董良鵬,江志紅,沈素紅

(1.氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京信息工程大學(xué)),江蘇 南京 210044;2.NASA Goddard Space Flight Center,Greenbelt,MD 20771,USA;3.George Mason University,Fairfax,VA 22030,USA)

近十年長(zhǎng)江三角洲城市熱島變化及其與城市群發(fā)展的關(guān)系

董良鵬1,江志紅1,沈素紅2,3

(1.氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京信息工程大學(xué)),江蘇 南京 210044;2.NASA Goddard Space Flight Center,Greenbelt,MD 20771,USA;3.George Mason University,Fairfax,VA 22030,USA)

利用MODIS(MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer,中分辨率成像光譜儀)白天地表溫度、地表類型產(chǎn)品和DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù),分析了長(zhǎng)江三角洲(簡(jiǎn)稱長(zhǎng)三角)地區(qū)城市群溫度場(chǎng)及其變化的分布特征。結(jié)果表明:長(zhǎng)三角城市群熱島在春夏季最強(qiáng),秋季次之,冬季最弱;2001年以來,長(zhǎng)三角地區(qū)夏季熱島區(qū)面積不斷變大,其中強(qiáng)熱島區(qū)的增長(zhǎng)速度最大,導(dǎo)致溫度過渡區(qū)面積大幅減小;各城市群中,以蘇錫常城市群的強(qiáng)熱島區(qū)增長(zhǎng)最快,呈現(xiàn)與上海熱島連成一體成為大城市群熱島區(qū),并沿海岸線有向杭州灣發(fā)展成為更大城市群熱島區(qū)的趨勢(shì);城郊地區(qū)的地表溫度增溫幅度最大,夜間燈光灰度值的加強(qiáng)趨勢(shì)也最高,城市地區(qū)幾乎沒有增溫,夜間燈光灰度值的加強(qiáng)趨勢(shì)也最小,且地表溫度和夜間燈光灰度值的空間相關(guān)性較好,表明長(zhǎng)三角近十年地表溫度的精細(xì)變化與城市化進(jìn)程密切相關(guān)。

MODIS;長(zhǎng)江三角洲;城市群;城市熱島;城市化進(jìn)程

0 引言

《社會(huì)藍(lán)皮書:2012年中國(guó)社會(huì)形勢(shì)分析與預(yù)測(cè)》(汝信等,2011)指出,2011年中國(guó)城鎮(zhèn)人口占總?cè)丝诘谋戎貙⒊^50%,這意味著中國(guó)城市化水平首次超過50%。作為世界六大城市帶之一,長(zhǎng)江三角洲(簡(jiǎn)稱長(zhǎng)三角)地區(qū)是中國(guó)城市化水平最高、城鎮(zhèn)密度最大的地區(qū)(顧朝林等,2011),據(jù)統(tǒng)計(jì),2007年該地區(qū)人口城市化水平達(dá)到約59%,相比2000年提高了9%。大規(guī)模的城市化改變了長(zhǎng)三角地區(qū)的下墊面性質(zhì),能源消耗的高度集中也導(dǎo)致了廢氣和廢熱的密集排放,給該地區(qū)的環(huán)境管理帶來了巨大的壓力,在人口集中、財(cái)產(chǎn)密集的城市和城市群地區(qū)發(fā)生的暴雨洪澇災(zāi)害、持續(xù)高溫?zé)崂艘约办F和煙塵霧害等氣象災(zāi)害,對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活環(huán)境造成了重大危害。為了改善城市居住環(huán)境,加強(qiáng)城市氣象災(zāi)害的預(yù)警,研究城市和城市群的區(qū)域氣候效應(yīng)變得日益重要。

