成都城市下墊面變化對地表熱場的影響

宋云帆， 閔文彬， 彭駿

中國氣象局成都高原氣象研究所/高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610071

城市熱島是指城區(qū)氣溫高、 郊區(qū)氣溫低的現(xiàn)象， 在溫度空間分布上， 城市猶如一個溫暖的島嶼[1-2]． 隨著城市化進(jìn)程的加快， 城市高樓林立、 街道縱橫， 致使城區(qū)風(fēng)速減弱， 空氣流通受阻， 熱量不能及時散發(fā)， 這是熱島效應(yīng)產(chǎn)生的原因之一[3-5]． 傳統(tǒng)的氣象站點(diǎn)氣溫差異熱島分析方法[6]由于氣象站點(diǎn)有限， 很難全面掌握城市熱島的空間分布信息[7]， 對于研究城市熱島的空間分布規(guī)律、 影響因素等存在一定的局限性． 隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的進(jìn)步， 遙感監(jiān)測成為了研究城市熱環(huán)境的重要手段． 大量學(xué)者通過對遙感反演的地表溫度、 植被指數(shù)和地表分類信息的分析研究， 說明了城市不透水面是城市熱島效應(yīng)的重要驅(qū)動機(jī)制， 植被指數(shù)變化是城市熱島的一個重要影響因素[8-9]． 因此聚焦于城市發(fā)展引起的下墊面性質(zhì)變化， 對城市熱島的空間分布及強(qiáng)度變化影響進(jìn)行分析， 對于我國未來城市化發(fā)展規(guī)劃具有重要意義．

成都市作為四川省省會、 特大城市， 近年來社會經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展， 城市化進(jìn)程發(fā)展迅速， 導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)也越來越明顯[10-11]， 針對這一現(xiàn)象許多專家學(xué)者進(jìn)行了多方面的研究． 張順謙等[12]基于劈窗算法， 使用MODIS數(shù)據(jù)分析了2005-2016年成都市熱島效應(yīng)的時空變化特征， 并提出成都市熱島最大峰值出現(xiàn)在7月份． 但尚銘等[13]發(fā)現(xiàn)成都屬于強(qiáng)熱島類型， 強(qiáng)度高于平原內(nèi)其他中小城市， 具有明顯的季節(jié)特征， 夏季最強(qiáng)， 春秋次之， 冬季最弱． 曾勝蘭[14]指出成都市熱島效應(yīng)呈現(xiàn)多熱中心的分布模式， 明顯強(qiáng)于其他大、 中、 小型城市． 李曉敏等[15]應(yīng)用MODIS地表溫度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)成都市的城市熱島效應(yīng)呈現(xiàn)環(huán)狀分布特征， 且強(qiáng)熱島范圍在2003-2014年間不斷擴(kuò)大． 程志剛等[16]研究表明成都地區(qū)2000-2010年間夏季熱環(huán)境變化顯著， 晝夜變化明顯， 白天熱島強(qiáng)于夜晚， 城市熱島發(fā)展與日較差、 人口等因素有較好的相關(guān)性． 但目前針對成都地表熱場的研究多集中分析其時空分布及演變規(guī)律， 探討下墊面對成都地表熱場影響的研究較少． 成都城市化導(dǎo)致城區(qū)不透水面快速增加， 以及成都對環(huán)境的建設(shè)和治理使得郊區(qū)植被覆蓋增加， 均改變了原有下墊面的物理性質(zhì)， 對地表熱環(huán)境造成影響． 因此聚焦于研究成都城市下墊面變化對地表熱場的影響顯得尤為重要．

本研究以2001年和2018年MODIS數(shù)據(jù)反演的地表溫度為基礎(chǔ)， 結(jié)合植被指數(shù)和地表分類數(shù)據(jù)， 對比了成都市2001年和2018年城市熱島和熱場強(qiáng)度的空間分布變化， 重點(diǎn)分析了成都市地表熱場與城市不透水面、 植被覆蓋度之間的聯(lián)系． 研究結(jié)果可為成都市城市規(guī)劃和熱環(huán)境整治及管理提供科學(xué)依據(jù)．

