基于MODIS数据的近10年宜昌城市热岛效应时空变化特征

张 丽，刘 俊，叶 丹

(宜昌市气象局，湖北宜昌 443000)

城市热岛效应是受日照和城市下垫面影响而造成的城市“高温化”现象，是一种热量在城区空间范围内聚集的现象。城市热岛强度与区域气候、城市化程度、地形等诸多因素有关[1]。21世纪以来，随着城市化高速发展，城市建筑群密集，自然下垫面减少[2]，同时大量人口向城市聚集，工业生产和生活用能的不断增加更加剧了城市热岛效应，导致其范围扩大，强度亦有增加[3]。过去人们对城市热岛的研究主要是通过同时期城市与郊区的气温对比来获取有关规律，但由于监测点有限，难以全面反映出研究区域的城市热岛效应[4]。遥感监测法具有分辨率高 、覆盖范围广、点位密集等优势[5]，是目前应用最为广泛的研究方法[6]。多年以来，国内外学者利用遥感技术对城市热岛效应的时空分布特征和影响因素进行了大量的研究。金丽娜等[7]指出遥感反演温度与气象站点监测数据变化趋势基本一致；曾胜兰[3]指出热岛强度存在昼夜和季节性差异；赵小锋等[8]指出热岛现象已经由春夏秋扩展到冬季；薛乃婷等[9]指出自然因素和人为因素共同影响热岛强度。随着城市化快速发展，宜昌城市规模和经济总量已经跃升为湖北省第二位，又处在长江三峡库区局地气候变化敏感区，其城市热岛效应和时空演变趋势成为政府和公众关注的热点，开展区域性热岛研究势在必行。

MODIS是搭载在Terra 和Aqua 卫星上的一个重要传感器，可获得一天4次的地表温度数据，对分析城市热岛强度驱动因素研究的昼夜规律有很大优势[7]。MOD11A2 是一种8 d均值合成陆地地表温度产品。江志红等[10]研究发现MOD11A2 地表温度数据的质量优，并且精度好于MODIS L1B 数据通过分裂窗算法反演得到的地表温度。宜昌地区气候湿润，云量较多，单日影像数据覆盖有大片云层，相比较而言，MOD11A2 更适合作为研究该区域的遥感数据源。本文利用近十年MOD11A2 遥感影像数据，通过地表温度和热岛强度等级指标分析宜昌城市热岛效应时空分布特征，以期为政府和公众提供服务参考。

1 研究区概况

宜昌市位于湖北省西南部，地处长江上游与中游的结合部，鄂西山区向江汉平原的过渡地带。本研究区域为宜昌城区(西陵区、伍家岗区、点军区和猇亭区)及周边临近县市(夷陵区、枝江市、当阳市、宜都市、长阳市)，地理坐标约为110°24′E～112°04′E，30°08′N～31°24′N。通过宜昌热岛研究主要区域DEM(digital elevation model) 和土地利用类型分布图(图1，见第65页)可见，宜昌地势复杂，海拔高度范围为27～2 218 m，相差悬殊，呈现自西向东逐级下降的趋势，形成山地、丘陵和平原兼备地形。其中无渗透地面主要沿江分布，并在当阳形成孤岛；农田主要分布于城区近郊、夷陵南部、枝江大部、宜都和当阳东部等平原地区，宜都和当阳西部、夷陵北部、长阳大部等地基本为森林覆盖区。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

遥感影像数据为2010—2019年宜昌研究区2、5、8月和11月MOD11A2产品，空间分辨率为1 km，数据来源于地理信息应用开放平台(https://search.earthdata.nasa.gov/search)。其中，资料月份的选择主要根据基于自动气象站的宜昌城市热岛分析结果[11]，选择“台阶期”为代表月进行研究。土地利用数据为全球土地覆盖的精细分辨率观测和监测网站(http://data. ess.tsinghua.edu.cn)提供的宜昌30 m分辨率全球土地覆盖图。宜昌市有关社会经济数据来源于湖北省统计局网站(http://tjj.hubei.gov.cn/tjsj/)提供的宜昌市2000—2019年国民经济和社会发展年度统计公报及统计年鉴。

