高鵬 劉桂馨 陳吉科 徐志剛,3

0 引言

城市基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展、建筑面積擴(kuò)張以及人口的快速增長(zhǎng)加劇了城市化進(jìn)程,并改變了城市區(qū)域原有的自然下墊面屬性,對(duì)城市生態(tài)環(huán)境等產(chǎn)生了一系列挑戰(zhàn)[1-2]．城市熱島效應(yīng)作為城市化對(duì)氣候影響最為顯著的特征已經(jīng)被廣泛證實(shí)[3-6],它影響著能源消耗、大氣污染、人類健康和生存以及城市的可持續(xù)發(fā)展．因此,有必要對(duì)城市熱島形成機(jī)制和強(qiáng)度特征等展開研究,以緩解城市熱島效應(yīng)[7-8]．

表1 局地氣候區(qū)分類體系

然而,現(xiàn)有基于局地氣候區(qū)的城市熱島研究主要集中于歐美地區(qū),而且不同城市之間由于氣候差異導(dǎo)致結(jié)果存在不一致性;且多數(shù)研究?jī)H探討了局地氣候區(qū)與白天城市地表熱環(huán)境之間的相互關(guān)系,對(duì)城市地表熱環(huán)境空間格局的晝夜差異分析仍較為缺乏．本文以南京市主城區(qū)為例,基于機(jī)載LiDAR、IKONOS-2、ASTER地表溫度等多源數(shù)據(jù),基于GIS和遙感結(jié)合方法實(shí)現(xiàn)了城區(qū)內(nèi)部精細(xì)化熱屬性分區(qū),實(shí)現(xiàn)了基于局地氣候區(qū)的城市熱島分析,為城市生態(tài)文明建設(shè)以及城市可持續(xù)發(fā)展提供了理論指導(dǎo)．

1 研究區(qū)概況

本文以南京市中心城區(qū)作為研究區(qū),主要覆蓋鼓樓區(qū)、玄武區(qū)、秦淮區(qū)、建鄴區(qū)、棲霞區(qū)和雨花臺(tái)等6區(qū)(圖1)．南京屬于亞熱帶濕潤(rùn)氣候,四季分明,年平均降水量為1 033 mm．年平均氣溫為15 ℃,夏季最高溫度超過40 ℃,冬季最低溫度為-14 ℃．地貌特征為寧鎮(zhèn)揚(yáng)丘陵地區(qū),以低山緩崗為主．由于夏季氣候炎熱,具有“火爐”之稱．因此,以南京市主城區(qū)為典型代表區(qū),研究局地氣候區(qū)與城市熱島之間的相互關(guān)系能夠?yàn)槌鞘猩鷳B(tài)環(huán)境改善提供指導(dǎo)意義．

圖1 研究區(qū)地理位置及土地覆蓋分類圖Fig.1 Geographical location and land cover classification map of the study area

2 數(shù)據(jù)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)及其預(yù)處理

本文收集的矢量植被分布圖和建筑分布圖是從南京測(cè)繪勘察研究院獲得,主要用于局地氣候區(qū)分類參數(shù)的計(jì)算．遙感數(shù)據(jù)主要包括地表溫度、機(jī)載LiDAR和IKONOS-2數(shù)據(jù)．

2.1.1 地表溫度數(shù)據(jù)

鑒于本文旨在剖析局地氣候區(qū)類型與晝夜地表溫度之間的響應(yīng)關(guān)系,以及Landsat衛(wèi)星和MODIS地表溫度產(chǎn)品的優(yōu)劣性,研究采用的地表溫度數(shù)據(jù)是ASTER地表溫度產(chǎn)品(AST_08v003),空間分辨率為90 m(ASTER數(shù)據(jù)來源:https:∥lpdaac.usgs.gov/products/ast08v003/)．該產(chǎn)品以大氣校正后的ASTER地表輻射率為基礎(chǔ),通過溫度與發(fā)射率分離算法估算發(fā)射率,然后以普朗克黑體輻射定律反演得到地表溫度,產(chǎn)品精度為1.5 K．為了獲取與機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)和土地覆蓋分布圖時(shí)間盡可能接近的地表溫度產(chǎn)品,本文根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量和可獲取性篩選了2008—2012年間地表溫度數(shù)據(jù),最終選取2011年5月1日(11:00)和2011年4月4日(22:19)分別用于表征白天和夜間地表溫度分布．雖然機(jī)載LiDAR和土地覆蓋數(shù)據(jù)與ASTER地表溫度產(chǎn)品時(shí)間間隔將近2年,但是本文研究區(qū)位于土地覆蓋相對(duì)穩(wěn)定的中心城區(qū),土地覆蓋類型在2年內(nèi)相對(duì)變化較少．

