劉勇洪，欒慶祖，權(quán)維俊，張碩

1. 北京市氣候中心，北京 100089；2. 中國氣象局京津冀環(huán)境氣象預(yù)報(bào)預(yù)警中心，北京 100089

基于多源衛(wèi)星資料的京津唐城市群熱環(huán)境研究

劉勇洪1，欒慶祖1，權(quán)維俊2，張碩1

1. 北京市氣候中心，北京 100089；2. 中國氣象局京津冀環(huán)境氣象預(yù)報(bào)預(yù)警中心，北京 100089

摘要：基于FY-3A/B、MODIS/Aqua、NOAA18/AVHRR等多源衛(wèi)星資料，利用地表熱島強(qiáng)度、熱島比例指數(shù)開展了京津唐城市群熱島時(shí)空變化分析研究，并結(jié)合Landsat-TM衛(wèi)星資料提取的地表參數(shù)、氣候背景參數(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)參數(shù)等開展了地表熱場的成因分析研究。研究結(jié)果表明：地表熱島強(qiáng)度指標(biāo)能有效反映京津唐城市群熱島的時(shí)空變化，熱島強(qiáng)度的大小與高溫強(qiáng)弱沒有直接關(guān)系，而且地表熱島強(qiáng)度只有在夜晚才與氣溫觀測具有一致性，即冬季最強(qiáng)，夏季最弱；而在白天則呈相反規(guī)律。熱島比例指數(shù)估算顯示2012年京津唐城市群熱島強(qiáng)度排名前3的分布是天津市轄區(qū)（0.86）、北京市轄區(qū)（0.85）和朝陽區(qū)（0.74），唐山市轄區(qū)也達(dá)到了0.50。熱場成因分析表明不透水蓋度是城市熱島差異的最重要下墊面因子，遙感陸表溫度較現(xiàn)有氣象觀測更能顯示城市熱島的空間分布，城市熱島強(qiáng)弱與國民生產(chǎn)總值、人口數(shù)、用水量和用電量都有比較明顯的線性正相關(guān)關(guān)系（線性回歸模型決定系數(shù)R2分別為0.513 1、0.485 3、0.483 6和0.306），而與人為熱有明顯的對數(shù)正相關(guān)關(guān)系（模型決定系數(shù)R2為0.672 3）。不透水蓋度、人均用水量和年平均氣溫構(gòu)成了城市熱環(huán)境差異的主要影響因子（模型決定系數(shù)R2為0.80），反映了城市下墊面參數(shù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和氣候背景因素對城市熱島空間差異的共同影響。

關(guān)鍵詞：熱島強(qiáng)度；熱島比例指數(shù)；時(shí)空變化；成因分析；不透水蓋度；京津唐

引用格式：劉勇洪，欒慶祖，權(quán)維俊，張碩. 基于多源衛(wèi)星資料的京津唐城市群熱環(huán)境研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(7): 1150-1158.

LIU Yonghong, LUAN Qingzu, QUAN Weijun, ZHANG Shuo. Research on Heat Environment of Beijing-Tianjin-Tangshan Urban Group Based on Multisource Satellite Data [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(7): 1150-1158.

