基于多源衛(wèi)星資料的太原市城市熱島效應分析

米曉楠， 白林燕， 趙永強， 王大勇， 楊 倩， 楊 超*， 欒 青

(1.山西省氣候中心， 太原 030006； 2.中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院， 北京100094)

城市熱島效應定義為城區(qū)氣溫高于郊區(qū)的現象[1-2]，是城市氣候最顯著的特征之一[3]。自1833年LakeHoward首次發(fā)現城市熱島現象以來，城市熱島效應逐漸成為城市生態(tài)環(huán)境領域關注的焦點問題[4]。由于城市熱島引起的市區(qū)溫度上升，導致環(huán)境舒適度下降，大氣污染加重，居民生活質量受到嚴重影響[5-6]，對城市熱島效應動態(tài)變化開展定量監(jiān)測以及城市熱島效應成因分析已經成為現代城市發(fā)展研究的重要內容。目前，城市熱島的研究方法主要有：氣象觀測法、數值模擬法和遙感監(jiān)測法[7-8]。氣象觀測法的研究開始較早，可實現長時間序列的城市熱島變化監(jiān)測與分析，但并不能反應城市熱島詳細的空間變化特征[9]。林學椿等[10]利用北京地區(qū)41年的氣象觀測年平均氣溫記錄，研究了北京地區(qū)的大尺度氣溫變化及其熱島效應。張佳華等[11]利用氣象臺站數據分析北京城郊氣溫和城市熱島強度的日變化和年變化特征。鄧紅等[12]選取1978—2017年呼和浩特市區(qū)及市郊地區(qū)最高、最低氣溫等氣象資料，對呼和浩特市夏季城市熱島效應進行分析。數值模擬法可獲取多層溫度，在三維空間上具有連續(xù)性，但方法實現過程復雜，且難以得到高空間分辨率的產品[13]。劉倩等[14]為分析城市化對北京城市熱島效應的影響程度，利用中尺度天氣研究和預報(weather research and forecasting model，WRF)模式對北京城市下墊面因子的變化進行模擬。顏廷凱等[15]采用中尺度WRF模型系統(tǒng)模擬城市熱島的時空分布。遙感監(jiān)測法具有實時動態(tài)、覆蓋范圍廣、數據獲取方便的優(yōu)點，對城市熱島可同時開展時間變化和空間結構特征的研究，近十年來已成為城市熱島分析的重要方法[16]。劉帥等[17]基于HJ-1B衛(wèi)星反演北京市地表溫度，分析北京市熱島效應季節(jié)變化。黨元軍等[18]利用近20年的MODIS遙感數據分析西安城市熱島效應。熊鷹等[19]利用Landsat遙感數據，并結合興趣點(point of interest, POI)空間大數據和數字高程數據分析了長沙市人居熱環(huán)境效應。

隨著太原市城市化進程不斷加快，城市結構逐漸變化，城市熱島現象也隨之發(fā)生變化[20]。對太原市城市熱島效應的研究開始較早。陳二平等[21]根據1982年和1985年兩次大規(guī)模野外觀測資料，運用中尺度準靜動力學模式對太原市溫度場進行數值模擬。李艷紅等[22]根據太原市1980—2009年氣象觀測站資料分析了太原市熱島強度變化規(guī)律。劉艷紅等[23]利用Landsat系列衛(wèi)星傳感器TM(thematic mapper)遙感數據分析了1986年、1995年和2001年的太原市城市熱島分布特征。但是對2011年以后太原市城市熱島的發(fā)展變化情況尚未有相關研究分析?；诙嘣葱l(wèi)星資料遙感監(jiān)測方法，對太原市2003—2019年的城市熱島效應開展連續(xù)定量的時空變化特征分析，并分析城市熱島區(qū)和冷島區(qū)下墊面地表特征，對太原市生態(tài)文明建設，推進一體化發(fā)展，帶動全山西實現跨越式發(fā)展具有重要參考意義。

1 研究區(qū)概況

太原市位于山西省中北部，地理坐標東經111°30′～113°09′，北緯37°27′～38°25′，屬北溫帶大陸性氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，全年平均氣溫10.6 ℃[24]。如圖1所示，太原市轄6個市轄區(qū)、3個縣，代管1個縣級市。

圖1 太原市行政區(qū)劃Fig.1 Administration regions of Taiyuan City metropolis

太原市建成區(qū)面積在不到20年的時間里增加近2倍，常住人口增加1.3倍，全市GDP增加7.8倍[25-26]。伴隨著太原市的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化不斷推進，城市下墊面熱力性質發(fā)生明顯變化，導致城市內部溫度明顯高于周圍郊區(qū)，對太原市社會經濟發(fā)展和城市居住環(huán)境產生重要影響。

