北京市1993—2011年風(fēng)速變化與下墊面粗糙特性關(guān)系研究

李志坤，張風(fēng)麗，王國(guó)軍，邵 蕓

(1. 中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所雷達(dá)應(yīng)用研究室，北京 100010； 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

北京市1993—2011年風(fēng)速變化與下墊面粗糙特性關(guān)系研究

李志坤1，2，張風(fēng)麗1，王國(guó)軍1，邵 蕓1

(1. 中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所雷達(dá)應(yīng)用研究室，北京 100010； 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

北京市近年來(lái)霧霾頻發(fā)，大氣污染物的擴(kuò)散與風(fēng)場(chǎng)環(huán)境及下墊面粗糙特性具有極大的相關(guān)性。本文首先利用1993—2011年的我國(guó)地面國(guó)際交換站氣象觀測(cè)資料對(duì)北京市地面風(fēng)速風(fēng)向年際變化特征進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，1993—2011年北京市平均風(fēng)速呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且自2006年來(lái)北京市風(fēng)速下降尤為明顯，北風(fēng)出現(xiàn)頻率明顯下降。在此基礎(chǔ)上，本文利用2007—2011年的ALOS PALSAR數(shù)據(jù)和夜晚燈光數(shù)據(jù)提取分析了北京市城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展情況，進(jìn)而結(jié)合下墊面粗糙特性的時(shí)空演變特征分析了北京市地區(qū)風(fēng)速風(fēng)向變化與下墊面粗糙特性的關(guān)系。分析結(jié)果表明，城市擴(kuò)張?jiān)斐傻南聣|面粗糙度的增加阻礙了北方來(lái)風(fēng)，導(dǎo)致了北京市風(fēng)場(chǎng)分布的變化及平均風(fēng)速的減小。

風(fēng)速;粗糙度;城市化;夜晚燈光;合成孔徑雷達(dá);建成區(qū)

城鎮(zhèn)化在所有人類(lèi)活動(dòng)中對(duì)氣候環(huán)境影響最大[1]。從20世紀(jì)90年代起，北京的快速發(fā)展使城市用地面積急劇擴(kuò)張，土地覆蓋類(lèi)型發(fā)生了劇烈變化[2]。城鎮(zhèn)化過(guò)程中城鎮(zhèn)用地面積及結(jié)構(gòu)的變化影響下墊面粗糙特性，進(jìn)而影響區(qū)域氣候和環(huán)境。前人已開(kāi)展許多關(guān)于城鎮(zhèn)化過(guò)程對(duì)于氣候/氣象環(huán)境影響的研究[3]。

SAR(synthetic aperture radar)具有全天時(shí)全天候的工作能力且能同時(shí)獲取城鎮(zhèn)用地范圍及粗糙元高度維信息[4]，對(duì)于監(jiān)測(cè)城鎮(zhèn)化過(guò)程具有明顯優(yōu)勢(shì)，中低分辨率SAR數(shù)據(jù)可有效用于城市范圍的快速提取與監(jiān)測(cè)[5-6]。本文主要關(guān)注規(guī)模化城市建設(shè)用地的范圍與動(dòng)態(tài)，為了剔除非人類(lèi)密集活動(dòng)區(qū)域強(qiáng)散射特征、中小城鎮(zhèn)用地造成虛警的影響，因此本文引入了夜晚燈光數(shù)據(jù)。

夜晚數(shù)據(jù)可以記錄城市夜晚燈光信息，對(duì)于描述人類(lèi)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)非常有效[7]。Imhoff[8]、Su[9]、Ghosh[10]、Zhang[11]、Balk[12]等都將夜晚燈光數(shù)據(jù)與數(shù)字土地利用圖融合。因此，本文綜合利用SAR數(shù)據(jù)和夜晚燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行北京市用地范圍的快速提取與年際變化分析。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

北京市背靠燕山，毗鄰天津市和河北省，氣候?yàn)榈湫偷谋睖貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，寒暑懸殊[13]。北京市是中國(guó)城鎮(zhèn)化擴(kuò)張最快的區(qū)域，同時(shí)這一地區(qū)在近幾年也面臨著最嚴(yán)重的空氣污染問(wèn)題。

