基于Landsat和MODIS的福州市夏季地表热岛研究

2022-04-27官雨洁

海峡科学 2022年3期

官雨洁吴滨

(1.福州市气象局，福建福州 350000；2.福建省气候中心，福建福州 350000)

工业化的发展、城市人口的增加以及城市地区本身特殊的地表特征造就了独特的城市气候特征[1]。在气候变暖背景下，城市热岛问题正变得愈发突出[2]，尤其在夏季，已经严重影响城市居民的正常生活与健康[3-4]。遥感以其快速、覆盖范围广、信息量大等特点成为热岛研究主要数据源[5]，各国学者利用不同卫星遥感数据进行了热岛相关研究。Clason等[6]利用热红外遥感数据对洛杉矶地区的昼夜热场分布进行了研究；Streutker等[7]利用NOAA数据剖析了休斯顿地区城市热岛的机制；周红妹等[8]利用RS和GIS方法了解上海地区的城市化变化动态；任永建等[9]通过遥感影像成功反演绍兴市地表亮温并总结了热岛分布特点；吴天安等[10]利用普适性单通道算法以MODIS数据为辅助，从ETM+得到陆地表面温度来研究城市热岛。遥感能提供一定精度的地表信息，满足城市地表热岛的时空动态分析与研究要求。此外，大气污染物对城市气温的影响越发严重，基于此，本文以福州市夏季为例，使用Landsat TM/ETM+/8遥感影像以及MODIS遥感产品对其地表热岛的时空变化特征进行分析，同时研究植被和大气污染对地表热岛的影响，以期为城市规划建设提供参考依据。

1 研究区域和研究方法

1.1 研究区域

福州是福建省会，地处我国东南沿海，近年来城市化进程不断加快，城市气候与环境也发生了巨大变化，特别是夏季城市热岛效应明显，热环境质量下降。本文选择福州四城区(鼓楼区、台江区、仓山区、晋安区)作为主要对象进行研究(见图1)。

图1 研究区域

1.2 研究方法

1.2.1 资料来源和处理

使用福州市2000年6月、2008年7月和2016年7月夏季晴朗无云的Landsat TM/ETM+/8影像以及2003—2016年夏季MODIS遥感产品(包括地表温度产品、植被指数产品和气溶胶产品)。Landsat影像从USGS官方网站下载，并在使用前对其进行辐射定标和大气校正等预处理。MODIS遥感数据在NASA MODIS网站下载，地表温度产品(MYD11A2)时间分辨率8天，空间分辨率1km；植被指数产品(MYD13Q1)时间分辨率16天，空间分辨率250m；气溶胶产品(MYD04_3K)空间分辨率3km，由Kriging空间插值法得到。

1.2.2 地表亮温反演算法

Landsat TM/ETM+/8第6波段为热红外辐射强度，由其所接收到的地面热辐射值可得到对应的地面温度，但卫星在接收过程中会受到大气和地面等诸多因素的干扰，要准确反演地面温度目前还较难实现[11]。本文主要是对强度和空间分布进行分析，故选用地表亮温数据代表地面温度，虽然地表亮温和地面温度在数值上不同，但具有相同的变化趋势和很强的相关性，地表亮温可以很好地拟合地面温度的分布格局[12]。采用单窗算法对热红外波段进行地表亮温反演。首先运用式(1)将热红外波段的灰度值转化为热辐射亮度值。

(1)

式(1)中，L为热辐射亮度，DN为像元灰度值，Lmax、Lmin分别是该遥感器接收的最高、最低辐射值。

其次，将热辐射亮度转化为地表亮温，计算公式为：

(2)

式(2)中，Tb为地表亮温，K1、K2为亮度反演常量，单位为K。

最后运用ENVI中的波谱运算功能得到地表亮温。

1.2.3 温度差值分级法

选择温度差值分级法对热岛进行等级划分[13]，本文根据地表温度图像中计算出的像元平均温度值作为基础值，使用反演后的地表温度图像与基础值做差得到温度差值图像，运用ArcGIS几何间隔法对地表温度差值图像进行分级，从而得到热岛等级图。

