基于MODIS数据的郑州市城市热岛效应时空特征研究

2022-06-02王朝阳宋辛辛李海懿

绿色科技 2022年9期

王朝阳，宋辛辛，李海懿

(1.重庆师范大学地理与旅游学院，重庆 401331；2.郑州师范学院地理与旅游学院，河南郑州 450044)

1 引言

近年来，我国新型城镇化建设进程不断加速，大量建筑和道路集中构建，自然地表被破坏，废气废热高强度排放等引起下垫面性质及结构发生改变，城市出现“高温孤岛”现象[1～3]。相关学者[4,5]已经证实了城市热岛效应是城市化对气候影响最显著的特征。

国内大多数学者采用气象学和遥感学方法对城市热岛效应进行研究。黄群芳[6]通过研究表明城市空间形态可以显著改变城市热岛强度。张晓东等[7]利用景观格局和缓冲区分析方法，发现适当增加绿地斑块形状复杂度，可以很好地改善城市热环境。李玉杰等[8]基于“源-汇”理论，发现不同汇源景观的平均热场变异指数不同。刘丽香等[9]利用辐射传输法反演地表温度，发现城市不同功能区对地表温度作用程度不同。钱敏蕾等[10]揭示了城市热环境的变化与城市用地扩张或缩减的规律。潘莹等[11]采用了定量和定性分析的手段，揭示了地表温度与下垫面的关系，并表明城市热岛效应与环境要素关系密切。Streutker[12]发现城市热岛效应的增强与人口的增长息息相关。因此，有必要对城市热岛的形成机制及时空分布进行研究，以缓解地区的城市热岛效应。

郑州城市化进程不断加快，城市规模迅速扩大，城市结构也随之发生变化，这必然会引起热岛效应变化。学界对于郑州市城市热岛效应的研究开始较早，程炳岩等[13]分析了郑州的热岛特征及其随着季节和高度变化的规律，并讨论了关于郑州城市热岛效应的成因机制。李芳芳等[14]基于ETM数据分析了郑州市城市热岛效应及其影响因素。张凡等[15]利用2007～2016年MODIS地表温度产品，分析了郑州市城市热岛的时空演变特征。耿丽文[16]在风景园林视角下研究郑州中心城区的城市热岛效应时空演变。目前利用长时间序列的遥感资料对郑州城市热岛效应昼间和夜间年际变化的研究不多，本文以郑州为实证对象，采用2011～2020年MODIS温度产品，利用遥感技术研究郑州城市热岛效应特点及其演变，分析热岛效应的昼间和夜间的年际变化规律，以期为郑州市未来实现绿色发展提供参考。

2 研究区概况

郑州市是河南省会城市，位于河南省中部偏北，属于我国中部的中心地区，地处东经112°42′～114°14′，北纬34°16′～34°58′。郑州市气温年较差大，属于温带大陆性气候。郑州市处于黄河下游，约有124条河流，流域面积11.4 km2。地势西南高东北低。2020年郑州市GDP产值已达12003亿元。近10年来，郑州中心城区建成区面积迅速扩张，由354.7 km2扩张至709.69 km2，城市的扩张必然会引起热岛效应的变化，因此有必要对郑州市开展城市热岛效应的研究。

3 数据来源和研究方法

3.1 数据来源

使用的地表温度产品(LST，Land Surface Temperature)是通过美国国家航空航天局(NASA)的数据下载网站选取8d合成空间分辨率为1km的MOD11A2地表温度产品，以2011年、2015年和2020年为代表年份，选择覆盖研究区云量较少、图像质量较高的数据。

土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心提供的2015年Landsat TM影像(空间分辨率30m)解译数据，社会经济数据来源于《郑州统计年鉴(2011-2020)》、郑州市统计局。

3.2 数据处理

本研究利用ENVI和ArcGIS软件对2011～2020年共计138幅影像数据进行分析，先对数据进行投影矫正等预处理。利用ENVI中的拓展工具MCTK(The Modis Coversion Toolkit)实现数据坐标的转换和重投影，提取LST_Day_1km和LST_Night_1km对城市热岛效应进行分析，利用公式(1)将MODIS温度产品的单位转为℃。

LST=DN×0.02-273.15

(1)

式(1)中:DN为原始像素值，LST为地表温度。采用规则裁剪的方法，利用郑州市的行政界限在ArcGIS中对处理后的图形进行掩膜裁剪，去除残缺数据之后求均值，得到不同年份各个像元温度的均值，利用密度分割法对所得影像数据划分5个不同的地表温度等级，并利用RS和GIS计算出不同温度区所占面积的比例.

