基于多源卫星资料的太原市城市热岛效应分析

米晓楠， 白林燕， 赵永强， 王大勇， 杨 倩， 杨 超*， 栾 青

(1.山西省气候中心， 太原 030006； 2.中国科学院空天信息创新研究院， 北京100094)

城市热岛效应定义为城区气温高于郊区的现象[1-2]，是城市气候最显著的特征之一[3]。自1833年LakeHoward首次发现城市热岛现象以来，城市热岛效应逐渐成为城市生态环境领域关注的焦点问题[4]。由于城市热岛引起的市区温度上升，导致环境舒适度下降，大气污染加重，居民生活质量受到严重影响[5-6]，对城市热岛效应动态变化开展定量监测以及城市热岛效应成因分析已经成为现代城市发展研究的重要内容。目前，城市热岛的研究方法主要有：气象观测法、数值模拟法和遥感监测法[7-8]。气象观测法的研究开始较早，可实现长时间序列的城市热岛变化监测与分析，但并不能反应城市热岛详细的空间变化特征[9]。林学椿等[10]利用北京地区41年的气象观测年平均气温记录，研究了北京地区的大尺度气温变化及其热岛效应。张佳华等[11]利用气象台站数据分析北京城郊气温和城市热岛强度的日变化和年变化特征。邓红等[12]选取1978—2017年呼和浩特市区及市郊地区最高、最低气温等气象资料，对呼和浩特市夏季城市热岛效应进行分析。数值模拟法可获取多层温度，在三维空间上具有连续性，但方法实现过程复杂，且难以得到高空间分辨率的产品[13]。刘倩等[14]为分析城市化对北京城市热岛效应的影响程度，利用中尺度天气研究和预报(weather research and forecasting model，WRF)模式对北京城市下垫面因子的变化进行模拟。颜廷凯等[15]采用中尺度WRF模型系统模拟城市热岛的时空分布。遥感监测法具有实时动态、覆盖范围广、数据获取方便的优点，对城市热岛可同时开展时间变化和空间结构特征的研究，近十年来已成为城市热岛分析的重要方法[16]。刘帅等[17]基于HJ-1B卫星反演北京市地表温度，分析北京市热岛效应季节变化。党元军等[18]利用近20年的MODIS遥感数据分析西安城市热岛效应。熊鹰等[19]利用Landsat遥感数据，并结合兴趣点(point of interest, POI)空间大数据和数字高程数据分析了长沙市人居热环境效应。

随着太原市城市化进程不断加快，城市结构逐渐变化，城市热岛现象也随之发生变化[20]。对太原市城市热岛效应的研究开始较早。陈二平等[21]根据1982年和1985年两次大规模野外观测资料，运用中尺度准静动力学模式对太原市温度场进行数值模拟。李艳红等[22]根据太原市1980—2009年气象观测站资料分析了太原市热岛强度变化规律。刘艳红等[23]利用Landsat系列卫星传感器TM(thematic mapper)遥感数据分析了1986年、1995年和2001年的太原市城市热岛分布特征。但是对2011年以后太原市城市热岛的发展变化情况尚未有相关研究分析。基于多源卫星资料遥感监测方法，对太原市2003—2019年的城市热岛效应开展连续定量的时空变化特征分析，并分析城市热岛区和冷岛区下垫面地表特征，对太原市生态文明建设，推进一体化发展，带动全山西实现跨越式发展具有重要参考意义。

1 研究区概况

太原市位于山西省中北部，地理坐标东经111°30′～113°09′，北纬37°27′～38°25′，属北温带大陆性气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，全年平均气温10.6 ℃[24]。如图1所示，太原市辖6个市辖区、3个县，代管1个县级市。

图1 太原市行政区划Fig.1 Administration regions of Taiyuan City metropolis

太原市建成区面积在不到20年的时间里增加近2倍，常住人口增加1.3倍，全市GDP增加7.8倍[25-26]。伴随着太原市的快速发展，城镇化不断推进，城市下垫面热力性质发生明显变化，导致城市内部温度明显高于周围郊区，对太原市社会经济发展和城市居住环境产生重要影响。