2 數據與方法

2.1 數據來源

2.1.1 MODIS衛(wèi)星資料

太原市2003—2019年MODIS/Aqua白天8 d合成地表溫度產品(MYD11A2)以及植被指數月產品(MYD13A3)。所用MODIS地表溫度和植被指數產品空間分辨率為1 km，均來源于美國國家航空與航天局數據網站(https://ladsweb.nascom.nasa.gov/index.html)[27-28]。

2.1.2 Landsat8/OLS衛(wèi)星資料

2019年8月15日太原市Landsat8/OLS資料，空間分辨率為30 m，數據來源于美國地質調查局網站(http://glovs.usgs.gov/)[29]。

2.1.3 輔助資料

數據高程數據采用GMTED2010 DEM數據，由美國國家地理空間情報局(National Geospatial Inte-lligence Agency, NGA)和美國地質勘探局(United States Geological Survey, USGS)聯(lián)合制作發(fā)布。中國區(qū)最高分辨率為7.5″(約200 m)。太原市中心城區(qū)的高程范圍在750～950 m。

土地利用數據是從國家地理信息公共服務平臺(https://www.tianditu.gov.cn/)下載的30 m全球地表覆蓋數據(GlobeLand30)。

城市燈光數據選取2018、2019年太原市春節(jié)期間的NPP/VIIRS數據，空間分辨率為500 m，數據來源于美國國家地球物理數據中心(https://www.ngdc.noaa.gov/eog/viirs/download_dnb_composites.html)[30]。

2.2 研究方法

2.2.1 地表溫度反演

(1)長時間序列的地表溫度數據獲取。利用ENVI/IDL軟件編程選取質量良好的Aqua/MODIS的8 d合成地表溫度產品(MYD11A2)，批量合成太原市月、季、年的地表溫度平均值，分別獲取2003—2019年太原市月、季、年的地表溫度數據集。

(2)高空間分辨率的地表溫度反演?；贚andsat8高空間分辨率遙感數據，采用目前應用較為廣泛的大氣校正法反演地表溫度[31]。大氣校正法基于大氣輻射傳輸的原理，利用譜朗克函數獲取地面真實的地表溫度，計算公式為[32]

Ts=K2/ln[K1/B(Ts)+1]

(1)

式(1)中：Ts為地表真實溫度，K；B(Ts)為在熱紅外波段獲取的黑體熱輻射亮度，對應Landsat8第10波段；K1和K2為衛(wèi)星定標常數，Landsat8第10波段K1=774.89，K2=1 321.08。

2.2.2 熱島效應監(jiān)測及評價

(1)城市熱島強度計算。城市熱島效應通常采用城市熱島強度(urban heat island intensity, UHII)進行表征，即計算研究區(qū)內地表溫度與郊區(qū)背景溫度差值[33-34]，其計算公式為

(2)

式(2)中：UHIIi為圖像上第i個像元所對應的熱島強度；Ti為第i個像元地表溫度；n為郊區(qū)內的有效像元數；Tsub為郊區(qū)內的地表溫度。

利用指標法定義郊區(qū)范圍[34]，根據城市郊區(qū)多分布在鄉(xiāng)村農田、高植被覆蓋區(qū)，且人類活動較少的特點，設置郊區(qū)指標為：土地利用類型為農田；植被指數(normalized vegetation index,NDVI)≥0.7；夜間燈光數值DN≤15。此外，為減少由高程引起的地表溫度差異的影響，在與城市中心所在區(qū)域高程差別≤50 m的區(qū)域內提取郊區(qū)背景。一般把UHII劃分為7個等級，表征城市熱島效應的強弱[35]，具體等級劃分如表1所示。

表1 城市熱島強度UHII劃分及含義Table 1 UHII classification and meaning

(2)區(qū)域城市熱島效應綜合評估。城市熱島比例指數(urban heat island proportion index，UHPI)[36]，基于城市熱島強度計算結果，城市建成區(qū)內城區(qū)溫度高于郊區(qū)溫度的不同等級熱島強度的面積加權和。UHPI可以綜合反映每個轄區(qū)的整體城市熱島強度，也可以定量反映城市熱島效應的時空差異，其計算公式為

(3)

式(3)中：m為熱島強度等級數；i為城區(qū)溫度高于郊區(qū)溫度等級序號；n為城區(qū)溫度高于郊區(qū)溫度的等級數；wi為第i級的權重，取等級值；pi為第i級所占的面積百分比，數值為0～100%；UHPI值在0～1.0，該值越大，熱島現象越嚴重。