城市熱環(huán)境最明顯的特征就是城市熱島效應(yīng)（Urban Heat Island effect，簡稱UHI），是指城市中的氣溫明顯高于城市外圍郊區(qū)的現(xiàn)象，是城市氣候最明顯的特征之一（肖榮波等，2005）。城市熱島降低了人們生活的舒適度并加劇了大氣污染，嚴(yán)重影響了居民生活質(zhì)量，如何定量地監(jiān)測城市熱環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化及開展熱環(huán)境成因分析已成為當(dāng)前城市熱島研究的重要內(nèi)容。目前，常用的城市熱島研究手段有3種：氣象觀測、數(shù)值模擬和衛(wèi)星遙感。氣象觀測由于具有觀測資料時(shí)效長、定點(diǎn)、準(zhǔn)確、定量的優(yōu)勢，一直被作為基礎(chǔ)手段用于研究城市熱島的時(shí)空演變規(guī)律（張光智等，2002；季崇萍等，2006；Liu et al.，2007；郭勇等，2006；謝莊等，2006）。張尚印等（2006）利用長時(shí)間序列氣溫資料開展了北京地區(qū)40年北京地區(qū)強(qiáng)熱島事件分析，鄭祚芳等（2006）應(yīng)用自動(dòng)氣象站逐時(shí)氣溫觀測資料分析了北京城市熱島的時(shí)空分布特征，馬玉霞等（2009）分析了蘭州城市近50年的熱島變化。數(shù)值模擬由于能深人研究城市熱島現(xiàn)象和成因之間的物理本質(zhì)，在經(jīng)歷了一維、二維、三維的發(fā)展后，對熱島形成機(jī)制方面的研究也日趨成熟和普遍。楊玉華等（2003）利用MM5數(shù)值模式模擬表明考慮人為熱源能對北京城市熱島及環(huán)流有更好的模擬，江曉燕等（2007）利用WRF（天氣預(yù)報(bào)模式）成功模擬了北京熱島日變化趨勢，江學(xué)頂?shù)龋?006）利用MM5數(shù)值模式對廣州的研究表明數(shù)值模擬結(jié)合“3S”技術(shù)能更好地研究熱島空間格局的動(dòng)態(tài)變化。近年來，衛(wèi)星遙感已成為普遍用于城市熱島研究的一種重要手段。通過遙感不但能開展城市熱島時(shí)間變化的研究，還能開展空間結(jié)構(gòu)等細(xì)節(jié)特征變化研究。丁金才等（2002）、方永俠等（2011）利用熱紅外遙感資料開展了上海、北京城市熱島的研究，陳云浩等（2002）、蘇偉忠等（2005）和宋艷暾等（2007）利用熱紅外遙感資料分別開展了上海、南京、深圳的空間格局分析研究。劉勇洪等（2014）進(jìn)一步結(jié)合氣象資料與多種衛(wèi)星資料開展了北京熱島的定量評估研究。但上述研究多集中在一個(gè)單一的城市，對城市群熱島的空間格局定量監(jiān)測及成因研究較少。在熱島形成機(jī)制方面，Yamashita et al. （1986）對日本東京的研究指出城市天空可視度可作為衡量城市化對城市熱島影響的重要因子。Morris et al.（2001）則指出云量增多和風(fēng)速增加會(huì)降低城市熱島，Mohsin et al.（2012）對加拿大多倫多城市的研究指出人為熱、地形條件以及氣象站的選取影響城市熱島大小。佟華等（2005）利用三維數(shù)值模式對北京城市的模擬研究表明大型楔形綠地能有效減輕城市熱島。甘霖（2011）則指出合理的城市規(guī)劃布局是減少城市熱島的重要途徑，徐永明等（2013）指出城市不透水蓋度是城市熱環(huán)境的重要指示因子?？梢姎庀笠蛩?、城市下墊面和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素都是影響城市熱環(huán)境的重要因素。

京津唐城市群是我國繼珠江三角洲和長江三角洲之后又一經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的地區(qū)，區(qū)域內(nèi)眾多城市的協(xié)同發(fā)展和規(guī)劃布局對城市熱島的形成、減緩具有重要作用，本文采用多種衛(wèi)星資料引入定量熱島監(jiān)測指標(biāo)開展京津唐城市群的熱島監(jiān)測，并結(jié)合氣候背景因素、城市下墊面和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素分析該地區(qū)的熱島形成機(jī)制，對京津唐城市發(fā)展一體化和協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要參考意義。

1　資料與方法

1.1資料

1.1.1氣象資料

京津唐地區(qū)47個(gè)氣象臺(tái)站的2012年逐月平均氣溫和0 cm地溫資料，來源于北京市氣象信息中心。

1.1.2社會(huì)經(jīng)濟(jì)資料

京津唐地區(qū)40個(gè)區(qū)縣2012年左右的社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，主要包括GDP、人口數(shù)、用水量、用電量、人為熱等，來源于當(dāng)?shù)亟y(tǒng)計(jì)局發(fā)布的社會(huì)統(tǒng)計(jì)資料。

1.1.3衛(wèi)星遙感資料

（1）FY-3A/B衛(wèi)星資料：京津唐地區(qū)2012年8 月22日（非高溫日，日最高氣溫未超過30 ℃）、2013年7月24日（高溫日，日最高氣溫達(dá)38 ℃）FY-3A/B白天和夜晚LST產(chǎn)品，來源于國家衛(wèi)星氣象中心的風(fēng)云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)（http://fy3.satellite.cma.gov.cn/portalsite/default.aspx）。

（2）MODIS衛(wèi)星資料：京津唐地區(qū)2012年全年MODIS/Aqua白天和夜晚8天合成LST產(chǎn)品（MYD11A2），2012年8月22日、2013年7月24 日MODIS/Aqua白天LST產(chǎn)品（MYD11_L2），來源于美國國家航空與航天局陸表數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站（https://lpdaac.usgs.gov/data_access/data_pool）。

（3）NOAA衛(wèi)星資料：2012年8月22日、2013 年7月24日NOAA18/AVHRR 1B數(shù)據(jù)，來源于北京市氣候中心。

（4）Landsat-TM衛(wèi)星資料：2011年7月26日北京地區(qū)和2009年8月30日天津、唐山地區(qū)Landsat-TM5 L1級資料，來源于中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所的“對地觀測數(shù)據(jù)共享計(jì)劃”（http://ids.ceode.ac.cn/）。

