發(fā)布時(shí)間：2019-11-28所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 一、引言 由于城市化的發(fā)展，人類消耗了大量的物質(zhì)和能量，產(chǎn)生了大量廢棄物和無效熱量，形成了城市熱環(huán)境景觀，最顯著特征就是城市熱島與城市高溫。隨著全球城市熱島和城市高溫現(xiàn)象呈現(xiàn)不斷加劇的趨勢(shì)，對(duì)城市生態(tài)環(huán)境的影響越來越顯著，已成為21世紀(jì)面臨的
一、引言
由于城市化的發(fā)展，人類消耗了大量的物質(zhì)和能量，產(chǎn)生了大量廢棄物和無效熱量，形成了城市熱環(huán)境景觀，最顯著特征就是城市熱島與城市高溫。隨著全球城市熱島和城市高溫現(xiàn)象呈現(xiàn)不斷加劇的趨勢(shì)，對(duì)城市生態(tài)環(huán)境的影響越來越顯著，已成為21世紀(jì)面臨的重要生態(tài)環(huán)境問題[1-2]。近二十年來，遙感作為一種具有空間分辨率高、覆蓋范圍廣、直觀定量等優(yōu)點(diǎn)的分析手段，在大城市和城市群熱環(huán)境評(píng)估和熱力空間格局分析研究中發(fā)揮了重要作用[3-5]。其中，基于遙感觀測(cè)的陸表溫度(LST)是開展城市熱環(huán)境研究的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。
LST不但是多種地表過程模型的主要輸入?yún)?shù)，也是估算區(qū)域及全球尺度上的地表能量平衡的關(guān)鍵因子[6]，不同衛(wèi)星反演的LST質(zhì)量也直接影響著城市熱環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)估的精度。2008年5月我國新一代極軌氣象衛(wèi)星風(fēng)云三號(hào)A星(FY-3A)發(fā)射成功，后續(xù)又陸續(xù)發(fā)射了FY-3B、FY-3C和FY-3D等衛(wèi)星，已經(jīng)形成了全球上、下午星的組網(wǎng)觀測(cè)能力[7]。風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星(FY-3)攜帶的可見近紅外掃描輻射計(jì)VIRR具有類似于美國諾阿(NOAA)衛(wèi)星的AVHRR傳感器熱紅外波段探測(cè)能力，可以進(jìn)行陸表溫度LST持續(xù)觀測(cè)，具有很大的應(yīng)用前景。目前，中國氣象局通過“風(fēng)云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)”向全球免費(fèi)提供FY-3A、FY-3B、FY-3C的全球10°×10°LST分幅產(chǎn)品，此外還通過“新一代極軌氣象衛(wèi)星(風(fēng)云三號(hào))工程地面應(yīng)用系統(tǒng)”在氣象局業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)提供5min數(shù)據(jù)段的LST產(chǎn)品，使之在衛(wèi)星過境半個(gè)小時(shí)后即可獲得經(jīng)過質(zhì)量控制的LST產(chǎn)品，大大提高了LST衛(wèi)星產(chǎn)品服務(wù)的實(shí)時(shí)性和可用性[8]。
本文分別以北京和廣州城市為例，基于FY-3LST,綜合運(yùn)用多種熱環(huán)境評(píng)估指標(biāo)和方法開展城市熱環(huán)境及空間格局對(duì)比分析，評(píng)估FY-3LST產(chǎn)品在城市熱環(huán)境評(píng)估的可用性，對(duì)其他城市如何利用FY-3LST產(chǎn)品開展熱環(huán)境研究具有借鑒意義。
二、數(shù)據(jù)
文中所使用的FY-3A、FY-3B、FY-3CLST產(chǎn)品來源于“風(fēng)云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)(http://satellite.nsmc.org.cn/portalsite/default.aspx)”;MODISTerra/AquaLST日產(chǎn)品(MOD11A2或MYD11A2)來源于“美國地質(zhì)調(diào)查局?jǐn)?shù)據(jù)共享網(wǎng)(https://lpdaac.usgs.gov/dataset_discovery/modis/modis_products_table)”;NOAA18/AVHRR來源于北京市氣候中心接收的日1B數(shù)據(jù)，NOAALST采用Quan等(2012)提出的改進(jìn)型Becker分裂窗方法進(jìn)行反演得到[9]。