在城市的氣候效應(yīng)中,最明顯也是最早被人發(fā)現(xiàn)的是城鄉(xiāng)間的溫度分布差異。傳統(tǒng)的研究方法是臺(tái)站觀測(cè)資料分析法(張愛英和任國(guó)玉,2005;白虎志等,2006;戎春波等,2009;楊英寶和江南,2009;司鵬等,2010;馬潤(rùn)年等,2011),這種方法由于受觀測(cè)站點(diǎn)的稀少及其不均勻性影響,很難全面地反映近地面的熱狀況空間分布。隨著衛(wèi)星遙感資料的不斷豐富與積累,不少研究開始利用遙感資料反演得到的地表溫度資料研究城市熱島問題。Rao(1972)率先提出應(yīng)用TIROS-1衛(wèi)星遙感的紅外波段數(shù)據(jù)反演地表溫度,以此研究城市熱島效應(yīng)。Balling and Brazel(1988)利用AVHRR熱紅外數(shù)據(jù)研究美國(guó)Phoenix地區(qū)的地表輻射溫度,發(fā)現(xiàn)地表溫度與城市土壤覆蓋類型直接相關(guān),在高度工業(yè)化區(qū)域地表溫度比非城市化地區(qū)地表溫度高5 ℃。王桂玲等(2007)利用MODIS(MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer,中分辨率成像光譜儀)資料研究了南京城區(qū)的熱島,發(fā)現(xiàn)城鄉(xiāng)植被覆蓋差異是造成南京熱島的主要原因。江志紅和葉麗梅(2010)利用MODIS反演地表溫度研究發(fā)現(xiàn),近十年南京夏季熱島面積在起伏增加。倪敏莉等(2009)利用MODIS資料研究指出,長(zhǎng)三角地區(qū)近幾年一直存在一個(gè)城市熱島群。但這些研究都只是挑選了某些時(shí)次,或某一小時(shí)段內(nèi)的遙感數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)的不連續(xù)或間斷導(dǎo)致很難得到近十年長(zhǎng)三角地區(qū)連續(xù)的熱島效應(yīng)及其變化特征。近些年隨著MODIS遙感資料的積累,一方面為研究長(zhǎng)三角地區(qū)的熱島特征及其變化提供了可能,另一方面鑒于近十幾年來長(zhǎng)三角的快速城市化發(fā)展,該區(qū)域已逐漸形成了寧鎮(zhèn)揚(yáng)、蘇錫常、大上海和杭州灣城市群,這些城市群產(chǎn)生的強(qiáng)大的區(qū)域性熱島有何特征,它們之間關(guān)系如何,對(duì)區(qū)域增溫有什么影響,以及與城市群的城市化發(fā)展有何聯(lián)系?這些問題都有待進(jìn)一步研究。

本文利用2001—2010年MODIS地表溫度、地表類型產(chǎn)品數(shù)據(jù)以及美國(guó)軍事氣象衛(wèi)星(Defense Meteorological Satellite Program,簡(jiǎn)記DMSP)線性掃描業(yè)務(wù)系統(tǒng)(Operational Linescan System,簡(jiǎn)記OLS)傳感器的夜間燈光數(shù)據(jù),初步研究了長(zhǎng)三角地區(qū)近十年熱場(chǎng)及其變化的時(shí)空分布特征,以及這種特征與大規(guī)模城市群發(fā)展變化之間的關(guān)系,以期加深對(duì)該地區(qū)的城市群氣候效應(yīng)的認(rèn)識(shí),為城市的合理布局提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與資料

1.1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)江三角洲指長(zhǎng)江和錢塘江在入海處沖積成的三角洲,包括江蘇省東南部、上海市和浙江省東北部,是長(zhǎng)江中下游平原的一部分。不同的研究其具體范圍也不盡一致,本文選取的范圍為118～122°E、29～33°N,包括上海市、江蘇的南京、蘇州、無錫、常州、鎮(zhèn)江、揚(yáng)州、南通、泰州以及浙江的杭州、寧波、紹興、湖州、嘉興等市。該地區(qū)屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,地貌以平原為主,西部和南部有一些山地和丘陵。

1.2 研究資料及其處理

MODIS產(chǎn)品資料包括地表溫度(land surface temperature,簡(jiǎn)記Ts)產(chǎn)品數(shù)據(jù)(Wan,2007)和地表覆蓋類型(land cover type,簡(jiǎn)記LCT)產(chǎn)品數(shù)據(jù)(Strahler,1999),來自于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局陸面過程分布式數(shù)據(jù)歸檔中心,資料起始時(shí)間為2001年。MODISTs產(chǎn)品的空間分辨率約為1 km,包括逐日的和逐8 d的資料,文中選用了來自于Terra星的第5版資料(MOD11A1.005,MOD11A2.005)。MODISTs產(chǎn)品由31(10.78～11.28 μm)和32(11.77～12.27 μm)熱紅外波段的數(shù)據(jù)通過劈窗算法得到(Wan,1999)。Ts在晴空下才有值。相關(guān)研究表明,在晴空條件下,由反照率反演得到的1 km分辨率MODISTs數(shù)據(jù)的誤差低于1 ℃(Wan and Li,2008;Coll et al.,2009)。逐8 d的Ts資料是在逐日晴空下Ts資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一個(gè)算術(shù)平均的運(yùn)算后得到,因此,本文在分析近十年熱島演變時(shí),直接采用了逐8 d的白天Ts資料,具體數(shù)據(jù)來自于美國(guó)宇航局季風(fēng)亞洲區(qū)域集成研究計(jì)劃在線系統(tǒng)(地址為http://gdata1.sci.gsfc.nasa.gov/daac-bin/G3/gui.cgi?instance_id=mairs_8day)。

