裔傳祥,胡繼超,李小軍

(1. 南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院，江蘇 南京 210044； 2. 中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所遙感科學(xué)國家重點實驗室，北京 100101)

城市熱島效應(yīng)是指城市中的氣溫明顯高于外圍郊區(qū)的現(xiàn)象[1]。近些年，城市熱島效應(yīng)備受國內(nèi)外重視。隨著全球變暖和我國城市化進程的加快，以及城市下墊面的快速變化，植被、水體等透水面被不透水面所替代，導(dǎo)致地表熱力學(xué)性質(zhì)、粗糙度等發(fā)生改變，由此也帶來了一系列的城市熱環(huán)境問題[2]。其中城市熱島效應(yīng)問題日趨嚴(yán)重，商業(yè)交通、工業(yè)生產(chǎn)等人為熱源直接或間接促使了城市熱島的形成[3-4]。城市熱島效應(yīng)不僅會引發(fā)各種熱浪災(zāi)害，而且還對城市居民健康造成了嚴(yán)重威脅[5-6]。

土地覆蓋類型是城市地表溫度分布的主要影響因素，研究城市地表溫度和土地覆蓋之間的關(guān)系，分析城市熱島特征，有助于更加深入了解城市熱島效應(yīng)在不同土地覆蓋類型下的空間特征，同時也可以從城市熱島效應(yīng)產(chǎn)生的角度為城市建設(shè)及維護生態(tài)環(huán)境提供重要的理論依據(jù)。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的快速發(fā)展，人們對熱島效應(yīng)的研究手段逐漸由單一的依靠氣象站進行觀測轉(zhuǎn)移到利用遙感影像熱紅外波段反演獲取空間連續(xù)的地表溫度[7-8]。在遙感研究中，人們通過建立相關(guān)指數(shù)來描述某種土地覆蓋類型與城市熱島之間的關(guān)系[9-13]。近年來，對植被和建筑用地這兩種土地覆蓋類型與城市熱島效應(yīng)之間關(guān)系的研究層出不窮。眾多研究者通過引入歸一化植被指數(shù)(normalized differential vegetation index，NDVI)來表征植被覆蓋信息，探討植被與城市熱島效應(yīng)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)植被覆蓋比例與地表溫度具有較好的負(fù)相關(guān)性[9-11]。相比易受生長周期影響的植被指數(shù)，反映建筑信息的歸一化建筑指數(shù)(normalized difference built-up index，NDBI)則較穩(wěn)定，大量研究表明，城市建筑用地覆蓋比例與溫度存在明顯的正相關(guān)關(guān)系[12]。也有學(xué)者通過改進的歸一化水體指數(shù)(modified normalized difference water index，MNDWI)和歸一化裸土指數(shù)(normalized difference barren index，NDBaI)分別研究了水體和裸土與城市熱島效應(yīng)之間的關(guān)系[13]。

為研究城市熱島與土地覆蓋類型之間的關(guān)系，本文選取我國典型熱島城市濟南、武漢和重慶作為研究區(qū)，選取MODIS衛(wèi)星產(chǎn)品分別提取3個城市2003年、2008年、2013年的土地覆蓋信息與地表溫度信息，定量分析城市熱島對土地覆蓋類型的響應(yīng)關(guān)系，對于解決城市熱島效應(yīng)問題具有重要意義。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

濟南屬于暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，經(jīng)濟發(fā)達，人口集中，城市化發(fā)展較快；武漢是華中地區(qū)最大的城市，位于江漢平原東部，長江中游與漢水交匯處，全市北高南低，屬于北亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，常年濕潤，城市熱島效應(yīng)明顯；重慶是西南地區(qū)的經(jīng)濟重鎮(zhèn)，位于四川盆地東部，全市以低山、丘陵為主，屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，其重工業(yè)發(fā)展迅速，人口增長快，是我國“三大火爐”城市之一。

1.2 數(shù)據(jù)源

MODIS是安裝在美國第二代觀測衛(wèi)星Terra和Aqua衛(wèi)星上的傳感器，具有波譜分辨率高、時間周期快、獲取較為容易等特點，在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文所需要的數(shù)據(jù)主要包括2003、2008和2013年3個城市的地表溫度數(shù)據(jù)及土地覆蓋分類數(shù)據(jù)，兩種數(shù)據(jù)主要來源于MODIS Level 3級標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，其中還包括Landsat TM、ETM+和MODIS Level 3級地表反射率等輔助數(shù)據(jù)。