3.3 热岛指标

本研究利用UHIER指数[17]对热岛等级进行划分，UHIER指数的计算方法如下：

UHIERn=(Tn-Tmin)/(Tmax-Tmin)

(2)

式(1)中，UHIERn代表第n个像元的城市热岛强度，Tn表示第n个像元的地表温度值，Tmax则代表研究区地表温度最大值，Tmin代表研究区地表温度的最小值。UHIER指数可以反映热岛强度，利用密度分割法[17]将计算结果划分为5个等级。

4 结果与分析

4.1 郑州热岛平均场空间分布

采用2011～2020年每个像素的平均值表示热岛平均场(图1)，以高温区和较高温区面积之和表示热岛范围，热岛中心为高温区最集中区域，热岛效应的明显程度反应热岛强度，以高温区面积进行定量描述。对2011～2020年热岛平均场空间分布进行研究，可以反映出郑州市热岛范围的大体分布。

图1 2011～2020年研究区热岛平均场空间分布

从空间上来看，热岛范围由点状中心向外扩散，热岛中心的分布范围相对来说更为集中，大部分位于郑州市市辖区，而这些区域正是郑州市经济发展以及城市化水平较高的地区。高温区所占面积的比例为4.84%，较高温区在市辖区的周边地区、巩义市、登封市、新郑市、新密市及中牟县均有分布。在范围上，较高温区分布范围比高温区大，所占面积为26.93%。郑州市多数区域还是以中温区为主，所占面积为44.95%。低温区和较低温区分布于郑州的北部、东北部、登封北部及南部，所占面积为23.25%。

4.2 热岛效应时空变化分析

利用RS和GIS技术对研究区不同温度等级所占面积进行计算，获得郑州2011～2020年昼夜各温度区所占比例(表1)。近10年间，热岛范围所占面积基本稳定在25%～26%，没有预期的扩张现象，也没有明显的萎缩趋势，总体趋势较为平稳。

表1 2011～2020年昼夜各温度区所占的比例 %

从空间分布来看，2011年高温区主要集中分布在郑州市市辖区，其他地区分布较少，所占面积为4.89%。较高温区的分布比较分散，研究区内均有分布(图2a)，所占面积为21.56%；2015年较高温区分布相对集中，主要分布在市辖区及其周边地区(图2b)，所占面积为19.82%；2020年较高温区分布区域与2015年相似，分布范围有所扩张(图2c)，所占面积为4.55%.低温区和较低温区分布范围保持相对稳定，主要分布于郑州西部、北部以及东北部地区，其中东北部地区的较低温区在2011年后有缩减趋势。从热岛中心的空间分布来看，自2011～2020年，市辖区的热岛中心位置从未发生变动(图2)。

图2 研究区热岛平均场空间分布

从时间上来看，2011～2020年高温区分布范围先扩大后缩减，较高温区分布范围先缩减后扩大，新密市的热岛范围在2011～2015年有所缩减，但2015～2020年又被高温区覆盖。中温区分布范围持续扩大，这与王燕强等[19]对郑州市城市热岛的研究结论一致。低温区和较低温区分布范围持续缩减，中牟县大量较低温区转为中温区。计算每个像元的温度求平均值，得到郑州市2011年平均地表温度为17.03 ℃，2015年平均地表温度为18.24 ℃，2020年平均地表温度为17.38 ℃，2011～2020年平均地表温度基本维持在17～19 ℃之间(图3)。

图3 研究区2011～2020年昼夜平均地表温度变化

自2011～2020年市辖区一直处于热岛范围内。相关研究[7,19,20]表明，城市热岛效应与城市的植被覆盖率呈现出负相关关系。郑州城市扩建造成植被覆盖度减小[19]。汪洋等[20]学者认为在都市区内部的高密度建成区，植被覆盖度具有主导性约束力，因此缓解郑州市的城市热效应，可以通过发展城市绿化来实现。

在城市化推进过程中，郑州市城区面积不断扩大。刘宇峰等[21]研究表明：不同因素对于热岛强度变化的影响程度也存在着差异，其中城市常住人口数、城市常住人口密度以及城市建成区面积，对城市热岛效应的影响最为显著。在市辖区人口较多，极易形成一个强热岛，而周边地区较难形成强热岛区。郑州城区建成时间较早。相关研究[22,23]表明，郑州城区面积在2001～2010年间建设用地迅速向四周扩张，城市下垫面性质改变，致使城市热岛效应显著增强，因而可以通过优化郑州市国土空间格局来缓解城市热岛效应。

4.2.1 昼间热岛时空变化分析

昼间热岛范围(表1)和中心(图4)波动较大，2011年热岛范围所占面积达到42.13%， 2015年后，热岛范围基本上稳定在34%～35%，昼间热岛范围有微弱缩减趋势，高温区和较高温区的变化趋势明显(表1)。

从空间分布来看，2011年较高温区在郑州市辖区、新郑市、中牟县、新密市和登封市分布广泛(图4a)，所占面积达到了39.63%。高温区只有零星分布，所占面积为2.50%。低温区和较低温区主要分布在郑州北部、东北部以及登封北部，所占面积为24.37%；2015年高温区集中分布在郑州市市辖区、新郑市以及中牟县(图4b)，所占面积为13.41%。低温区与较低温区分布与2011年基本保持相似；2020年高温区分布区域极小(图4c)，所占面积仅为0.90%。较高温区主要分布在郑州市市辖区、登封市以及中牟县，所占面积为33.26%。

