基于MODIS數據的貴陽市地表熱場時空特征分析

李可相，肖玖軍，陳 遠，謝 剛，張藍月,董艷艷

(貴州科學院貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽 550001)

1 引言

地表溫度是城市下墊面能量平衡的核心，也是城市熱島研究的關鍵。遙感監測法是目前宏觀尺度獲取城市地表溫度，研究城市熱島效應的主要研究方法之一，具有監測面積廣、時間序列長、可在時空上進行長期連續監測等優點。許多研究者對此進行了研究，如裴志方[1]等以鄭州市為例研究了城市化下城市熱環境與下墊面關系，結果表明城市化下城市熱島效應明顯，地表溫度與植被覆蓋高度負相關。魏冠軍[2]基于Landsat TM/ETM +對蘭州市城市熱環境格局動態變化進行了研究分析。侯浩然[3]等基于遙感方法對福州市近20年城市熱環境變化進行了研究分析。多是利用Landsat TM/ETM +等高空間分辨率的遙感數據，基于高時間分辨率遙感的長期監測研究較少見，欠缺針對地表溫度的季節變化特征研究。

本文在前人研究的基礎上，選取典型喀斯特山地城市(貴陽市)作為研究區域，采用近20年的MODIS遙感數據，對貴陽市地表熱環境進行研究，探討其城市熱島效應的分布及強度，分析研究區域地表熱環境的長期變化情況，以期為緩解城市熱島效應提供參考。

2 研究區域與研究方法

2.1 研究區概況

貴陽市地處長江和珠江水系分水嶺地帶，云貴高原東斜坡，東部平原向西部高原的過渡地帶，屬巖溶峰叢洼地、峰叢槽谷和峰林谷地地貌，海拔高，緯度低，是一座典型的喀斯特發育完全、城市生態脆弱的高原山區城市[4]。轄6個區，3個縣，1個縣級市，為云貴高原上僅有的兩個省會城市之一。常年受西風帶控制，屬于亞熱帶濕潤溫和型氣候，兼有高原性和季風性氣候特點。

2.2 數據來源

本文選取的數據包括MODIS產品中的土地利用數據和MOD11A2地表溫度數據。其中，遙感數據為2000～2019年MOD11A2數據，分辨率1km，是已經過定標定位，大氣和氣溶膠校正的8天合成產品，此數據消除了部分的云干擾，提高了LST數據的有效性；土地利用數據為2006年分辨率為500m的土地利用覆被數據MCD12Q1。為保障數據的連續性和完整性MOD11A2和MCD12Q1均獲取自NASA官網(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)。為便于季節變化分析，四季按照MOD11A2原始數據的時間編碼(001～361)進行劃分，春季(3～5月份)為065～145，夏季(6～8月份)為153～241，秋季(9～11月份)為249～329，冬季(12月～次年2月份)為337～361和次年的001～057。

2.3 研究方法

利用MODIS產品中的土地利用數據和地表溫度數據，對貴陽市地表熱場的時空特征進行分析。在空間上，對城市的地表熱場強度等級進行劃分，分析地表熱環境空間變化趨勢；時間上，分析城市地表熱場的年際變化特征。

采用MODIS地表溫度產品(LST)表示熱場分布，LST是反映熱場最直接、最重要的定量指標[5]。由于白天貴陽市地表溫度數據空值較多且不穩定，而夜間的熱島強度較穩定[6]，因此使用夜間地表溫度進行研究。本文采用地表熱島強度指數[7](Urban Heat Island Intensity Index，UHII)和斜率分析法對研究區地表溫度的時空特征進行研究。地表熱島強度指數是將地表熱島強度劃分為強冷島、較強冷島、弱冷島、無熱島、弱熱島、較強熱島和強熱島等7級，以反映城區溫度高于郊區鄉村的程度；斜率分析法能對不同的柵格變化趨勢進行分析，得到地表溫度的年際變化特征。使用的軟件環境為ArcGIS 10.4、ENVI5.3、SPSS20等軟件。

3 結果與分析

3.1 貴陽市地表熱場時空變化特征

貴陽市作為典型喀斯特山地城市，熱島效應最典型的特點是：大部分城區沒有熱島，而在沒有大面積集中建設和高耗能工礦企業的城郊區域卻出現了大面積的熱島，這與蔡宏等人[8]的研究結果一致。說明貴陽市存在區別于常規熱島的異常熱島。