MODIS LCT產(chǎn)品(MCD12Q1.005)的空間分辨率約為500 m,時(shí)間分辨率為1 a,是由MODIS-Terra和MODIS-Aqua兩顆衛(wèi)星上的資料合成得到。該產(chǎn)品包含5種不同的分類方案,本文選用了第一種分類方案,該方案將地表類型分為17種不同的類型,包含11種天然植被類型、3種夾雜開發(fā)用地的類型以及3種無植被類型。MODIS LCT資料中,城市地表類型的數(shù)據(jù)從2001年到2010年是固定不變的,城市地表類型的數(shù)據(jù)是根據(jù)2001年的數(shù)據(jù)反演得到的(Schneider et al.,2010),因此,下面將采用2001年的MODIS LCT產(chǎn)品數(shù)據(jù)。

標(biāo)準(zhǔn)的MODIS 1 km分辨率的Ts產(chǎn)品數(shù)據(jù)以及500 m分辨率的LCT產(chǎn)品數(shù)據(jù)由10°×10°的文件組成,所用的投影方式為正弦投影。為了便于使用,本文對(duì)研究區(qū)的資料進(jìn)行了拼接,并利用MODIS再投影工具將數(shù)據(jù)投影方式轉(zhuǎn)化為等距圓柱投影方式。

美國(guó)軍事氣象衛(wèi)星DMSP搭載的OLS傳感器最初是專門為云層監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的振蕩掃描輻射計(jì)(楊眉等,2011),但后來由于其上的光學(xué)倍增管具有很強(qiáng)的光電放大能力,因此逐漸被應(yīng)用于探測(cè)城鎮(zhèn)燈光、漁火等地表活動(dòng)(Croft,1978)。鑒于該傳感器能夠在夜間探測(cè)到城鎮(zhèn)燈光、居民點(diǎn)以及車流發(fā)出的低強(qiáng)度燈光,近年來許多學(xué)者都成功地將DMSP/OLS數(shù)據(jù)應(yīng)用于城市問題的相關(guān)研究(He et al.,2006)。1992年,美國(guó)空軍和NOAA為DMSP數(shù)據(jù)在美國(guó)國(guó)家地理數(shù)據(jù)中心建立了數(shù)字格式的文檔。隨后開發(fā)了相應(yīng)的程序來識(shí)別和定位夜間OLS圖像數(shù)據(jù)(Elvidge et al.,1997)。本文采用的DMSP/OLS夜間燈光資料來源于該中心,選用了基于低光數(shù)據(jù)(月光微弱條件下獲取的數(shù)據(jù))的穩(wěn)定燈光數(shù)據(jù)產(chǎn)品,該資料的水平分辨率為1 km,本研究選用了2001—2010年的資料。

利用MODIS高分辨(500 m)的地表類型資料,可以得到研究區(qū)2001年的地表覆蓋類型分布(圖1)?？梢钥吹?長(zhǎng)三角地區(qū)中部和北部地區(qū)的土地利用以耕地為主,南部和西南部則以混合林地為主,這與該地區(qū)中部為平原,西南和南部為丘陵的地理類型相吻合。圖中紅色城市地區(qū)對(duì)應(yīng)了該地區(qū)的四個(gè)城市群:A寧鎮(zhèn)揚(yáng)城市群,B蘇錫常城市群,C大上海城市群,D杭州灣城市群。寧鎮(zhèn)揚(yáng)城市群和蘇錫常城市群分別由南京、鎮(zhèn)江、揚(yáng)州和常州、無錫、蘇州以及這些城市的縣級(jí)市組成;大上海城市群由上海市以及與其關(guān)系緊密的昆山等地組成;位于杭州灣的杭州、紹興、慈溪和寧波等城市則構(gòu)成了杭州灣城市群。各城市群具體范圍如圖1所示。

2 長(zhǎng)三角地區(qū)城市群熱狀況的時(shí)空演變

為了分析熱島面積的季節(jié)變化和年際變化,消除氣候背景場(chǎng)的影響,使結(jié)果更具可比性,本文參考葛偉強(qiáng)等(2010)對(duì)長(zhǎng)三角地區(qū)的MODISTs值作如下熱島指數(shù)化處理,定義熱島指數(shù):

其中:Mi為熱島指數(shù);Ti、Tj為Ts有效像元值;n為研究區(qū)有效像元的個(gè)數(shù)。依據(jù)熱島指數(shù)值的大小進(jìn)行如下劃分:>3,強(qiáng)熱島;2～3,次強(qiáng)熱島;1～2,弱熱島;-1～1,過渡區(qū);-2～-1,弱低溫;-2～-3,次強(qiáng)低溫;<-3,強(qiáng)低溫。經(jīng)過處理后,研究區(qū)每個(gè)格點(diǎn)的溫度值就轉(zhuǎn)化成了一個(gè)熱島指數(shù),有利于不同時(shí)相之間直接比較,可較客觀地分析熱島面積的季節(jié)和年際變化。