三、方法
1.陸表熱島強(qiáng)度
陸表熱島強(qiáng)度(SUHI)是目前城市熱環(huán)境評(píng)估最常用、最重要的指標(biāo)，估算方法較多，本文采用國際上通用的城—鄉(xiāng)二分法[5]，并參考有關(guān)劃分標(biāo)準(zhǔn)[10]，把SUHI劃分為強(qiáng)熱島、較強(qiáng)熱島、弱熱島、無熱島、弱冷島、較強(qiáng)冷島和強(qiáng)冷島等7個(gè)等級(jí)。
2.熱場(chǎng)強(qiáng)度指數(shù)
熱場(chǎng)強(qiáng)度指數(shù)(NHFI)定義為熱場(chǎng)地表溫度的歸一化，參考有關(guān)計(jì)算方法及劃分標(biāo)準(zhǔn)[10]，可以把熱場(chǎng)強(qiáng)度指數(shù)初步劃分成5個(gè)等級(jí)：低溫區(qū)、次低溫區(qū)、常溫區(qū)、次高溫區(qū)和高溫區(qū)。
3.熱島比例指
數(shù)采用熱島比例指數(shù)(UHPI)[11]可進(jìn)行空間單元的熱島定量評(píng)估，參考有關(guān)劃分標(biāo)準(zhǔn)[12]，根據(jù)UHPI值大小，可以劃分為5個(gè)等級(jí)：輕微或無、較輕、一般、較嚴(yán)重和嚴(yán)重。
4.熱島容量
熱島容量(SUHC)定義為城市陸表熱島足跡(產(chǎn)生地表城市熱島效應(yīng)的空間范圍)內(nèi)的熱島強(qiáng)度值與面積相乘值的累加，是一個(gè)表征熱島強(qiáng)度和面積的綜合指標(biāo)，單位km2·℃或km2·K。熱島容量模型建立的原理是：若城市熱島在空間上為高斯曲面分布，則可利用高斯曲面擬合熱島強(qiáng)度信號(hào)函數(shù)，根據(jù)該函數(shù)可確定熱島足跡及熱島中心，從而估算熱島容量[13-14]。
5.高溫強(qiáng)度評(píng)估
本文利用平原地區(qū)自動(dòng)站點(diǎn)日最高氣溫≥33℃的晴空氣象臺(tái)站資料，選擇相應(yīng)的下午星FY-3BLST產(chǎn)品，根據(jù)臺(tái)站相應(yīng)位置在遙感圖像上取位置為中心3×3像元的平均LST作為臺(tái)站的相應(yīng)遙感地表溫度，建立FY-3BLST與日最高氣溫的回歸關(guān)系式，從而計(jì)算不同氣溫高溫等級(jí)(35℃、37℃、40℃)下對(duì)應(yīng)的地表高溫值，并參照氣象上高溫等級(jí)劃分進(jìn)行遙感地表高溫強(qiáng)度等級(jí)劃分，劃分為輕度高溫、中度高溫、重度高溫。并可利用高溫比例指數(shù)(LSHP)對(duì)不同空間單元的高溫監(jiān)測(cè)狀況進(jìn)行有效比較，并參考相關(guān)劃分標(biāo)準(zhǔn)[15]，LSHP可以劃分為5個(gè)等級(jí)：輕微或無、較輕、一般、較嚴(yán)重和嚴(yán)重。
6.高溫中暑指數(shù)評(píng)估
利用北京城市歷史高溫氣象資料與人群中暑資料建立高溫對(duì)中暑影響評(píng)估模型：
Y=-22.754+1.68×(Tmax-35)+0.71×T
Tmax≥35℃(1)
其中Y是高溫中暑指數(shù)，Tmax是最高氣溫，T是平均氣溫。根據(jù)北京平原地區(qū)自動(dòng)站氣象站最高氣溫Tmax與下午星FY-3BLST建立的回歸模型，確定高溫中暑指數(shù)值中的陸表溫度值LST代替Tmax;通過白天和夜間的FY-3BLST平均值與自動(dòng)站日平均氣溫的關(guān)系，建立基于FY-3B的平均地溫與氣溫的關(guān)系，代入公式(1)，從而估算出遙感高溫中暑指數(shù)值，根據(jù)等級(jí)劃分，進(jìn)行高溫中暑影響等級(jí)評(píng)估，如表1所示。
7.熱力景觀指標(biāo)
常用的熱力景觀指標(biāo)主要包括：熱力斑塊密度、熱力最大斑塊指數(shù)、平均斑塊分?jǐn)?shù)維、熱力分離度指數(shù)、熱力多樣性指數(shù)和熱力聚集度指數(shù)[16-17]。