地表溫度數(shù)據(jù)來源于MODIS Level 3中的地表溫度產(chǎn)品(MOD11A1)，文中分別提取濟南、武漢、重慶市2003、2008和2013年夏季白天的地表溫度(land surface temperature，LST)和質(zhì)量控制(quality control，QC)數(shù)據(jù)，時間為各年6月1日—8月31日，共92天；土地覆蓋數(shù)據(jù)使用的是MCD12Q1。其中，MOD09A1及Landsat TM、ETM+用來輔助提取建筑用地，MOD09A1是MODIS 8天合成的地表反射率產(chǎn)品，其數(shù)據(jù)集包含紅、綠、藍、近紅外和短波波段的反射率等，根據(jù)國際地圈生物圈計劃(international geosphere-biosphere program，IGBP)分類方案，分別提取各個城市3個年份的土地覆蓋數(shù)據(jù)及各年夏季的反射率數(shù)據(jù)(紅外和短波波段)。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

文中涉及的數(shù)據(jù)處理主要包括地表溫度數(shù)據(jù)和土地覆蓋數(shù)據(jù)的投影變換、數(shù)據(jù)提取、鑲嵌、裁切及類別合并等。為保證投影信息一致，將上述數(shù)據(jù)的投影統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為阿爾伯斯投影(Albers equal-area conic projection)。

對于土地覆蓋分類數(shù)據(jù)MCD12Q1，數(shù)據(jù)處理主要包括原始分類方案的類別合并和重編碼。結(jié)合3個城市的土地覆蓋特性，最終將IGBP分類方案重新編碼為耕地、草地、林地、水體、城市用地及裸地6種土地覆蓋類型。城市用地的分布具有整體集中、局部分散的特點，并且零散分布的城市在遙感影像上受周圍地物影響較大，極易出現(xiàn)錯分現(xiàn)象[14]，因此，為保證城市用地的分類精度，通過計算歸一化建筑指數(shù)并參考高分辨率遙感影像等輔助數(shù)據(jù)采取目視解譯的方式提取城市用地。最終得到濟南、武漢、重慶市不同年份的土地覆蓋分類結(jié)果，如圖1所示。對MOD09A1地表反射率產(chǎn)品的處理主要為去云處理，對每年兩個軌道(h27v05、h27v06)獲取的各12景影像采取最小值合成法合成為一幅無云影像。

2 熱島效應(yīng)分析模型

為了更好地分析土地覆蓋與城市熱島的關(guān)系，將研究量綱化，避免分析過于籠統(tǒng)，需要引進具體的指數(shù)。因此，本文引入了熱島分級、建筑指數(shù)、相關(guān)性分析計算方法進行系統(tǒng)的研究。

2.1 熱島分級

為了更加直觀地表達城市熱島強度，采用均值-標(biāo)準(zhǔn)差法(式(1))將城市熱島劃分為5個等級。這種分級方法以平均溫度和標(biāo)準(zhǔn)差的倍數(shù)關(guān)系作為切入口，能夠有效地界定城市熱島，在不同時期城市熱島演變對比研究中可以在一定程度上避免時間差異的影響[15]。

T=T0+X·SD

(1)

式中，T為分段點；T0為影像的平均值；SD為影像的標(biāo)準(zhǔn)差；X為標(biāo)準(zhǔn)差的倍數(shù)，本文設(shè)為0.5和1.5[8]。

2.2 建筑指數(shù)

城市用地的分類通過計算歸一化建筑指數(shù)[16](式(2))得到，它能夠較準(zhǔn)確地提取城市用地。

(2)

式中，RNIR和RSWIR分別對應(yīng)MOD09A1中的第2波段和第6波段的光譜反射率。

圖1 濟南、武漢和重慶不同年份的土地覆蓋分類結(jié)果

2.3 相關(guān)性分析

Pearson簡單相關(guān)系數(shù)(pearson product-moment correlation coefficient，PPCC)(式(3))用來分析地表溫度與土地覆蓋類型之間的關(guān)系。PPCC是考察兩個變量之間線性關(guān)系的一種統(tǒng)計分析方法[17]，取值范圍為[-1,1]，通常用R來表示。當(dāng)R為正值時，表示兩變量正相關(guān)；反之為負(fù)相關(guān)；R的絕對值越大，表明兩個變量之間的相關(guān)程度越密切。公式如下