1.2 數(shù)據(jù)源介紹

1.2.1 氣象站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)

本文利用中國(guó)地面國(guó)際交換站氣候日值數(shù)據(jù)集(版本V3.0)進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的時(shí)空演變分析。北京地區(qū)包含1個(gè)站點(diǎn)，位于北京東南偏南部。

1.2.2 ALOS PALSAR數(shù)據(jù)

本研究采用的合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)為2007—2011年共5年的ALOS PALSAR WB1模式HH單極化數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)使用L波段成像，入射角為27.1°，數(shù)據(jù)分辨率為100 m，單景數(shù)據(jù)可覆蓋北京市范圍。對(duì)每一景數(shù)據(jù)進(jìn)行了幾何校正、輻射定標(biāo)和裁剪等預(yù)處理。

1.2.3 夜晚燈光數(shù)據(jù)

本文選用了DMSP的穩(wěn)定燈光數(shù)據(jù)產(chǎn)品作為輔助數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)產(chǎn)品能夠消除地表的閃電和火光等偶然因素造成的光源[14]，在國(guó)內(nèi)外已被廣泛應(yīng)用于城市監(jiān)測(cè)[8-12]。本文利用2007—2011年的數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正、裁剪等處理，得到北京市5年夜晚燈光的圖像數(shù)據(jù)。

2 研究方法

首先利用氣象站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)北京市風(fēng)速風(fēng)向年際變化情況進(jìn)行系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)和分析；然后綜合利用SAR數(shù)據(jù)和夜間燈光數(shù)據(jù)提取北京市建城區(qū)面積及下墊面粗糙度特性時(shí)空演變規(guī)律；最后結(jié)合風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)和下墊面粗糙特性監(jiān)測(cè)結(jié)果探討了風(fēng)場(chǎng)變化的原因，以及下墊面粗糙特性演變對(duì)其造成的影響。

2.1 風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理方法

為了利用氣象站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析風(fēng)場(chǎng)變化規(guī)律，本文對(duì)站點(diǎn)每個(gè)方向平均風(fēng)速、頻率，以及所有方向上的平均風(fēng)速進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析；對(duì)統(tǒng)計(jì)出的平均風(fēng)速和特定方向上的平均風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行了時(shí)間序列分析，并線性趨勢(shì)擬合得到風(fēng)速變化率值。線性回歸系數(shù)表示風(fēng)速的趨勢(shì)，當(dāng)系數(shù)大于0時(shí)表示隨時(shí)間增加風(fēng)速呈上升趨勢(shì)，反之亦然。回歸系數(shù)的大小反映了風(fēng)速變化的快慢。

2.2 基于ALOS PALSAR數(shù)據(jù)與夜晚燈光數(shù)據(jù)相結(jié)合的建成區(qū)范圍快速提取方法

本文提出了一種綜合利用ALOS PALSAR數(shù)據(jù)與夜晚燈光數(shù)據(jù)的城市建成區(qū)范圍快速提取方法，以快速提取中尺度范圍的城市建設(shè)用地范圍，進(jìn)而刻畫(huà)城鎮(zhèn)化進(jìn)程造成的下墊面粗糙特性的演變規(guī)律。該方法的主要思路如下：

利用區(qū)域增長(zhǎng)算法從經(jīng)過(guò)預(yù)處理的ALOS PALSAR圖像提取城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)域；之后利用鄰域分析方法[15]從夜晚燈光數(shù)據(jù)提取城鎮(zhèn)區(qū)域，并以此作為輔助數(shù)據(jù)消除僅利用SAR數(shù)據(jù)提取規(guī)模化建成區(qū)時(shí)存在的虛警。

本文利用相應(yīng)時(shí)期的TM數(shù)據(jù)對(duì)該方法的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，上述方法提取的城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)域全局精度可達(dá)93.2%。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)提取與分析結(jié)果

3.1.1 平均風(fēng)速

根據(jù)中國(guó)地面國(guó)際交換站氣候日值數(shù)據(jù)集提取了北京市1993—2011年間年度平均風(fēng)速的變化情況(如圖1所示)，整體平均風(fēng)速呈下降趨勢(shì)，平均10年間下降0.19 m/s。