2.1.2 機(jī)載LiDAR和多光譜遙感數(shù)據(jù)

機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)由南京測(cè)繪勘察研究院通過Optech ALTM Gemini傳感器獲得．獲取時(shí)間為2009年4月9日和21日,點(diǎn)云密度為4.2 點(diǎn)/m2,包括高程、強(qiáng)度和多重回波等信息．機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)主要用于兩方面:一方面將其與IKONOS-2數(shù)據(jù)融合提取城區(qū)土地覆蓋信息;另一方面提供地物的三維信息．?dāng)?shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)由地面點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到,通過機(jī)載LiDAR第一次回波高程獲取數(shù)字表面模型(Digital Surface Model,DSM)．?dāng)?shù)字表面模型和數(shù)字高程模型的差值得到正規(guī)化數(shù)字表面模型(normalized Digital Surface Model,nDSM),表示地物的絕對(duì)高度值,空間分辨率為3.2 m．

IKONOS-2遙感影像獲取時(shí)間為2009年6月18日,多光譜波段為3.2 m,分別為藍(lán)色波段(445～516 nm)、綠色波段(506～595 nm)、紅色波段(632～698 nm)和近紅外波段(757～853 nm)．IKONOS-2數(shù)據(jù)主要用于與機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)融合提取研究區(qū)土地覆蓋分類圖．此外,本文獲取了2009年4月10日的Landsat-5 TM遙感影像用于計(jì)算研究區(qū)地表反照率分布．由于機(jī)載LiDAR、ASTER地表溫度、IKONOS-2和Landsat-5 TM數(shù)據(jù)來自不同的傳感器,為了保持多源遙感數(shù)據(jù)地理坐標(biāo)的一致性,對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行了空間配準(zhǔn),校正誤差在0.5個(gè)像元內(nèi)．

2.2 研究方法

2.2.1 土地覆蓋分類

鑒于多源遙感數(shù)據(jù)融合能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),本文基于面向?qū)ο蟮姆诸惙椒?實(shí)現(xiàn)了基于機(jī)載LiDAR和IKONOS-2數(shù)據(jù)融合的土地覆蓋分類,主要步驟如下:

1)基于IKONOS-2多光譜波段以及機(jī)載LiDAR提取的DEM、DSM、nDSM和強(qiáng)度信息,通過多尺度分割方法獲取地理對(duì)象.

2)通過挖掘IKONOS-2和機(jī)載LiDAR對(duì)地物分類有價(jià)值的信息獲取地理對(duì)象的特征,包括基于IKONOS-2提取的光譜特征、空間特征以及機(jī)載LiDAR獲取的高程、強(qiáng)度和回波等特征.

3)利用隨機(jī)森林分類器實(shí)現(xiàn)土地覆蓋分類．土地覆蓋分類總體精度為99.35%,單一類別精度在98.85%到99.92%之間,說明該土地覆蓋分類結(jié)果可以用于局地氣候區(qū)分類．

2.2.2 統(tǒng)計(jì)分析

本文主要采用單因素方差分析和多重比較分析方法分別對(duì)不同局地氣候區(qū)類型與白天和夜間地表溫度進(jìn)行了差異顯著性分析．首先,利用單因素方差探討不同局地氣候區(qū)類型晝夜地表溫度之間是否具有顯著性差異；然后,考慮到不同局地氣候區(qū)類型樣本數(shù)量之間的差異性,利用多重比較檢驗(yàn)方法Tamhane’s T2進(jìn)一步探討不同局地氣候區(qū)類型兩兩之間晝夜地表溫度差異顯著性情況．

3 基于多源數(shù)據(jù)的局地氣候區(qū)分類

3.1 基于建筑類型區(qū)的局地氣候區(qū)分類

鑒于本文收集了研究區(qū)較為完備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),能準(zhǔn)確計(jì)算用于局地氣候區(qū)分類所需的指標(biāo)參數(shù),因此,本文以90 m大小柵格為分類單元(與ASTER地表溫度空間分辨率相同),采取GIS方法與遙感方法相結(jié)合的手段進(jìn)行局地氣候區(qū)分類．根據(jù)局地氣候分類體系,首先分別進(jìn)行基于建筑類型區(qū)的局地氣候區(qū)分類,對(duì)未分類的單元再根據(jù)土地覆蓋分類圖賦予類別,最終實(shí)現(xiàn)研究區(qū)精確的局地氣候區(qū)分類(圖2)．

