基于MODIS數(shù)據(jù)的鄭州市城市熱島效應(yīng)時(shí)空特征研究

王朝陽，宋辛辛，李海懿

(1.重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，重慶 401331；2.鄭州師范學(xué)院 地理與旅游學(xué)院，河南 鄭州 450044)

1 引言

近年來，我國(guó)新型城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程不斷加速，大量建筑和道路集中構(gòu)建，自然地表被破壞，廢氣廢熱高強(qiáng)度排放等引起下墊面性質(zhì)及結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，城市出現(xiàn)“高溫孤島”現(xiàn)象[1～3]。相關(guān)學(xué)者[4,5]已經(jīng)證實(shí)了城市熱島效應(yīng)是城市化對(duì)氣候影響最顯著的特征。

國(guó)內(nèi)大多數(shù)學(xué)者采用氣象學(xué)和遙感學(xué)方法對(duì)城市熱島效應(yīng)進(jìn)行研究。黃群芳[6]通過研究表明城市空間形態(tài)可以顯著改變城市熱島強(qiáng)度。張曉東等[7]利用景觀格局和緩沖區(qū)分析方法，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增加綠地斑塊形狀復(fù)雜度，可以很好地改善城市熱環(huán)境。李玉杰等[8]基于“源-匯”理論，發(fā)現(xiàn)不同匯源景觀的平均熱場(chǎng)變異指數(shù)不同。劉麗香等[9]利用輻射傳輸法反演地表溫度，發(fā)現(xiàn)城市不同功能區(qū)對(duì)地表溫度作用程度不同。錢敏蕾等[10]揭示了城市熱環(huán)境的變化與城市用地?cái)U(kuò)張或縮減的規(guī)律。潘瑩等[11]采用了定量和定性分析的手段，揭示了地表溫度與下墊面的關(guān)系，并表明城市熱島效應(yīng)與環(huán)境要素關(guān)系密切。Streutker[12]發(fā)現(xiàn)城市熱島效應(yīng)的增強(qiáng)與人口的增長(zhǎng)息息相關(guān)。因此，有必要對(duì)城市熱島的形成機(jī)制及時(shí)空分布進(jìn)行研究，以緩解地區(qū)的城市熱島效應(yīng)。

鄭州城市化進(jìn)程不斷加快，城市規(guī)模迅速擴(kuò)大，城市結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生變化，這必然會(huì)引起熱島效應(yīng)變化。學(xué)界對(duì)于鄭州市城市熱島效應(yīng)的研究開始較早，程炳巖等[13]分析了鄭州的熱島特征及其隨著季節(jié)和高度變化的規(guī)律，并討論了關(guān)于鄭州城市熱島效應(yīng)的成因機(jī)制。李芳芳等[14]基于ETM數(shù)據(jù)分析了鄭州市城市熱島效應(yīng)及其影響因素。張凡等[15]利用2007～2016年MODIS地表溫度產(chǎn)品，分析了鄭州市城市熱島的時(shí)空演變特征。耿麗文[16]在風(fēng)景園林視角下研究鄭州中心城區(qū)的城市熱島效應(yīng)時(shí)空演變。目前利用長(zhǎng)時(shí)間序列的遙感資料對(duì)鄭州城市熱島效應(yīng)晝間和夜間年際變化的研究不多，本文以鄭州為實(shí)證對(duì)象，采用2011～2020年MODIS溫度產(chǎn)品，利用遙感技術(shù)研究鄭州城市熱島效應(yīng)特點(diǎn)及其演變，分析熱島效應(yīng)的晝間和夜間的年際變化規(guī)律，以期為鄭州市未來實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展提供參考。

2 研究區(qū)概況

鄭州市是河南省會(huì)城市，位于河南省中部偏北，屬于我國(guó)中部的中心地區(qū)，地處東經(jīng)112°42′～114°14′，北緯34°16′～34°58′。鄭州市氣溫年較差大，屬于溫帶大陸性氣候。鄭州市處于黃河下游，約有124條河流，流域面積11.4 km2。地勢(shì)西南高東北低。2020年鄭州市GDP產(chǎn)值已達(dá)12003億元。近10年來，鄭州中心城區(qū)建成區(qū)面積迅速擴(kuò)張，由354.7 km2擴(kuò)張至709.69 km2，城市的擴(kuò)張必然會(huì)引起熱島效應(yīng)的變化，因此有必要對(duì)鄭州市開展城市熱島效應(yīng)的研究。