1 研究區(qū)地形地貌概況

成都市地處四川盆地西部邊緣， 地勢由西北向東南傾斜(圖1)． 其西部和東部分別有龍門山脈和龍泉山脈環(huán)繞， 由于地表海拔差異顯著， 造成水、 熱等氣候要素在成都市范圍內(nèi)空間分布上的不同[17]． 成都市總面積約為14 335 km2， 下轄10個區(qū)、 5個縣、 5個縣級市， 其中主城區(qū)包括： 錦江區(qū)、 青羊區(qū)、 金牛區(qū)、 武侯區(qū)和成華區(qū)． 成都市是中國西南地區(qū)經(jīng)濟(jì)中心之一； 近年來發(fā)展迅速， 截止到2018年成都全年地區(qū)生產(chǎn)總值(GDP)達(dá)到15 342億元， 對比2001年的1 492億元， 增長超過10倍．

審圖號為： 圖川審(2016)018號．圖1 研究區(qū)域概況圖

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

地表溫度數(shù)據(jù)采用MODIS數(shù)據(jù)反演的MOD11A1日溫度產(chǎn)品， 空間分辨率為1 km×1 km； 由于成都地區(qū)多云多雨， 而地表溫度數(shù)據(jù)只有在晴空條件下才能獲取， 本研究選取晴空較多且熱島效應(yīng)最明顯的夏季(6月份)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究．

結(jié)合GLC土地分類結(jié)果[18]以及成都市地表的實(shí)地踏查， 對MCD12Q1地表覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品中成都行政區(qū)劃內(nèi)進(jìn)行了部分修正； 地表覆蓋數(shù)據(jù)空間分辨率為500 m×500 m． 歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)采用MOD13A1產(chǎn)品， 分辨率為500 m×500 m； 為了對比分析更為科學(xué)準(zhǔn)確， 本研究選取與地表溫度數(shù)據(jù)時間相近的數(shù)據(jù)． 遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理包括拼接、 重投影、 重采樣和裁剪．

2.2 研究方法

2.2.1 熱島強(qiáng)度指數(shù)

城市熱島強(qiáng)度指數(shù)(Urban Heat Island Intensity Index，UHII)即城市地表溫度與郊區(qū)鄉(xiāng)村地表溫度值之差[19]， 用于反映城區(qū)與郊區(qū)鄉(xiāng)村地表溫度的差別． 熱島強(qiáng)度表達(dá)式為：

(1)

式中：UHIIi為第i個像元對應(yīng)的熱島強(qiáng)度指數(shù)；Ti為第i個像元的絕對地表溫度值；n為選取的郊區(qū)農(nóng)田范圍內(nèi)有效像元數(shù)；Tcrop為選取的郊區(qū)農(nóng)田范圍內(nèi)絕對地表溫度值．

為了分析熱島空間分布的年際變化， 使結(jié)果具有可比性， 本研究依據(jù)均值—標(biāo)準(zhǔn)差法將成都市范圍內(nèi)熱島強(qiáng)度分為5級， 如表1所示． 標(biāo)準(zhǔn)差(std)是對地表溫度偏離溫度均值(μ)的反映， 較常用的等間距密度分割法更能反映城市熱島溫度變異的細(xì)節(jié)[20]．

表1 熱島強(qiáng)度等級劃分表

2.2.2 熱場強(qiáng)度指數(shù)

鑒于城市熱島研究側(cè)重下墊面溫度相對高低的空間分布特征， 同時為了消除不同年份獲取數(shù)據(jù)時由于時相差異存在的誤差， 本研究引入了熱場強(qiáng)度指數(shù)(Heat Field Intensity Index，HFII)． 熱場強(qiáng)度指數(shù)即熱場的歸一化， 能反映影像熱場分布的相對高溫、 低溫范圍和位置信息， 具有熱場指示意義[21]， 其表達(dá)式為：

(2)

式中：HFIIi為第i個像元對應(yīng)的熱場強(qiáng)度指數(shù)；Ti為第i個像元的絕對地表溫度值；Tmin為研究范圍內(nèi)絕對地表溫度值最小值；Tmax研究范圍內(nèi)絕對地表溫度值最小值．HFIIi的取值范圍為： 0～1， 其值越大， 表示高溫現(xiàn)象越明顯． 根據(jù)已有研究并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況， 將熱場強(qiáng)度指數(shù)分為5個等級， 如表2所示．

表2 熱場強(qiáng)度等級劃分表

2.2.3 植被覆蓋度

歸一化植被指數(shù)(NDVI)是植被生長狀態(tài)及植被覆蓋度的最佳指示因子， 本研究基于NDVI數(shù)據(jù)， 利用像元二分模型估算成都市范圍內(nèi)的植被覆蓋度[22]， 計(jì)算公式如下：

fi=(NDVIi-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

(3)

式中：NDVImin為裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值；NDVImax為完全由植被覆蓋區(qū)域的NDVI值．