同時(shí),為了定量分析長(zhǎng)三角地區(qū)城市帶的增溫效應(yīng)及其變化趨勢(shì),參考謝志清等(2007)的方法,分別構(gòu)建2個(gè)數(shù)據(jù)序列:

1)城市與非城市地區(qū)溫度之差,Tcn=Tc-Tn;

2)全區(qū)域與非城市地區(qū)溫度之差,Tdn=Td-Tn。式中:Tc、Tn、Td分別為城市地區(qū)、非城市地區(qū)和全區(qū)域平均地表溫度;Tcn為城市的熱島強(qiáng)度;Tdn為區(qū)域平均溫度偏離非城市地區(qū)的程度,它反映了城市地區(qū)熱島效應(yīng)使區(qū)域平均溫度增加的幅度。本文根據(jù)MODIS LCT資料,認(rèn)為地表類型為“城市”的點(diǎn)就是城市地區(qū),地表類型為非“城市”的點(diǎn)是非城市地區(qū)。

圖1 長(zhǎng)三角地區(qū)地表類型概況(方框表示4個(gè)城市群)Fig.1 Spatial distribution of land cover types over the Yangtze River Delta region(the box areas represent the four city clusters)

2.1 長(zhǎng)三角地區(qū)城市群熱島的季節(jié)變化特征

根據(jù)逐日白天的Ts資料,得到了2009年春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12月—次年2月)季節(jié)平均的地表溫度值,并對(duì)季節(jié)平均的地表溫度值做了熱島指數(shù)化處理(圖2)。

由圖2可看出,長(zhǎng)三角地區(qū)的熱島區(qū)分布呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化,春夏季熱島強(qiáng)度最強(qiáng),秋季其次,冬季最弱。春季城市群的熱中心效應(yīng)已很明顯,熱島區(qū)以城市為中心向外擴(kuò)展,形成了一片片的高溫區(qū)。隨著溫度的不斷升高,到了夏季,長(zhǎng)三角地區(qū)熱島的范圍達(dá)到最大。該熱島區(qū)從南京,沿著蘇錫常,到上海,再沿海岸線經(jīng)嘉興、杭州,直到寧波,形成了一個(gè)明顯的“之”字形的高溫帶。秋季,該地區(qū)的強(qiáng)熱島區(qū)的范圍大大減小,絕大多數(shù)城市地區(qū)都只是存在弱熱島區(qū),其中以寧波、紹興的變化最為明顯。冬季,除了浙江地區(qū)外,長(zhǎng)三角大部分城市地區(qū)表現(xiàn)為無熱島或弱熱島,是年內(nèi)熱島強(qiáng)度最弱季節(jié)。進(jìn)一步對(duì)比熱島面積與城市規(guī)模,可以看到城市熱島的大小與其城市規(guī)模是呈正比的,熱島區(qū)域基本與城市輪廓吻合,如夏季的蘇南和上海地區(qū),特大城市上海市的熱島面積是本地區(qū)最大的,其次是南京及蘇錫常地區(qū),江陰、張家港和揚(yáng)州等較小城市的熱島面積最小。

圖2 基于MODIS Ts的2009年長(zhǎng)三角地區(qū)熱狀況的季節(jié)變化(黑點(diǎn)為城市所在地) a.春季;b.夏季;c.秋季;d.冬季Fig.2 Seasonal change of the thermal condition distribution in the Yangtze River Delta in 2009 based on MODIS Ts(the black points indicate the locations of cities) a.spring;b.summer;c.autumn;d.winter

利用上述文得到的2009年地表溫度平均值,結(jié)合MODIS LCT資料,計(jì)算了長(zhǎng)三角地區(qū)各季節(jié)熱島強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)特征值(表1)?？梢钥吹?城市與非城市地區(qū)溫度之差Tcn以春夏季為最大,分別為4.67 ℃和4.22 ℃,最小的為冬季,不到2 ℃。該結(jié)果與前述熱狀況季節(jié)分布一致。從全區(qū)域與非城市地區(qū)的溫度之差Tdn來看,春夏季城市熱島對(duì)區(qū)域的增溫貢獻(xiàn)最大,分別為0.15 ℃和0.13 ℃,秋季次之,冬季最小。結(jié)合表1和圖2來看,不論是熱島強(qiáng)度、熱島范圍還是對(duì)區(qū)域平均溫度的影響,都是春夏兩季最強(qiáng),秋季次之,冬季最弱。

表12009年MODISTs的統(tǒng)計(jì)特征值的季節(jié)變化

Table 1 Seasonal changes of statistic characteristic values in 2009 based on MODISTs℃