3 數(shù)據(jù)來源和研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

使用的地表溫度產(chǎn)品(LST，Land Surface Temperature)是通過美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)的數(shù)據(jù)下載網(wǎng)站選取8d合成空間分辨率為1km的MOD11A2地表溫度產(chǎn)品，以2011年、2015年和2020年為代表年份，選擇覆蓋研究區(qū)云量較少、圖像質(zhì)量較高的數(shù)據(jù)。

土地利用數(shù)據(jù)來源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的2015年Landsat TM影像(空間分辨率30m)解譯數(shù)據(jù)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于《鄭州統(tǒng)計(jì)年鑒(2011-2020)》、鄭州市統(tǒng)計(jì)局。

3.2 數(shù)據(jù)處理

本研究利用ENVI和ArcGIS軟件對(duì)2011～2020年共計(jì)138幅影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行投影矯正等預(yù)處理。利用ENVI中的拓展工具M(jìn)CTK(The Modis Coversion Toolkit)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換和重投影，提取LST_Day_1km和LST_Night_1km對(duì)城市熱島效應(yīng)進(jìn)行分析，利用公式(1)將MODIS溫度產(chǎn)品的單位轉(zhuǎn)為℃。

LST=DN×0.02-273.15

(1)

式(1)中:DN為原始像素值，LST為地表溫度。采用規(guī)則裁剪的方法，利用鄭州市的行政界限在ArcGIS中對(duì)處理后的圖形進(jìn)行掩膜裁剪，去除殘缺數(shù)據(jù)之后求均值，得到不同年份各個(gè)像元溫度的均值，利用密度分割法對(duì)所得影像數(shù)據(jù)劃分5個(gè)不同的地表溫度等級(jí)，并利用RS和GIS計(jì)算出不同溫度區(qū)所占面積的比例.

3.3 熱島指標(biāo)

本研究利用UHIER指數(shù)[17]對(duì)熱島等級(jí)進(jìn)行劃分，UHIER指數(shù)的計(jì)算方法如下：

UHIERn=(Tn-Tmin)/(Tmax-Tmin)

(2)

式(1)中，UHIERn代表第n個(gè)像元的城市熱島強(qiáng)度，Tn表示第n個(gè)像元的地表溫度值，Tmax則代表研究區(qū)地表溫度最大值，Tmin代表研究區(qū)地表溫度的最小值。UHIER指數(shù)可以反映熱島強(qiáng)度，利用密度分割法[17]將計(jì)算結(jié)果劃分為5個(gè)等級(jí)。

4 結(jié)果與分析

4.1 鄭州熱島平均場(chǎng)空間分布

采用2011～2020年每個(gè)像素的平均值表示熱島平均場(chǎng)(圖1)，以高溫區(qū)和較高溫區(qū)面積之和表示熱島范圍，熱島中心為高溫區(qū)最集中區(qū)域，熱島效應(yīng)的明顯程度反應(yīng)熱島強(qiáng)度，以高溫區(qū)面積進(jìn)行定量描述。對(duì)2011～2020年熱島平均場(chǎng)空間分布進(jìn)行研究，可以反映出鄭州市熱島范圍的大體分布。

圖1 2011～2020年研究區(qū)熱島平均場(chǎng)空間分布

從空間上來看，熱島范圍由點(diǎn)狀中心向外擴(kuò)散，熱島中心的分布范圍相對(duì)來說更為集中，大部分位于鄭州市市轄區(qū)，而這些區(qū)域正是鄭州市經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及城市化水平較高的地區(qū)。高溫區(qū)所占面積的比例為4.84%，較高溫區(qū)在市轄區(qū)的周邊地區(qū)、鞏義市、登封市、新鄭市、新密市及中牟縣均有分布。在范圍上，較高溫區(qū)分布范圍比高溫區(qū)大，所占面積為26.93%。鄭州市多數(shù)區(qū)域還是以中溫區(qū)為主，所占面積為44.95%。低溫區(qū)和較低溫區(qū)分布于鄭州的北部、東北部、登封北部及南部，所占面積為23.25%。

4.2 熱島效應(yīng)時(shí)空變化分析

利用RS和GIS技術(shù)對(duì)研究區(qū)不同溫度等級(jí)所占面積進(jìn)行計(jì)算，獲得鄭州2011～2020年晝夜各溫度區(qū)所占比例(表1)。近10年間，熱島范圍所占面積基本穩(wěn)定在25%～26%，沒有預(yù)期的擴(kuò)張現(xiàn)象，也沒有明顯的萎縮趨勢(shì)，總體趨勢(shì)較為平穩(wěn)。

