陳彬輝 馮瑤 袁建國 周一敏 趙昕奕

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基于MODIS地表溫度的京津冀地區(qū)城市熱島時空差異研究

陳彬輝 馮瑤 袁建國 周一敏 趙昕奕?

北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院, 地表過程分析與模擬教育部重點實驗室, 北京100871; ? 通信作者, E-mail: sh-zhao@urban.pku.edu.cn

利用2000, 2005和2010年土地利用數(shù)據(jù)識別城市和郊區(qū), 基于 2000—2010 年 1, 4, 7, 10 月 MODIS地溫產(chǎn)品探究京津冀地區(qū)城市熱島效應(yīng)的時空差異, 討論城區(qū)土地利用對城市熱島效應(yīng)的影響。結(jié)果表明, 京津冀地區(qū)城市熱島效應(yīng)的晝夜、季節(jié)特征突出。白天熱島與夜間熱島差異較大, 夜間 92.8%以上的城鎮(zhèn)表現(xiàn)為熱島, 且季節(jié)差異小。夏季白天熱島最強, 冬季白天 85%的城市呈現(xiàn)冷島效應(yīng)。白天水體減弱城市熱島強度, 夜間相反。春、夏季草地增加白天城市熱島強度, 冬季白天為減弱作用, 夜間四季均為增強作用。農(nóng)田和林地在春、夏、秋季白天減弱城市熱島強度, 冬季白天為增強作用, 夜間四季均為減弱作用。

京津冀; 城市熱島效應(yīng); MODIS地溫

城市熱島效應(yīng)(urban heat island effects, UHI)指相對于其周邊環(huán)境, 城市地區(qū)的硬化地面對溫度的影響[1]。城市地面由鋼筋、混凝土、瀝青瓷磚等材料構(gòu)成, 相對于自然地表, 城市地表的不透水層占絕大部分面積, 導(dǎo)致城市的溫度高于周邊環(huán)境。研究表明, 城市熱島的增溫效應(yīng)僅次于未利用地, 遠高于農(nóng)田、草地等自然覆被[2–3]。Kalnay 等[4]研究表明, 一半的升溫結(jié)果是由于土地利用變化所導(dǎo)致, 土地利用變化導(dǎo)致的升溫率達到 0.27℃/100a。Jr Stone[5]研究表明, 美國大城市在 1951—2000 年的50年間, 年代際的熱島效應(yīng)達到0.05℃, 并且在美國南部和北部熱島效應(yīng)有所不同。近幾十年來, 城市熱島效應(yīng)研究在研究區(qū)域、研究規(guī)模、研究內(nèi)容、研究深度和研究方法上都有長足的發(fā)展[6–10]。在研究區(qū)域上, 由中高緯度城市擴展到熱帶城市[11]; 在研究規(guī)模上, 由大城市擴展到小城市和小聚落, 由單一城市擴展到城市群[12–13]; 在研究內(nèi)容上, 不僅關(guān)注氣溫場, 還開始探討城市低溫分布的特征和規(guī)律[14]; 在研究深度上, 不僅對熱島現(xiàn)象進行研究, 還開始關(guān)注熱島造成的后果和次級效 應(yīng)[15]; 在研究方法上, 數(shù)值模擬和遙感技術(shù)成為發(fā)展趨勢[16–24]。

