吳玉潔 李宇凡 吳 迪 馬艷敏

（1.吉林省氣象科學研究所，吉林長春 130062；2.長白山氣象與氣候變化吉林省重點實驗室，吉林長春 130062；3.吉林省氣候中心，吉林長春 130062）

1 引言

城市熱島最初是由Howard[1]發(fā)現(xiàn)倫敦市中心氣溫高于郊區(qū)而提出的概念，其強度在城市中心、人口密集地區(qū)和工業(yè)區(qū)更為顯著[2-3]，且對大氣環(huán)境、公共健康、能源消耗、社會生產(chǎn)等均產(chǎn)生深遠影響[4]，是主導城市生態(tài)環(huán)境的重要因素之一。 密切關注城市熱島發(fā)生發(fā)展過程， 及時進行熱島評估、成因分析及對策制定，對維護城市生態(tài)、合理規(guī)劃城市布局意義深刻。

根據(jù)城市大氣層范圍及常規(guī)研究方法劃分，城市熱島包括：城市邊界層熱島（BUHI）、城市冠層熱島（CUHI）和城市地表層熱島（SUHI）3 種類型。 其中，BUHI 是指發(fā)生在城市建筑層高度之上的熱島，受海拔高度影響溫度差異較大，探測難度和成本增加， 通常以數(shù)值模擬的方式表達；CUHI表示城市地表至平均建筑層范圍的熱島， 通常采用地面觀測手段， 由城市與郊區(qū)的氣象站觀測氣溫計算， 但對于大區(qū)域尺度研究的空間代表性較差；SUHI 是指陸地表層的熱島， 通過衛(wèi)星遙感觀測資料進行反演計算，具備時間同步性好、覆蓋范圍廣、直觀定量、成本低等優(yōu)勢，目前在城市熱島研究領域正逐漸得到普及[5-6]。

熱島研究常用衛(wèi)星遙感資料包括：TERRA/MODIS、Landsat_8/TIRS、NOAA/AVHRR 等[7-11]國外衛(wèi)星傳感器數(shù)據(jù)。 FY-3、HJ-1B、CBERS-02、Tiangong-1 等系列國產(chǎn)衛(wèi)星或空間站遙感資料的應用也在得到發(fā)展[12-13]，但因常以單日數(shù)據(jù)為例缺乏氣候代表性[14]，或是缺少精度驗證難以評估反演誤差[2，15]，始終未形成系統(tǒng)的技術方法，相較國外衛(wèi)星數(shù)據(jù)資料在業(yè)務方面的應用還比較薄弱。為促進國內(nèi)衛(wèi)星資料運用，結(jié)合當前研究現(xiàn)狀，本研究采用氣象業(yè)務規(guī)范的技術方法，以FY-3B 氣象衛(wèi)星為例篩選構(gòu)建長時間序列數(shù)據(jù)， 利用地面觀測資料及不同源衛(wèi)星數(shù)據(jù)的前人研究結(jié)果進行對比驗證， 從氣候尺度對長春市熱島分布及變化情況進行定量評估， 對氣象衛(wèi)星在相關業(yè)務領域中的應用效果進行評價，為城市生態(tài)環(huán)境發(fā)展、城市生態(tài)布局規(guī)劃提供科學依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)來源及處理

根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取時間，地表溫度（LST）反演數(shù)據(jù)選取2011—2019年長春市（124.5°E—127.1°E，43.2°N—45.3°N）夏季（6—8月）白天1000 m 分辨率FY-3B/VIRR 晴空或低云蓋數(shù)據(jù)（下載地址為：satellite.nsmc.org.cn）；衛(wèi)星數(shù)據(jù)預處理、地表溫度反演及熱島指數(shù)等根據(jù)2019年中國氣象局發(fā)布的《城市熱島衛(wèi)星遙感監(jiān)測評估技術導則（試行）》進行定義和計算； 地面氣象加密觀測站平均氣溫（ATmean）、0 cm 平均地溫（GTmean）數(shù)據(jù)來自于全國綜合氣象信息共享平臺（CIMISS），選取與研究衛(wèi)星數(shù)據(jù)對應日期的數(shù)據(jù)， 所選站點缺測數(shù)據(jù)＜10%；歸一化植被指數(shù)（NDVI）由美國國家航空航天局（NASA）提供的MOD13Q1 產(chǎn)品獲得，選取同F(xiàn)Y-3B 衛(wèi)星數(shù)據(jù)日期臨近（2015年6—8月）的數(shù)據(jù)進行均值合成；國家尺度1：10 萬比例尺土地利用數(shù)據(jù)集（LUCC）、2016年2 m、16 m 分辨率GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)均由國家衛(wèi)星氣象中心（NSMC）處理整合后提供，數(shù)據(jù)結(jié)果可直接應用。