3 結果與分析

3.1 熱島效應分析“理想時間窗口”

利用太原市轄區(qū)各縣(市、區(qū))2003—2019年的每月城市熱島比例指數UHPI，計算出近20年每個縣(市、區(qū))月平均UHPI。如圖2所示，轄區(qū)各縣(市、區(qū))的月平均UHPI均在7—9月期間較高，且峰值多出現在8月，因此，太原市熱島效應分析的“理想時間窗口”在7—9月期間，“最理想時間窗口”在8月?？梢钥闯?，1—12月小店區(qū)和清徐縣月平均UHPI均較高, 古交市、婁煩縣和陽曲縣月平均UHPI均較低；在熱島效應“理想時間窗口”期間(7—9月)，小店區(qū)的月平均UHPI最高，其次為尖草坪區(qū)、杏花嶺區(qū)、晉源區(qū)、迎澤區(qū)、清徐縣和萬柏林區(qū)。

圖2 太原市轄區(qū)各縣(市、區(qū))2003—2019年 月平均UHPI變化Fig.2 Monthly average UHPI change curves of counties in Taiyuan City from 2003 to 2019

3.2 城市熱島時間變化分析

根據太原市轄區(qū)各縣(市、區(qū))2003—2019年熱島效應“理想時間窗口”期間(7—9月)的變化趨勢特征主要分為四類(圖3)：第一類為城市熱島效應強度整體呈增強趨勢的地區(qū)，如小店區(qū)、晉源區(qū)和清徐縣的UHPI值整體呈上升趨勢；第二類為城市熱島效應強度呈先增強后減弱趨勢的地區(qū)，如迎澤區(qū)和杏花嶺區(qū)UHPI從2003年開始先上升，至2008年呈下降趨勢；第三類為城市熱島強度變化不明顯地區(qū)，如尖草坪區(qū)和萬柏林區(qū)多年UHPI在水平線上下波動，無明顯變化趨勢；第四類為位于郊區(qū)的城市熱島強度較弱或無熱島地區(qū)，如陽曲、婁煩、古交UHPI值都較低，且近年來呈更低的變化趨勢。

圖3 太原市轄區(qū)各縣(市、區(qū))2003—2019年 7—9月UHPI變化Fig.3 UHPI change curves of counties in Taiyuan City from July to September 2003 to 2019

3.3 城市熱島空間變化分析

圖4為2003—2019年太原市轄區(qū)各縣(市、區(qū))在城市熱島效應分析“最理想時間窗口”(8月)的城市熱島效應空間變化圖。2003年，太原市強熱島區(qū)域主要集中在人口較為聚集、建筑較多太原市中心城區(qū)——尖草坪區(qū)南部、萬柏林區(qū)東部、杏花嶺區(qū)西部、迎澤區(qū)西部、小店區(qū)北部以及晉源區(qū)北部局地，此外，清徐縣、古交市和婁煩縣等局部地區(qū)也發(fā)生較強城市熱島效應。而強冷島區(qū)面積很少，主要集中在陽曲東部和婁煩西部等少部分地區(qū)。2003—2019年，太原市中心6個城區(qū)的強熱島區(qū)域面積整體呈增加趨勢，不斷向南擴張，南部的小店區(qū)和晉源區(qū)強熱島區(qū)域面積增加顯著，與強熱島區(qū)域也在不斷擴大的清徐縣相連成片。與此同時，太原市郊區(qū)的山區(qū)、林區(qū)等地區(qū)，如尖草坪西部、萬柏林區(qū)西部、杏花嶺區(qū)東部、晉源區(qū)東北部、陽曲縣、古交市、婁煩縣的城市熱島強度整體呈現減弱趨勢，強冷島區(qū)域的面積增加顯著，對所在縣(區(qū)、市)的熱島效應起到緩解作用。

圖4 太原市2003—2019年8月城市熱島強度空間變化Fig.4 Spatial variation of urban heat island intensity in Taiyuan City in August from 2003 to 2019

圖5 太原市高溫區(qū)下墊面采樣圖Fig.5 Sampling of underlying surface in high temperature area of Taiyuan City

3.4 城市熱島區(qū)與冷島區(qū)下墊面特征分析

城市熱島區(qū)的地表溫度較高，冷島區(qū)的地表溫度較低?；?019年8月15日的Landsat8數據獲取高空間分辨率的太原市中心區(qū)地表溫度，疊加至Google Earth上，分別對太原市地表溫度高溫區(qū)和低溫區(qū)下墊面實體進行采樣，分析太原市城市熱島區(qū)和冷島區(qū)的地表類型特征。圖5對地表溫度分布圖高溫區(qū)實體特征進行采樣，具體采樣信息如表2所示，圖6對地表溫度分布圖低溫區(qū)實體特征進行采樣，具體采樣信息如表3所示。