目前, 不少學(xué)者開始關(guān)注國內(nèi)大城市熱島效應(yīng)。趙娜等[25]利用北京12個臺站的氣候觀測資料研究發(fā)現(xiàn), 1961—2008年北京城市熱島強度增加了1.4℃, 上升幅度為0.29℃/10a。張景哲等[26]分析北京城市氣溫與下墊面結(jié)構(gòu)的關(guān)系, 發(fā)現(xiàn)綠地、建筑物、水域三要素的相關(guān)程度隨著季節(jié)和晝夜的變化而變化。劉繼韓[27]提出可以利用城市和郊區(qū)的氣溫分布圖, 按城鎮(zhèn)內(nèi)外, 用加權(quán)平均計算熱島強度。張恩潔等[28]研究發(fā)現(xiàn), 深圳的城市熱島呈現(xiàn)明顯的多中心現(xiàn)象, 降水、有風(fēng)等天氣要素對熱島發(fā)展有很大的影響。竇浩洋等[12]利用 2000—2003年珠江三角洲城市群自動氣象站的溫度數(shù)據(jù)進行空間分析, 統(tǒng)計熱島和冷島出現(xiàn)的頻率, 總結(jié)空間分布規(guī)律, 并對照土地利用類型圖分析熱島區(qū)域與地表覆被的對應(yīng)關(guān)系。黃良美等[29]研究南京市 4 種下墊面的氣溫日變化規(guī)律及城市熱島效應(yīng), 結(jié)果表明, 與水泥地相比, 水體、草地和林地下墊面白天有明顯的降溫效應(yīng), 而夜晚林地和水體有輕微的保暖效應(yīng)。王佳麗等[30]研究了北京地表氣溫的年變化、季節(jié)變化以及4個季節(jié)的日變化特征。

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展, 基于遙感數(shù)據(jù)的研究也取得大量的成果。Rigo 等[31]對不同衛(wèi)星和實地測量的城市地表溫度進行差異分析, 發(fā)現(xiàn)MODIS提供的地表溫度與實測的差異小于5%。Zhao 等[32]運用MODIS 地溫數(shù)據(jù)和模式模擬的方式發(fā)現(xiàn), 在北美洲局地氣候通過改變對流效率來影響城市熱島強度, 在濕潤地區(qū)的影響強度為 3±0.3 K, 而干旱地區(qū)為–1.5±0.2 K。Pandey等[33]運用MODIS地溫數(shù)據(jù)研究德里的熱島, 發(fā)現(xiàn)夜間熱島全年存在, 而 5—6 月和 10—12 月白天存在冷島, 并且熱島強度與氣溶膠光學(xué)厚度負相關(guān)。

京津冀作為我國經(jīng)濟發(fā)展的第三極, 正在進行大規(guī)模的城市化, 并向一體化發(fā)展。1990—2008年期間, 京津冀都市圈城鎮(zhèn)擴展明顯, 18年間, 城鎮(zhèn)用地面積由 1990 年的 1.17 萬 km2增長到2008 年的 1.57 萬 km2, 凈增加4022.37 km2, 城鎮(zhèn)擴展平均速率為每年1.91%[34]。

以往研究都是以單個城市或不同氣候區(qū)的多個城市作為研究對象, 較少選擇一個區(qū)域的多個城市運用 MODIS 地溫數(shù)據(jù)(LST)進行區(qū)域研究。本文選擇經(jīng)濟發(fā)展迅速的京津冀地區(qū)作為研究區(qū)域, 利用土地覆被數(shù)據(jù)和MODIS地溫數(shù)據(jù), 分析京津冀地區(qū)城市熱島的時空差異。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文使用的數(shù)據(jù)包括 MODIS 8 天平均地溫產(chǎn)品和土地覆被數(shù)據(jù)。地表溫度數(shù)據(jù)為NASA Earth Data提供的2000年1月至2012年12月MODIS 8天平均地溫產(chǎn)品(https://lpdaac.usgs.gov/prod-ucts/modis_products_table/mod11a2), 該產(chǎn)品包括夜間地溫和白天地溫, 其傳感器搭載在Terra衛(wèi)星上, 過境時間為當(dāng)?shù)靥枙r的 10:30 和 22:30, 空間分辨率為 1 km。土地覆被數(shù)據(jù)來源于全國生態(tài)環(huán)境十年變化(2000—2010 年)遙感調(diào)查與評估項目提供的京津冀地區(qū)2000, 2005 和 2010 年土地覆被數(shù)據(jù), 空間分辨率為 30 m。土地覆被分類系統(tǒng)分為兩級: 一級為 IPCC 土地覆被類型; 二級基于碳收支的LCCS 土地覆被類型。土地覆被系統(tǒng)中, 一級為 6 類: 林地、草地、水體、農(nóng)田、人工地表和其他。其他指一年最大植被覆蓋度小于 20%的地表和冰雪, 人工地表包括居住地、交通用地、工業(yè)用地和采礦場。