3 研究方法

3.1 地表溫度（LST）反演

基于Becker-Li 線性分裂窗算法反演LST，公式如下：

式中，TS為反演的地表溫度LST；A0=-0.89712，通過模擬數(shù)據(jù)回歸計算得到；T4和T5分別為4、5 通道2 個熱紅外通道的亮溫；P 和M 皆為地表發(fā)射率的函數(shù)，取α=0.27297，β=-0.35818，γ′=4.06068，α′=5.918，β′=0.38843， 均通過模擬數(shù)據(jù)回歸計算得到；ε 為2 個熱紅外通道的平均比輻射率；Δε 為2 個熱紅外通道比輻射率的差值。

地表比輻射率ε 基于NDVI 進行估算， 根據(jù)NDVI 值的大小分為3 類，算法如下：

當NDVI＜0.2 時， 認為是裸土像元，ε 采用固定值，即ε4=0.9547，ε5=0.9709；當NDVI＞0.5 時，認為是完全由植被覆蓋，2 通道的ε 假定為常數(shù)值，采用典型值0.99；當0.2≤NDVI≤0.5 時，認為是由裸土和植被構(gòu)成的混合像元，ε 根據(jù)下式來估算：

式中，εV為純植被的比輻射率，即εV=0.99；εs，i為i通道裸土平均比輻射率；dεi為自然表面的幾何分布和內(nèi)部反射效應， 對純像元和混合像元該項值極小，本算法將其忽略。 PV為植被覆蓋度，由下式計算：

式中，NDVImax=0.5，NDVImin=0.2。

3.2 熱島強度

城市熱島監(jiān)測通常采用熱島強度（UHII）進行表征，公式如下：

式中，UHIIi為第i 個像元對應的熱島強度；Ti為第i 個像元地表溫度；n 為郊區(qū)內(nèi)有效像元數(shù)；Tsub為郊區(qū)內(nèi)像元的地表溫度。

為比較熱島程度，將地表城市熱島強度UHII劃分為7 個等級，等級劃分標準見表1。

表1 遙感地表城市熱島強度UHII 劃分及含義

3.3 郊區(qū)背景

選擇遠離市區(qū)的土地利用性質(zhì)穩(wěn)定的常年綠地作為背景區(qū)，根據(jù)2016年分辨率為2 m 的GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對2015年土地利用數(shù)據(jù)（LUCC）進行校正（圖1），并提取了鹽堿地土地類型。 為使郊區(qū)背景具有代表性， 在長春市市區(qū)外的5 個區(qū)縣各選取一處常年綠地作為郊區(qū)背景， 最終以5 個選取的平均值作為郊區(qū)背景值。

圖1 長春市土地利用分類及郊區(qū)背景選區(qū)

3.4 熱島比例指數(shù)

采用熱島比例指數(shù)（UHPI）評估區(qū)域城市熱島效應強弱。UHPI 是城市市區(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， 是反映區(qū)域內(nèi)不同等級熱島強度與范圍的綜合定量指標，公式如下：

式中，UHPI 為城市熱島比例指數(shù)；m=7 為熱島強度等級數(shù)；i 為市區(qū)溫度高于郊區(qū)溫度等級序號，即表2 中的5、6、7；n=3 為市區(qū)溫度高于郊區(qū)溫度的等級數(shù)；Wi為第i 級的權重， 取對應等級值；pi為第i 級所占的面積百分比，數(shù)值為0～100。 UHPI值在0～1.0，該值越大，熱島現(xiàn)象越嚴重，等級劃分標準見表2。

表2 區(qū)域城市熱島效應評估等級劃分標準

4 結(jié)果分析

4.1 地表溫度（LST）反演結(jié)果驗證

為證明LST 反演效果， 利用地面氣象加密觀測站平均氣溫（ATmean） 和0 cm 平均地溫（GTmean）實測數(shù)據(jù)進行對比驗證。

對2011—2019年相同站點位置的LST 和ATmean 進行相關性分析， 結(jié)果表明：114 站中，LST 與ATmean 的Pearson 相關系數(shù)為0.774，通過了0.01 水平的顯著性檢驗，說明反演的LST 時空分布特征與實際監(jiān)測的ATmean 分布趨勢一致。 由于LST 與ATmean 監(jiān)測手段的差異，數(shù)值差異明顯。 Yang 等[16]研究結(jié)果表明：Landsat8/TIRS單日反演的45 站LST 與實測ATmean 差值普遍在6.0 ℃以上，極差達10.6 ℃，全區(qū)域極差達22.9 ℃。本研究中長春市2011—2019年夏季114 站LST與ATmean 的差值為10.4～21.1 ℃，全區(qū)域極差為