2 数据与方法

2.1 数据来源

2.1.1 MODIS卫星资料

太原市2003—2019年MODIS/Aqua白天8 d合成地表温度产品(MYD11A2)以及植被指数月产品(MYD13A3)。所用MODIS地表温度和植被指数产品空间分辨率为1 km，均来源于美国国家航空与航天局数据网站(https://ladsweb.nascom.nasa.gov/index.html)[27-28]。

2.1.2 Landsat8/OLS卫星资料

2019年8月15日太原市Landsat8/OLS资料，空间分辨率为30 m，数据来源于美国地质调查局网站(http://glovs.usgs.gov/)[29]。

2.1.3 辅助资料

数据高程数据采用GMTED2010 DEM数据，由美国国家地理空间情报局(National Geospatial Inte-lligence Agency, NGA)和美国地质勘探局(United States Geological Survey, USGS)联合制作发布。中国区最高分辨率为7.5″(约200 m)。太原市中心城区的高程范围在750～950 m。

土地利用数据是从国家地理信息公共服务平台(https://www.tianditu.gov.cn/)下载的30 m全球地表覆盖数据(GlobeLand30)。

城市灯光数据选取2018、2019年太原市春节期间的NPP/VIIRS数据，空间分辨率为500 m，数据来源于美国国家地球物理数据中心(https://www.ngdc.noaa.gov/eog/viirs/download_dnb_composites.html)[30]。

2.2 研究方法

2.2.1 地表温度反演

(1)长时间序列的地表温度数据获取。利用ENVI/IDL软件编程选取质量良好的Aqua/MODIS的8 d合成地表温度产品(MYD11A2)，批量合成太原市月、季、年的地表温度平均值，分别获取2003—2019年太原市月、季、年的地表温度数据集。

(2)高空间分辨率的地表温度反演。基于Landsat8高空间分辨率遥感数据，采用目前应用较为广泛的大气校正法反演地表温度[31]。大气校正法基于大气辐射传输的原理，利用谱朗克函数获取地面真实的地表温度，计算公式为[32]

Ts=K2/ln[K1/B(Ts)+1]

(1)

式(1)中：Ts为地表真实温度，K；B(Ts)为在热红外波段获取的黑体热辐射亮度，对应Landsat8第10波段；K1和K2为卫星定标常数，Landsat8第10波段K1=774.89，K2=1 321.08。

2.2.2 热岛效应监测及评价

(1)城市热岛强度计算。城市热岛效应通常采用城市热岛强度(urban heat island intensity, UHII)进行表征，即计算研究区内地表温度与郊区背景温度差值[33-34]，其计算公式为

(2)

式(2)中：UHIIi为图像上第i个像元所对应的热岛强度；Ti为第i个像元地表温度；n为郊区内的有效像元数；Tsub为郊区内的地表温度。

利用指标法定义郊区范围[34]，根据城市郊区多分布在乡村农田、高植被覆盖区，且人类活动较少的特点，设置郊区指标为：土地利用类型为农田；植被指数(normalized vegetation index,NDVI)≥0.7；夜间灯光数值DN≤15。此外，为减少由高程引起的地表温度差异的影响，在与城市中心所在区域高程差别≤50 m的区域内提取郊区背景。一般把UHII划分为7个等级，表征城市热岛效应的强弱[35]，具体等级划分如表1所示。

表1 城市热岛强度UHII划分及含义Table 1 UHII classification and meaning

(2)区域城市热岛效应综合评估。城市热岛比例指数(urban heat island proportion index，UHPI)[36]，基于城市热岛强度计算结果，城市建成区内城区温度高于郊区温度的不同等级热岛强度的面积加权和。UHPI可以综合反映每个辖区的整体城市热岛强度，也可以定量反映城市热岛效应的时空差异，其计算公式为