季節(jié)城市Tc非城市Tn全區(qū)域Td熱島強(qiáng)度Tcn熱島增溫Tdn春季28.1323.4623.614.670.15夏季33.4829.2629.394.220.13秋季26.0622.8622.963.200.10冬季10.779.009.051.780.06

2.2 長(zhǎng)三角地區(qū)近十年夏季熱島的變化

近十年來,長(zhǎng)三角地區(qū)城市化發(fā)展迅速,伴隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大,城市高溫區(qū)的分布也相應(yīng)地發(fā)生變化。以熱島效應(yīng)很強(qiáng)的夏季為例,選取近十年(2001—2010年)夏季(5月25日—8月29日)逐8 d的MODIS地表溫度平均值,研究長(zhǎng)三角地區(qū)2001—2010年夏季地表溫度空間分布的逐年變化特征。同季節(jié)變化類似,這里對(duì)地表溫度值也做了熱島指數(shù)化處理。

由圖3可見,2001—2010年長(zhǎng)三角地區(qū)夏季的熱島空間分布特征較為一致,高溫區(qū)集中在各大城市及其周圍地區(qū)。2001—2005年熱島區(qū)面積隨著城市化的發(fā)展不斷擴(kuò)大,到2006年,熱島范圍略有減小,2007年后,長(zhǎng)三角地區(qū)各城市的高溫區(qū)大幅增長(zhǎng),蘇南的較小城市如江陰市和張家港市也出現(xiàn)了大片的高溫區(qū),形成了另一個(gè)小范圍的城市群熱島區(qū)?？梢?近十年各城市所在地的熱島區(qū)逐步變大,城市與城市間的溫度不斷上升,尤其是寧—蘇錫?！獪鞘袔ё兓顬槊黠@,各城市熱島有連成一體的趨勢(shì)。

利用經(jīng)過熱島指數(shù)化處理的地表溫度資料,計(jì)算了近十年夏季不同熱狀況區(qū)像元數(shù)的變化(強(qiáng)熱島區(qū)、強(qiáng)低溫區(qū)和過渡區(qū)的變化見圖4,其他圖略)。結(jié)果表明,強(qiáng)熱島區(qū)的像元數(shù)增長(zhǎng)最快,增長(zhǎng)趨勢(shì)為527個(gè)/a,其次為強(qiáng)低溫區(qū)、次強(qiáng)熱島區(qū)和次強(qiáng)低溫區(qū),它們的增長(zhǎng)趨勢(shì)分別為464、408和388個(gè)/a。增長(zhǎng)速度最小的為弱熱島區(qū)和弱低溫區(qū),分別為42和130個(gè)/a。與此相對(duì)應(yīng),過渡區(qū)的像元數(shù)逐年大幅減小,減小趨勢(shì)為1 959個(gè)/a。長(zhǎng)三角地區(qū)4個(gè)城市群夏季強(qiáng)熱島區(qū)變化特征的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(圖5)表明,近十年各城市群夏季強(qiáng)熱島區(qū)像元數(shù)的增長(zhǎng)趨勢(shì)以蘇錫常城市群為最大(191個(gè)/a),其次為杭州灣城市群(162個(gè)/a)和大上海城市群(56個(gè)/a),寧鎮(zhèn)揚(yáng)城市群最小(27個(gè)/a)。相比于2001年,寧鎮(zhèn)揚(yáng)、蘇錫常、大上海和杭州灣城市群的強(qiáng)熱島面積分別增加了約41%、202%、26%和104%。

圖3 基于MODIS Ts的長(zhǎng)三角地區(qū)2001—2010年(a—j)夏季熱狀況分布(黑點(diǎn)為城市所在地)Fig.3 Distribution of summer thermal conditions over the Yangtze River Delta region (a—j)from 2001 to 2010 based on MODIS Ts(the black points indicate locations of cities)

由此可見,自2001年以來,長(zhǎng)三角地區(qū)夏季熱島區(qū)面積不斷增長(zhǎng),導(dǎo)致熱狀況過渡區(qū)面積大幅減小。其中,強(qiáng)熱島區(qū)的范圍呈現(xiàn)為快速增長(zhǎng)的趨勢(shì),各城市群熱島區(qū)逐漸連成一片,形成城市群高溫帶;以蘇錫常城市群的增速最大,該城市群熱島與上海熱島已連成一體,成為了大城市群熱島區(qū),并沿海岸線有向杭州灣發(fā)展連成更大城市群熱島區(qū)的趨勢(shì)。

圖4 長(zhǎng)三角地區(qū)夏季各熱狀況區(qū)面積的年際變化Fig.4 Interannual variations of pixel numbers of different thermal condition areas over the Yangtze River Delta region in summer

圖5 長(zhǎng)三角地區(qū)夏季不同城市群強(qiáng)熱島區(qū)面積的年際變化Fig.5 Interannual variations of pixel numbers of strong heat island area in different urban agglomerations over the Yangtze River Delta region in summer

