基于MODIS数据的宝鸡城市热岛季节特征分析

杨 琼，梁 萍，杨婷婷

(1.宝鸡市气象局，陕西 宝鸡 721006；2.96873部队，陕西 宝鸡 721006)

1 引言

城市热岛效应(Urban Heat Island Effect，简称UHI )是指城市中的气温明显高于外围郊区的现象，是在人类活动下，由于城市下垫面条件改变和人为产热等原因而形成的独特城市气候现象。

近年来，在全球增温和高速城市化的背景下，城市气候被认为是主导城市生态环境的重要因素之一，其最明显的特征就是城市热岛效应[1]。随着城市化进程的加快，城市人口不断膨胀、新型建筑大量增加、运行车辆急剧增多、工业经济持续发展、生产规模日益扩大以及其他诸多因素的影响，城市热岛现象正呈现不断加剧的趋势，对城市生态环境的影响越来越显著[2]。因此对城市热岛效应的研究分析，具有现实意义，而且一直是研究的热点问题。

目前，城市热岛常用研究手段包括气象观测[3～5]、数值模拟和卫星遥感技术，其中卫星遥感数据具有空间分布联系、来源稳定和时间同步性好等优势，近20年基于遥感反演地表温度的方法在城市热岛效应的研究上较为广泛[6]。许多学者利用LandsatTM热红外波段数据、Landsat7 ETM+和Landsat8 TIRS影像等多源遥感数据对城市热岛进行相关领域的分析和研究[7～12]。本文通过MODIS遥感影像提取地表温度，对宝鸡城市热岛效应的空间分布和季节规律进行分析。

2 研究区概况及数据预处理

2.1 研究区概况

宝鸡市位于秦岭纬向构造体系与其他构造体系的复合交接部位，具有南、西、北三面环山，以渭河为中轴向东拓展，呈尖角开口槽形的特点，属于温带大陆季风性气候，受局部地形影响，冷暖干湿四季分明。境内受秦岭山地等影响，海拔变化明显，消除海拔变化对地表温度的影响，经综合考虑，选取海拔小于等于800 m的宝鸡境内区域进行分析，即宝鸡辖区内的川塬区一带，海拔高程数据通过美国NASA提供的30m分辨率的SRTM数字高程模型数据进行提取[13]。同时为确保研究区内郊区选择的代表性，满足“结构稳定，种植制度和土壤性质在相当长时间内很少发生变化、离城中心相对较远不易受城市化环境污染带来的影响”的条件[14]，结合2018年基于Landsat-8 TM/ETM2通过遥感解译获取的土地利用分类(LUCC)数据，确定了本文研究区域的郊区范围。如图1所示。

图1 宝鸡辖区范围内研究区域及土地利用分类示意

2.2 数据来源及预处理

本文使用的地表温度数据来自MODIS传感器的Aqua卫星数据第6版地表温度8日合成产品(MYD11A2)，空间分辨率为1 km。MYD11A2数据利用分裂窗算法，通过MODIS传感器的31通道(10.78～11.28 μm)和32通道(11.77～12.27 μm)的地表比辐射率和亮温对地表温度进行反演。搭载在Aqua卫星平台的MODIS传感器，在一天内通过陕西上空的两个时间段为北京时间12:00～16:00和1:00～4:00(次日)，正值宝鸡每日气温最高值出现的时段。鉴于MODIS在时间分辨率上的连续性，本文利用2010年12月至2011年11月和2019年12月至2020年11月共计92期的MYD11A2资料，进行最优影像挑选，组成涵盖研究时期内各个月份的数据集，指定2010年12月至2011年2月为2011年冬季，2011年3～5月为2011年春季，2011年6～8月为2011年夏季，2011年9～11月为2011年秋季，2019年12月至2020年2月为2020年冬季，2020年3～5月为2020年春季，2020年6～8月为2020年夏季，2020年9～11月为2020年秋季，进行研究分析。

2.3 研究方法

2.3.1 热岛强度

按照多数文献研究城市热岛的方法，城市热岛强度(UHII：Urban Heat Island Inntensity)定义为城市和郊区气温之差，应用到地表城市热岛中可定义为城市地表温度与郊区地表温度之差，城市热岛强度能说明城区温度高于郊区温度的程度[15]。其表达式为：

(1)

式(1)中，Ii是遥感影像上第i个像元所对应的热岛强度，Ti是第i个像元所对应的地表温度，n为郊区像元的个数，Tcrop(i)为郊区像元地表温度。

由于本文选取的数据是2010年12月至2011年11月和2019年12月至2020年11月的遥感数据，不同时期地表温度范围存在差异，不便于进行对比分析，本文利用均值—标准差等间距的方法[16]，对研究区热岛强度进行统计分析。如表1。

表1 均值—标准差热岛强度等级划分

2.3.2 热岛比例指数

热岛比例指数(UHPI：Urban Heat Proportion Index)是城市空间单元范围内热岛面积与所在区域面积的比例，并赋值权重来表征该空间单元的城市热岛的发育程度，能有效比较不同空间单元的热岛强弱，还可以比较同一地区在不同时期的热岛强度大小[14]。其表达式为：

(2)

式(2)中，UHPI是城市热岛比例指数，m是热岛强度等级数，i是城区温服高于郊区温度等级序号，n是城区温度高于郊区温度的等级数，wi是第i级的权重，Pi是第i级在研究区内所占面积的百分比。UHPI在0～1.0之间，该值越大，热岛现象越严重。

