热带气象学报  2018, Vol. 34 Issue (6): 755-762  DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.06.004
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引用本文  

邓玉娇, 王捷纯, 何全军, 等. 基于MODIS资料分析近15年广州城市热岛特征及演变规律[J]. 热带气象学报, 2018, 34(6): 755-762. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.06.004.
DENG Yu-jiao, WANG Jie-chun, HE Quan-jun, et al. Characteristics and evolution of urban heat island in guangzhou in the past 15 years based on modis data[J]. JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGY, 2018, 34(6): 755-762. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.06.004.

基金项目

国家自然科学基金项目(41801326);广东省气象局科学技术研究重点项目(GRMC-2016-02);广东省林业科技创新项目(2016KJCX039)共同资助

通讯作者

邓玉娇,女,湖北省人,高级工程师,博士,主要从事卫星遥感应用研究。E-mail: yujiao_d@163.com

文章历史

收稿日期:2017-12-08
修订日期:2018-08-08
基于MODIS资料分析近15年广州城市热岛特征及演变规律
邓玉娇 , 王捷纯 , 何全军 , 陈蝶聪     
广东省生态气象中心,广东 广州 510640
摘要:利用MODIS地表温度数据,计算城市热岛强度指数,分析近15年广州市城市热岛的时空分布特征及演变规律,并结合气象观测数据、社会统计数据定性分析其主要影响因素。结果表明:广州市城市热岛的空间分布受地形地貌影响明显,负热岛区主要分布于森林密集的北部山区,无热岛区主要分布于中部低山丘陵区域,热岛区主要分布于高度城市化的中南部平原区。关于城市热岛的日变化规律,白天热岛区、负热岛区面积均小于夜间,但白天热岛区强度、负热岛区强度大于夜间。关于城市热岛的季节变化规律,冬季热岛区面积最大,热岛强度最小,夏季热岛区面积最小,热岛强度最大;冬季负热岛区面积最小,负热岛强度最小,夏季负热岛区面积最大,负热岛强度最大。对于城市热岛的年际变化规律,近15年来广州市的热岛区、负热岛区占全市总面积的百分比呈上升趋势,无热岛区所占百分比呈下降趋势,人为热排放在城市中心区域的持续增长,加上区内建筑物密度大、植被覆盖度低,导致了热岛区的增加,而北部山区至中部丘陵山区的植被的持续好转,加上地理特征限制了该区域的城市化发展,导致了负热岛区的增加。
关键词MODIS    城市热岛    广州    
CHARACTERISTICS AND EVOLUTION OF URBAN HEAT ISLAND IN GUANGZHOU IN THE PAST 15 YEARS BASED ON MODIS DATA
DENG Yu-jiao , WANG Jie-chun , HE Quan-jun , CHEN Die-cong     
Ecological Meteorological Center of Guangdong Province, Guangzhou 510640, China
Abstract: Based on land surface temperature data of MODIS, an urban heat island index was calculated, and the characteristics and evolution of urban heat island (UHI) in Guangzhou in the past 15 years were analyzed. Furthermore, the main influence factors of UHI were qualitatively analyzed with the MODIS data, meteorological observation data and social statistical data. It is found that the spatial distribution of UHI in Guangzhou was significantly affected by the topography. A negative urban heat island (NUHI) zone is mostly situated in the northern mountainous region with dense forests, a no-UHI zone is primarily seated in the central hilly region, and a UHI zone is mainly located in the south central plain. With regard to the daily variation of UHI, both of the UHI area and NUHI area are smaller in daytime than at night, but the UHI intensity and NUHI intensity are greater than those at night. For the seasonal variation of UHI, the area is largest in winter, and smallest in summer, and the UHI intensity is smallest in winter and largest in summer. Concerning the interannual variation of UHI, the UHI area and NUHI area have increased in the past 15 years. The main reasons of the UHI area increase are the continued growth of anthropogenic heat emission, high building density and low vegetation coverage in the central area of cities. The main reasons of the NUHI area increase are the growth of vegetation coverage and the limitation of urbanization in northern mountainous region and central hilly region.
Key words: MODIS    urban Heat Island    Guangzhou    
1 引言