表1 2011～2020年晝夜各溫度區(qū)所占的比例 %

從空間分布來看，2011年高溫區(qū)主要集中分布在鄭州市市轄區(qū)，其他地區(qū)分布較少，所占面積為4.89%。較高溫區(qū)的分布比較分散，研究區(qū)內(nèi)均有分布(圖2a)，所占面積為21.56%；2015年較高溫區(qū)分布相對(duì)集中，主要分布在市轄區(qū)及其周邊地區(qū)(圖2b)，所占面積為19.82%；2020年較高溫區(qū)分布區(qū)域與2015年相似，分布范圍有所擴(kuò)張(圖2c)，所占面積為4.55%.低溫區(qū)和較低溫區(qū)分布范圍保持相對(duì)穩(wěn)定，主要分布于鄭州西部、北部以及東北部地區(qū)，其中東北部地區(qū)的較低溫區(qū)在2011年后有縮減趨勢(shì)。從熱島中心的空間分布來看，自2011～2020年，市轄區(qū)的熱島中心位置從未發(fā)生變動(dòng)(圖2)。

圖2 研究區(qū)熱島平均場(chǎng)空間分布

從時(shí)間上來看，2011～2020年高溫區(qū)分布范圍先擴(kuò)大后縮減，較高溫區(qū)分布范圍先縮減后擴(kuò)大，新密市的熱島范圍在2011～2015年有所縮減，但2015～2020年又被高溫區(qū)覆蓋。中溫區(qū)分布范圍持續(xù)擴(kuò)大，這與王燕強(qiáng)等[19]對(duì)鄭州市城市熱島的研究結(jié)論一致。低溫區(qū)和較低溫區(qū)分布范圍持續(xù)縮減，中牟縣大量較低溫區(qū)轉(zhuǎn)為中溫區(qū)。計(jì)算每個(gè)像元的溫度求平均值，得到鄭州市2011年平均地表溫度為17.03 ℃，2015年平均地表溫度為18.24 ℃，2020年平均地表溫度為17.38 ℃，2011～2020年平均地表溫度基本維持在17～19 ℃之間(圖3)。

圖3 研究區(qū)2011～2020年晝夜平均地表溫度變化

自2011～2020年市轄區(qū)一直處于熱島范圍內(nèi)。相關(guān)研究[7,19,20]表明，城市熱島效應(yīng)與城市的植被覆蓋率呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系。鄭州城市擴(kuò)建造成植被覆蓋度減小[19]。汪洋等[20]學(xué)者認(rèn)為在都市區(qū)內(nèi)部的高密度建成區(qū)，植被覆蓋度具有主導(dǎo)性約束力，因此緩解鄭州市的城市熱效應(yīng)，可以通過發(fā)展城市綠化來實(shí)現(xiàn)。

在城市化推進(jìn)過程中，鄭州市城區(qū)面積不斷擴(kuò)大。劉宇峰等[21]研究表明：不同因素對(duì)于熱島強(qiáng)度變化的影響程度也存在著差異，其中城市常住人口數(shù)、城市常住人口密度以及城市建成區(qū)面積，對(duì)城市熱島效應(yīng)的影響最為顯著。在市轄區(qū)人口較多，極易形成一個(gè)強(qiáng)熱島，而周邊地區(qū)較難形成強(qiáng)熱島區(qū)。鄭州城區(qū)建成時(shí)間較早。相關(guān)研究[22,23]表明，鄭州城區(qū)面積在2001～2010年間建設(shè)用地迅速向四周擴(kuò)張，城市下墊面性質(zhì)改變，致使城市熱島效應(yīng)顯著增強(qiáng)，因而可以通過優(yōu)化鄭州市國(guó)土空間格局來緩解城市熱島效應(yīng)。

4.2.1 晝間熱島時(shí)空變化分析

晝間熱島范圍(表1)和中心(圖4)波動(dòng)較大，2011年熱島范圍所占面積達(dá)到42.13%， 2015年后，熱島范圍基本上穩(wěn)定在34%～35%，晝間熱島范圍有微弱縮減趨勢(shì)，高溫區(qū)和較高溫區(qū)的變化趨勢(shì)明顯(表1)。

從空間分布來看，2011年較高溫區(qū)在鄭州市轄區(qū)、新鄭市、中牟縣、新密市和登封市分布廣泛(圖4a)，所占面積達(dá)到了39.63%。高溫區(qū)只有零星分布，所占面積為2.50%。低溫區(qū)和較低溫區(qū)主要分布在鄭州北部、東北部以及登封北部，所占面積為24.37%；2015年高溫區(qū)集中分布在鄭州市市轄區(qū)、新鄭市以及中牟縣(圖4b)，所占面積為13.41%。低溫區(qū)與較低溫區(qū)分布與2011年基本保持相似；2020年高溫區(qū)分布區(qū)域極小(圖4c)，所占面積僅為0.90%。較高溫區(qū)主要分布在鄭州市市轄區(qū)、登封市以及中牟縣，所占面積為33.26%。