圖1為基于MODIS數據得到的貴陽市2005、2010、2015、2019年夜晚熱島強度等級分布圖。由圖可知，貴陽市夜晚熱島強度等級僅包含7個等級中的4個等級(即：弱冷島、無熱島、弱熱島、較強熱島)。2005～2019年，貴陽市的熱島效應以弱熱島為主，主要分布在云巖區、南明區、花溪區及北部低洼河谷地帶，其次是較強熱島，較集中地分布于云巖區、南明區及開陽縣東部的低海拔區域。弱熱島在觀山湖區、白云區、烏當區僅有零星分布，而在云巖區、南明區及花溪區則呈現出擴散趨勢。較強熱島未出現明顯擴散趨勢，歷年均較集中地分布于云巖區、南明區及花溪區北部的低海拔區域。

圖1 2005～2019年貴陽市熱島強度變化

統計2005～2019年貴陽市夜晚熱島強度范圍平均地表面積占貴陽市總面積的比例情況，發現貴陽市82.27%的區域無熱島效應，僅有17.73%的區域存在熱島現象，且以弱熱島為主，占貴陽市總面積的17.41%，較強熱島僅占0.32%，說明貴陽市雖然存在熱島效應，但并不強烈。

由圖2可見，貴陽市地表溫度變化幅度均超過1.5 ℃/a，中部高海拔區域地表溫度變化幅度較四周低海拔區域低，大部分區域變化幅度均在1.5～1.8 ℃/a，而北部、西部及西南部城郊的大部分區域地表溫度變化幅度均超過1.8 ℃/a，尤其是南部的南明區和花溪區，部分區域變化幅度均超過2.0 ℃/a。從地表溫度平均變化幅度來看，周邊修文縣、開陽縣、息烽縣及清鎮市平均變化幅度為1.78 ℃/a，云巖區、南明區及花溪區平均變化幅度為1.81 ℃/a，而中部觀山湖區、白云區及烏當區平均變化幅度為1.72 ℃/a。

圖2 2000～2019年貴陽市地表溫度年際變化率

3.2 貴陽市地表熱場的時間變化特征

2000～2019年貴陽市地表溫度年際變化呈增加趨勢，這與全球氣候變暖趨勢相一致，但變化率很小，僅為0.0617 ℃/a，增溫幅度不明顯(圖3)。分析不同季節地表溫度年際變化，發現貴陽市地表溫度四季均有微小的增加趨勢，其中冬季的變化率最大，達0.0832 ℃/a，春季、夏季和秋季的變化率分別為0.0678 ℃/a、0.0336 ℃/a和0.0239 ℃/a。

圖3 2000～2019年貴陽市地表溫度年際變化

2000～2019年，貴陽市地表溫度季節差異明顯(圖4)，夏季地表溫度最高，冬季最低，夏季平均地表溫度達20.08 ℃，冬季平均地表溫度達7.18 ℃。夏季與冬季地表溫度平均溫差為12.90 ℃，變異系數達12.09%。春季和秋季的平均地表溫度較為接近，分別為15.90 ℃和15.10 ℃。四季中以冬季地表溫度的變異系數最大，達到19.11%，其次是春季和秋季地表溫度變異系數，分別為10.72%和8.33%，而夏季地表溫度波動幅度最小，變異系數只有3.92%。冬季地表溫度波動幅度最大，可能是由于氣候變化，貴陽市冬季各年降雪量發生較大變化，導致下墊面反射和吸收太陽輻射的能力出現明顯差異，引起冬季地表溫度波動幅度高于其他季節。

圖4 2000～2019年貴陽市四季地表溫度年際變化

4 結論

2000～2019年貴陽市地表溫度年際變化呈增加趨勢，這與全球氣候變暖趨勢相一致，但變化率很小，僅為0.0617 ℃/a，增溫幅度不明顯；貴陽市雖然存在熱島效應，但并不強烈，大部分城區沒有熱島，而在沒有大面積集中建設和高耗能工礦企業的城郊區域卻出現了大面積的熱島；貴陽市的熱島效應以弱熱島為主，較強熱島僅有少量分布；地表溫度季節差異明顯，夏季地表溫度最高，冬季最低，平均溫差為12.90 ℃，春季和秋季的平均地表溫度較為接近，平均溫差小于1 ℃。本文使用的MOD11A2數據，雖然時間分辨率較高，但由于其空間分辨率較低，未能針對不同地類及地表環境與地表溫度間的關系進行詳細分析，未來還需結合精度更高的數據研究下墊面與地表溫度間的相互影響過程。