1.2 研究方法

由于京津冀地區(qū)采礦場少且離城鎮(zhèn)遠, 因此將居住地、交通用地和工業(yè)用地這三類人工地表定義為城市用地類型, 判斷是否城市區(qū)的基礎(chǔ)條件是至少有3 km×3 km的網(wǎng)格為城市用地類型, 確定主體后, 以該主體區(qū)域為中心點, 向外擴展, 若以上三類用地與該區(qū)域相連接, 則判定為城市區(qū)域。在城市區(qū)域的基礎(chǔ)上向外擴展出與城市面積相等的區(qū)域作為郊區(qū)(圖 1)?；诖怂惴? 分別確定 2000, 2005和2010年的城郊區(qū)域。

定義城市熱島強度為城市區(qū)域地溫平均值與郊區(qū)地溫平均值之差:

其中UHI為城市熱島強度, LSTu為城市區(qū)域地表溫度平均值, LSTs為對應(yīng)郊區(qū)地表溫度平均值。同時選擇 2000—2002年、2003—2007 年、2008—2012年1, 4, 7, 10 月平均白天地溫和平均夜間地溫分別代表 2000, 2005和2010 年京津冀地區(qū)冬、春、夏、秋季的白天地溫和夜間地溫, 利用城區(qū)和郊區(qū)的識別方法, 計算城區(qū)范圍內(nèi)的地溫平均值和郊區(qū)范圍內(nèi)的地溫平均值, 其差值為城郊溫度差, 即城市熱島。

2 結(jié)果分析

依據(jù)本文的定義, 2000, 2005 和 2010 年京津冀地區(qū)分別有 56, 60 和 72 個城鎮(zhèn), 城鎮(zhèn)的面積分別為 4497.5, 6698.2 和 8965.0 km2, 分別占京津冀土地總面積的 2.09%, 3.11%和 4.16%, 每 5 年增長 1個百分點。

2.1 研究區(qū)域平均熱島特征

京津冀地區(qū)基于地溫的平均熱島強度如圖 2 所示?？梢钥闯? 白天地溫?zé)釐u與夜間地溫?zé)釐u呈現(xiàn)不同的特征: 冬、春季夜間大于白天, 夏季相反, 秋季則無明顯晝夜特征。夏季和冬季的熱島晝夜差異明顯大于春秋兩季。白天熱島各季節(jié)差異巨大, 夏季熱島最強可達2.53℃, 春秋次之, 而冬季存在冷島現(xiàn)象(UHI<0); 各季節(jié)夜間熱島差異較小, 強度均在1~1.6℃之間, 呈現(xiàn)出冬季最強而春季次之、秋季再次、夏季最弱的特點。

2.2 研究區(qū)熱島的級別特征

將所有熱島值從大到小排序, 并將其分為熱島(>0℃)和冷島(<0℃), 定義熱島的前 20%為三級熱島(>1.5℃), 中間60%為二級熱島(0.5~1.5℃), 后20%為一級熱島(<0.5℃), 分為3個等級。