城市热岛效应(Urban Heat Island,简称UHI)是指城市之中的气温显著高于周围郊区的现象[1], 它是城市不同于其以外地域气候最明显的特征之一。据统计,世界上有1 000多个不同规模的城市发生了城市热岛现象,范围遍及南、北半球各纬度地区[2]。城市热岛已对城市的公共健康、空气质量、能源消耗、社会生产甚至气象环境产生了深远的影响[3]

自1833年Howard就伦敦市中心气温比郊区高的现象提出“城市热岛”概念以来,城市热岛问题一直备受关注[4-5]。现有研究成果主要基于地面观测、遥感探测、数值模拟等技术手段[6-8],其中,遥感数据因其时间同步性好、空间覆盖范围广的特点,能够更全面、深入地研究城市热岛的平面布局及其内部结构,为城市热岛研究提供了科学有效的技术平台[9-10]。利用卫星遥感资料,学者们针对城市热岛的空间格局[11]、时间序列[12]、驱动因素[13-14]、量化评价指标[15]等开展了多尺度、多角度、定量化的研究。国内最早开展城市热岛研究工作的是上海市和北京市,这两个城市相关的研究成果也最丰富,如:宫阿都等[16]、葛荣凤等[17]运用遥感数据对北京城市热岛格局进行了研究;陈云浩等[18]、陈命男等[19]、白杨等[20]、钱敏蕾等[21]从不同角度、用不同方法对上海城市热场结构、空间格局以及时空演变规律进行了详细的分析和研究。此外,针对武汉、厦门、郑州、兰州、合肥等地城市热岛的研究工作也取得了较大进展[22-24]。Cao等在《Nature Communications》发表的最新研究成果表明,气溶胶污染导致中国主要城市夜间的城市热岛效应增强,2003—2013年中国主要城市的热岛强度在夜间显著高于白天(夜间为3.4±0.2 K,白天为2.1±0.3 K),且这种日变化趋势在半干旱地区更明显[25]

纵观现有研究成果,对于广州市这样一个处于海洋性亚热带季风气候区、地形地貌复杂的国际化大都市,其城市热岛效应时空变化特征的长时序、定量研究成果并不多。鉴于此,本文利用2001—2015年MODIS数据,分别从日、季、年等时间尺度分析广州市城市热岛的时空分布特征,进而探讨其城市热岛的主要影响因素。

2 数据来源及处理方法 2.1 数据来源

MODIS(Moderate-resolution imaging spectroradiometer,中分辨率成像光谱仪)是美国航空航天局搭载在地球观测系统(Earth Observation System,简称EOS)卫星上的光学遥感仪器。EOS系列包括上午星Terra(过境时间为地方时10:30)、下午星Aqua(过境时间为地方时13:30)。本文主要数据源为Terra/MODIS LST(Land Surface Temperature,地表温度)月产品,来源于中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站(http://www.gscloud.cn)。该数据是对NASA发布的MODIS标准地表温度轨道产品MOD11A1产品进行拼接、切割、投影转换、单位换算等过程加工而成,其数据质量采取了多种方法控制数据质量,大量前人研究成果表明数据精度可达1 K[26]。该数据包括白天地表温度、夜间地表温度产品,覆盖范围为中国区域,空间分辨率为1 km× 1 km,投影方式为:地理经度/纬度。

此外,文中用到的2001—2015年广州市年平均气温、年日照时数、年灰霾日数由广东省气象局提供,分别从广州市内5个国家气象站(花都、从化、广州、增城、番禺)的对应观测值求平均得到,植被指数由MODIS数据计算得到,常住人口总数、地区生产总值从广州市统计局发布的《广州市国民经济和社会发展统计公报》得到。