3 長(zhǎng)三角地區(qū)地表溫度變化與城市發(fā)展關(guān)系的探討

為考察長(zhǎng)三角地區(qū)不同地表覆蓋類型下地表溫度的變化,本文依據(jù)MODIS LCT資料將研究區(qū)地表覆蓋類型分為城市、城郊和鄉(xiāng)村3種類型。MODIS LCT資料將地表類型分為17類(圖1),即:0-水體;1-常綠針葉林;2-常綠闊葉林;3-落葉針葉林;4-落葉闊葉林;5-混合林地;6-封閉的灌木叢帶;7-開放的灌木叢帶;8-茂密的稀樹草原;9-稀樹草原;10-草地;11-永久性濕地;12-耕地;13-城市;14-耕地/天然植被混合區(qū);15-雪冰;16-貧瘠地。根據(jù)最近(2001年)的500 m分辨率的LCT資料,按照格點(diǎn)及其周圍8個(gè)格點(diǎn)的地表覆蓋類型,將該格點(diǎn)地表覆蓋類型分為:城市(中心點(diǎn)的類型為城市,且9點(diǎn)里至少70%(6個(gè)點(diǎn))的點(diǎn)的類型為城市);城郊(定義:至少20%(2個(gè)點(diǎn))的點(diǎn)的類型為城市);鄉(xiāng)村(非城市地表類型和城郊地表類型)。

同時(shí),為了濾去年際變率,分別對(duì)MODIS夏季白天Ts和DMSP/OLS夜間燈光灰度值數(shù)據(jù)做5 a平均值的差值,即用2006—2010年的平均值減去2001—2005年的平均值,并計(jì)算地表溫度和夜間燈光灰度值近十年的變化趨勢(shì),結(jié)果見圖6和表2。

圖6a是2006—2010年夏季平均地表溫度與2001—2005年夏季平均地表溫度的差值分布?？梢?長(zhǎng)三角地區(qū)近十年夏季的增溫主要集中在城市群及其周邊地區(qū),增溫最大區(qū)域位于城郊地區(qū),鄉(xiāng)村地區(qū)溫度大多基本不變。值得注意的是,大多數(shù)城市中心增溫不明顯甚至有較小的降溫,上海及其周邊地區(qū)尤為顯著。

近期不少研究表明,夜間燈光分布大致代表了城市的范圍,其變化的大小可以用來表示城市化變化的快慢(He et al.,2006)。計(jì)算2006—2010年與2001—2005年DMSP/OLS夜間燈光灰度值的差值分布(圖6b)?？梢?近十年城市化變化最大地區(qū)為各城市群的城郊地區(qū),其中變化最大地區(qū)位于蘇錫常城市群地區(qū),城市中心地區(qū)、鄉(xiāng)村地區(qū)變化較小。

利用MODISTs和DMSP/OLS夜間燈光灰度值資料,進(jìn)一步對(duì)比不同城市化程度區(qū)域地表溫度與夜間燈光灰度值近十年的變化情況(表2)?？梢园l(fā)現(xiàn),長(zhǎng)三角地區(qū)近十年的增溫區(qū)域與城市化變化較大區(qū)域基本吻合,城郊地區(qū)增溫幅度最大,地表溫度增長(zhǎng)趨勢(shì)為0.86 ℃/(10 a),夜間燈光加強(qiáng)趨勢(shì)也最明顯,高達(dá)13.7 (10 a)-1。鄉(xiāng)村次之,地表溫度、夜間燈光加強(qiáng)趨勢(shì)分別為0.20 ℃/(10 a)、12.4 (10 a)-1,城市中心區(qū)最小,地表溫度幾乎沒有變化,夜間燈光變化也最小。圖6中地表溫度和夜間燈光灰度值的差值的空間相關(guān)系數(shù)達(dá)0.53,表明長(zhǎng)三角地區(qū)近十年的增溫區(qū)與當(dāng)?shù)氐某鞘谢M(jìn)程密切相關(guān),城市化發(fā)展劇烈的地區(qū)如城郊地區(qū),溫度上升快,鄉(xiāng)村和城市中心區(qū)區(qū)域城市化程度基本無變化,溫度變化也較小。

表22001—2010年長(zhǎng)三角不同區(qū)域夏季MODISTs和DMSP/OLS夜間燈光灰度值變化的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

Table 2 Statistics of the changes in different areas of the Yangtze River Delta region during 2001—2010 based on summer MODISTsand DMSP/OLS nightlight values

區(qū)域地表溫度的增溫率/(℃·(10a)-1)燈光灰度值的變化率/(10a)-1地表溫度的前后5a差值/℃燈光灰度值的前后5a差值全區(qū)域0.2212.00.021.20城市-0.014.700.47城郊0.8613.70.091.37鄉(xiāng)村0.2012.40.021.24