图4 研究区昼间热岛平均场空间分布

从时间上来看，2011～2020年高温区分布范围先扩大后缩小，较高温区分布范围先缩小后扩大，中温区分布范围一直保持扩大的趋势，较低温区分布范围先扩大后缩小，低温区分布范围先减小后扩大。 2011年郑州市的高温区只有零星分布，较高温区分布范围广,2015年较高温区面积缩减，高温区面积扩散，使得市中心热岛强度增加，热岛中心向新郑市扩散，2020年郑州市市辖区以及东南地区的高温区大幅衰减，转而成为较高温区。从2011～2020年，郑州北部、西部以及西南边缘都为较低温区和低温区，结合郑州土地利用类型分布，郑州北邻黄河，西部以及西南边缘都分布有大量林地。由图3得到，2011～2020年昼间平均地表温度先上升后下降，与热岛强度的变化趋势保持一致。

综上所述，昼间热岛范围先缩小后扩大。结合数据[24,25]，郑州市2011年生产总值为4952.1亿元，到2020年增加至12003.0亿元；2010年郑州市中心城区建成区面积为316 km2，到2020年增加至709.69 km；2010年郑州市区常住人口为862.7万人，到2020年增加至1262万人。经济高速发展以及城镇化建设是郑州市中温区面积增加的主要原因。热岛效应的变化与城市化关系密切，伴随城市化向新郑市等地区推进，热岛中心有向新郑市逐渐转移的趋势。

4.2.2 夜间热岛时空变化分析

夜间的城市热岛范围相对于昼间缩小程度更加明显(表1)。热岛范围先缩小后扩大，热岛范围所占面积维持在25%～28%之内，各温度区所占面积变化较小，市辖区的热岛中心位置从未发生变动。

从空间分布来看，2011年高温区主要分布在郑州市市辖区，其他地区只是零星分布，高温区所占面积为5.82%(表1)。低温中心多分布于登封北部，低温区和较低温区主要分布于郑州的北部、西南以及东南地区，分布范围较广(图5a)，所占面积达到了33.58%；2015年郑州市市辖区仍以高温区为主导，巩义市部分地区的较高温区转为高温区(图5b)，高温区所占面积为7.08%，低温区和较低温区的分布范围与2011年基本相似，所占面积为35.35%；2020年高温区分布仍以市辖区为主(图5c)，所占面积为6.47%。低温区和较低温区仍主要分布于郑州的北部、西南和东南地区，所占面积为33.92%；2011～2020年新郑市、登封市以及中牟县的南部都保持着较大面积的低温区，其他地区的低温区只是零星分布，未形成较大规模(图5)。

图5 研究区夜间热岛平均场空间分布

从时间上来看，2011～2020年高温区分布范围先扩大后缩小，较高温区则出现与高温区相反趋势，低温区分布范围先缩小后扩大，较低温区分布范围先扩大后缩小。夜间的高温中心不同于昼间，自2011年以来，夜间的高温中心一直存在于市辖区。中温区基本保持稳定趋势。在巩义市，2011年有大量较高温区分布，2015年部分较高温区转变为高温区，2020年强热岛中心开始缩减；郑州西南、东南地区始终大面积处于较低温区；新郑市自2011～2020年一直存在着一个小面积的高温中心。巩义市的高温区在2015～2020年间有缩减的趋势。经过计算得到郑州市2011、2015和2020年夜间平均地表温度分别为11.58 ℃、12.89 ℃和13.53 ℃，夜间平均地表温度有逐渐上升的趋势(图3)。

综上所述，夜间热岛变化范围比昼间小。结合数据及图像可得:夜间热岛范围先缩小再扩大，趋势与昼间保持一致。夜间城市热岛效应比昼间弱，说明太阳辐射减弱，人口流动减少，交通压力减小等在一定程度上可缓解或减弱城市热岛效应。

4.3 热岛效应空间分布与用地关系

为了探究热岛效应的空间分布与城市用地的关系，选取研究期内中间年份2015年为代表，分析该时期的土地利用类型(图6)与2015年热岛平均场的空间分布(图2b)关系。

从空间上看，2015年热岛范围集中分布与市辖区及周边地区，荥阳市、巩义市、新密市以及登封市均只分布小面积高温中心，高温中心呈现零星分布的特点，结合图6这些高温中心都为城乡居民用地。郑州市多数区域以中温区为主，结合其土地利用类型，中温区以水田旱地为主，可知耕地、草地、林地以及水域在一定程度上可缓解或减弱城市热岛效应。

低温区分布在登封的北部、南部以及郑州的北部，此区域林地是其主要土地利用类型，郑州北邻黄河，所以此区域为低温区，土地利用类型为水域(图6)。通过对比平均场的空间分布和土地利用类型，郑州市城市热岛效应的空间分布范围和形式与郑州市的下垫面性质基本保持一致，下垫面性质可以影响城市温度。