2.2 前期数据处理 2.2.1 研究子区提取

本文以广州市为研究区域,该市地处珠江三角洲的中心腹地,辖荔湾、越秀、海珠、天河、黄埔、萝岗、白云、番禺、花都、增城、从化、南沙等12区(2014年2月将黄埔、萝岗合并为新的黄埔区,本文沿用合并之前的行政分区),地理跨度为112°57′~114°03′E,22°26′~23°56′N,总面积为7 434.4 km2。由于所获取的MODIS数据覆盖了整个中国区域,因此,需基于ENVI/IDL平台编程,利用广州市行政边界自动提取广州区域的数据子区,用于后续的研究。

2.2.2 计算白天平均、夜间平均、季节平均、多年平均LST

本文搜集整理了2001—2015年广州市的白天、夜间地表温度数据,从日变化、季节变化、年际变化等不同时间尺度研究过去15年间广州城市热岛效应的时空变化规律,因此,需分别计算15年平均白天/夜间LST、15年平均春季/夏季/秋季/冬季白天LST、2001—2015年各年平均白天LST等数据。其中,关于季节平均,按常规选取每年3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、12月—次年2月为冬季。

2.3 计算城市热岛强度

城市热岛强度指数(Urban Heat Island Intensity Index,简称UHII)的计算方法已十分成熟[27-29],如下式:

(1)

式中,Ii为城市第i个像元的热岛强度,Ti为城市第i个像元的地表温度值,n为郊区农田内的有效像元数,Tj为郊区农田内第j个像元的地表温度值。

在城市热岛强度指数的计算中,郊区像元的选择是关键。为确保郊区像元的典型性,需遵循以下原则:(1)大面积覆盖,并与城市中心海拔高度相差很小的开阔农田;(2)结构稳定,植被种类和土壤性质很少发生变化;(3)远离城市中心。依据上述原则,本文以MODIS土地利用分类数据为底图,在远离广州市中心城区的偏远地区选取5个农田区域(图 1),用于计算Tj

图 1 MODIS广州市土地利用分类及农田样本分布图

为了便于统计分析,本文参照前人的方法将城市热岛强度划分为7个等级,具体划分方法见表 1

表 1 城市热岛强度等级划分表
3 结果与分析 3.1 城市热岛与地形地貌的关系

通过对2001—2015年广州市城市热岛的日变化、季变化、年变化规律的分析,可发现,无论哪个时间尺度,城市热岛的空间分布规律都与地形地貌关系密切。广州市城市热岛效应从北到南,表现为逐渐增强趋势。负热岛区域主要出现于北部山区,该区森林集中,由于森林的蒸腾蒸发作用,该区域地表温度相对最低;无热岛区域主要出现于中部低山丘陵区,该区植被覆盖度高,地表温度在全市范围内处于中间水平;热岛区域主要出现在中南部,该区域以平原为主,城市化程度高,地表温度相对高;此外,最南部的南沙区因为珠江及南海水体对温度的调节作用,地表温度低于南部的其它区域,表现为无热岛区域。地形地貌对城市热岛的影响主要表现为以下几方面:(1)城市化进程通常会“因地制宜”,山地、丘陵区往往开发程度相对较低、植被覆盖度高、地表温度相对较低,因此成为负热岛区或无热岛区,平原区因其地理优势而优先发展成为人口密集、建筑密集、经济繁荣的城市中心区域,地表温度相对较高,因此而成为热岛区;(2)广州的海拔高度呈北高南低走势,山地、丘陵区海拔较高、纬度较高、地表温度较低,因此在城市中表现为负热岛区,平原区海拔较低、纬度较低、地表温度较高,因此表现为热岛区;(3)水体因为比热容大、增温率小,使得其表面温度相对较低,同时,珠江水系形成的低温廊道,将高温区域分割成小块,并使得热量更好地流通,可达到降低区域温度的作用。