圖2 局地氣候區(qū)分類技術(shù)路線Fig.2 Technology roadmap of LCZ classification

基于建筑類型區(qū)的局地氣候區(qū)分類方法主要基于Stewart等[10]提出的地表覆蓋、地表結(jié)構(gòu)和地表反照率等參數(shù)通過指標(biāo)匹配方法進(jìn)行分類．本文主要采用包括建筑高度、天空開闊度、地表反照率、建筑密度、不透水面面積和透水面面積等6個(gè)參數(shù),其定義及其計(jì)算公式如表2所示．其中,建筑高度主要通過影響地表粗糙度和改變風(fēng)速等對(duì)城市地表熱環(huán)境產(chǎn)生影響[17]．天空開闊度表征了地表接收太陽輻射量總量的能力,在城市地表能量平衡中具有重要的意義[18]．由于Stewart等[10]主要基于歐美城市確定各局地氣候區(qū)參數(shù)的范圍,因此本文根據(jù)研究區(qū)各參數(shù)的取值對(duì)不同建筑類型局地氣候區(qū)范圍進(jìn)行了微調(diào),表3顯示了具體的參數(shù)范圍．最后,通過將各分類單元內(nèi)的參數(shù)與表3中的各參數(shù)進(jìn)行匹配,確定最終的建筑類型．

表2 城市形態(tài)參數(shù)的定義及其計(jì)算公式

表3 不同建筑類型區(qū)分類各參數(shù)指標(biāo)的取值范圍,括號(hào)中參數(shù)取值范圍為原始取值

3.2 基于土地覆蓋類型區(qū)的局地氣候區(qū)分類

基于建筑類型的局地氣候區(qū)分類中未被分類的像元,可以通過土地覆蓋分類圖進(jìn)一步甄別其局地氣候區(qū)類型．本文所用的城市土地覆蓋信息為基于機(jī)載LiDAR和IKONOS-2數(shù)據(jù)融合的土地覆蓋分類圖．為了將3.2 m的土地覆蓋分類結(jié)果賦值到90 m的局地氣候區(qū)分類單元內(nèi),將每一個(gè)局地氣候區(qū)分類單元內(nèi)所占面積比例最大的土地覆蓋類型賦予分類單元．根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn),將土地覆蓋類型進(jìn)行再分類．本文將茂密森林LCZ A和稀疏樹林LCZ B合并為一類,并將樹林賦予此類別,低矮植被LCZ D包括草地和耕地,裸巖/鋪砌面LCZ E包括道路,裸土/沙土LCZ F包括裸土[12]．

基于獲取的建筑類型和土地覆蓋類型的局地氣候區(qū)分類圖,對(duì)兩者進(jìn)行疊加最終得到研究區(qū)局地氣候區(qū)分類圖(圖3)．為了準(zhǔn)確反映局地氣候區(qū)類型與地表溫度之間的相互關(guān)系,在探討基于局地氣候區(qū)的城市地表熱環(huán)境中,對(duì)于未賦予局地氣候區(qū)類別的分類單元未予考慮．

圖3 局部氣候區(qū)分類Fig.3 Classification map of LCZs

4 局地氣候區(qū)類型與晝夜地表溫度之間的響應(yīng)關(guān)系

4.1 局地氣候區(qū)類型與白天地表溫度之間的響應(yīng)關(guān)系

表4顯示了不同局地氣候區(qū)類型白天地表溫度的取值,水體LCZ G的白天平均地表溫度最低,為25.20 ℃,大型低層建筑區(qū)LCZ 8白天平均地表溫度均值最高為33.05 ℃,樹林LCZ AB平均白天地表溫度低于低矮植被LCZ D．對(duì)于緊湊建筑類型區(qū)(LCZ 1～3)而言,隨著建筑高度的降低,白天地表溫度中值呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)(圖4a),這主要是建筑高度越高產(chǎn)生的陰影越多,從而使陰影地區(qū)的地表溫度降低造成的[19]．開敞建筑類型區(qū)(LCZ 4～6)的白天地表溫度中值亦呈現(xiàn)出了相似的變化趨勢(shì)．此外,從不同局地氣候區(qū)類型白天地表溫度分布的離散情況可以看出,相比土地覆蓋類型區(qū),建筑類型區(qū)白天地表溫度取值空間分布更加集中．對(duì)于建筑類型區(qū)而言,白天地表溫度異常值較多的局地氣候區(qū)類型主要為緊湊多層建筑區(qū)LCZ 2和開敞多層建筑區(qū)LCZ 5．LCZ 2的白天地表溫度異常值主要集中于高值區(qū)域,而LCZ 5的地表溫度異常值在低值和高值區(qū)域均有分布．