從圖5和表2對太原市中心城區(qū)高溫區(qū)下墊面實體特征采樣結果表明，高溫地區(qū)主要分布在工業(yè)產業(yè)園區(qū)、火車站、飛機場、學校操場等地，這些地區(qū)平均地表溫度均在40 ℃以上。其中，工業(yè)產業(yè)園區(qū)建筑材料多為彩鋼板，太原火車南站和山西國際展覽中心建筑頂部材料為鋁板，飛機場和太原卷煙場以大面積混凝土為主；學校操場多為塑膠跑道，這些材料吸熱性都很強。在以吸熱性材料為主的空間分布集中區(qū)，高溫天氣發(fā)生時，地表增溫效果顯著，形成熱島區(qū)進一步加劇城市熱島效應。從圖6和表3對太原市中心城區(qū)及周邊低溫區(qū)對應的實體特征采樣結果表明，低溫區(qū)主要分布在大型公園和郊區(qū)等地區(qū)，這些地區(qū)平均地表溫度均低于30 ℃。其中，大型公園以水體和林地為主，郊區(qū)多以林地和農田為主。在以植被和水體為主的空間分布集中區(qū)，地表降溫效果顯著，形冷島區(qū)有效緩解城市局部地區(qū)的熱島效應。因此，在太原城市發(fā)展建設中應加強對汾河、晉陽湖等市域水體和濕地的保護，加強城市中心區(qū)的綠化建設以及郊區(qū)綠色生態(tài)區(qū)的保護。

表2 高溫區(qū)下墊面采樣點地表類型特征Table 2 Characteristics of surface types of underlying surface sampling points in high temperature area

圖6 太原市低溫區(qū)下墊面采樣圖Fig.6 Sampling of underlying surface in low temperature area of Taiyuan City

表3 低溫區(qū)下墊面采樣點地表類型特征Table 3 Characteristics of surface types of underlying surface sampling points in low temperature area

4 討論

城市熱島效應形成的機理較復雜，研究表明，這可能與土地利用類型的變化以及氣象因素如氣溫等存在一定關系。只針對多年來太原市的城市熱島效應變化規(guī)律以及熱島、冷島區(qū)的地表特征進行了分析，今后將重點研究太原市城市熱島效應與土地利用變化和氣象條件等因素的關系，探討太原市城市熱島效應的影響因素以及形成機制，促進城市采取減緩城市熱島效應的有效措施。此外，在與早期氣象觀測法的研究結果[22]進行對比過程中發(fā)現，遙感監(jiān)測與氣象觀測的城市熱島效應季節(jié)變化規(guī)律存在不一致的情況，主要原因在于兩者觀測的機理不同，今后也將考慮兩種監(jiān)測方法的融合統(tǒng)一。

5 結論

基于多源衛(wèi)星資料遙感監(jiān)測方法，對太原市“十五”期間以來的城市熱島效應開展連續(xù)定量的時空變化特征分析，并分析了城市熱島區(qū)和冷島區(qū)下墊面地表特征，得到以下結論。

(1)2003—2019年，太原市轄區(qū)各縣(市、區(qū))城市熱島效應較強的月份主要發(fā)生在7—9月，且城市熱島效應最強的月份多發(fā)生在8月。

(2)小店區(qū)城市熱島效應最強，其次為尖草坪區(qū)、杏花嶺區(qū)、晉源區(qū)、迎澤區(qū)、清徐縣和萬柏林區(qū), 古交市、婁煩縣和陽曲縣城市熱島效應輕微。

(3)近20年太原市轄區(qū)各縣(市、區(qū))城市熱島強度變化趨勢不同，南部小店區(qū)、晉源區(qū)和清徐縣城市熱島強度整體增加趨勢明顯且逐漸相連成片，在今后城市發(fā)展中重點關注。

(4)近20年太原市北部、東北部和西南部郊區(qū)的城市熱島強度整體呈現減弱趨勢，強冷島區(qū)域的面積增加顯著，有效緩解了所在縣(市、區(qū))的熱島強度。

(5)在城市發(fā)展建設中注意金屬、混凝土或塑膠等建筑吸熱材料對局部熱島效應的加強作用，可通過大面積水體、植被等緩解局部地區(qū)熱島效應。