21.2 ℃，與Landsat-8/TIRS 的反演結(jié)果較一致。

因缺少0 cm 地溫（GT）的分鐘及小時觀測數(shù)據(jù)，且用于反演LST 的數(shù)據(jù)普遍為正午和午后，溫度達到全天的波峰時段， 為使驗證數(shù)據(jù)具有代表性選取2018年7月30日典型高溫日的0 cm 地溫日均值 （GTmean）， 同反演的對應站點位置的LST （由2 km 半徑的圓形區(qū)域LST 平均值表示）數(shù)值進行比較，結(jié)果表明：LST 同GTmean 的差值，最大值出現(xiàn)在長春站，為3.3 ℃；最小值出現(xiàn)在雙陽站，為0.6 ℃（表3）。各站|LST-GTmean|≤3.3 ℃，LST 同GTmean 極差出現(xiàn)在長春站。

表3 2018年7月30日長春市地表溫度（LST）與0 cm 地溫（GTmean）差異比較 ℃

綜合LST 同ATmean、GTmean 的時空匹配情況及前人不同源衛(wèi)星數(shù)據(jù)研究結(jié)果，F(xiàn)Y3B/VIRR的LST 反演效果理想， 較國內(nèi)外多源衛(wèi)星反演精度符合常規(guī)標準。

4.2 熱島強度（UHII）時空分布及變化特征

對2011—2019年UHII 進行均值合成， 結(jié)果表明：空間分布上（圖2），強熱島區(qū)域主要分布在市區(qū)和郊區(qū)區(qū)縣發(fā)展中心； 較強熱島區(qū)域在強熱島區(qū)域外圍； 弱熱島區(qū)域在較強熱島區(qū)域外圍及農(nóng)安縣大部區(qū)域； 冷島區(qū)域主要集中在水田和林地區(qū)域；其余區(qū)域無熱島，對應土地類型主要為旱地。 除農(nóng)安縣，全市熱島區(qū)域的主要分布規(guī)律是：以強熱島區(qū)域為中心呈環(huán)狀分布， 由內(nèi)至外依次為強熱島、較強熱島和弱熱島，符合城市熱島效應的發(fā)生發(fā)展規(guī)律。農(nóng)安縣波羅湖周圍為鹽堿地，且本縣大部區(qū)域氣溫整體偏高， 因此呈現(xiàn)出大面積的弱熱島效應。 根據(jù)2016年GF-1 衛(wèi)星16 m 分辨率數(shù)據(jù)繪制市區(qū)發(fā)展中心建筑群邊界軌跡，市區(qū)中心的熱島分布軌跡同中心建筑群吻合度較高。

圖2 長春市2011—2019年夏季熱島強度（UHII）時空分布

對圖2 數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，結(jié)果表明：9年來長春市夏季總熱島面積百分率為26.4%， 無熱島為52.9%，總冷島為20.7%，總體以無熱島為主；熱島中以弱熱島（21.1%）為主；各行政區(qū)的總熱島面積百分率，綠園區(qū)（83.7%）、農(nóng)安縣（65.7%）、朝陽區(qū) （50.9%） 居前三位。 其中， 強熱島， 綠園區(qū)（30.7%）、朝陽區(qū)（24.1%）、南關區(qū)（8.4%）居前三位。較強熱島，綠園區(qū)（27.6%）、南關區(qū)（13.6%）、寬城區(qū)（13.4%）居前三位。 弱熱島，農(nóng)安縣（58.7%）、綠園區(qū)（25.4%）、寬城區(qū)（24.2%）居前三位?？傮w表現(xiàn)為綠園區(qū)的強、較強、弱熱島占比均較大；農(nóng)安縣弱熱島占比最大；朝陽區(qū)、寬城區(qū)總熱島占比較大；其余區(qū)縣普遍以無熱島為主（表4）。

4.3 熱島比例指數(shù)（UHPI）變化規(guī)律

對市區(qū)、 全市及各行政區(qū)9年來UHPI 進行分類統(tǒng)計（表5），結(jié)果表明：市區(qū)和全市的UHPI年際波動規(guī)律不盡相同，9年來的平均值分別為0.182、0.028，熱島強度均為輕微等級。 市區(qū)UHPI最大值為0.224，出現(xiàn)在2018年，為較輕等級；全市最大值為0.043，出現(xiàn)在2016年，為輕微等級。主要行政區(qū)中， 各區(qū)縣UHPI年際波動變化規(guī)律不盡相同， 綠園區(qū)歷年UHPI 均為最大，9年來的平均值為0.515，熱島強度為一般等級；其次為朝陽區(qū)（0.273）和南關區(qū)（0.162），熱島強度分別為較輕和輕微等級。 整體而言，除綠園區(qū)，長春市整體呈現(xiàn)輕微熱島。