1.2研究方法

1.2.1土地利用分類

利用京津唐地區(qū)的Landsat-TM5高分辨率衛(wèi)星影像資料，采用最大似然法和閾值法，開展耕地、林地、水域、城鎮(zhèn)用地、綠地和未利用地等6類別的土地利用類型劃分。

對2011年7月26日北京地區(qū)Landsat-TM5遙感圖像經(jīng)過輻射定標(biāo)后得到6個(gè)可見光反射率波段影像，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行最大似然監(jiān)督分類。訓(xùn)練樣本來自2010年北京1∶10000土地利用信息和2005 ─2010年北京市氣候中心農(nóng)業(yè)氣象室野外不同類型（林地、農(nóng)田、綠地、城鎮(zhèn)用地、未利用地和水體）等GPS調(diào)查資料，每類至少100個(gè)樣本以上，分類波段包括了TM 6個(gè)可見光反射率波段、高程DEM和坡度等8個(gè)波段資料，根據(jù)圖象劃分成2種林地類型、1種山區(qū)裸地、2種平原裸地、2種農(nóng)田、1種綠地、水體、山區(qū)陰影等類別，分完后再進(jìn)行歸并，再對一些錯(cuò)分明顯的類別主要是建筑、農(nóng)田、綠地等進(jìn)行目視人工解譯修正。監(jiān)督分類結(jié)果常常有細(xì)碎圖斑，需要對獲得的分類結(jié)果進(jìn)行一些后處理工作，本研究使用ENVI軟件中的聚類統(tǒng)計(jì)（Clump）、過濾分析（Sieve）、去除分析（Eliminate）功能突出這些圖斑并進(jìn)行了小圖斑的合并。最后，得到較為理想的分類結(jié)果，精度檢驗(yàn)表明各期的總體分類精度均在90%以上。類似于上述方法，對2009年8月30日的Landsat-TM衛(wèi)星資料開展了天津與河北唐山25 m空間分辨率的土地利用分類，最后對北京、天津和唐山地區(qū)兩景土地利用類型影像數(shù)據(jù)經(jīng)過幾何校正和圖像鑲嵌后得到京津冀地區(qū)土地利用類型分布，如圖1（a）所示：京津唐城市群城鎮(zhèn)用地主要分布于北京城區(qū)、天津城區(qū)、唐山市區(qū)和各郊區(qū)縣城，環(huán)渤海邊也有大量的城鎮(zhèn)工業(yè)用地，農(nóng)田主要集中于平原等，林地主要分布于北京山區(qū)和唐山北部山區(qū)等。

1.2.2不透水蓋度和植被覆蓋度估算

應(yīng)用線性光譜混合模型（Linear Spectral Mixture Model，LSMM）可有效提取城市不透水蓋度ISC（Impervious Surface Cover）和植被覆蓋度VC（Vegetation Cover）（趙英時(shí)等，2003）。該方法認(rèn)為像元由多種基本組分（端元）的混合，像元光譜值是以端元在像元內(nèi)的面積比例為權(quán)重系數(shù)的端元光譜值的線性組合。像元中各個(gè)組分的面積比例可以通過最小二乘法求解，基本思路是使得誤差最小。Ridd（1995）認(rèn)為城市景觀除水體外，主要由植被、土壤、不透水表面3種典型覆被景觀組成，可以構(gòu)成一個(gè)典型的植被-不透水表面-土壤景觀組分模型，即V-I-S模型。將V-I-S模型與LSMM模型相結(jié)合已成為近年來估算城市地表各組分覆蓋度的常用方法。依照V-I-S模型的思想，選取植被、土壤、不透水面作為構(gòu)成混合像元的端元，端元光譜特征的確定是光譜線性分解關(guān)鍵。首先對遙感影像進(jìn)行最小噪聲分離變換（Minnimum Noise Fraction，MNF）以減少數(shù)據(jù)冗余和波段之間的相關(guān)性，然后通過像元純凈度PPI（Pixel Purity Index）計(jì)算和N維散度分析提高植被、土壤、不透水面端元光譜特征的精度。依據(jù)選取的3種端元光譜對TM影像進(jìn)行光譜線性分解，求出的不透水表面的面積比例即為不透水面蓋度ISC，求出的植被面積比例即為植被覆蓋度。

運(yùn)用上述方法及Landsat-TM影像估算的京津唐地區(qū)不透水蓋度ISC和植被覆蓋度VC如圖1（b）和圖1（c）所示?？梢钥闯?，與土地利用類型圖相對應(yīng)，城鎮(zhèn)地區(qū)一般都是ISC的高值區(qū)和VC的低值區(qū)，但在北京城區(qū)、天津城區(qū)和唐山城區(qū)周邊均存在ISC高值范圍小于VC低值范圍現(xiàn)象。例如北京六環(huán)內(nèi)的ISC高值范圍（≥70%，約占38.9%）明顯小于VC低值范圍（≤30%，約占47.9%），這是由于中心城區(qū)向郊區(qū)農(nóng)田的過渡區(qū)域存在著較多的裸地和未利用地，雖然裸地和未利用地VC較低，但并不是不透水面，因此ISC處于低值。