3 结果与分析

3.1 宝鸡市地表温度分布特征

图2为反演宝鸡2011年冬(图2a)、春(图2b)、夏(图2c)、秋(图2d)和2020年冬(图2e)、春(图2f)、夏(图2g)、秋(图2 h)的地表温度发现：2011年冬季地表温度最高是13.5 ℃，出现在扶风东部，2020年冬季地表温度最高是15.6 ℃，出现在眉县西北部；2011年春季地表温度高值区面积大于2020年春季，其中2011年春季地表温度最高是33.6 ℃，出现渭滨区东北部，2020年春季地表温度最高是32.9 ℃，出现在岐山县与陈仓区交界处；2011年夏季地表温度最高是39.9 ℃，出现在扶风东部，2020年夏季地表温度最高是41.7 ℃，出现在金台区南部；2011年秋季地表温度最高是25.8 ℃，出现在扶风与眉县交界处，2020年秋季地表温度最高是28.5 ℃，出现在岐山县。

图2 宝鸡2011年冬(a)、春(b)、夏(c)、秋(d)和2020年冬(e)、春(f)、夏(g)、秋(h)遥感反演地表温度(单位：℃)分布

3.2 研究区热岛强度分布特征

表2列出了2011年、2020年冬、春、夏、秋四季研究区的热岛强度不同等级面积以及面积占比。可以看出，本文研究区内次热岛强度等级以上(含次热岛强度)面积范围冬季和夏季2011年大，春季和秋季2020年大；强热岛等级面积范围冬季、夏季和秋季2020年大，春季2011年大。次热岛强度等级以上(含次热岛强度)面积占比2011年四季大于2020年四季，强热岛面积占比2011年四季小于2020年四季。表2也可看出2011年四季中次热岛强度等级以上(含次热岛强度)面积范围夏季最大，占比46.78%，强热岛强度等级面积范围春季最大，占比19.9%；2020年四季中次热岛强度等级以上(含次热岛强度)面积范围夏季最大，占比37.78%，强热岛强度等级面积范围春季最大，占比19.27%。2011年的强热岛面积占比冬、夏、秋三季小于次热岛等级，春季大于次热岛等级，2020年强热岛面积占比夏、秋季小于次热岛等级，冬、春季大于次热岛等级。

表2 2011年四季不同热岛强度等级热面积及占比

图3是研究区2011年冬(a)、春(b)、夏(c)、秋(d)和2020年冬(e)、春(f)、夏(g)、秋(h)不同热岛强度等级空间分布情况。可以看出，研究区2011年强热岛范围冬季在凤翔东南部、扶风县城；春季在千阳县城、渭滨区金台区陈仓区交界处、眉县南部、扶风县城；夏季强热岛中心位于凤翔陈仓区岐山的交界处，金台区渭滨区陈仓区的交界处以及岐山城区也出现了强热岛中心，强热岛中心位置较分散；秋季强热岛中心位于凤翔东南部和扶风城区，金台区东南有强热岛中心。2020年冬季强热岛中心主要位于眉县北部一带，金台区东南有零星强热岛中心；春季的强热岛中心分布与2011年春季相同，但是强热岛面积较2011年增加；夏季强热岛中心分布在金台区渭滨区陈仓区交界处和凤翔陈仓区岐山的交界处以及扶风的西南、岐山的东南部，强热岛中心分布的范围广且零散，较2011年夏季增加；秋季强热岛中心位于陈仓区凤翔岐山交界一带以及岐山县中部地区，宝鸡市区处在绿岛范围内。从图3可看出研究区内，2011年冬季、2020年冬季和秋季，宝鸡市区属于冷岛和绿岛的强度等级低，2011年和2020年春季宝鸡市区呈现强热岛等级。

3.3 研究区热岛比例指数变化

热岛比例指数可比较同一地区在不同时期的热岛强度大小。图4是研究区2011年、2020年冬、春、夏、秋四季热岛比例指数。从图4可看出，本文研究区总热岛比例指数2020年低于2011年，2020年冬季、夏季热岛比例指数低于2011年，2020年春季、秋季热岛比例指数高于2011年，且2011年夏季热岛比例指数最高。

表3 2020年宝鸡四季不同热岛强度等级热面积及占比

图3 研究区2011年冬(a)、春(b)、夏(c)、秋(d)和2020年冬(e)、春(f)、夏(g)、秋(h)热岛强度等级空间分布

4 结论

(1)宝鸡市地表温度冬季最高值出现在2020年眉县西北部，达15.6 ℃；春季最高值出现在2011年渭滨区东北部，达33.6 ℃；夏季最高值出现在2020年金台区南部，达41.7 ℃；秋季最高值出现在2020年岐山县，达28.5 ℃。

图4 研究区2011年、2020年冬、春、夏、秋季热岛比例指数

(2)研究区内次热岛强度等级以上(含次热岛强度)面积范围冬季和夏季2011年大，春季和秋季2020年大；强热岛等级面积范围冬季、夏季和秋季2020年大，春季2011年大。次热岛强度等级以上(含次热岛强度)面积占比2011年四季大于2020年四季，强热岛面积占比2011年四季小于2020年四季。

(3)研究区内，2011年冬季、2020年冬季和秋季，宝鸡市区属于冷岛和绿岛的强度等级低，2011年和2020年春季宝鸡市区呈现强热岛等级。

(4)研究区内，热岛比例指数2020年低于2011年，2020年冬季、夏季热岛比例指数低于2011年，2020年春季、秋季热岛比例指数高于2011年，且2011年夏季热岛比例指数最高。