熱力斑塊密度(PD)表達(dá)單位面積上熱力斑塊數(shù)量，描述熱力景觀破碎度情況;熱力最大斑塊指數(shù)(LPI)表示熱力最大斑塊所占景觀面積的比例，有助于確定景觀的優(yōu)勢(shì)類型等;平均斑塊分?jǐn)?shù)維(FRAC_MN)用于描述不規(guī)則幾何形狀的復(fù)雜程度，其值越接近1，反映斑塊形狀越簡單，其值越接近2，說明斑塊形狀越復(fù)雜;熱力分離度指數(shù)(SPLIT)用于描述熱力斑塊在空間分布上的分散程度，分離度越大表示斑塊在空間分布上越分散。熱力多樣性指數(shù)(SHDI)用于描述一個(gè)區(qū)域內(nèi)不同熱力景觀類型分布的均勻化和復(fù)雜化程度，等于0表明整個(gè)景觀僅有一個(gè)斑塊組成，各熱力景觀比例相等時(shí)，則多樣性指數(shù)最高，各景觀類型比例差異增大，則多樣性指數(shù)減小。熱力聚集度指數(shù)(AI)用于度量同一類型熱力斑塊的聚集度程度，值越小，熱力景觀越離散。
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四、基于FY-3衛(wèi)星的城市熱環(huán)境監(jiān)測(cè)和評(píng)估
1.熱島強(qiáng)度監(jiān)測(cè)和評(píng)估
如圖1和圖2所示為北京和廣州典型晴空高溫日(日最高氣溫≥35℃)2017年7月10日和2017年8月20日熱島強(qiáng)度SUHI等級(jí)監(jiān)測(cè)及熱島比例指數(shù)UHPI，可以看出北京城六區(qū)大部分區(qū)域及各郊區(qū)城中心出現(xiàn)明顯熱島，主要建成區(qū)五環(huán)內(nèi)區(qū)域UHPI達(dá)0.92，UHPI排名前三位的區(qū)分別是城區(qū)(1.0)、朝陽(0.79)和豐臺(tái)(0.71)，分別評(píng)估為“嚴(yán)重”、“較嚴(yán)重”和“較嚴(yán)重”等級(jí)。廣州城區(qū)荔灣熱島最重，UHPI為0.88，評(píng)估為“嚴(yán)重”等級(jí);海珠(UHPI為0.67)次之，評(píng)估為“較嚴(yán)重”，表明這些區(qū)域熱島現(xiàn)象較為嚴(yán)重。
如圖3利用1990—2017年不同年份夏季典型晴空日NOAA/AVHRR和FY-3B衛(wèi)星資料對(duì)北京市SUHI進(jìn)行時(shí)間動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)：1990—2017年北京熱島出現(xiàn)了從中心城區(qū)向北、東和南三面擴(kuò)展趨勢(shì)，2001年后由于北京奧運(yùn)會(huì)的舉辦，舊城改造和綠化率明顯增加使得熱島面積有所減小，2008年后則熱島持續(xù)增加，其中向昌平、順義和通州方向城市熱島擴(kuò)展最為明顯。2017年，北京城六區(qū)熱島面積為1115km2，占城六區(qū)總面積的80%，略高于2016年，結(jié)果顯示利用FY-3衛(wèi)星資料可有效監(jiān)測(cè)城市熱島時(shí)空動(dòng)態(tài)變化。
2.熱場(chǎng)強(qiáng)度指數(shù)監(jiān)測(cè)
如圖4所示為北京和廣州典型晴空高溫日2017年7月10日和2017年8月20日熱場(chǎng)強(qiáng)度指數(shù)NHFI分布圖，可以看出，北京和廣州城區(qū)出現(xiàn)明顯高溫區(qū)，城市熱島明顯，結(jié)合圖1熱島強(qiáng)度SUHI分布圖可以看出，北京城市地區(qū)的“高溫區(qū)”和“次高溫區(qū)”范圍分別與城市強(qiáng)熱島和較強(qiáng)熱島范圍分布較為一致，但廣州城市地區(qū)的“高溫區(qū)”范圍明顯小于強(qiáng)熱島范圍，表明基于FY-3B衛(wèi)星的熱場(chǎng)強(qiáng)度指數(shù)雖然可有效反映城市熱島，但兩者在確定熱島范圍上可能存在較大差異。
3.熱島容量評(píng)估
圖5為分別利用北京2016年8月28日的FY-3CLST數(shù)據(jù)和廣州2016年7月25日的FY-3BLST數(shù)據(jù)進(jìn)行地區(qū)城市熱島高斯模擬結(jié)果。可以看出，北京、廣州都存在一個(gè)熱島中心和橢圓形的熱島足跡，對(duì)北京、廣州的熱島容量估算如表2所示：北京2016年8月28日的熱島容量SUHC明顯高于廣州地區(qū)2016年7月25日，分別為3554.9km2·K和572.3km2·K，SUHI最大值也是北京高于廣州，分別為7.9K和3.0K。結(jié)合圖1熱島強(qiáng)度分布圖可以看出，針對(duì)北京這種以城市中心向四周擴(kuò)展只有一個(gè)明顯熱島中心的SUHI分布，高斯模擬可以較好地模擬出熱島中心和熱島范圍，但對(duì)于廣州這種并非以城市中心向四周擴(kuò)展可能存在多個(gè)熱島中心的SUHI分布，高斯模擬并不能很好地模擬出番禺區(qū)和白云區(qū)的大片熱島范圍。