1.2.3地表溫度反演

針對FY-3A/B和MODIS衛(wèi)星資料，直接采用免費(fèi)下載獲取的陸表溫度（Land Surface Temperature，LST）產(chǎn)品。NOAA18/AVHRR 1B衛(wèi)星地表溫度的生成則采用Quan et al.（2012）提出的改進(jìn)型的Becker分裂窗方法，該地表溫度反演結(jié)果與國際上廣泛應(yīng)用的MODIS地表溫度產(chǎn)品具有較好的一致性。Landsat-TM地表溫度反演采用Jiménez-Mu?oz et al.（2003）提出的單通道算法反演地表溫度，具體反演過程見文獻(xiàn)中的Landsat-TM地表溫度反演（Sobrino et al.，2004；徐永明等，2013）。

1.2.4地表熱島強(qiáng)度計(jì)算

基于衛(wèi)星遙感觀測的熱島可以稱之為地表城市熱島（SUHI，Surface Urban Heat Island）。在這里，采用國際上通用的城鄉(xiāng)二分法，應(yīng)用葉彩華等（2011）提出的地表熱島強(qiáng)度指標(biāo)的計(jì)算方法來估算城市地表熱島強(qiáng)度，即：

圖1　京津唐地區(qū)土地利用類型Fig. 1 Spatial distribution of landuse types

其中，UHIIi為圖象上第i個(gè)象元所對應(yīng)的熱島強(qiáng)度，Ti是陸表溫度LST，n為郊區(qū)農(nóng)田內(nèi)的有效象元數(shù)，Tcrop為郊區(qū)農(nóng)田內(nèi)的地表溫度。

其中，郊區(qū)農(nóng)田背景區(qū)的選擇及其代表性對地表熱島強(qiáng)度的估算結(jié)果影響很大。根據(jù)城市熱島的定義，郊區(qū)農(nóng)田背景區(qū)一般在城市周邊地區(qū)進(jìn)行選擇，由于城市群面積廣闊，不能用同一個(gè)郊區(qū)背景值來計(jì)算各城市熱島強(qiáng)度，需要對北京、天津、唐山分別選擇郊區(qū)農(nóng)田背景區(qū)，在1 km分辨率影像上大部分像元是混合像元，在這里遵循以下條件來選取像元純度高的郊區(qū)農(nóng)田背景區(qū)：（1）平原農(nóng)田地區(qū)，與城市海拔差小于50 m；（2）植被覆蓋度≥70%；（3）不透水蓋度≤30%。

由此根據(jù)京津唐地區(qū)的土地利用類型、植被覆蓋度、不透水蓋度和地形圖就可選出郊區(qū)農(nóng)田，如圖2為京津唐地區(qū)郊區(qū)農(nóng)田背景區(qū)的分布：在1 km尺度上，由于郊區(qū)農(nóng)田主要為混合像元，北京純的農(nóng)田像元較少，而天津和唐山相對較多。為更好地比較京津唐城市群主要城市之間的城市熱島大小，分別選取北京市轄區(qū)（東城和西城）、天津市轄區(qū)和唐山市轄區(qū)（如圖2所示）進(jìn)行該區(qū)域內(nèi)平均地表溫度計(jì)算，然后根據(jù)式（1）計(jì)算該區(qū)域平均地表溫度與郊區(qū)背景農(nóng)田平均地表溫度的距平，即為該市轄區(qū)熱島強(qiáng)度值。

圖2　京津唐地區(qū)郊區(qū)農(nóng)田背景的選擇及市轄區(qū)分布Fig. 2 Selection of rural crops and location of municipal districts of Beijing-Tianjin-Tangshan area

按照葉彩華等（2011）文中的地表熱島強(qiáng)度等級劃分，可劃分為7級熱島強(qiáng)度：強(qiáng)冷島、較強(qiáng)冷島、弱冷島、無熱島、弱熱島、較強(qiáng)熱島和強(qiáng)熱島等，分別賦值為1、2、3、4、5、6和7。

1.2.5城市熱島比例指數(shù)

在這里，采用葉彩華等（2011）提出的地表熱島比例指數(shù)（Urban Heat Island Proportion Index，UHPI）的計(jì)算方法來定量估算城市空間單元內(nèi)的地表熱島強(qiáng)度，可以定量反映城市熱島的時(shí)空差異。