計(jì)算植被覆蓋度時， 通常根據(jù)研究區(qū)影像實(shí)際情況設(shè)置NDVI的上下閾值， 來代表NDVImax和NDVImin， 在一定程度上減弱遙感影像噪聲帶來的誤差影響． 本研究通過分析研究區(qū)域NDVI數(shù)據(jù)， 采用0.5%和99.5%的置信區(qū)間．

3 結(jié)果與分析

3.1 成都市城市熱島分布與城市不透水面的關(guān)系

依據(jù)均值—標(biāo)準(zhǔn)差法對計(jì)算出的2001年和2018年成都市熱島指數(shù)進(jìn)行劃分， 結(jié)果如圖2所示． 整體分布上， 強(qiáng)熱島區(qū)域在主城區(qū)比較集中， 郊縣也有點(diǎn)狀強(qiáng)熱島中心出現(xiàn)， 2001年成都東部龍泉山脈以東白天也出現(xiàn)了大范圍強(qiáng)熱島效應(yīng)． 冷島區(qū)域位置和范圍都比較穩(wěn)定， 位于成都市西部龍門山脈海拔較高地帶． 2018年平原范圍內(nèi)(藍(lán)色線條內(nèi))晝夜城市熱島強(qiáng)度和面積均明顯高于2001年． 2001年白天主城區(qū)熱島分布呈環(huán)狀， 分布比較集中， 周邊郊縣熱島中心呈點(diǎn)狀分布． 2018年白天成都市區(qū)已經(jīng)與近郊區(qū)縣連成一片， 遠(yuǎn)郊熱島范圍也明顯擴(kuò)大．

審圖號為： 圖川審(2016)018號．圖2 成都市熱島分布圖(藍(lán)色線條內(nèi)為平原區(qū))

對比晝夜熱島分布， 發(fā)現(xiàn)成都市夏季熱島有明顯的晝夜變化， 夜晚熱島效應(yīng)明顯弱于白天， 符合已有研究結(jié)果[16]． 夜晚熱島分布相比白天更為集中， 2001年夜晚熱島主要集中在主城區(qū)， 近郊及遠(yuǎn)郊熱島中心消失， 2018年夜晚熱島相比于白天明顯范圍減小， 主要集中在主城區(qū)及近郊衛(wèi)區(qū)縣范圍內(nèi)． 2001年和2018年成都東部在夜晚均沒有強(qiáng)熱島分布． 各等級熱島指數(shù)面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果及變化量如表3所示．

從表3的2001年和2018年熱島變化統(tǒng)計(jì)中可以更直觀地看出， 自2001年到2018年成都市平原區(qū)內(nèi)強(qiáng)熱島面積顯著增加， 白天和夜晚分別增加了610 km2和253 km2， 白天增加量顯著大于夜晚． 成都市總體夜晚強(qiáng)熱島面積增加量與平原區(qū)內(nèi)增加量相當(dāng)， 而白天強(qiáng)熱島面積反而顯著減少， 達(dá)到-1 019 km2， 對比圖2(2001年白天和2018年白天)可知是因?yàn)?001年龍泉山脈以東區(qū)域的大面積強(qiáng)熱島． 成都市總體弱熱島面積白天和夜晚均增加明顯， 分別增加了1 892 km2和2 165 km2． 成都市總體強(qiáng)弱冷島面積相加起來變化不大， 過渡區(qū)面積顯著減少， 表示成都市熱島增加面積大部分由過渡區(qū)轉(zhuǎn)化而來．

表3 2001年和2018年熱島面積變化統(tǒng)計(jì)表 km2

為研究城市發(fā)展對熱島效應(yīng)的影響， 圖3給出了2001年和2018年地表覆蓋類型分布， 2018年城市不透水面面積相比2001年明顯擴(kuò)大． 結(jié)合圖2和圖3， 2001年和2018年均顯示成都平原內(nèi)熱島的位置和范圍與城市不透水面分布高度一致， 變化趨勢也相符合． 統(tǒng)計(jì)成都市城市不透水面積可知， 2018年比2001年增加了763.33 km2， 增加了83.24%， 且城市不透水面面積增加量主要在平原區(qū)內(nèi)． 2018年相比2001年白天平原區(qū)內(nèi)強(qiáng)熱島面積增加了610 km2， 與城市不透水面面積增加量相近． 對比2001年和2018年城市不透水面分布， 發(fā)現(xiàn)近郊雙流區(qū)、 溫江區(qū)、 新都區(qū)、 郫縣城市不透水面面積增加顯著， 結(jié)合圖2可以看出相同區(qū)域的白天和夜晚強(qiáng)熱島面積增加顯著且與城市不透水面位置及增長范圍都相同．