2.2 研究方法

2.2.1 数据预处理 为尽可能去除云覆盖影响，在每年2、5、8月和11月的四景遥感影像中各挑选一景云覆盖最少的影像进行相关研究。采用MODIS重投影工具(MODIS reprojection tools，MRT)对MOD11A2产品进行投影变换，提取白天和夜间2个波段的地表温度数据集。本文所获取的地表温度数据集中的DN值为亮度温度值，通过ENVI/IDL和ArcGIS进行定标、影像裁切、地面温度反演等预处理，将亮度温度值转换为真实地表温度值，得到研究区的地表温度栅格，并分别计算2010—2019年四季白天平均地表温度、夏季夜间平均地表温度。按照季节划分法[12]，将“台阶期”代表月份与季节划分标准进行匹配，选取2月代表冬季、5月代表春季、8月代表夏季、11月代表秋季进行相关季节分析。

2.2.2 城市热岛强度计算 城市热岛强度(IUHIi)定义为城市地表温度与郊区乡村地表温度之差，用以说明城区温度高于郊区乡村温度的程度。其表达式为[13]

(1)

其中，IUHIi为遥感图像上第i个像元所对应的热岛强度，Ti是第i个像元的地表温度，n为郊区的有效像元数，Tsub为郊区的地表温度。郊区地表温度的提取和统计利用经验法，选择远离市区的利用性质稳定(土地利用类型多年保持不变)的常年绿地(农田)作为背景区，为保证监测结果的可比性，各年份均采用相同的背景区。为便于统计分析，将地表城市热岛强度划分为7个等级[13]，具体划分标准为：IUHIi<-7.0为强冷岛，-7.0≤IUHIi≤-5.0为较强冷岛，-5.07.0为强热岛。

2.2.3 区域城市热岛评估 采用热岛比例指数(IUHP)定量评估区域城市热岛效应的强弱。IUHP是弱热岛、较强热岛和强热岛面积的加权和，是反映区域内不同等级热岛强度与范围的一个综合定量指标。其表达式为[13]

(2)

其中IUHP为城市热岛比例指数；m为热岛强度等级数，取值为7；n为弱热岛、较强热岛和强热岛的等级数量，取值为3；i为弱热岛、较强热岛和强热岛对应的等级，取值分别为5，6，7；wi为弱热岛、较强热岛和强热岛分别对应等级的权重，分别直接取对应等级数5，6，7；pi为弱热岛、较强热岛和强热岛所占的面积百分比，数值为0～100%。IUHP在0.0～1.0之间，该值越大，说明热岛现象越严重。为便于统计分析，将区域城市热岛评估划分为5个等级[13]，具体等级划分为：0≤IUHP≤0.2为轻微或无，0.2

3 结果与分析

3.1 热岛效应的昼夜变化和空间分布特征

由于夏季热岛区面积最大，强度最强，因此选用宜昌研究区近10 a夏季MODIS地表温度产品进行昼夜热岛强度变化研究。宜昌研究区白天多年平均地表温度为30.3 ℃，夜间多年平均地表温度为27.6 ℃，昼夜温差达2.7 ℃。从近10 a宜昌研究区夏季白天和夜间平均热岛强度等级分布(图2)来看，热岛区(包括弱热岛、较强热岛、强热岛，下同)和冷岛区(包括强冷岛、较强冷岛、弱冷岛，下同)面积均白天大于夜间，热岛强度均白天强于夜间，其中白天热岛区面积占比2.081 7 %，冷岛区面积占比9.758 2 %；夜间热岛区面积占比0.218 9 %，冷岛区面积占比7.536 9 %。热岛区在宜昌主城区到宜都一带比较集中，在当阳和枝江分别形成热岛孤岛，这与地形和土地覆盖类型(图1)的分布特征比较吻合，这些区域建筑密集、人口集中、植被覆盖度低。冷岛区主要分布在夷陵区西部和北部、长阳西部。一方面由于该区域以山地为主，森林相对集中，植被覆盖度比较好，热容量较大，同时该区域海拔相对较高，森林的蒸散作用对地表温度的调节使得地表温度相对最低；另一方面丘陵平原地带增温速度高于山地，在环流作用下，输送到山区上空的暖空气与本地的冷空气形成上暖下冷的逆温层，使得山地的冷空气保持更加稳定状态，更有利于形成冷岛。

图1 宜昌热岛研究区域DEM(a)和土地利用类型(b)分布图(审图号为鄂S(2021)002号；文见第64页)

图2 2010—2019年宜昌研究区夏季白天(a)、夜间(b)平均热岛强度等级分布(审图号为鄂S(2021)002号)