式中UHPI為城市熱島比例指數(shù)；m為熱島強(qiáng)度等級數(shù)；i為城區(qū)溫度高于郊區(qū)溫度等級序號；n為城區(qū)溫度高于郊區(qū)溫度的等級數(shù)；wi為第i級的權(quán)重，取等級值，pi為第i級所占的面積百分比。UHPI值在0～1.0之間，該值越大，熱島現(xiàn)象越嚴(yán)重。其值為0時(shí)，表明此地沒有熱島現(xiàn)象，值為1時(shí)，表明此地均處于強(qiáng)熱島范圍。由前面定義的熱島強(qiáng)度等級可知，m＝7，n＝3。

圖3　京津唐地區(qū)2012年8月22日不同衛(wèi)星估算的熱島強(qiáng)度Fig. 3 UHII in Beijing-Tianjin-Tangshan area for different satellite on Aug. 22, 2012

圖4　京津唐地區(qū)2013年7月24日不同衛(wèi)星估算的熱島強(qiáng)度Fig. 4 UHII in Beijing-Tianjin-Tangshan area for different satellite on Jul. 24, 2013

2　結(jié)果與分析

2.1熱島監(jiān)測

2.1.1日變化監(jiān)測

圖3和圖4分別為京津唐城市群2012年8月22日（非高溫日）和2013年7月24日（高溫日）白天不同衛(wèi)星（FY-3A、MODIS/Aqua、FY-3B和NOAA18）按時(shí)間順序估算的的熱島強(qiáng)度圖?？梢钥闯觯煌l(wèi)星監(jiān)測的熱島強(qiáng)度大小和范圍在空間分布上具有較好的一致性，不管是高溫日還是非高溫日，在不同時(shí)刻京津唐城市群的城鎮(zhèn)地區(qū)均存在明顯的熱島效應(yīng)，主要集中在北京城區(qū)、天津城區(qū)、唐山市區(qū)和各郊區(qū)縣城，而城鎮(zhèn)周邊大部分平原農(nóng)田地區(qū)均處于“無熱島”區(qū)，北京山區(qū)存在冷島效應(yīng)。而在時(shí)間分布上熱島強(qiáng)度一般在午后達(dá)到最大，如2012年8月22日中午MODIS/Aqua的13:30 和FY-3B和13:50的熱島強(qiáng)度大小和范圍明顯大于上午FY-3A 12:06和下午NOAA18 14:28的熱島強(qiáng)度，2013年年7月24日中午MODIS/Aqua和FY-3B 的13:30熱島強(qiáng)度大小和范圍明顯大于上午FY-3A 11:40和下午NOAA18 14:38的熱島強(qiáng)度。

對北京市轄區(qū)、天津市轄區(qū)、唐山市區(qū)不同時(shí)刻估算的熱島強(qiáng)度UHII如表1所示：2012年8月22日和2013年7月24日不同時(shí)刻的熱島強(qiáng)度均為天津市轄區(qū)>北京市轄區(qū)>唐山市轄區(qū)，且在午后13:00─14:00之間熱島強(qiáng)度為一高峰值。此外，就同一（或鄰近）時(shí)刻而言，2012年8月22日（非高溫日）的UHII大于2013年7月24日（高溫日）的UHII，顯示熱島強(qiáng)度的大小很可能與氣溫的高低沒有直接關(guān)系，高溫天氣下并不一定有高的熱島強(qiáng)度，這與Nina et al.（2011）的研究結(jié)論類似。

表1　北京市轄區(qū)、天津市轄區(qū)、唐山市區(qū)不同衛(wèi)星估算的熱島強(qiáng)度值Table 1 UHII of Beijing municipal districts, Tianjin municipal districts and Tangshan downtown for different satellites　℃

圖5　京津唐地區(qū)2012年四季白天平均熱島強(qiáng)度Fig. 5 Seasonal mean UHII of day in Beijing-Tianjin-Tangshan area in 2012

圖6　京津唐地區(qū)2012年四季夜晚平均熱島強(qiáng)度Fig. 6 Seasonal mean UHII of night in Beijing-Tianjin-Tangshan area in 2012

