáng)冷島，-5.07.0為強(qiáng)熱島。

2.2.3 區(qū)域城市熱島評(píng)估 采用熱島比例指數(shù)(IUHP)定量評(píng)估區(qū)域城市熱島效應(yīng)的強(qiáng)弱。IUHP是弱熱島、較強(qiáng)熱島和強(qiáng)熱島面積的加權(quán)和，是反映區(qū)域內(nèi)不同等級(jí)熱島強(qiáng)度與范圍的一個(gè)綜合定量指標(biāo)。其表達(dá)式為[13]

(2)

其中IUHP為城市熱島比例指數(shù)；m為熱島強(qiáng)度等級(jí)數(shù)，取值為7；n為弱熱島、較強(qiáng)熱島和強(qiáng)熱島的等級(jí)數(shù)量，取值為3；i為弱熱島、較強(qiáng)熱島和強(qiáng)熱島對(duì)應(yīng)的等級(jí)，取值分別為5，6，7；wi為弱熱島、較強(qiáng)熱島和強(qiáng)熱島分別對(duì)應(yīng)等級(jí)的權(quán)重，分別直接取對(duì)應(yīng)等級(jí)數(shù)5，6，7；pi為弱熱島、較強(qiáng)熱島和強(qiáng)熱島所占的面積百分比，數(shù)值為0～100%。IUHP在0.0～1.0之間，該值越大，說明熱島現(xiàn)象越嚴(yán)重。為便于統(tǒng)計(jì)分析，將區(qū)域城市熱島評(píng)估劃分為5個(gè)等級(jí)[13]，具體等級(jí)劃分為：0≤IUHP≤0.2為輕微或無，0.2

3 結(jié)果與分析

3.1 熱島效應(yīng)的晝夜變化和空間分布特征

由于夏季熱島區(qū)面積最大，強(qiáng)度最強(qiáng)，因此選用宜昌研究區(qū)近10 a夏季MODIS地表溫度產(chǎn)品進(jìn)行晝夜熱島強(qiáng)度變化研究。宜昌研究區(qū)白天多年平均地表溫度為30.3 ℃，夜間多年平均地表溫度為27.6 ℃，晝夜溫差達(dá)2.7 ℃。從近10 a宜昌研究區(qū)夏季白天和夜間平均熱島強(qiáng)度等級(jí)分布(圖2)來看，熱島區(qū)(包括弱熱島、較強(qiáng)熱島、強(qiáng)熱島，下同)和冷島區(qū)(包括強(qiáng)冷島、較強(qiáng)冷島、弱冷島，下同)面積均白天大于夜間，熱島強(qiáng)度均白天強(qiáng)于夜間，其中白天熱島區(qū)面積占比2.081 7 %，冷島區(qū)面積占比9.758 2 %；夜間熱島區(qū)面積占比0.218 9 %，冷島區(qū)面積占比7.536 9 %。熱島區(qū)在宜昌主城區(qū)到宜都一帶比較集中，在當(dāng)陽和枝江分別形成熱島孤島，這與地形和土地覆蓋類型(圖1)的分布特征比較吻合，這些區(qū)域建筑密集、人口集中、植被覆蓋度低。冷島區(qū)主要分布在夷陵區(qū)西部和北部、長陽西部。一方面由于該區(qū)域以山地為主，森林相對(duì)集中，植被覆蓋度比較好，熱容量較大，同時(shí)該區(qū)域海拔相對(duì)較高，森林的蒸散作用對(duì)地表溫度的調(diào)節(jié)使得地表溫度相對(duì)最低；另一方面丘陵平原地帶增溫速度高于山地，在環(huán)流作用下，輸送到山區(qū)上空的暖空氣與本地的冷空氣形成上暖下冷的逆溫層，使得山地的冷空氣保持更加穩(wěn)定狀態(tài)，更有利于形成冷島。

圖1 宜昌熱島研究區(qū)域DEM(a)和土地利用類型(b)分布圖(審圖號(hào)為鄂S(2021)002號(hào)；文見第64頁)

圖2 2010—2019年宜昌研究區(qū)夏季白天(a)、夜間(b)平均熱島強(qiáng)度等級(jí)分布(審圖號(hào)為鄂S(2021)002號(hào))

3.2 熱島效應(yīng)的季節(jié)變化特征

由于宜昌研究區(qū)白天熱島強(qiáng)度比夜間強(qiáng)，利用宜昌研究區(qū)2、5、8月和11月白天遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行不同季節(jié)熱島強(qiáng)度的變化研究。從宜昌研究區(qū)近10 a春季、秋季、冬季和夏季白天熱島強(qiáng)度等級(jí)分布(圖3、圖2a)來看，宜昌研究區(qū)四季均存在不同程度和范圍的熱島效應(yīng)，從春季到夏季熱島區(qū)面積呈現(xiàn)逐步擴(kuò)張趨勢(shì)，熱島強(qiáng)度也逐步增強(qiáng)。春季和夏季熱島區(qū)面積較大，熱島強(qiáng)度較強(qiáng)；秋季和冬季熱島區(qū)面積較小，熱島強(qiáng)度較弱。熱島區(qū)面積占比夏季最大(2.081 7%)，春季次之(1.889 7%)，冬季最小(0.270 6%)；熱島區(qū)強(qiáng)度以弱熱島為主。