圖4 研究區(qū)晝間熱島平均場(chǎng)空間分布

從時(shí)間上來看，2011～2020年高溫區(qū)分布范圍先擴(kuò)大后縮小，較高溫區(qū)分布范圍先縮小后擴(kuò)大，中溫區(qū)分布范圍一直保持?jǐn)U大的趨勢(shì)，較低溫區(qū)分布范圍先擴(kuò)大后縮小，低溫區(qū)分布范圍先減小后擴(kuò)大。 2011年鄭州市的高溫區(qū)只有零星分布，較高溫區(qū)分布范圍廣,2015年較高溫區(qū)面積縮減，高溫區(qū)面積擴(kuò)散，使得市中心熱島強(qiáng)度增加，熱島中心向新鄭市擴(kuò)散，2020年鄭州市市轄區(qū)以及東南地區(qū)的高溫區(qū)大幅衰減，轉(zhuǎn)而成為較高溫區(qū)。從2011～2020年，鄭州北部、西部以及西南邊緣都為較低溫區(qū)和低溫區(qū)，結(jié)合鄭州土地利用類型分布，鄭州北鄰黃河，西部以及西南邊緣都分布有大量林地。由圖3得到，2011～2020年晝間平均地表溫度先上升后下降，與熱島強(qiáng)度的變化趨勢(shì)保持一致。

綜上所述，晝間熱島范圍先縮小后擴(kuò)大。結(jié)合數(shù)據(jù)[24,25]，鄭州市2011年生產(chǎn)總值為4952.1億元，到2020年增加至12003.0億元；2010年鄭州市中心城區(qū)建成區(qū)面積為316 km2，到2020年增加至709.69 km；2010年鄭州市區(qū)常住人口為862.7萬人，到2020年增加至1262萬人。經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展以及城鎮(zhèn)化建設(shè)是鄭州市中溫區(qū)面積增加的主要原因。熱島效應(yīng)的變化與城市化關(guān)系密切，伴隨城市化向新鄭市等地區(qū)推進(jìn)，熱島中心有向新鄭市逐漸轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。

4.2.2 夜間熱島時(shí)空變化分析

夜間的城市熱島范圍相對(duì)于晝間縮小程度更加明顯(表1)。熱島范圍先縮小后擴(kuò)大，熱島范圍所占面積維持在25%～28%之內(nèi)，各溫度區(qū)所占面積變化較小，市轄區(qū)的熱島中心位置從未發(fā)生變動(dòng)。

從空間分布來看，2011年高溫區(qū)主要分布在鄭州市市轄區(qū)，其他地區(qū)只是零星分布，高溫區(qū)所占面積為5.82%(表1)。低溫中心多分布于登封北部，低溫區(qū)和較低溫區(qū)主要分布于鄭州的北部、西南以及東南地區(qū)，分布范圍較廣(圖5a)，所占面積達(dá)到了33.58%；2015年鄭州市市轄區(qū)仍以高溫區(qū)為主導(dǎo)，鞏義市部分地區(qū)的較高溫區(qū)轉(zhuǎn)為高溫區(qū)(圖5b)，高溫區(qū)所占面積為7.08%，低溫區(qū)和較低溫區(qū)的分布范圍與2011年基本相似，所占面積為35.35%；2020年高溫區(qū)分布仍以市轄區(qū)為主(圖5c)，所占面積為6.47%。低溫區(qū)和較低溫區(qū)仍主要分布于鄭州的北部、西南和東南地區(qū)，所占面積為33.92%；2011～2020年新鄭市、登封市以及中牟縣的南部都保持著較大面積的低溫區(qū)，其他地區(qū)的低溫區(qū)只是零星分布，未形成較大規(guī)模(圖5)。