2.1.2季節(jié)變化監(jiān)測

圖5和圖6分別為利用MODIS/Aqua數(shù)據(jù)估算的京津唐地區(qū)2012年四季平均白天和夜晚熱島強(qiáng)度?？梢钥闯觯喊滋鞜釐u有明顯季節(jié)變化，夏季最強(qiáng)，冬季最弱，夏季白天在北京、天津、唐山市區(qū)及各郊區(qū)縣城均出現(xiàn)明顯較強(qiáng)以上等級熱島，而在冬季卻出現(xiàn)無熱島甚至是冷島現(xiàn)象，山區(qū)一般出現(xiàn)冷島現(xiàn)象，季節(jié)變化上符合遙感監(jiān)測夏季白天最強(qiáng)、冬季最弱的規(guī)律（王建凱等，2007；Imhoff et al.，2010；Nina et al.，2011）。夜晚熱島與白天變化規(guī)律相反，冬季最強(qiáng)，夏季最弱，平原地區(qū)大部為無熱島現(xiàn)象，山區(qū)一般出現(xiàn)冷島現(xiàn)象，而在北京、天津、唐山市區(qū)及各郊區(qū)縣城出現(xiàn)熱島現(xiàn)象，環(huán)渤海邊由于水體眾多，水體由于熱容量大的特性在夜間相對周邊地區(qū)是一個(gè)熱源，因此呈現(xiàn)熱島現(xiàn)象。這與北京市氣象局氣候資料室（1992）及謝莊等（2006）利用氣溫資料對北京地區(qū)的研究結(jié)論相似：即冬季熱島最強(qiáng)，夏季最弱。即對城市熱島監(jiān)測而言，遙感監(jiān)測只有在夜晚才與氣溫監(jiān)測具有一致性。

2.1.3熱島定量監(jiān)測

如圖7所示為利用MODIS/Aqua數(shù)據(jù)估算的從高到低排列的2012年京津唐地區(qū)各城市熱島比例指數(shù)UHPI，可以看出熱島比例指數(shù)排名前3位的分別是天津市轄區(qū)（0.86）、北京市轄區(qū)（0.85）和朝陽區(qū)（0.74），唐山市區(qū)也達(dá)到了0.50，而北京的豐臺(tái)、石景山和天津的東麗、西清也普遍較高，UHPI在0.50以上，說明這些城市熱島較為嚴(yán)重。而北京的延慶、密云、天津的薊縣、河北的大廠和遷西等城市UHPI均在0.01以下，說明這些城市熱島現(xiàn)象非常輕微。

2.2地表熱場成因分析

2.2.1城市地表參數(shù)分析

利用2011年7月26日Landsat-TM反演得到的地表溫度LST、不透水蓋度ISC、植被蓋度VC、土壤蓋度SC相關(guān)分析表明，LST與VC和ISC的相關(guān)系數(shù)r分別為-0.771和0.710，而VC和ISC相關(guān)系數(shù)r高達(dá)-0.938。利用逐步回歸方法建立的LST與與ISC、VC、SC的回歸關(guān)系式如下所示，并分析了各參數(shù)對LST變化的重要性β值：

LST=30.282+8.733ISC+12.56SC+0.703VC

從上式可知，盡管VC與LST的相關(guān)系數(shù)r （-0.771）高于ISC與LST的相關(guān)系數(shù)r（0.710），但I(xiàn)SC對熱場差異的重要性（0.757）卻明顯高于土壤（0.368）和植被參數(shù)（0.065），表明不透水蓋度ISC是城市地表熱場差異形成的最重要因子。另外，經(jīng)F檢驗(yàn)，該模型達(dá)到極顯著性水平（P<0.001），但模型VC的回歸系數(shù)為正值（0.703），這與VC 與LST存在明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系r（-0.771）相矛盾，對該回歸模型進(jìn)行多重共線性檢驗(yàn)表明自變量之間存在著嚴(yán)重的共線性關(guān)系（方差膨脹因子VIF高達(dá)39），考慮VC的重要性遠(yuǎn)小于ISC，因此剔除

VC后對回歸式訂正后為：

經(jīng)F檢驗(yàn)，該模型達(dá)到極顯著性水平（P<0.001），表明不透水蓋度ISC的重要性仍最高，由ISC和SC能解釋62.5%的地表溫度LST變化。

圖7　京津唐地區(qū)各城市2012年熱島比例指數(shù)計(jì)算Fig. 7 UHPI of different countries in Beijing-Tianjin-Tangshan area in 2012

利用京津唐地區(qū)40個(gè)區(qū)縣的熱島比例指數(shù)UHPI與不透水蓋度ISC的統(tǒng)計(jì)回歸關(guān)系式如表2所示：ISC與UHPI具有明顯的線性相關(guān)關(guān)系，能解釋70.2%的熱島比例指數(shù)變化。而對各市轄區(qū)的平均不透水蓋度估算表明，天津市轄區(qū)（0.87）>北京市轄區(qū)（0.82）>唐山市轄區(qū)（0.54），這也是前面為何天津市轄區(qū)>北京市轄區(qū)>唐山市區(qū)熱島的重要原因。

2.2.2氣候背景與社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素分析

如圖8為京津唐地區(qū)2012年1 km空間分辨率平均遙感陸表溫度、年平均氣溫和年平均0 cm地溫分布圖：遙感陸表溫度較平均氣溫和0 cm地溫更能顯示城市熱島效應(yīng)的空間分布，而氣象觀測由于只選取了常規(guī)觀測站，城市代表觀測站點(diǎn)稀少，部分城市熱島效應(yīng)并不明顯。