(3)

3 研究結(jié)果與分析

3.1 地表溫度與土地覆蓋類型的關(guān)系

為探討不同地表覆蓋類型與城市熱島之間的關(guān)系，分別把濟南、武漢、重慶3個城市2003年、2008年和2013年的土地覆蓋數(shù)據(jù)與地表溫度數(shù)據(jù)相疊加，得到每種土地覆蓋類型的平均地表溫度及溫度標(biāo)準(zhǔn)差，并加入各種土地類型所占比例得到表1。從表中可以看出，3個城市不同類型土地覆蓋的熱特性之間存在共性，城市用地和裸地由于具有相似的非滲透性和無蒸發(fā)性、較強的熱傳導(dǎo)性和較高的熱容量，地表溫度較高；而水體由于其較強的蒸發(fā)作用，呈現(xiàn)出明顯的低溫狀態(tài)，城市用地和水體的地表溫度差異較大。由于本文獲取的耕地覆蓋類型與草地具有相似的植被覆蓋特征。草地和耕地地表溫度比較接近，均高于林地。同時，3個城市不同類型土地覆蓋的熱特性之間也存在差異，并且這種熱特性隨時間的變化而變化。

表1 濟南、武漢、重慶各年份土地覆蓋類型平均地表溫度、標(biāo)準(zhǔn)差及所占比例

結(jié)合表1與圖1可以看出，濟南和武漢的土地覆蓋類型以耕地為主，并且分布比較穩(wěn)定。此外，濟南市水體、林地、裸地所占面積相對較少，年際變化不明顯，而草地和城市用地變化則較明顯。武漢市水域面積比例較大，從2003年的15.79%降到2013年的14.38%，而城市用地比例增加。相比濟南和武漢，重慶市下墊面以耕地、林地和草地為主，2003年至2013年，草地面積所占比例由19.72%減少到14.75%，而林地面積比重增加。

濟南不同土地覆蓋類型地表溫度從高到低的順序為：2003年，城市用地>裸地>草地>耕地>水體>林地；2008年，城市用地>裸地>草地>耕地>林地>水體；2013年，裸地>城市用地>草地>耕地>水體>林地。3個年份各個土地覆蓋類型的溫度排序不一致，城市用地與裸地的平均溫度一直高居前兩位，并明顯高于其他土地覆蓋類型，草地一直處于第3位，水體、林地則一直占據(jù)后兩位，這說明濟南市草地的降溫效果并不明顯，而水體、林地相對更能影響濟南市的溫度變化。武漢3個時期各土地覆蓋類型地表溫度的排序均為：城市用地>裸地>耕地>草地>林地>水體。由表1可以看出，裸地的溫度標(biāo)準(zhǔn)差在2003年和2013年均高于同一時期的其他土地覆蓋類型，這是由于裸地主要以裸露的地表及在建工地為主，接受太陽輻射后，溫度會迅速上升導(dǎo)致。重慶3個時期土地覆蓋類型的溫度排序均為：城市用地>裸地>耕地>草地>水體>林地，與武漢一致，水體與林地排在后兩位，說明水體和林地更能影響城市熱島的溫度變化，除裸地外，林地溫度的標(biāo)準(zhǔn)差也較高，這是由于重慶東西部海拔高度差異大，植被垂直地帶性分異明顯導(dǎo)致。

濟南城市用地平均地表溫度較高，處于33.3℃與34.59℃之間，水體地表溫度的差值在4.48℃與5.73℃之間；武漢水域面積大，3個時期白天水體溫度相比其他覆蓋類型均處于最低位置，它與城市用地的地表溫度的差值在2.91℃與4.32℃之間；重慶3個時期林地溫度要明顯低于其他覆蓋類型，在25.36℃與26.85℃之間，它與城市用地溫度之間的差值在6.44℃與6.69℃之間?？梢钥闯龅乇頊囟扰c土地覆蓋類型有著密切的聯(lián)系。