(3)

式(3)中：m为热岛强度等级数；i为城区温度高于郊区温度等级序号；n为城区温度高于郊区温度的等级数；wi为第i级的权重，取等级值；pi为第i级所占的面积百分比，数值为0～100%；UHPI值在0～1.0，该值越大，热岛现象越严重。

3 结果与分析

3.1 热岛效应分析“理想时间窗口”

利用太原市辖区各县(市、区)2003—2019年的每月城市热岛比例指数UHPI，计算出近20年每个县(市、区)月平均UHPI。如图2所示，辖区各县(市、区)的月平均UHPI均在7—9月期间较高，且峰值多出现在8月，因此，太原市热岛效应分析的“理想时间窗口”在7—9月期间，“最理想时间窗口”在8月。可以看出，1—12月小店区和清徐县月平均UHPI均较高, 古交市、娄烦县和阳曲县月平均UHPI均较低；在热岛效应“理想时间窗口”期间(7—9月)，小店区的月平均UHPI最高，其次为尖草坪区、杏花岭区、晋源区、迎泽区、清徐县和万柏林区。

图2 太原市辖区各县(市、区)2003—2019年 月平均UHPI变化Fig.2 Monthly average UHPI change curves of counties in Taiyuan City from 2003 to 2019

3.2 城市热岛时间变化分析

根据太原市辖区各县(市、区)2003—2019年热岛效应“理想时间窗口”期间(7—9月)的变化趋势特征主要分为四类(图3)：第一类为城市热岛效应强度整体呈增强趋势的地区，如小店区、晋源区和清徐县的UHPI值整体呈上升趋势；第二类为城市热岛效应强度呈先增强后减弱趋势的地区，如迎泽区和杏花岭区UHPI从2003年开始先上升，至2008年呈下降趋势；第三类为城市热岛强度变化不明显地区，如尖草坪区和万柏林区多年UHPI在水平线上下波动，无明显变化趋势；第四类为位于郊区的城市热岛强度较弱或无热岛地区，如阳曲、娄烦、古交UHPI值都较低，且近年来呈更低的变化趋势。

图3 太原市辖区各县(市、区)2003—2019年 7—9月UHPI变化Fig.3 UHPI change curves of counties in Taiyuan City from July to September 2003 to 2019

3.3 城市热岛空间变化分析

图4为2003—2019年太原市辖区各县(市、区)在城市热岛效应分析“最理想时间窗口”(8月)的城市热岛效应空间变化图。2003年，太原市强热岛区域主要集中在人口较为聚集、建筑较多太原市中心城区——尖草坪区南部、万柏林区东部、杏花岭区西部、迎泽区西部、小店区北部以及晋源区北部局地，此外，清徐县、古交市和娄烦县等局部地区也发生较强城市热岛效应。而强冷岛区面积很少，主要集中在阳曲东部和娄烦西部等少部分地区。2003—2019年，太原市中心6个城区的强热岛区域面积整体呈增加趋势，不断向南扩张，南部的小店区和晋源区强热岛区域面积增加显著，与强热岛区域也在不断扩大的清徐县相连成片。与此同时，太原市郊区的山区、林区等地区，如尖草坪西部、万柏林区西部、杏花岭区东部、晋源区东北部、阳曲县、古交市、娄烦县的城市热岛强度整体呈现减弱趋势，强冷岛区域的面积增加显著，对所在县(区、市)的热岛效应起到缓解作用。

图4 太原市2003—2019年8月城市热岛强度空间变化Fig.4 Spatial variation of urban heat island intensity in Taiyuan City in August from 2003 to 2019

图5 太原市高温区下垫面采样图Fig.5 Sampling of underlying surface in high temperature area of Taiyuan City