圖1 北京市平均風(fēng)速

3.1.2 風(fēng)向頻率特征

為了研究北京市風(fēng)速下降的可能成因，本文統(tǒng)計(jì)了北京市1993—2011年間的北京市最大風(fēng)速所在風(fēng)向的分布規(guī)律，結(jié)果如圖2所示。可以看出，北京市最大風(fēng)速經(jīng)常出現(xiàn)在SSW、SW、NW、N、NE這5個(gè)風(fēng)向上，其中最大風(fēng)速在SSW這一方向的出現(xiàn)次數(shù)最多。

由北京市平均風(fēng)速統(tǒng)計(jì)的結(jié)果顯示，北京市從2006年之后的風(fēng)速下降較為明顯。從2007—2011年間北京市最大風(fēng)速的風(fēng)向分布規(guī)律可以看出，在該時(shí)間段內(nèi)北風(fēng)出現(xiàn)的比例相對(duì)于1993—2011年明顯降低了。

針對(duì)這一發(fā)現(xiàn)，本文進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)了1993—2011年間5個(gè)主要風(fēng)向上的平均風(fēng)速情況，結(jié)果如圖3所示。圖3中三角標(biāo)記和菱形標(biāo)記的分別為北風(fēng)與西北風(fēng)，米字形標(biāo)記表示東北風(fēng)；矩形標(biāo)記與圓形標(biāo)記分別表示西南風(fēng)與西南偏南風(fēng)。可以看出，北京市西北風(fēng)與北風(fēng)的平均風(fēng)速高于西南方向和東北方向來(lái)風(fēng)的風(fēng)速，尤其是在西北方向上，風(fēng)速明顯較高。

圖2 年北京市最大風(fēng)速出現(xiàn)頻率

圖3 不同風(fēng)向的平均風(fēng)速

在2006年之后，北京市最大風(fēng)速中北風(fēng)和西北風(fēng)出現(xiàn)的頻率有所下降，因此筆者推測(cè)正是因?yàn)轱L(fēng)速較高的偏北方向來(lái)風(fēng)出現(xiàn)頻率的降低，造成了北京地區(qū)平均風(fēng)速的下降。為此本文進(jìn)而統(tǒng)計(jì)了北風(fēng)1993—2011年頻率變化情況，結(jié)果如圖4所示。

圖4 N+NW方向上最大風(fēng)速年出現(xiàn)頻率

1993—2011年之間，北京市N+NW方向上最大風(fēng)速出現(xiàn)頻率的變化規(guī)律與圖3的平均風(fēng)速變化規(guī)律十分一致。綜合來(lái)看，偏北方向來(lái)風(fēng)的出現(xiàn)頻率呈波動(dòng)下降趨勢(shì),10年內(nèi)平均每年降低2.2次。而這4年北京市平均風(fēng)速整體也呈波動(dòng)下降的趨勢(shì)。

3.2 建成區(qū)提取結(jié)果

為了分析北京市風(fēng)速降低的原因，本文利用2007—2011年間的ALOS PALSAR和NL數(shù)據(jù)提取了北京市規(guī)模化建成區(qū)的范圍及變化情況，結(jié)果如圖5所示。這里，利用不同顏色的結(jié)果表示不同年間北京建成區(qū)的范圍，其中紅色表示2007年的建成區(qū)范圍，深藍(lán)色表示2008年的建成區(qū)范圍，黃色表示2009年的建成區(qū)范圍，淺藍(lán)色表示2010年的建成區(qū)范圍，綠色表示2011年的建成區(qū)范圍。

北京市建成區(qū)面積及變化情況見(jiàn)表1。北京市從2007—2011年5年間建成區(qū)面積總共增長(zhǎng)214 km2。建成區(qū)面積逐年增長(zhǎng)，增長(zhǎng)面積呈上升趨勢(shì)，其中2010—2011年度建成區(qū)面積增長(zhǎng)最大，增長(zhǎng)了114.55 km2。2010—2011年度建成區(qū)面積增長(zhǎng)率也最大，同比去年增長(zhǎng)了7.9%。2007—2011這5年內(nèi)建成區(qū)面積增長(zhǎng)了241.11 km2，建成區(qū)增長(zhǎng)率為18%左右。北京地區(qū)建成區(qū)由城市中心向四周進(jìn)行擴(kuò)張，北部建成區(qū)擴(kuò)張面積高于南部地區(qū)。北京北部以5個(gè)聚落為單位進(jìn)行擴(kuò)展，南部區(qū)域沿著正南、東南、西南3個(gè)方向條形擴(kuò)展，逐漸連成線狀。