表5 長春市2011—2019年夏季各區(qū)域熱島比例指數(shù)（UHII）

4.4 成因分析

下墊面類型及性質(zhì)是影響地表溫度、 熱島效應分布的主要因素， 根據(jù)2015年夏季植被指數(shù)（NDVI）均值合成數(shù)據(jù)（圖3）并結(jié)合土地利用類型（圖1），對NDVI 同LST、ATmean的相關性進行分析，結(jié)果表明：LST、ATmean同NDVI 的Pearson 相關系數(shù)分別為-0.464 和-0.361，均通過了0.01 水平的顯著性檢驗。 市區(qū)、 郊區(qū)區(qū)縣的發(fā)展中心和波羅湖周圍NDVI 較小的區(qū)域?qū)狶ST、ATmean較高， 林區(qū)和少部水田NDVI 較高的區(qū)域， 對應的LST、ATmean較低。 對LST、ATmean同NDVI 建立線性回歸方程， 結(jié)果表明：LST、ATmean同NDVI 的回歸方程的sig.=0.000，相關系數(shù)在0.001 水平上顯著，其 中 ，LST =42.23 -9.53NDVI，ATmean=25.74 -2.27NDVI，NDVI 對LST 的影響效果較ATmean更顯著。

圖3 長春市2015年夏季NDVI 均值合成

根據(jù)研究結(jié)論， 長春市高溫及熱島區(qū)域主要發(fā)生在市區(qū)和郊區(qū)區(qū)縣的發(fā)展中心、 農(nóng)安縣波羅湖周圍鹽堿地區(qū)域，其中，各區(qū)域發(fā)展中心為城市下墊面性質(zhì)變化導致的地表熱容量降低以及工商業(yè)廠區(qū)和人為活動溫室氣體排放等引起的城市熱島效應， 農(nóng)安縣波羅湖周圍區(qū)域是由區(qū)域生態(tài)環(huán)境導致。由熱島效應成因分析結(jié)果可知，緩解城市熱島效應可根據(jù)土地類型種植適宜植被， 通過改善植被NDVI 來改善地表溫度的思路對城市綠化進行布局。

5 結(jié)語

（1） 本研究對長春市夏季地表溫度和城市熱島時空分布特征進行了全面分析， 基于長時間序列計算的平均結(jié)果具有氣候代表性， 為長春市夏季地表溫度和城市熱島強度特征提供了背景資料，為單日高溫事件、熱島事件提供了氣候?qū)φ找罁?jù)， 為后續(xù)長春市夏季氣象因子對城市熱島影響的定量化評估研究提供了基礎。

（2）長春市夏季以無熱島為主，熱島區(qū)域在市區(qū)和郊區(qū)區(qū)縣的發(fā)展中心及農(nóng)安縣大部， 以弱熱島為主； 市區(qū)和全市熱島強度均為輕微等級，其中，綠園區(qū)歷年UHPI 均為最大，熱島強度為一般等級，其余區(qū)域為較輕或輕微等級。

（3）LST、ATmean同NDVI 的Pearson 相關系數(shù)分別為-0.464 和-0.361， 均通過了0.01 水平的顯著性檢驗。LST、ATmean同NDVI 的線性回歸方程分別 為 ：LST =42.23 -9.53NDVI，ATmean=25.74 -2.27NDVI，sig.均為0.000，相關系數(shù)均在0.001 水平上顯著，NDVI 對LST 的影響效果較ATmean更顯著。

（4） 本研究定量評估了以植被為主的土地類型對地表溫度和城市熱島的影響，但對水體、居民用地等其他土地類型僅通過有限樣本粗略比較了與溫度的關系，后續(xù)研究可通過構(gòu)建水體指數(shù)、不透水面指數(shù)等指標同溫度的關系進行更全面的定量評估。

（5） 本研究基于前人不同源衛(wèi)星數(shù)據(jù)研究結(jié)果， 同F(xiàn)Y-3B 衛(wèi)星數(shù)據(jù)LST 反演結(jié)果進行比較，一定程度上驗證了FY-3B 數(shù)據(jù)的精度。 但因選取數(shù)據(jù)時次、數(shù)據(jù)分辨率、研究區(qū)域范圍等的差異，會對驗證結(jié)果造成一定影響， 后續(xù)研究將通過提取不同源衛(wèi)星數(shù)據(jù)/產(chǎn)品臨近時次的LST 反演結(jié)果對FY-3B 數(shù)據(jù)進行更細致的精度驗證。