3.2 土地覆蓋類型對城市熱島的影響分析

為了更好地研究土地覆蓋類型對城市熱島的影響，分別計算2003年、2008年、2013年濟南、武漢、重慶不同地表覆蓋類型所占比例與其對應(yīng)地表溫度的相關(guān)系數(shù)(見表2)，并結(jié)合上述統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，分析這二者之間的相關(guān)性，確定不同城市熱島效應(yīng)對土地覆蓋類型的響應(yīng)。

表2 濟南、武漢、重慶土地覆蓋類型所占比例與地表溫度的相關(guān)系數(shù)表

結(jié)合表1和表2可以看出，城市用地所占比例與地表溫度呈正相關(guān)，并且由沿海到內(nèi)陸相關(guān)性逐漸降低，濟南城市用地比例與地表溫度的相關(guān)性最高，武漢其次，相關(guān)性最低的為重慶。濟南市的城市用地所占比例與地表溫度呈正相關(guān)，并且相關(guān)性系數(shù)從2003年的0.48、2008年的0.55，至2013年的0.73，相關(guān)性逐漸增加；而與地表溫度呈較明顯負(fù)相關(guān)的地表類型是耕地和林地，耕地的相關(guān)系數(shù)最高達-0.43，說明林地和耕地是緩解濟南熱島的主要地物類型。結(jié)合表1，濟南的城市用地面積雖呈增加趨勢，但增長速度緩慢，同時在耕地面積相對平衡的狀態(tài)下，林地面積有所增加，因此濟南的高溫區(qū)比例沒有出現(xiàn)較大的波動。

武漢除城市用地外，耕地與地表溫度也呈正相關(guān)，但相關(guān)性較??；水體、林地、草地與地表溫度呈負(fù)相關(guān)，其中水體與地表溫度的響應(yīng)系數(shù)最高達到-0.6。結(jié)合表1和表2可以看出，在這段時間內(nèi)武漢的城市化進程迅速，城市用地比例大幅上升，使得許多水體區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘杏玫?，水體比例持續(xù)下降，導(dǎo)致高溫區(qū)所占的比例增長迅速，熱島效應(yīng)明顯。

重慶耕地與地表溫度呈較高的正相關(guān)，2003年、2008年、2013年的相關(guān)系數(shù)分別為0.56、0.69、0.66，城市用地其次；而林地與地表溫度存在較高的負(fù)相關(guān)，對應(yīng)年份的相關(guān)系數(shù)分別為-0.75、-0.82、-0.81。結(jié)合表1和表2可以看出，隨著重慶耕地面積的減少及林地區(qū)域的增加，高溫區(qū)所占比例有所降低，城市熱島得到一定程度的緩解。綜合這3個城市的土地覆蓋類型所占比例與地表溫度的相關(guān)性可以發(fā)現(xiàn)，對城市熱島影響最大的土地類型是城市用地，而最能緩解城市城市熱島效應(yīng)的土地覆蓋類型為林地。

4 結(jié) 語

本文基于MODIS數(shù)據(jù)，分別提取了熱島效應(yīng)典型城市濟南、武漢、重慶在2003年、2008年、2013年夏季的地表溫度和土地覆蓋類型，定量分析了不同土地利用類型與城市熱島效應(yīng)的響應(yīng)關(guān)系，識別出各個城市緩解城市熱島效應(yīng)的主要土地利用類型?？梢园l(fā)現(xiàn)，地表溫度與土地覆蓋類型有著緊密的聯(lián)系，城市用地所占比例與地表溫度均為正相關(guān)，濟南、武漢、重慶由沿海到內(nèi)陸城市用地與地表溫度的相關(guān)性逐漸降低。不同城市中最能緩解城市熱島效應(yīng)的土地覆蓋類型有所不同：濟南的土地分布類型中林地和耕地相對更能影響濟南的溫度變化；武漢水體對城市起到了最主要的降溫作用；重慶3個時期林地溫度要低于其他土地覆蓋類型，林地對重慶的城市熱島效應(yīng)緩解能力最強。

本文工作對解釋城市熱島效應(yīng)與土地覆蓋類型響應(yīng)關(guān)系、減緩城市熱島效應(yīng)具有重要的參考意義。

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