圖5 2007—2011年城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)展情況

4 分析與討論

北京地區(qū)1993—2011年間風(fēng)速呈現(xiàn)波動(dòng)下降的趨勢(shì)，平均10年下降0.19 m/s；而北京地區(qū)最常出現(xiàn)的5個(gè)風(fēng)向上，西北風(fēng)和北風(fēng)強(qiáng)度常年高于南風(fēng)和東北風(fēng)。本文所選站點(diǎn)正處于北京東南偏南部，北京市城鎮(zhèn)化的擴(kuò)展造成的下墊面粗糙性的改變對(duì)北風(fēng)影響最大，具體表現(xiàn)為北風(fēng)最大風(fēng)速出現(xiàn)頻率降低及北京平均風(fēng)速的下降。

表1 北京市建成區(qū)擴(kuò)張情況

為了驗(yàn)證這一結(jié)論，筆者選取了與北京情況相似的兩個(gè)城市天津和石家莊進(jìn)行了分析。利用2007—2011年的ALOS PALSAR和NL數(shù)據(jù)得知，天津5年間城鎮(zhèn)用地面積擴(kuò)展了134.5 km2，且主要集中在站點(diǎn)的東北偏東方向上，圍繞著天津市原有建成區(qū)程輻射狀增長(zhǎng)；石家莊城鎮(zhèn)用地面積擴(kuò)展了124.85 km2，且主要集中在站點(diǎn)的東北方向上，圍繞著石家莊原有建成區(qū)程輻射狀增長(zhǎng)。從2006年開(kāi)始天津市東北方向上的最大風(fēng)速頻率出現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)，從30天/年下降至4天/年。石家莊市東北方向上的頻率也同樣出現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)，從30天/年下降至19天/年。可見(jiàn)，與北京相似，正是由于城市快速擴(kuò)張改變了城市下墊面粗糙特性，從而阻礙了相應(yīng)方向上風(fēng)速的大小，城鎮(zhèn)化過(guò)程造成的粗糙元的增多和高度的增加，對(duì)風(fēng)速形成了明顯的拖拽效應(yīng)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文利用氣象觀測(cè)站獲取的風(fēng)場(chǎng)資料，分析了北京市地區(qū)風(fēng)速、風(fēng)向的時(shí)空分布規(guī)律，以及城鎮(zhèn)化過(guò)程對(duì)于風(fēng)場(chǎng)的影響。結(jié)果表明，由于城市建設(shè)用地范圍和建筑物在空間維的快速擴(kuò)展，使得平均風(fēng)速、主導(dǎo)風(fēng)向的分布，以及北風(fēng)出現(xiàn)頻率都出現(xiàn)了明顯下降。基于SAR數(shù)據(jù)和夜晚燈光數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，是由于快速城鎮(zhèn)化造成的下墊面粗糙特性的改變?cè)斐闪司值仫L(fēng)場(chǎng)的變化。

[1] RIDDER K D,LAUWAET D,MAIHEU B.UrbClim——A Fast Urban Boundary Layer Climate Model[J].Urban Climate，2015(12):21-48.

[2] 王靜，蘇根成，匡文慧，等. 特大城市不透水地表時(shí)空格局分析——以北京市為例[J]. 測(cè)繪通報(bào)，2014(4):90-94.

[3] JIN M,DICKINSON R N,ZHANG D.The Footprint of Urban Areas on Global Climate as Characterized by MODIS[J].Journal of Climate，2005，18(18):1551-1565.

[4] 梁家琳. 雷達(dá)衛(wèi)星的遙感應(yīng)用及發(fā)展[J]. 測(cè)繪通報(bào)，1999(3):12-13.

[5] GAMBA P,LISINI G.Fast and Efficient Urban Extent Extraction Using ASAR Wide Swath Mode Data[J].IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations & Remote Sensing，2013，6(5):2184-2195.