利用47個(gè)常規(guī)氣象臺(tái)站的年平均氣溫、0 cm地溫和遙感陸表溫度開展相關(guān)分析表明：遙感陸表溫度LST與年平均氣溫Ta和0 cm地溫T0有明顯線性正相關(guān)關(guān)系，如表2所示：Ta與LST的相關(guān)性（r2=0.7296）大于T0與LST溫度相關(guān)性（r2=0.6298），這是由于在1 km尺度上，遙感觀測的大部分像元是混合像元，對于非均勻下墊面，不同像元內(nèi)的組分組成是不同的，而氣象觀測的地溫0 cm只是2×4 m2面積大小的局部裸露土壤表面溫度，因此二者觀測值差異很大，而在這個(gè)尺度上通過地表長波輻射加熱空氣而獲得的氣溫能更好地反映混合像元熱場狀況。該結(jié)果表明在區(qū)域范圍內(nèi)，氣溫在很大程度上反映了遙感地表熱場的空間分布。

圖8　2012年京津唐地區(qū)熱環(huán)境特征空間分布Fig. 8 Spatial distribution of heat environment characteristic in Beijing-Tianjin-Tangshan area in 2012

表2　京津唐城市群2012年熱環(huán)境與不同因子的回歸關(guān)系式Table 2 Regression relation equations of heat environment factor and different factors for Beijing-Tianjin-Tangshan area in 2012

對京津唐地區(qū)40個(gè)區(qū)縣2012年的社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)（國民生產(chǎn)總值GDP、人口數(shù)、用水量、用電量、人為熱）與各區(qū)縣反映熱島強(qiáng)弱的熱島比例指數(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)回歸分析如表2所示：京津唐城市群各區(qū)縣熱島比例指數(shù)與GDP、人口數(shù)、用水量、用電量、人為熱都有比較明顯的正相關(guān)關(guān)系，模型決定系數(shù)R2分別為0.5131、0.4853、0.4836、0.306和0.6723，其中人為熱和國民生產(chǎn)總值GDP與城市熱島比例指數(shù)的相關(guān)性最高，表明城市人類活動(dòng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度是影響城市熱島的一個(gè)重要原因。

2.2.3綜合因素分析

以京津唐地區(qū)40個(gè)區(qū)縣的熱島比例指做因變量，根據(jù)前面的相關(guān)分析，選取各區(qū)縣的不透水蓋度、年平均氣溫、人為熱、常住人口、人口密度、行政區(qū)域面積、國民生產(chǎn)總值、總用電量、總用水量、人均GDP、地均GDP、人均用電量、人均用水量等13個(gè)因子作為自變量，應(yīng)用逐步回歸方法，考慮排除自變量之間的共線性關(guān)系，建立了城市熱島比例指數(shù)與多個(gè)因子的綜合回歸關(guān)系式，如表2所示：熱島比例指數(shù)主要與不透水蓋度ISC、人均用水量Wm和年平均氣溫Ta密切相關(guān)，決定系數(shù)R2達(dá)到0.785。其中第一項(xiàng)反映了城市下墊面參數(shù)的影響，第二項(xiàng)反映了社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的影響，第三項(xiàng)反映了氣候背景因素的影響。

3　結(jié)論與討論

3.1結(jié)論

本文基于多種衛(wèi)星資料，利用城市地表熱島和熱島比例指數(shù)等監(jiān)測指標(biāo)開展了京津唐城市群的城市熱島時(shí)空變化監(jiān)測分析，并結(jié)合地表參數(shù)、氣候背景參數(shù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)參數(shù)等開展了地表熱場的成因分析研究。研究結(jié)果表明：（1）現(xiàn)有的不同衛(wèi)星FY-3A/B、MODIS/Aqua、NOAA18/AVHRR均能有效監(jiān)測京津唐城市群熱島的時(shí)空變化，遙感監(jiān)測顯示白天與夜晚熱島具有不同的季節(jié)變化規(guī)律，而夜晚的熱島監(jiān)測結(jié)果具有與氣溫觀測結(jié)果的一致性；（2）2012年排名前三的熱島城市分別為天津市轄區(qū)、北京市轄區(qū)和朝陽區(qū)；（3）對地表參數(shù)的分析表明不透水蓋度是地表熱場差異形成的最重要下墊面因子；（4）在區(qū)域尺度上由于城市氣象站的缺乏，遙感陸表溫度較氣象觀測更能顯示城市熱島效應(yīng)的空間分布；（5）社會(huì)經(jīng)濟(jì)參數(shù)GDP、人口數(shù)、用水量和用電量與城市熱島都有明顯的正相關(guān)關(guān)系，反映了人類社會(huì)活動(dòng)對城市熱島形成的重要影響，綜合分析則表明城市熱島受城市下墊面、人類活動(dòng)和氣候背景的共同影響。