3.2 城市热岛日变化规律

对2001—2015年MODIS资料无云像元统计得到,白天多年平均地表温度为25.0 ℃,夜间多年平均地表温度为18.5 ℃,昼夜温差达6.5 ℃(图 2)。白天热岛区(包括弱热岛、较强热岛、强热岛,下同)、负热岛区(包括强负热岛、较强负热岛、弱负热岛,下同)面积均小于夜间,但热岛强度、负热岛强度均大于夜间。

图 2 近15年平均广州市白天(a)、夜间(b)热岛强度空间分布

白天近15年广州市平均热岛强度分级面积统计为,强热岛区占比为0%;较强热岛区为3.65%,弱热岛区为26.39%,无热岛区为41.90%,弱负热岛区为23.78%,较强负热岛区为4.24%,强负热岛区为0.04%。对于夜间而言,强热岛区占比为0%,较强热岛区为0.79%,弱热岛区为30.61%,无热岛区为40.25%,弱负热岛区为25.99%,较强负热岛区为2.36%,强负热岛区0%。城市热岛在夜间的空间分布相对于白天而言主要有三点变化:(1)夜间较强热岛区更集中,在越秀区、荔湾区北部形成明显的孤岛;(2)由于珠江、南海水体的调节作用,番禺区、南沙区夜间地表温度相对于其他区域下降缓慢,使得白天为无热岛的区域在夜间变成了弱热岛区域;(3)从化山区的强负热岛区消失,较强负热岛区下降了1.88%。

3.3 城市热岛季节变化规律

图 3可知,广州市各个季节的白天均存在不同大小和范围的热岛效应,冬季热岛区面积最大,热岛强度最小,夏季热岛区面积最小,热岛强度最大;冬季负热岛区面积最小,负热岛强度最小,夏季负热岛区面积最大,负热岛强度最大。

图 3 近15年平均广州市春(a)、夏(b)、秋(c)、冬(d)白天热岛强度的空间分布

从热岛区范围而言,冬季最大(38.43%),春季(32.26%)、秋季(30.66%)其次,夏季最小(21.53%),较强以上等级的热岛区主要出现在荔湾、越秀、海珠、天河、黄埔等城市中心区,并零星分布于花都、番禺、增城等外围城区,这些区域建筑密集、人口集中、植被覆盖度低,地表温度高于郊区,因此而形成热岛区。从负热岛区范围而言,夏季最大(38.96%),秋季(24.85%)、春季(24.59%)其次,冬季最小(20.64%),负热岛区主要分布于从化区,该区域以山地为主、森林集中,海拔、纬度都相对较高,加上森林的蒸腾蒸发作用对地表温度的调节,使得地表温度相对最低,因此形成负热岛。

3.4 城市热岛年际变化规律

图 4可知,在2001—2015年间,广州市的热岛区、负热岛区占全市总面积的百分比呈现上升趋势,无热岛区所占百分比呈现下降趋势。对于热岛区,2001年占比18.57%,2015年占比27.02%,年平均上升率为0.66%;对于负热岛区,2001年占比26.03%,2015年占比36.41%,年平均上升率为0.52%;对于无热岛区,2001年占比55.40%,2015年占比36.57%,年平均下降率为1.21%。这一现象产生的原因为:人为热排放在城市中心区域的持续增长,加上区内建筑密度大、植被覆盖度低,导致了热岛区的增加;北部山丘至中部丘陵山区植被的持续好转,加上区内地理特征限制了城市化发展,导致了总负热岛区的增加;鉴于热岛区、负热岛区、无热岛区的总和为100%,热岛区、负热岛区的增加,必然导致了无热岛区的下降。