審圖號為： 圖川審(2016)018號．圖3 土地覆蓋類型圖

值得一提的是， 2001年和2018年白天熱島結(jié)果顯示在成都東部龍泉山脈以東龍泉驛區(qū)、 金堂縣、 簡陽市區(qū)域出現(xiàn)了大面積強(qiáng)熱島現(xiàn)象， 2001年強(qiáng)熱島現(xiàn)象尤為明顯， 夜晚熱島結(jié)果顯示相同區(qū)域并無強(qiáng)熱島分布． 對比地表覆蓋圖發(fā)現(xiàn)， 2001年和2018年龍泉山脈以東的區(qū)域均沒有大面積城市不透水面， 可知該區(qū)域的強(qiáng)熱島效應(yīng)并不是城市不透水面引起的．

對比成都市內(nèi)20個區(qū)(市、 縣)不透水面面積與熱島面積變化比例(因龍泉山脈以東的強(qiáng)熱島現(xiàn)象與城市不透水面關(guān)系不大， 故分區(qū)統(tǒng)計(jì)對比時排除在該區(qū)域的龍泉驛區(qū)、 青白江區(qū)、 東部新區(qū)金堂縣、 簡陽市)， 如圖4所示， 各個行政區(qū)熱島面積變化與城市不透水面變化趨勢整體上相符合， 白天的一致性高于夜晚． 主城區(qū)的5個區(qū)(錦江區(qū)、 青羊區(qū)、 武侯區(qū)、 金牛區(qū)、 成華區(qū))白天與夜晚強(qiáng)熱島面積相當(dāng)， 其余區(qū)(市、 縣)差異較大， 白天強(qiáng)熱島面積明顯大于夜晚．

按照標(biāo)準(zhǔn)成都市區(qū)劃修改統(tǒng)計(jì)圖．圖4 成都市各區(qū)縣市城市不透水面及熱島面積變化統(tǒng)計(jì)圖

3.2 成都市熱場強(qiáng)度與植被覆蓋度相關(guān)性分析

上述分析可知成都市平原區(qū)內(nèi)熱島效應(yīng)隨著城市不透水面范圍增大而顯著增強(qiáng)， 但龍泉山脈以東并無大面積城市不透水面， 也出現(xiàn)了大范圍強(qiáng)熱島效應(yīng)． 已有研究表明， 城市熱島效應(yīng)除了與城市不透水面密切相關(guān)外， 還受植被覆蓋率影響， 為研究該區(qū)域熱島成因， 本研究計(jì)算成都市植被覆蓋度(圖5)作為該區(qū)域熱島效應(yīng)的影響因子來分析．

審圖號為： 圖川審(2016)018號．圖5 成都市植被覆蓋度分布圖

圖6為2001年和2018年晝夜地表熱場強(qiáng)度， 2001年和2018年白天熱場中溫區(qū)占據(jù)整個研究區(qū)的大部分， 低溫區(qū)和次低溫區(qū)范圍比較穩(wěn)定， 主要分布于西北部海拔較高的地區(qū)， 2001年成都市高溫區(qū)和次高溫區(qū)集中在主城區(qū)和成都東部， 2018年高溫區(qū)和次高溫區(qū)均較2001年范圍明顯擴(kuò)大， 近郊區(qū)縣的高溫區(qū)擴(kuò)大更為明顯． 夜晚主城區(qū)高溫區(qū)與白天相比變化不大， 但中溫區(qū)面積明顯比白天大， 占據(jù)了區(qū)域內(nèi)的大部分， 表明研究區(qū)內(nèi)的夜晚溫差較?。?/p>

2001-2018年成都市植被覆蓋發(fā)生了較大變化， 主城區(qū)以及周邊郊縣植被覆蓋度較低的區(qū)域顯著增大． 對比圖5與圖6的整體分布可以看出， 植被覆蓋度越小的地方地表熱場越強(qiáng)， 植被覆蓋度越大則地表熱場越弱． 2001年龍泉山脈以東出現(xiàn)了大面積植被覆蓋度較低的區(qū)域， 與2001年地表熱場以及熱島在該區(qū)域的表現(xiàn)相一致． 2018年龍泉山脈以東整體覆蓋率明顯低于成都西部， 金堂縣、 簡陽市以及東部新區(qū)都有較低植被覆蓋度區(qū)域， 這與該區(qū)域的熱場高溫區(qū)表現(xiàn)一致．