從圖3可以看出, 各季節(jié)白天熱島所占比例差異較大, 大部分城市在冬季白天出現(xiàn)冷島現(xiàn)象(3個年份出現(xiàn)冷島的城鎮(zhèn)所占比例分別為 85.7%, 85.0%和 90.3%), 只有少部分為熱島, 主要出現(xiàn)在邯鄲市周圍以及渤海灣周圍幾個面積較小的城鎮(zhèn)。冬季白天出現(xiàn)冷島的原因可能是城市周邊被農(nóng)田環(huán)繞, 冬季農(nóng)田沒有植被, 土壤裸露, 反照率較低, 而且土壤含水量較低, 白天受太陽照射時, 農(nóng)田的地表溫度迅速升高, 高于城區(qū)地表溫度, 從而出現(xiàn)冷島的現(xiàn)象。夏季白天所有城鎮(zhèn)均存在熱島, 且三級熱島的數(shù)量和比例都在增長, 分別為 23 (41.1%), 30 (50.0%)和 37 (51.4%), 呈現(xiàn)出上升趨勢, 且分布上有所改變。2000 年三級熱島主要分布在北京市、天津市以及河北南部城鎮(zhèn), 2010年三級熱島主要分布在渤海灣附近。各個時段各個季節(jié)夜間出現(xiàn)熱島的城鎮(zhèn)比例均在92.8%以上, 2000—2010 年 4 個季節(jié)二級熱島城鎮(zhèn)所占比例均呈現(xiàn)上升趨勢, 其中冬季和春季增長明顯, 分別為13.0%和38.9%, 而冬季和春季一級熱島的比例分別下降13.1%和38.5%, 冷島主要分布在渤海灣附近。

2.3 城區(qū)土地覆被對UHI的影響

劃分出的城區(qū)中包括水體、草地等多種土地類型, 這部分與人工地表差異巨大, 對城市熱島有一定的作用。將這部分土地覆被分別剔除, 重新計算UHI, 與未剔除對比, 得出各種土地覆被對UHI的影響強度(表 1), 其中負值表示該土地覆被減弱城市熱島, 正值相反。

2.3.1 水體對UHI的影響

將城鎮(zhèn)中水體剔除后計算新的城市熱島, 與未剔除時對比, 有72個城鎮(zhèn)包含水體, 面積占城鎮(zhèn)面積的0.50%~23.91%。去除這部分后, 計算其平均ΔUHI, 發(fā)現(xiàn)各個季節(jié)白天水體均減弱 UHI, 其中冬、春季節(jié)效果較為明顯。各個季節(jié)夜間水體對城市熱島為保持作用, 其強度均在0.01℃左右。

表1 不同覆被對城市熱島的影響強度

2.3.2 草地對UHI的影響

有 93 個城鎮(zhèn)包含草地, 面積占城鎮(zhèn)面積的0.50%~13.85%。計算剔除后與剔除前的差異, 發(fā)現(xiàn)草地在春、夏季白天對城市熱島有增強作用, 而秋季白天作用不明顯, 冬季則是減弱作用。各個季節(jié)草地對夜間城市熱島均表現(xiàn)為增強作用, 且季節(jié)差異較小。

2.3.3 林地對UHI的影響

有 63 個城鎮(zhèn)包含林地, 面積占城鎮(zhèn)面積的0.26%~11.11%。運用同樣的方法計算平均 ΔUHI, 發(fā)現(xiàn)林地在春、夏、秋季白天對于城市熱島有減弱作用, 夏季減弱作用最強, 而春、秋減弱效果接近。冬季白天林地對城市熱島有增強效果。夜間林地減弱城市熱島, 春、夏季較為明顯, 而秋、冬季影響較小。

2.3.4 農(nóng)田對UHI的影響

171個城鎮(zhèn)包含農(nóng)田, 面積占城鎮(zhèn)面積的1.09%~35.54%。春、夏、秋季白天, 農(nóng)田對城市熱島有減弱作用, 其中夏季作用最強, 減弱0.108℃, 而春、秋季減弱幅度均在0.01℃左右。冬季農(nóng)田對城市熱島具有增強作用,增強幅度達0.109℃。各個季節(jié)農(nóng)田對夜間城市熱島強度具有減弱作用, 冬季減弱效果最強, 而夏季最弱。