3.2討論

如何定量地描述一個(gè)城市熱島的強(qiáng)弱，不管是氣象觀測手段還是遙感手段，還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和方法，例如本文利用遙感手段研究白天城市熱島得到與氣溫不一致的規(guī)律，這是由于兩者觀測的機(jī)理還不一樣，如何實(shí)現(xiàn)兩種手段監(jiān)測城市熱島的統(tǒng)一是今后氣象學(xué)家和遙感學(xué)家面臨的問題。另外本文使用的遙感監(jiān)測方法和等級劃分雖然在京津唐城市群地區(qū)進(jìn)行了有效應(yīng)用，但南北氣候差異明顯，不同城市下墊面背景類型和氣候環(huán)流背景差異大，是否用于其它地區(qū)還需進(jìn)一步的研究。城市熱島形成的機(jī)制很復(fù)雜，本文只是從宏觀角度上簡單地用統(tǒng)計(jì)回歸的方法來描述不同因素對城市熱島差異的可能影響，但并沒有從機(jī)理上去解釋各種因素對熱島的具體影響過程，因此通過衛(wèi)星遙感獲取精細(xì)化地表參數(shù)，融合數(shù)值模式和能量平衡模型，結(jié)合實(shí)地試驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)來研究城市熱島的形成機(jī)制是未來的重要研究方向，這必將對城市的熱島效應(yīng)有深入理解，促進(jìn)各城市采取有力措施以減緩城市熱島效應(yīng)給自然環(huán)境、區(qū)域氣候造成的負(fù)面影響。

致謝：感謝本文審稿者提出的許多寶貴意見。

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Research on Heat Environment of Beijing-Tianjin-Tangshan Urban Group Based on Multisource Satellite Data

LIU Yonghong1, LUAN Qingzu1, QUAN Weijun2, ZHANG Shuo
1. Beijing Municipal Climate Center, Beijing 100089, China; 2. Environmental Meteorology Forecast Center of Beijing-Tianjin-Hebei, CMA, Beijing 100089, China

Abstract:Based on FY-3A/B, MODIS/Aqua and NOAA18/AVHRR satellite data, using urban surface heat island intensity (UHII) and urban heat island proportion index (UHPI), the temporal and spatial variation of urban heat island for Beijing-Tianjin-Tangshan urban group region is monitored and analysed. And combined with land surface parameters such as vegetation cover and impervious surface cover by Landsat-TM satellite data, climate background factors such as mean air temperature and 0cm ground temperature and community economy factors such as GDP, population, water consumption, electricity consumption and anthropogenic heat, the causes of the difference of heat environmentamong different cities are analysed. Results show that the UHII estimated by different satellite data can reflect temporal and spatial variation of urban heat island. Value of heat island intensity on high temperature weather condition is not necessarily higher than on non-high weather condition. Change of urban heat island by remote sensing has consistency by meteorological observation only in night. That is, the heat island intensity is the highest in winter and is the lowest in summer, but on the contrary in day. The UHPI estimated in 2012 for different countries in Beijing-Tianjin-Tangshan urban group region shows that Tianjin municipal district, Beijing municipal district and Chaoyang district are the first three high heat island intensity districts and the UHPIs are 0.86, 0.85 and 0.74, seperately. The UHPI of Tangshan district is also achieved 0.50. The analysis of the causes showes that impervious surface cover is most important underlying surface factor. Land surface temperature by remote sensing can reflects more spatial distribution of heat island than by meteorological observation. Heat island intensity for cities in Beijing-Tianjin-Tangshan area has linear positive correlation with GDP, population, water consumption, electricity consumption and the determination coefficients R2of the linear corresponding regression models are 0.513 1, 0.485 3, 0.483 6 and 0.306, respectively. And heat island intensity has logarithm correlation with anthropogenic heat and the determination coefficient R2is 0.672 3. Impervious surface cover, water consumption per capita and mean air temperature are the most important factors of heat environment difference in Beijing-Tianjin-Tangshan area. They reflect respectively effect of underlying surface parameters, community economy activity and climate background on spatial difference of urban heat island.

Key words:urban heat island intensity; heat island proportion index; temporal and spatial variation; analysis of causes; impervious surface cover; Beijing-Tianjin-Tangshan

收稿日期：2015-03-18

作者簡介：劉勇洪（1974年生），男，教授級高工，碩士，主要從事衛(wèi)星遙感與應(yīng)用氣象等的研究。E-mail: lyh7414@163.com

基金項(xiàng)目：高分氣象遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)（一期）；風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星應(yīng)用示范系統(tǒng)工程；北京市氣象局“城市氣候評估”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)

中圖分類號：X16

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-5906（2015）07-1150-09

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.07.012