圖6 2006—2010年與2001—2005年夏季MODIS Ts(a)及同時(shí)期DMSP/OLS夜間燈光灰度值(b)的平均值的差值分布(黑點(diǎn)為城市所在地)Fig.6 Distributions of (a)summer MODIS Ts difference between the mean of 2006—2010 and the mean of 2001—2005,and (b)DMSP/OLS nightlight value difference for the same time period(the black points indicate the locations of cities)

4 結(jié)論與討論

利用MODIS白天Ts、LCT產(chǎn)品資料和DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù),對(duì)長(zhǎng)三角地區(qū)晴空條件下城市群熱環(huán)境的季節(jié)和近十年變化特征及其與城市群發(fā)展之間的關(guān)系進(jìn)行了研究,得到如下主要結(jié)論:

1)2009年各季節(jié)地溫平均值及地表類型資料的研究結(jié)果表明,無論是城市熱島強(qiáng)度還是城市群對(duì)區(qū)域增溫的貢獻(xiàn),城市熱島效應(yīng)都以春夏季最強(qiáng),秋季次之,冬季最弱。

2)自2001年以來,長(zhǎng)三角地區(qū)夏季熱島區(qū)面積不斷增長(zhǎng),導(dǎo)致該區(qū)域熱狀況過渡區(qū)面積大幅減小。其中強(qiáng)熱島區(qū)的范圍呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì),各城市群又以蘇錫常城市群的增速為最大,該城市群熱島與上海熱島已連成一體成為了大城市群熱島區(qū),并沿海岸線有向杭州灣發(fā)展連成更大城市群熱島區(qū)的趨勢(shì)。

3)近十年長(zhǎng)三角地區(qū)地表溫度變化與夜間燈光灰度值變化的關(guān)系密切。城郊地區(qū)的地表溫度增溫幅度最大、夜間燈光灰度值加強(qiáng)趨勢(shì)也最高,鄉(xiāng)村次之,城市地區(qū)則幾乎沒有增溫,夜間燈光加強(qiáng)趨勢(shì)也最小。表明地表溫度的精細(xì)變化與城市化進(jìn)程有著相當(dāng)密切的聯(lián)系。

本文使用的MODISTs都是在晴天條件下獲得的,有關(guān)地表溫度分布和城市熱島的結(jié)論也局限于此條件。另外,近十年城市中心區(qū)溫度基本沒有變化甚至有較小的降溫,可能還與城市上空大量增加的氣溶膠等因素有關(guān),相關(guān)問題尚有待進(jìn)一步研究。

白虎志,任國(guó)玉,張愛英,等.2006.城市熱島效應(yīng)對(duì)甘肅省溫度序列的影響[J].高原氣象,25(1):90-94.

葛偉強(qiáng),周紅妹,楊何群.2010.基于MODIS數(shù)據(jù)的近8年長(zhǎng)三角城市群熱島特征及演變分析[J].氣象,36(11):77-81.

顧朝林,張曉明,王小丹.2011.氣候變化·城市化·長(zhǎng)江三角洲[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境,20(1):1-8.

江志紅,葉麗梅.2010.近十年南京城市熱島演變的遙感研究[J].南京信息工程大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2(2):148-154.

馬潤(rùn)年,孫智輝,曹雪梅,等.2011.黃土高原山地城市延安的熱島效應(yīng)[J].氣象科學(xué),31(1):87-92.

倪敏莉,申雙和,張佳華.2009.長(zhǎng)江三角洲城市群熱環(huán)境研究[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),32(5):711-715.

戎春波,劉紅年.朱焱.2009.蘇州夏季城市熱島現(xiàn)狀及影響因子分析研究[J].氣象科學(xué),29(1):84-87.

汝信,陸學(xué)藝,李培林.2011.社會(huì)藍(lán)皮書:2012年中國(guó)社會(huì)形勢(shì)分析與預(yù)測(cè)[M].北京:社會(huì)科學(xué)文獻(xiàn)出版社:2-3.

司鵬,李慶祥,李偉,等.2010.城市化對(duì)深圳氣溫變化的貢獻(xiàn)[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),33(1):110-116.

王桂玲,蔣維楣,魏鳴.2007.城市熱島效應(yīng)的衛(wèi)星遙感分析[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào),30(3):298-304.

謝志清,杜銀,曾燕,等.2007.長(zhǎng)江三角洲城市帶擴(kuò)展對(duì)區(qū)域溫度變化的影響[J].地理學(xué)報(bào),62(7):717-727.

楊眉,王世新,周藝,等.2011.DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)應(yīng)用研究綜述[J].遙感技術(shù)與研究,26(1):45-51.