[6] GAMBA P,LISINI G,TRIANNI G,et al.Urban Area Mapping Using ASAR Wide Swath Mode and Landsat Data: A Comparison on Eastern China[C]∥Urban Remote Sensing Event.Sao Paulo:IEEE，2013：127-130.

[7] 宋金超，李新虎，吝濤，等.基于夜晚燈光數(shù)據(jù)和Google Earth的城市建成區(qū)提取分析[J]. 地球信息科學(xué)學(xué)報(bào)，2015，17(6):750-756.

[8] IMHOFF M,LAWRENCE W,ELVIDGE C,et al.Using Nighttime DMSP/OLS Images of City Lights to Estimate the Impact of Urban Land Use on Soil Resources in the United States [J].Remote Sensing of Environment，1997，59(1):105-117.

[9] SU Y,CHEN X,WANG C,et al.A New Method for Extracting Built-up Urban Areas Using DMSP-OLS Nighttime Stable Lights:A Case Study in the Pearl River Delta，Southern China[J].Giscience & Remote Sensing，2015，52(2):218-238.

[10] GHOSH T,POWELL R,ELVIDGE C,et al.Shedding Light on the Global Distribution of Economic Activity[J].Open Geography Journal，2010,3(1)：147-160.

[11] ZHANG Q L,SETO K C.Mapping Urbanization Dynamics at Regional and Global Scales Using Multi-temporal DMSP/OLS Nighttime Light Data[J].Remote Sensing of Environment，2011，115(9):2320-2329.

[12] BALK D,NGHIEM S,RODRIGUEZ E,et al.New Methods for Understanding Intra-urban Contours at a Global Scale: An Application of Dense Sampling Methods of QuikSCATScatterometer with Population and Housing Data[C]∥Urban Remote Sensing Joint Event.[S.l.]：IEEE，2007：1-4.

[13] 劉燚.京津冀地區(qū)空氣質(zhì)量狀況及其與氣象條件的關(guān)系[D].長(zhǎng)沙：湖南師范大學(xué)，2010.

[14] 劉雙慶.引入一種新型震害快速評(píng)估基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的嘗試——DMSP/OLS衛(wèi)星夜光數(shù)據(jù)的使用[J].防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，14(3):70-75.

[15] 蘇泳嫻，張虹鷗，陳修治，等.基于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)提取城鎮(zhèn)建設(shè)用地的鄰域分析法[J].熱帶地理，2015，35(2):193-201.

TheRelationshipResearchBetweenWindSpeedandtheUnderlyingSurfaceRoughnessinBeijingDuring1993—2011

LI Zhikun1，2，ZHANG Fengli1，WANG Guojun1，SHAO Yun1

(1. Institute of Remote Sensing and Digital Earth，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100010,China； 2. University of the Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

In recent years,Beijing has encountered serious air pollution problem. Atmospheric pollutants diffusion has a great correlation with the wind speed and the underlying surface roughness. Therefore，the 1993—2011 China ground international exchange station wind data are used to analyse the characteristics of the change of wind speed and direction in the ground. The results show that from 1993 to 2011 in Beijing，the average wind speed decreases. Since 2006 wind speed is significantly changed，the analysis shows that the frequency of north wind decreased may be a mainly reason. On this basis，we use the 2007—2011 ALOS PALSAR and night light data to extract and analyse the land expansion of Beijing. To analyze the relationship between wind speed and direction change of Beijing with surface roughness. The results show that the city expansion causes the increase of roughness,drags the north wind，leeds to decreased of wind speed and changes the wind field in Beijing city.

wind velocity;roughness;urbanization;nightlight；synthetic aperture radar；built-up area

2017-03-07；

2017-05-22

國(guó)家自然科學(xué)基金(41671359；61471358)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFB0502500)

李志坤(1992—)，男，碩士生，主要從事城市遙感的相關(guān)研究工作。E-mail：1439100241@qq.com

李志坤，張風(fēng)麗，王國(guó)軍，等.北京市1993—2011年風(fēng)速變化與下墊面粗糙特性關(guān)系研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(12)：29-32.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0373.

P237

A

0494-0911(2017)12-0029-04