3.4 城市热岛区与冷岛区下垫面特征分析

城市热岛区的地表温度较高，冷岛区的地表温度较低。基于2019年8月15日的Landsat8数据获取高空间分辨率的太原市中心区地表温度，叠加至Google Earth上，分别对太原市地表温度高温区和低温区下垫面实体进行采样，分析太原市城市热岛区和冷岛区的地表类型特征。图5对地表温度分布图高温区实体特征进行采样，具体采样信息如表2所示，图6对地表温度分布图低温区实体特征进行采样，具体采样信息如表3所示。

从图5和表2对太原市中心城区高温区下垫面实体特征采样结果表明，高温地区主要分布在工业产业园区、火车站、飞机场、学校操场等地，这些地区平均地表温度均在40 ℃以上。其中，工业产业园区建筑材料多为彩钢板，太原火车南站和山西国际展览中心建筑顶部材料为铝板，飞机场和太原卷烟场以大面积混凝土为主；学校操场多为塑胶跑道，这些材料吸热性都很强。在以吸热性材料为主的空间分布集中区，高温天气发生时，地表增温效果显著，形成热岛区进一步加剧城市热岛效应。从图6和表3对太原市中心城区及周边低温区对应的实体特征采样结果表明，低温区主要分布在大型公园和郊区等地区，这些地区平均地表温度均低于30 ℃。其中，大型公园以水体和林地为主，郊区多以林地和农田为主。在以植被和水体为主的空间分布集中区，地表降温效果显著，形冷岛区有效缓解城市局部地区的热岛效应。因此，在太原城市发展建设中应加强对汾河、晋阳湖等市域水体和湿地的保护，加强城市中心区的绿化建设以及郊区绿色生态区的保护。

表2 高温区下垫面采样点地表类型特征Table 2 Characteristics of surface types of underlying surface sampling points in high temperature area

图6 太原市低温区下垫面采样图Fig.6 Sampling of underlying surface in low temperature area of Taiyuan City

表3 低温区下垫面采样点地表类型特征Table 3 Characteristics of surface types of underlying surface sampling points in low temperature area

4 讨论

城市热岛效应形成的机理较复杂，研究表明，这可能与土地利用类型的变化以及气象因素如气温等存在一定关系。只针对多年来太原市的城市热岛效应变化规律以及热岛、冷岛区的地表特征进行了分析，今后将重点研究太原市城市热岛效应与土地利用变化和气象条件等因素的关系，探讨太原市城市热岛效应的影响因素以及形成机制，促进城市采取减缓城市热岛效应的有效措施。此外，在与早期气象观测法的研究结果[22]进行对比过程中发现，遥感监测与气象观测的城市热岛效应季节变化规律存在不一致的情况，主要原因在于两者观测的机理不同，今后也将考虑两种监测方法的融合统一。

5 结论

基于多源卫星资料遥感监测方法，对太原市“十五”期间以来的城市热岛效应开展连续定量的时空变化特征分析，并分析了城市热岛区和冷岛区下垫面地表特征，得到以下结论。

(1)2003—2019年，太原市辖区各县(市、区)城市热岛效应较强的月份主要发生在7—9月，且城市热岛效应最强的月份多发生在8月。

(2)小店区城市热岛效应最强，其次为尖草坪区、杏花岭区、晋源区、迎泽区、清徐县和万柏林区, 古交市、娄烦县和阳曲县城市热岛效应轻微。

(3)近20年太原市辖区各县(市、区)城市热岛强度变化趋势不同，南部小店区、晋源区和清徐县城市热岛强度整体增加趋势明显且逐渐相连成片，在今后城市发展中重点关注。

(4)近20年太原市北部、东北部和西南部郊区的城市热岛强度整体呈现减弱趋势，强冷岛区域的面积增加显著，有效缓解了所在县(市、区)的热岛强度。

(5)在城市发展建设中注意金属、混凝土或塑胶等建筑吸热材料对局部热岛效应的加强作用，可通过大面积水体、植被等缓解局部地区热岛效应。