楊英寶,江南.2009.近50 a南京市氣溫和熱島效應(yīng)變化特征[J].氣象科學(xué),29(1):88-91.

張愛英,任國(guó)玉.2005.山東省城市化對(duì)區(qū)域平均氣溫序列的影響[J].氣候與環(huán)境研究,10(4):754-762.

Bailing R C,Brazel S W.1988.High-resolution surface-temperature patterns in a complex urban terrain[J].Photographic Engineering Remote Sensing Review,54:1289-1293.

Coll C,Wan Z,Galve J M.2009.Temperature-based and radiance-based validations of the V5 MODIS land surface temperature product[J].J Geophys Res,114(D20),D20102.doi:10.1029/2009JD012038.

Croft T A.1978.Nighttime images of the earth from space[J].Scientific American,239:86-89.

Elvidge C D,Baugh K E,Kihn E A,et al.1997.Mapping of city lights using DMSP Operational Linescan System data[J].Photogrammetric Engineering and Remote Sensing,63:727-734.

He Chunyang,Shi Peijun,Li Jinggang,et al.2006.Restoring urbanization process in China in the 1990s by using non-radiance-calibrated DMSP/OLS nighttime light imagery and statistical data[J].Chin Sci Bull,51(13):1614-1620.

Rao P K.1972.Remote sensing of urban “heat islands” from an environmental satellite[J].Bull Amer Meteor Soc,53:647-648.

Schneider A,Friedl M,Potere D.2010.Mapping global urban areas using MODIS 500-m data:New methods and datasets based on ‘urban ecoregions’[J].Remote Sens Environ,114:1733-1746.

Strahler A.1999.MODIS land cover product algorithm theoretical basis document[EB/OL].http://modis.gsfc.nasa.gov/data/atbd/atbd_mod12.pdf.

Wan Z.1999.MODIS land-surface temperature algorithm theoretical basis document[EB/OL].http://modis.gsfc.nasa.gov/data/atbd/atbd mod11.pdf.

Wan Z.2007.MODIS Land Surface Temperature Products Users’ Guide[EB/OL].http://www.icess.ucsb.edu/modis/LstUsrGuide/MODIS_LST_products_Users_guide_C5.pdf.

Wan Z,Li Z L.2008.Radiance-based validation of the V5 MODIS land-surface temperature product[J].Int J Remote Sens,29:5373-5395.

(責(zé)任編輯：倪東鴻)

UrbanheatislandchangeanditsrelationshipwithurbanizationofurbanagglomerationsinYangtzeRiverDeltainpastdecade

DONG Liang-peng1,JIANG Zhi-hong1,SHEN Su-hong2,3

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST),Ministry of Education,Nanjing 210044,China;2.NASA Goddard Space Flight Center,Greenbelt,MD 20771,USA;3.George Mason University,Fairfax,VA 22030,USA)

The spatial and temporal variations of urban heat islands(UHI) over the Yangtze River Delta region have been analyzed by using MODIS(MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer) daytime land surface temperature(Ts),MODIS land cover types and DMSP/OLS nighttime light imagery.Results indicate that the UHI effect over the Yangtze River Delta has strong seasonal variations.The UHI effect observed from the daytimeTsis the most significant in spring and summer,weaker in autumn,and the weakest in winter.Since 2001,the summer heat island areas over the Yangtze River Delta region have increased rapidly,among them growth rate of strong heat island area is the largest,leading to significant decreases of the transition region.The area of strong heat island index has been increased dramatically,especially over the Suzhou—Wuxi—Changzhou city clusters,which is connecting the UHI over Shanghai.This expanding UHI is extended along the costal line to Hangzhou and nearby cities,which is forming a giant heat island.Further studies show that theTshas the largest increase over suburban region where the nightlight has increased most in the past decade.Over the centers of cities,the nightlight has small changes and theTshas small change as well.There is a good spatial correlation between theTsand the nightligh.This suggests that the human activity(urbanization) is highly responsible for the local climate change.

MODIS;Yangtze River Delta;urban agglomeration;urban heat island;urbanization process

2012-03-16;改回日期2012-08-18

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(2010CB428505)

江志紅,博士,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)闅夂驅(qū)W,zhjiang@nuist.edu.cn.

P423

A

1674-7097(2014)02-0146-09

董良鵬,江志紅,沈素紅.2014.近十年長(zhǎng)江三角洲城市熱島變化及其與城市群發(fā)展的關(guān)系[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),37(2):146-154.

Dong Liang-peng,Jiang Zhi-hong,Shen Su-hong.2014.Urban heat island change and its relationship with urbanization of urban agglomerations in Yangtze River Delta in past decade[J].Trans Atmos Sci,37(2):146-154.(in Chinese)