表4 不同局地氣候區(qū)類型的晝夜地表溫度統(tǒng)計(jì)

為了更加直觀地顯示不同局地氣候區(qū)類型白天地表溫度之間差異,本文比較分析了各局地氣候區(qū)類型平均白天地表溫度與研究區(qū)平均白天地表溫度之間的相對(duì)差異．從圖4b可以看出,建筑類型區(qū)中僅開敞高層建筑區(qū)LCZ 4平均白天地表溫度低于中心城區(qū)平均地表溫度,差值為0.23 ℃．土地覆蓋類型區(qū)樹林LCZ AB和水體G平均白天地表溫度低于中心城區(qū)平均地表溫度,且差異較大,分別為3.48 ℃和5.65 ℃．緊湊低層建筑區(qū)LCZ 3和大型低層建筑區(qū)LCZ 8平均白天地表溫度分別顯著高于中心城區(qū)平均地表溫度1.87 ℃和2.20 ℃,主要?dú)w因于這兩類局地氣候區(qū)增加了地表對(duì)太陽輻射的吸收,并且降低了風(fēng)速．樹林LCZ AB平均白天地表溫度低于中心城區(qū)平均水平,而低矮植被LCZ D則比中心城區(qū)平均白天地表溫度高．

圖4 局地氣候區(qū)類型與白天地表溫度的相互關(guān)系Fig.4 Relationship between LCZ and daytime surface temperature

4.2 局地氣候區(qū)類型與夜間地表溫度之間的響應(yīng)關(guān)系

從表4可以看出,對(duì)于夜間地表溫度而言,水體LCZ G的平均地表溫度最高,為12.38 ℃,而裸土/沙土LCZ F則呈現(xiàn)了最低的夜間平均地表溫度．與白天地表溫度相同,低矮植被LCZ D夜間平均地表溫度要高于樹林LCZ AB．與白天地表溫度相反,對(duì)于緊湊建筑類型區(qū)LCZ 1～3和開敞建筑類型區(qū)LCZ 4～6,其地表溫度中值隨著建筑高度的降低而降低(圖5a)．這主要是建筑高度較高的區(qū)域容易形成街道峽谷,不利于夜間地表溫度以長(zhǎng)波輻射形式向外散熱造成的[20]．緊湊多層建筑區(qū)LCZ 2和開敞多層建筑區(qū)的異常值主要集中于低溫地區(qū),而樹林LCZ AB的異常值主要集中于高溫地區(qū)．

圖5 局地氣候區(qū)類型與夜間地表溫度的相互關(guān)系Fig.5 Relationship between LCZ and night surface temperature

在建筑類型區(qū)中,高于中心城區(qū)全域平均夜間地表溫度的建筑類型區(qū)包括:緊湊高層建筑區(qū)LCZ 1、緊湊多層建筑區(qū)LCZ 2、開敞高層建筑區(qū)LCZ 4和開敞多層建筑區(qū)LCZ 5．土地覆蓋類型區(qū)中僅裸巖/鋪砌面LCZ E和水體LCZ G高于全域平均夜間地表溫度．其中,水體LCZ G與全域平均夜間地表溫度的差異最大,為3.22 ℃．裸土/沙土LCZ F則遠(yuǎn)低于中心城區(qū)平均夜間地表溫度,差值為-1.64 ℃．樹林LCZ AB和低矮植被LCZ D夜間平均地表溫度均低于中心城區(qū)平均水平．

4.3 不同局地氣候區(qū)類型的晝夜地表溫度多重比較分析

通過探究各局地氣候區(qū)類型晝夜地表溫度的溫度和離散分布可以看出,無論白天還是夜間地表溫度,不同局地氣候區(qū)類型之間表現(xiàn)出了較大的差異．此外,本文采用單因素方法揭示局地氣候區(qū)類型晝夜地表溫度之間存在顯著性差異．通過采用Tamhane’s T2方法進(jìn)一步揭示了不同局地氣候區(qū)類型地表溫度晝夜差異的情況(圖6)．從圖6中可以看出,夜間地表溫度均值在不同局地氣候區(qū)類型兩兩之間差異顯著的對(duì)數(shù)高于白天．局地氣候區(qū)類型兩兩之間呈顯著性差異的對(duì)數(shù)占全部對(duì)數(shù)的比例在白天和夜間分別為79.5%和85.8%．從白天地表溫度均值在局地氣候區(qū)兩兩之間差異顯著性檢驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),對(duì)于土地覆蓋類型而言,樹林LCZ AB和水體LCZ G與其他所有局地氣候區(qū)類型均呈顯著差異．對(duì)于建筑類型區(qū)而言,沒有一個(gè)建筑類型區(qū)域與其他局地氣候區(qū)類型呈現(xiàn)顯著差異．對(duì)于夜間地表溫度而言,緊湊高層建筑區(qū)LCZ 1、緊湊多層建筑區(qū)LCZ 2、開敞高層建筑區(qū)LCZ 4、開敞多層建筑區(qū)LCZ 5 均與其他局地氣候區(qū)呈顯著差異．低矮植被LCZ D和水體LCZ G表現(xiàn)出了相同的規(guī)律．