2.3.5 水體、草地、林地、農(nóng)田對城市熱島的綜合影響

剔除城市中其他覆被, 只將居住地、工業(yè)用地和交通用地的地溫用于計算 LSTu, 與未剔除的情況做對比(表 2, 負值表示減弱作用, 正值相反), 發(fā)現(xiàn)白天其他覆被類型對春、夏、秋季熱島有減弱作用, 其中夏季效果最明顯, 而對冬季白天熱島有增強作用。夜間其他覆被類型對4個季節(jié)的熱島均為減弱作用, 冬季效果最好而夏季最差。

表2 4種土地覆被的綜合影響

3 結(jié)論

1) 京津冀冬、春季夜間熱島強于白天, 而夏季相反, 冬季晝夜差異最大可達 2.5℃以上, 夏季次之, 在 1.34~1.53℃之間, 春季和秋季再次。各季節(jié)白天熱島差異大, 夏季最強, 冬季最弱, 為冷島。各季節(jié)夜間熱島差異小, 均在 1℃左右, 冬季最強, 春秋次之, 夏季最弱。

2) 85%以上的城鎮(zhèn)冬季白天出現(xiàn)冷島, 而夏季白天所有城鎮(zhèn)均為熱島, 且 2000—2010 年呈三級熱島的城鎮(zhèn)數(shù)量和比例都在上升。各個時段各個季節(jié)夜間出現(xiàn)熱島的城鎮(zhèn)比例均在 92.8%以上, 且2000—2010 年冬、春季一級熱島城鎮(zhèn)比例下降明顯, 二級熱島城鎮(zhèn)比例上升明顯。

3) 各個季節(jié)白天, 水體對城市熱島有減弱作用, 而夜間為增強作用; 草地在春、夏季白天對城市熱島有增強作用, 秋季白天作用不明顯, 冬季白天是減弱作用, 夜間則均呈增強作用。林地春、夏、秋季白天對于城市熱島有減弱作用, 冬季白天為增強效果。夜間林地對于城市熱島為減弱作用, 夏季最為明顯, 春季次之, 秋、冬季影響小。農(nóng)田在春、夏、秋季白天對城市熱島有減弱作用, 而在冬季白天為增強作用, 夜間均表現(xiàn)為減弱作用。4 種土地覆被對城市熱島的綜合作用為春、夏、秋季白天和四季夜間為減弱作用, 而冬季白天為增強作用。

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Spatiotemporal Difference of Urban Heat Island in Jing-Jin-Ji Area Based on MODIS Land Surface Temperature

CHEN Binhui, FENG Yao, YUAN Jianguo, ZHOU Yimin, ZHAO Xinyi?

College of Urban and Environmental Sciences, Laboratory for Earth Surface Processes (MOE), Peking University, Beijing 100871; ? Corresponding author, E-mail: sh-zhao@urban.pku.edu.cn

Utilizing land cover change(LCC) information together with MODIS land surface temperature in Jing-Jin-Ji area in 2000, 2005 and 2010, spatiotemporal difference of urban heat island (UHI) effects and the factors influenced UHI is explored. Results reveal that the seasonal fluctuations of daytime UHI is bigger than that of nighttime UHI. More than 92.8% of the urban have UHI in the nighttime every season. The strongest daytime UHI happens in summer, but more than 85% of the cities have urban cooling effect in winter. The nighttime UHI in different seasons appear to be similar. The water in urban has different influence to UHI in daytime and nighttime which is to weaken the UHI and to enhance the UHI. The grass in urban enhance the UHI in the daytime of spring and summer and in the nighttime of all seasons but weaken the UHI in the daytime of winter. The forest and the crop land in the urban have the same effect which are weaken the UHI in the daytime of spring, summer and autumn and in the nighttime of all seasons but enhance the UHI in the daytime of winter.

Jing-Jin-Ji; urban heat island; MODIS LST

10.13209/j.0479-8023.2016.104

P423

國家自然科學(xué)基金(41471073)資助

2015-05-19;

2015-07-14;

網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2016-11-05