圖5 研究區(qū)夜間熱島平均場(chǎng)空間分布

從時(shí)間上來看，2011～2020年高溫區(qū)分布范圍先擴(kuò)大后縮小，較高溫區(qū)則出現(xiàn)與高溫區(qū)相反趨勢(shì)，低溫區(qū)分布范圍先縮小后擴(kuò)大，較低溫區(qū)分布范圍先擴(kuò)大后縮小。夜間的高溫中心不同于晝間，自2011年以來，夜間的高溫中心一直存在于市轄區(qū)。中溫區(qū)基本保持穩(wěn)定趨勢(shì)。在鞏義市，2011年有大量較高溫區(qū)分布，2015年部分較高溫區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷貐^(qū)，2020年強(qiáng)熱島中心開始縮減；鄭州西南、東南地區(qū)始終大面積處于較低溫區(qū)；新鄭市自2011～2020年一直存在著一個(gè)小面積的高溫中心。鞏義市的高溫區(qū)在2015～2020年間有縮減的趨勢(shì)。經(jīng)過計(jì)算得到鄭州市2011、2015和2020年夜間平均地表溫度分別為11.58 ℃、12.89 ℃和13.53 ℃，夜間平均地表溫度有逐漸上升的趨勢(shì)(圖3)。

綜上所述，夜間熱島變化范圍比晝間小。結(jié)合數(shù)據(jù)及圖像可得:夜間熱島范圍先縮小再擴(kuò)大，趨勢(shì)與晝間保持一致。夜間城市熱島效應(yīng)比晝間弱，說明太陽輻射減弱，人口流動(dòng)減少，交通壓力減小等在一定程度上可緩解或減弱城市熱島效應(yīng)。

4.3 熱島效應(yīng)空間分布與用地關(guān)系

為了探究熱島效應(yīng)的空間分布與城市用地的關(guān)系，選取研究期內(nèi)中間年份2015年為代表，分析該時(shí)期的土地利用類型(圖6)與2015年熱島平均場(chǎng)的空間分布(圖2b)關(guān)系。

從空間上看，2015年熱島范圍集中分布與市轄區(qū)及周邊地區(qū)，滎陽市、鞏義市、新密市以及登封市均只分布小面積高溫中心，高溫中心呈現(xiàn)零星分布的特點(diǎn)，結(jié)合圖6這些高溫中心都為城鄉(xiāng)居民用地。鄭州市多數(shù)區(qū)域以中溫區(qū)為主，結(jié)合其土地利用類型，中溫區(qū)以水田旱地為主，可知耕地、草地、林地以及水域在一定程度上可緩解或減弱城市熱島效應(yīng)。

低溫區(qū)分布在登封的北部、南部以及鄭州的北部，此區(qū)域林地是其主要土地利用類型，鄭州北鄰黃河，所以此區(qū)域?yàn)榈蜏貐^(qū)，土地利用類型為水域(圖6)。通過對(duì)比平均場(chǎng)的空間分布和土地利用類型，鄭州市城市熱島效應(yīng)的空間分布范圍和形式與鄭州市的下墊面性質(zhì)基本保持一致，下墊面性質(zhì)可以影響城市溫度。

圖6 2015年研究區(qū)土地利用類型

5 結(jié)論

本文利用遙感和GIS技術(shù)，根據(jù)2011年、2015年和2020年的MODIS數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)以及土地利用數(shù)據(jù)等，經(jīng)過分析和綜合處理等一系列過程，對(duì)鄭州市長(zhǎng)時(shí)序熱島效應(yīng)變化進(jìn)行了一系列的時(shí)間和空間分析，總結(jié)出鄭州市熱島效應(yīng)的變化特點(diǎn)，得出以下結(jié)論。

(1)鄭州市的城市熱力環(huán)境主要以市轄區(qū)為主，此地區(qū)為經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密度大、建筑密集地區(qū)；2011～2020年高溫區(qū)有相對(duì)縮減的趨勢(shì)，2020年高溫區(qū)所占面積較2011年減少了0.34%，(較)低溫區(qū)逐漸減少轉(zhuǎn)為中溫區(qū)。

(2)鄭州市以中溫區(qū)為主，熱島區(qū)的擴(kuò)展趨勢(shì)與鄭州城市化息息相關(guān)，隨著城市化向周邊地區(qū)擴(kuò)張，熱島效應(yīng)集中區(qū)也開始向建筑地密集區(qū)及新鄭市轉(zhuǎn)移，城市下墊面性質(zhì)可影響城市溫度，城鄉(xiāng)居民用地多為高溫區(qū)，水域和林地多為(較)低溫區(qū)。

(3)從晝夜熱島平均場(chǎng)分布情況來看，夜間熱島的中心表面呈現(xiàn)出較大的團(tuán)體狀分布，熱島中心位置未發(fā)生明顯移動(dòng)，2011～2020年夜間平均熱島范圍所占面積為26.68%，晝間平均熱島范圍所占面積為36.80%。