2 结果与分析

2.1 基于Landsat数据的地表热岛时空分布特征

依据地表亮温计算结果，结合ArcMap地理信息系统分析福州市夏季地表热岛空间分布特征，将地表热岛强度进行等级划分(详见表1)，从低温到高温依次分为：低温(冷岛)、中温(无热岛)、次高温(弱热岛)、高温(热岛)、特高温(强热岛)，得到城市地表热岛等级图(图2)。可以看出，2000—2016年福州市夏季地表热岛不断加剧，热岛面积和强度都有明显增加，呈现出中心向四周扩散的现象。

表1 地表热岛强度分级标准

由图2(a)可知，2000年福州市夏季地表弱热岛呈片状覆盖中心城区，出现少量高温区和散点状的特高温区，城市热岛不强，其中高温区域大多位于河谷平原地带，也是福州市老城区，人口密度较大，建筑物密集，建筑物多以砖石、水泥、沥青等材料为主，这些材料对太阳光的吸收率大反射率小，造成城市下垫面吸热多，加上人为热排放影响，导致地表温度更高；图2(a)左侧出现异常高温现象的原因是，影像获取时土地处于裸土或沙地，热容小，接收太阳辐射时升温快，使得地面温度明显上升；2000年的中低温区域面积最大，多为水体绿植覆盖区，如森林、农田、水库、河流等。2008年(图2b)城区热岛面积进一步扩大，热岛效应加剧，次高温和高温区域明显增多，2000年的主要高温区被分散，晋安区、仓山区和沿江两岸处于开发建设中，出现了较为明显的斑点状特高温区；中温区面积相比于2000年有明显减少，农田地块被开发。2016年(图2c)城区热岛面积继续扩大，热岛强度继续增强，出现片状覆盖的高温区和特高温区，除水体覆盖区和密集植被区外，城区在夏季都出现了不同程度的热岛效应；2008年的部分高温区在2016年发展成了特高温区，其余高温区范围明显变大，特别是仓山区的工业园和物流中心增幅十分明显，热岛效应显著；此外闽江部分流域也由低温区变成了中温区，低温区面积相比于2008年明显减少。

通过对比福州市2000年、2008年和2016年的夏季地表热岛等级图，对照土地实际使用结果，发现城市建筑和裸地的面积不断增加，水域、林地和农田的面积不断减少。热岛较明显区域主要分布在火车站、商业中心、工业园区，也是人口集中、建筑密集、绿化率偏低的区域。热岛强度的分布差异由多种因素造成[14]，自然因素有太阳辐射、风、大气运动等，人为因素有土地利用类别、人口密度等。

2.2 基于MODIS数据的地表热岛影响因素分析

归一化植被指数(NDVI)是近红外和红光波段反射率的归一化比值，是MODIS数据中反映植被生长及覆盖的最佳指数。MODIS数据中气溶胶产品(AOD)在可见光波段中比植被更亮，可用于表征气溶胶特性。将MODIS地表温度、NDVI和AOD数据分别计算得到城乡差值，进行相关性分析，结果如表2所示。

表2 2003—2016年福州市夏季地表热岛与植被指数及气溶胶的相关性

从表2可以看出，城乡气溶胶浓度差异(ΔAOD)与福州市夏季夜间地表热岛存在较为显著的正相关性，其余相关性不显著。由此可见，较高的气溶胶浓度是导致福州市夏季夜间地表热岛增强的影响因子之一。夜间城市地表发射的长波辐射被气溶胶粒子散射，造成向下长波辐射增加使得城市地表温度不能有效降低，加剧了夜间城乡地表温度差异，夜间热岛效应显著。这与WANG[15]等人的长波辐射对比分析所得到的结果一致。气溶胶浓度对白天地表热岛并没有明显影响，原因是白天气溶胶颗粒在截留地表长波辐射的同时还散射出入射的太阳短波辐射，降低了城市地区净辐射量，在一定程度上缓解了地表热岛。也有研究表明，白天这两种效应基本可以互相抵消[16]，因此气溶胶对白天城市热岛的影响较弱。

以往研究结果显示，城乡植被覆盖率差异(ΔNDVI)与ΔT在夏季(植被生长季)存在很强的负相关性[17]，但本研究中两者未呈现显著相关性。原因可能是，福州市植被覆盖率处于相对较高水平且夏季绿度值高，城乡NDVI差值较小，城乡地区通过植被蒸腾降温的差异不大，故对城市地表热岛无明显影响。