图 4 近15年广州市热岛区、负热岛区、无热岛区面积百分比变化曲线

通常认为,城市热岛的形成与下垫面类型、人为热源、空气污染以及城市的地理特征、气象条件等要素有关,其中,地理特征是固定要素,它决定了广州市城市热岛的南北分布特征,前文已作分析,不再赘述。表 2列举了广州市地理特征之外的城市热岛影响因素在2001—2015年间的变化情况,其中年平均气温、年日照时数代表气象条件,在近15年间呈波动式变化趋势,灰霾日数代表空气污染状况,呈先增加后减小趋势,这三者对城市热岛区、无热岛区、负热岛区的面积比例变化影响并不显著。植被指数一定程度可反映下垫面类型,常住人口数、地区生产总值代表人为热源的排放情况,这三者在过去15年间均呈现每年递增趋势,其中,植被指数的增加,特别是北部山区植被状况的进一步好转,是导致负热岛区持续增加的主要因素;常住人口、地区生产总值的增加,可代表人为热源的增加,对于广州市而言,两者增加幅度最大的区域是荔湾、越秀、天河、海珠、黄埔等城市中心区域,以及中南部的番禺区,人为热源在这些建筑密度大、原本地表温度相对较高且缺乏森林、水体调节作用区域的持续增加,是导致热岛区在过去15年间持续增加的主要原因。

表 2 2001—2015年广州城市热岛主要影响因素
4 结论

本文利用2001—2015年MODIS LST数据分析广州市城市热岛的时空分布特征及其主要影响因素,得出如下结论。

(1) 广州市城市热岛的空间分布受地形地貌影响明显,负热岛区主要分布于森林密集的北部山区,无热岛区主要分布于中部低山丘陵区域,热岛区主要分布于高度城市化的中南部平原区,此外,广州市最南部的南沙区,虽然地形地貌与中南部接近,但因为珠江水系及南海海域对温度的调节作用,地表温度低于中南部地区,其中部分区域为无热岛区[30-31]

(2) 近15年广州市城市热岛的日变化规律为:白天热岛区、负热岛区面积均小于夜间,但热岛强度、负热岛强度均大于夜间。强热岛区在白天、夜间均为0;较强热岛区,白天多于夜间,白天零星分布于除从化、南沙以外的其它区域,夜间面积明显减少,且空间分布更集中,在越秀区与荔湾区北部形成明显的孤岛;弱热岛区,白天少于夜间,主要因为珠江、南海水体的调节作用,番禺区、南沙区夜间地表温度相对于其他区域下降缓慢,使得在白天为无热岛的地区在夜间变成了弱热岛区域,从而使得夜间弱热岛区多于白天。

(3) 近15年广州市城市热岛的季节变化规律为:从热岛区范围而言,冬季最大,春季、秋季其次,夏季最小,较强以上等级的热岛区主要出现在荔湾、越秀、海珠、天河、黄埔等城市中心区,并零星分布于花都、番禺、增城等外围城区,这些区域建筑密集、人口集中、植被覆盖度低,地表温度高于郊区,因此形成热岛区。从负热岛区范围而言,夏季最大,秋季、春季其次,冬季最小,负热岛区主要分布于从化区,该区域以山地为主、森林集中,海拔、纬度都相对较高,加上森林的蒸腾蒸发作用对地表温度的调节,使得地表温度相对最低,因此形成负热岛。

(4) 近15年广州市城市热岛的年际变化规律为:广州市的总负热岛区、总热岛区占全市总面积的百分比呈现上升趋势,无热岛区所占百分比呈现下降趋势。究其原因,主要是人为热排放在城市中心区域的持续增长,加上区内建筑密度大、植被覆盖度低,导致了热岛区的增加;而北部山丘至中部丘陵山区的植被的持续好转,加上区内地理特征限制了城市化发展,导致了总负热岛区的增加[30-31]

需要指出的是,本文对广州市城市热岛的时空分布规律进行了定量分析,但对其成因的分析仍停留在定性阶段,在后期可结合数值模式技术定量分析城市热岛成因,使得研究成果更完善。

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