圖3 2010—2019年宜昌研究區(qū)春季(a)、秋季(b)、冬季(c)白天熱島強(qiáng)度等級(jí)分布(審圖號(hào)為鄂S(2021)002號(hào))

3.3 熱島效應(yīng)的年際變化特征

從2010—2019年宜昌研究區(qū)域不同等級(jí)熱島面積占比和平均地表溫度變化曲線(圖4)來看，宜昌研究區(qū)平均地表溫度呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)，變化傾向率為0.485 3 ℃/10 a，高于1951—2018年亞洲年平均氣溫0.23 ℃/10 a的平均增速[7]，與全球變暖總趨勢(shì)一致。熱島區(qū)熱島強(qiáng)度以弱熱島為主，熱島區(qū)面積占比以0.151 9%/10 a的速度呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)，2018年達(dá)到最大，占比5.92%；2011年達(dá)到最小，占比2.25%。強(qiáng)熱島、較強(qiáng)熱島和弱熱島區(qū)占研究區(qū)總面積的比例均在5%以下，熱島比例指數(shù)均在0.2以下(表1)，為輕微等級(jí)，說明宜昌市近十年城市規(guī)劃較好，未出現(xiàn)較強(qiáng)的城市熱島效應(yīng)，且西部縣市熱島效應(yīng)并不明顯，這與近年來宜昌市大力開展“中國氣候宜居城市”、“中國天然氧吧”“中國氣候宜居縣”氣候標(biāo)志創(chuàng)建有關(guān)。

表1 2010—2019年宜昌研究區(qū)域不同等級(jí)熱島面積占比和熱島比例指數(shù)

圖4 2010—2019年宜昌研究區(qū)域不同等級(jí)熱島面積占比和平均地表溫度變化曲線

將宜昌研究區(qū)2010—2019年熱島區(qū)面積占比與國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)中的各類社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析(表2)，結(jié)果表明，接待旅游人數(shù)、民用汽車擁有量、供水總量與熱島區(qū)面積占比的相關(guān)性較大。為進(jìn)一步挖掘與城市發(fā)展進(jìn)程、城市熱島變化關(guān)系較大的相關(guān)社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的變化情況，選取2011年(熱島強(qiáng)度谷值)和2018年(熱島強(qiáng)度峰值)典型年進(jìn)行相關(guān)社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)指標(biāo)的年際變化分析。結(jié)果表明，2018年與2011年相比，市區(qū)人口僅增長1.5%，城市規(guī)?；痉€(wěn)定；但2018年宜昌市接待旅游人數(shù)、市區(qū)天然氣供氣總量、民用汽車擁有量均達(dá)到近10年來的峰值，其中接待旅游人數(shù)增長300.9%，民用汽車擁有量增長179.2%，能源消耗方面天然氣和供水總量增長50%～80%。綜上結(jié)果表明，即使城市規(guī)模穩(wěn)定，但人類活動(dòng)加劇，人為熱排放在城市中心區(qū)域持續(xù)增長，加之建筑密度大、植被覆蓋度低，都是導(dǎo)致熱島強(qiáng)度日趨增強(qiáng)的原因。

表2 宜昌研究區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)指標(biāo)、熱島區(qū)面積占比的增長和2010—2019年相應(yīng)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)指標(biāo)與熱島區(qū)面積占比的相關(guān)性

4 結(jié)論與討論

(1)宜昌研究區(qū)熱島的空間分布受地形地貌的影響比較明顯，冷島區(qū)主要分布在森林密集的北部和西部山區(qū)，無熱島區(qū)主要分布在山區(qū)向平原過渡的丘陵地帶，熱島區(qū)主要分布在宜昌主城區(qū)至東南部平原地帶。

(2)近10年宜昌研究區(qū)的熱島區(qū)和冷島區(qū)面積白天均多于夜間，熱島強(qiáng)度白天強(qiáng)于夜間，熱島區(qū)在宜昌主城區(qū)到宜都一帶比較集中，在當(dāng)陽和枝江分別形成熱島孤島。

(3)近10年宜昌研究區(qū)各個(gè)季節(jié)均存在不同程度和范圍的熱島效應(yīng)，春季和夏季熱島區(qū)面積較大，熱島強(qiáng)度較強(qiáng)；秋季和冬季熱島區(qū)面積較小，熱島強(qiáng)度較弱。其中夏季熱島區(qū)面積達(dá)到最大，熱島強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)，冬季熱島區(qū)面積達(dá)到最小，熱島強(qiáng)度達(dá)到最弱。

(4)熱島區(qū)、冷島區(qū)面積呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)，無熱島區(qū)面積呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)。強(qiáng)熱島區(qū)、較強(qiáng)熱島區(qū)和弱熱島區(qū)在總研究區(qū)域面積中的占比均在5%以下，熱島比例指數(shù)均在0.2以下，為輕微等級(jí)，說明宜昌市近10年城市規(guī)劃較好，未出現(xiàn)較強(qiáng)的城市熱島效應(yīng)，且西部縣市熱島效應(yīng)并不明顯。