審圖號為： 圖川審(2016)018號．圖6 成都市熱場強(qiáng)度分布圖

為了分析植被覆蓋度對成都市地表熱場的影響， 本研究對二者進(jìn)行擬合． 如圖7所示， 發(fā)現(xiàn)以熱場強(qiáng)度0.6為分割， 上半部分高溫區(qū)和中溫區(qū)散點(diǎn)分布密集表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性， 下半部分低溫區(qū)散點(diǎn)分布離散， 相關(guān)性不強(qiáng)． 以紅色線條為分割， 本研究分別對兩部分進(jìn)行擬合分析． 高溫區(qū)和中溫區(qū)部分熱場強(qiáng)度與植被覆蓋度表現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)性， 白天相關(guān)性優(yōu)于夜晚， 白天擬合度R2分別達(dá)到了0.478 3和0.553 8， 夜晚擬合度R2為0.272 5和0.437 5． 低溫區(qū)熱場強(qiáng)度與植被覆蓋度呈現(xiàn)一定的正相關(guān)性， 夜晚相關(guān)性優(yōu)于白天， 但總體來說相關(guān)性不大， 究其原因， 低溫區(qū)分布在海拔較高的地區(qū)， 該區(qū)域的熱場還受海拔等其他因素的影響．

圖7 熱場強(qiáng)度與植被覆蓋度相關(guān)系數(shù)圖

熱場強(qiáng)度與植被覆蓋度相關(guān)性分析表明： 植被覆蓋度增大可以有效緩解白天熱場指數(shù)的增加， 但是對夜晚熱場指數(shù)的影響不大． 由于植被稀疏， 白天成都市郊區(qū)也會出現(xiàn)與城市不透水面相似的熱島效應(yīng)． 因此在成都市， 植被覆蓋度與城市化是同等重要的不可忽視的地表熱場影響因素．

4 結(jié)論

本研究利用MODIS地表溫度數(shù)據(jù)結(jié)合地表覆蓋類型數(shù)據(jù)、 植被指數(shù)數(shù)據(jù)， 研究成都地區(qū)地表熱場的變化特征及其與下墊面變化之間的關(guān)系， 得到以下主要結(jié)論：

① 成都市熱島效應(yīng)明顯， 2001年到2018年熱島面積顯著增大， 平原區(qū)內(nèi)白天熱島分布由2001年強(qiáng)熱島主要集中于主城區(qū)同時在近郊區(qū)縣呈點(diǎn)狀分布， 轉(zhuǎn)變?yōu)?018年主城區(qū)與近郊連成一片． 成都市熱島效應(yīng)晝夜差異明顯， 夜晚熱島分布主要集中在主城區(qū)， 強(qiáng)度和面積均小于白天． 2001年白天龍泉山脈以東出現(xiàn)了大面積強(qiáng)熱島現(xiàn)象， 顯著大于2018年同區(qū)域強(qiáng)熱島面積．

② 2001年到2018年熱場強(qiáng)度高溫區(qū)位置分布與變化趨勢在白天與熱島效應(yīng)變化相似， 夜晚出現(xiàn)大面積次高溫區(qū)， 表明成都市夜間溫差比白天?。?/p>

③ 城市熱島與城市不透水面對比分析發(fā)現(xiàn)， 平原區(qū)內(nèi)熱島分布及變化與城市不透水面變化具有較高的一致性． 城市高速發(fā)展造成的城市不透水面面積增加是導(dǎo)致成都市熱島效應(yīng)不斷增強(qiáng)的主要因素之一．

④ 高溫區(qū)和中溫區(qū)熱場強(qiáng)度與植被覆蓋度在白天負(fù)相關(guān)性顯著， 2001年龍泉山脈以東白天出現(xiàn)的大面積強(qiáng)熱場與該時期植被覆蓋度較低密切相關(guān)． 表明植被覆蓋度也是影響成都市地表熱場的重要因素之一．

本研究以成都市熱場變化為研究對象， 分析了其與下墊面覆蓋類型中的建筑區(qū)面積和植被覆蓋度之間的變化關(guān)系， 探討了城市發(fā)展進(jìn)程中下墊面變化對城市熱場時空變化的影響機(jī)理， 結(jié)果可為相關(guān)部門制定熱環(huán)境整治和建筑區(qū)規(guī)劃政策提供思路．