3.2 热岛效应的季节变化特征

由于宜昌研究区白天热岛强度比夜间强，利用宜昌研究区2、5、8月和11月白天遥感影像数据进行不同季节热岛强度的变化研究。从宜昌研究区近10 a春季、秋季、冬季和夏季白天热岛强度等级分布(图3、图2a)来看，宜昌研究区四季均存在不同程度和范围的热岛效应，从春季到夏季热岛区面积呈现逐步扩张趋势，热岛强度也逐步增强。春季和夏季热岛区面积较大，热岛强度较强；秋季和冬季热岛区面积较小，热岛强度较弱。热岛区面积占比夏季最大(2.081 7%)，春季次之(1.889 7%)，冬季最小(0.270 6%)；热岛区强度以弱热岛为主。

图3 2010—2019年宜昌研究区春季(a)、秋季(b)、冬季(c)白天热岛强度等级分布(审图号为鄂S(2021)002号)

3.3 热岛效应的年际变化特征

从2010—2019年宜昌研究区域不同等级热岛面积占比和平均地表温度变化曲线(图4)来看，宜昌研究区平均地表温度呈现缓慢上升趋势，变化倾向率为0.485 3 ℃/10 a，高于1951—2018年亚洲年平均气温0.23 ℃/10 a的平均增速[7]，与全球变暖总趋势一致。热岛区热岛强度以弱热岛为主，热岛区面积占比以0.151 9%/10 a的速度呈现缓慢上升趋势，2018年达到最大，占比5.92%；2011年达到最小，占比2.25%。强热岛、较强热岛和弱热岛区占研究区总面积的比例均在5%以下，热岛比例指数均在0.2以下(表1)，为轻微等级，说明宜昌市近十年城市规划较好，未出现较强的城市热岛效应，且西部县市热岛效应并不明显，这与近年来宜昌市大力开展“中国气候宜居城市”、“中国天然氧吧”“中国气候宜居县”气候标志创建有关。

表1 2010—2019年宜昌研究区域不同等级热岛面积占比和热岛比例指数

图4 2010—2019年宜昌研究区域不同等级热岛面积占比和平均地表温度变化曲线

将宜昌研究区2010—2019年热岛区面积占比与国民经济和社会发展统计公报中的各类社会经济指标进行相关性分析(表2)，结果表明，接待旅游人数、民用汽车拥有量、供水总量与热岛区面积占比的相关性较大。为进一步挖掘与城市发展进程、城市热岛变化关系较大的相关社会经济指标的变化情况，选取2011年(热岛强度谷值)和2018年(热岛强度峰值)典型年进行相关社会经济数据指标的年际变化分析。结果表明，2018年与2011年相比，市区人口仅增长1.5%，城市规模基本稳定；但2018年宜昌市接待旅游人数、市区天然气供气总量、民用汽车拥有量均达到近10年来的峰值，其中接待旅游人数增长300.9%，民用汽车拥有量增长179.2%，能源消耗方面天然气和供水总量增长50%～80%。综上结果表明，即使城市规模稳定，但人类活动加剧，人为热排放在城市中心区域持续增长，加之建筑密度大、植被覆盖度低，都是导致热岛强度日趋增强的原因。

表2 宜昌研究区社会经济数据指标、热岛区面积占比的增长和2010—2019年相应经济数据指标与热岛区面积占比的相关性

4 结论与讨论

(1)宜昌研究区热岛的空间分布受地形地貌的影响比较明显，冷岛区主要分布在森林密集的北部和西部山区，无热岛区主要分布在山区向平原过渡的丘陵地带，热岛区主要分布在宜昌主城区至东南部平原地带。

(2)近10年宜昌研究区的热岛区和冷岛区面积白天均多于夜间，热岛强度白天强于夜间，热岛区在宜昌主城区到宜都一带比较集中，在当阳和枝江分别形成热岛孤岛。

(3)近10年宜昌研究区各个季节均存在不同程度和范围的热岛效应，春季和夏季热岛区面积较大，热岛强度较强；秋季和冬季热岛区面积较小，热岛强度较弱。其中夏季热岛区面积达到最大，热岛强度达到最强，冬季热岛区面积达到最小，热岛强度达到最弱。

(4)热岛区、冷岛区面积呈现缓慢上升趋势，无热岛区面积呈现缓慢下降趋势。强热岛区、较强热岛区和弱热岛区在总研究区域面积中的占比均在5%以下，热岛比例指数均在0.2以下，为轻微等级，说明宜昌市近10年城市规划较好，未出现较强的城市热岛效应，且西部县市热岛效应并不明显。