圖6 不同局地氣候區(qū)類型晝夜地表溫度多重比較分析結(jié)果，其中圓圈表示兩局地氣候區(qū)類型之間地表溫度具有顯著性差異Fig.6 Multiple comparison and analysis results of day and night surface temperatures of different LCZs,in which circles indicate significant difference in surface temperature between two LCZs

圖7統(tǒng)計(jì)了對(duì)于每一個(gè)局地氣候區(qū)類型,與其白天和夜間地表溫度均值具有顯著性差異的局地氣候區(qū)類型的數(shù)量．從圖7中可以看出,不同局地氣候區(qū)類型地表溫度均值呈顯著性差異的對(duì)數(shù)具有明顯的晝夜差異．相對(duì)于其他建筑類型區(qū)而言,開敞高層建筑區(qū)在白天和夜間與其具有顯著性差異的局地氣候區(qū)數(shù)目最大．緊湊低層建筑區(qū)LCZ 3、開敞低層建筑區(qū)LCZ 6、大型低層建筑區(qū)LCZ 8在夜間與其地表溫度均值顯著差異的局地氣候區(qū)數(shù)目高于白天,而其他建筑類型區(qū)則相反．對(duì)于土地覆蓋類型區(qū)而言,水體LCZ G在白天和黑夜均與其他局地氣候區(qū)呈顯著性差異．樹林LCZ AB在白天與其地表溫度均值具有顯著性差異的局地氣候區(qū)數(shù)目明顯高于夜間,而裸巖/鋪砌面LCZ E和裸土/沙土LCZ F呈現(xiàn)了相反的趨勢(shì)．

圖7 不同局地氣候區(qū)類型晝夜地表溫度均值具有顯著性差異的對(duì)數(shù)Fig.7 Logarithm of significant difference between day and night surface temperatures in different LCZs

5 結(jié)論

局地氣候區(qū)分類能夠促使城市地表熱環(huán)境研究從城市尺度推進(jìn)到更細(xì)的尺度,從而更加準(zhǔn)確反映地表覆蓋、地表結(jié)構(gòu)、地表材質(zhì)和人類活動(dòng)等的多樣性及其所代表的氣象特征的多樣性．本文在綜合多源遙感數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了精確的局地氣候區(qū)分類,并深入剖析了不同局地氣候區(qū)類型與晝夜地表溫度之間的響應(yīng)關(guān)系．研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),本文共識(shí)別出8種建筑類型區(qū)和5種土地覆蓋類型區(qū)．通過探討不同局地氣候區(qū)類型白天和夜間的地表熱屬性發(fā)現(xiàn),局地氣候區(qū)類型地表溫度存在顯著的晝夜差異,在白天,大型低層建筑區(qū)LCZ 8地表溫度最高,水體LCZ G 地表溫度最低．在夜間,裸土/沙土LCZ F為最冷的局地氣候區(qū),而水體LCZ G呈現(xiàn)了最高的地表溫度．隨著建筑高度的升高,緊湊建筑類型區(qū)和開敞建筑類型區(qū)白天地表溫度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),而夜間則表現(xiàn)出相反的規(guī)律．局地氣候區(qū)類型的熱屬性在夜間(85.8%)比白天(79.5%)更容易區(qū)分．不論白天與夜間,開敞高層建筑區(qū)LCZ 4和水體LCZ G分別為建筑類型區(qū)和土地覆蓋類型區(qū)中與其他局地氣候區(qū)更易區(qū)分的局地氣候區(qū)類型．不論緊湊建筑類型區(qū)和開敞建筑類型區(qū),多層和高層建筑區(qū)在夜間比白天與其他局地氣候區(qū)類型的地表溫度均值更易區(qū)分．本研究中對(duì)白天和黑夜僅分別采用1 d的地表溫度進(jìn)行晝夜地表熱環(huán)境研究,結(jié)果會(huì)存在部分不確定性,未來將采用多個(gè)時(shí)期平均的白天和夜間地表溫度數(shù)據(jù)探討局地氣候區(qū)與晝夜地表熱環(huán)境之間的耦合關(guān)系．