4.高溫強(qiáng)度監(jiān)測(cè)和評(píng)估
圖6和圖7所示為基于FY-3B和自動(dòng)氣象站資料對(duì)北京地區(qū)2017年7月10日和廣州地區(qū)2017年7月29日的高溫強(qiáng)度監(jiān)測(cè)以及相應(yīng)的高溫比例指數(shù)LSHI圖，可以看出北京2017年7月10日和廣州2017年7月29日主要建成區(qū)出現(xiàn)明顯高溫現(xiàn)象，中心城區(qū)出現(xiàn)重度高溫，這與自動(dòng)站氣象觀測(cè)基本一致。北京2017年7月10日高溫比例指數(shù)排名前三位的分別是城區(qū)(0.75，“較嚴(yán)重”高溫等級(jí))、朝陽(0.60，“一般”高溫等級(jí))和豐臺(tái)(0.49，“一般”高溫等級(jí))，其余區(qū)均在0.40以下，為“較輕”或“輕微或無”高溫等級(jí);廣州2017年7月29日高溫強(qiáng)度排名前三位的分別是荔灣(0.91)、越秀(0.71)和海珠(0.41)，分別評(píng)估為“嚴(yán)重”、“較嚴(yán)重”和“一般”等級(jí)。結(jié)果表明利用FY-3BLST產(chǎn)品可有效監(jiān)測(cè)基于網(wǎng)格的城市高溫強(qiáng)度。
5.北京高溫中暑評(píng)估
如圖8所示為基于FY-3B白天和夜間衛(wèi)星的2017年7月10日北京高溫中暑指數(shù)監(jiān)測(cè)，可以看出，中心城區(qū)及城六區(qū)都處于“易發(fā)生”、“極易發(fā)生”和“可能發(fā)生”等級(jí)區(qū)域，其他地區(qū)不容易發(fā)生中暑。
6.北京和廣州熱力景觀評(píng)估對(duì)比分析
分別利用圖1中北京2017年7月10日和廣州2017年8月20日FY-3B估算的SUHI圖，可對(duì)北京和廣州城市熱力景觀進(jìn)行對(duì)比分析，如表3所示。
�、侔邏K密度(PD)：廣州地區(qū)比北京地區(qū)大，說明各類熱島北京地區(qū)分布集中，破碎度低于廣州;②最大斑塊指數(shù)(LPI)：廣州地區(qū)比北京地區(qū)大，表明廣州優(yōu)勢(shì)熱力類型斑塊較大;③景觀形狀指數(shù)(LSI)：北京地區(qū)比廣州地區(qū)值大，說明北京地區(qū)熱力景觀中各類斑塊形狀不規(guī)則更復(fù)雜;④平均斑塊分?jǐn)?shù)維(FRAC_MN)：北京地區(qū)基本與廣州地區(qū)斑塊規(guī)則程度接近;⑤分離度指數(shù)(SPLIT)：北京地區(qū)熱力景觀斑塊分散程度比廣州地區(qū)大;⑥聚集度指數(shù)(AI):北京地區(qū)大于廣州地區(qū)，說明北京地區(qū)景觀由少數(shù)團(tuán)聚的大斑塊組成，廣州地區(qū)熱島斑塊類型較分散。
五、結(jié)論
FY-3是我國新一代極軌氣象衛(wèi)星，從第一顆衛(wèi)星FY-3A于2008年發(fā)射至今已有十余年，已積累了大量的LST產(chǎn)品。本文以北方城市北京和南方城市廣州為例，主要目的是檢驗(yàn)FY-3LST產(chǎn)品的可用性以及在城市熱島和高溫監(jiān)測(cè)評(píng)估中的應(yīng)用。研究結(jié)果顯示：
�、倮们缈誇Y-3LST估算的熱島強(qiáng)度SUHI和熱島比例指數(shù)UHPI可有效反映北京和廣州的熱島強(qiáng)度及時(shí)空變化;②熱場(chǎng)強(qiáng)度指數(shù)NHFI也可反映熱島大小，但與SUHI在空間分布上存在著差異;③熱島容量SUHC可定量評(píng)估熱島大小，但在空間分布上還不能對(duì)多中心熱島的城市進(jìn)行有效評(píng)估;④利用高溫強(qiáng)度和高溫比例指數(shù)可有效評(píng)估城市高溫，相應(yīng)的高溫中暑指數(shù)也可評(píng)估城市高溫對(duì)人體中暑影響;⑤基于FY-3LST的熱力景觀指數(shù)則可評(píng)估北京和廣州熱力景觀類型上的差異。但不同的指標(biāo)反映強(qiáng)弱不同，在具體評(píng)估中需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。
