中小城市晝夜熱島強(qiáng)度變化及驅(qū)動(dòng)因素研究

薛乃婷，張 震，江玉杰，張莎莎，黃丹妮

(安徽理工大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，安徽 淮南 232000)

城市熱島效應(yīng)是多年來(lái)城市氣候和城市發(fā)展領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]，熱島效應(yīng)會(huì)帶來(lái)一系列不良影響，如破壞生態(tài)環(huán)境、影響居民生活、給城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成一些損失、增加了一些自然災(zāi)害發(fā)生的頻率等等。因此，為了緩解城市熱島效應(yīng)，研究熱島強(qiáng)度驅(qū)動(dòng)因素就具有十分重要的意義。

多年以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)城市熱島效應(yīng)的時(shí)空分布特征和影響因素進(jìn)行了大量的研究。王建凱[2]、張春桂[3]、Cui和DeFoy[4]、Lazzarini[5]和Quan[6]等利用MODIS數(shù)據(jù)的時(shí)間特性，分析地表城市熱島效應(yīng)晝夜、季節(jié)以及年際變化特性。前人的研究結(jié)果表明影響城市熱島效應(yīng)的影響因子眾多，主要包括下墊面改變、城市化進(jìn)程、城市規(guī)劃、自然因素、氣候因素、居民生產(chǎn)生活釋放的人為熱等因素[7]。研究不僅分析熱島強(qiáng)度的單因子或者多因子的線性相關(guān)關(guān)系，還對(duì)多因子進(jìn)行綜合研究，并且對(duì)各因素影響程度進(jìn)行定量分析。如利用Landsat數(shù)據(jù)反演地表溫度，研究城市熱島強(qiáng)度影響因子與地表溫度的關(guān)聯(lián)度排序大小[8]，利用氣象站氣溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)城市熱島強(qiáng)度因子進(jìn)行灰色分析[9-10]。但目前研究還存在一些不足，首先，中國(guó)城市熱島強(qiáng)度影響因素研究還局限于大城市[11-12]，大多集中于北京、上海、廣州、珠江三角洲等[13-14]城市化發(fā)展迅速的城市和地區(qū)，對(duì)于中小型城市的熱島強(qiáng)度相關(guān)研究還較少。中小城市隨著城市人口增加，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，是交通和物流的重要樞紐，產(chǎn)生了中小城市獨(dú)特的熱島效應(yīng)問(wèn)題。而中小城市淮南市是中國(guó)能源之都、安徽省重要的工業(yè)城市，城市人口迅速增長(zhǎng)，居民生活水平提高，工業(yè)生產(chǎn)和生活用能不斷增加，這些因素都在促使淮南市熱島效應(yīng)的形成和加強(qiáng)。而分析中小型城市的熱島強(qiáng)度驅(qū)動(dòng)因素及其影響程度，對(duì)其城市創(chuàng)造適宜的城市人居環(huán)境、改善居民生活等具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。其次，大多數(shù)利用氣象站數(shù)據(jù)和Landsat數(shù)據(jù)來(lái)研究熱島強(qiáng)度影響因子，這些數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率較低，不能全面準(zhǔn)確地分析城市熱島強(qiáng)度，且只分析了白天熱島強(qiáng)度的影響因子排序，缺乏夜間各因素影響程度。而MODIS地表溫度產(chǎn)品已被廣泛用于城市熱島強(qiáng)度相關(guān)的定量研究，與Landsat、ASTER等其他遙感數(shù)據(jù)相比，MODIS數(shù)據(jù)具有較高的時(shí)間分辨率，MODIS是搭載在terra和aqua衛(wèi)星上的一個(gè)重要傳感器，1 d可過(guò)境4次，獲得1 d 4次的地表溫度數(shù)據(jù)，包括白天和夜間，對(duì)分析城市熱島強(qiáng)度驅(qū)動(dòng)因素研究的晝夜規(guī)律有很大優(yōu)勢(shì)[15]。

因此，本文以淮南市為研究區(qū)，利用2014—2017 MODIS地表溫度8 d合成產(chǎn)品(MOD11A2、MYD11A2)進(jìn)行過(guò)季節(jié)和年合成，計(jì)算淮南市熱島強(qiáng)度。根據(jù)淮南市年鑒數(shù)據(jù)和中國(guó)氣象數(shù)據(jù)，定性地選取淮南市熱島強(qiáng)度驅(qū)動(dòng)因素，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法，定量分析晝夜各驅(qū)動(dòng)因素與熱島強(qiáng)度的關(guān)系，分別得到晝夜各驅(qū)動(dòng)因素對(duì)熱島強(qiáng)度的影響程度大小，為緩解中小城市熱島強(qiáng)度提供合理建議。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

安徽省淮南市位于31°54′8″～33°00′26″N和116°21′5″～117°12′30″E之間，地處安徽省中北部，長(zhǎng)江三角洲腹地，淮河之濱，是沿淮城市群的重要節(jié)點(diǎn)，合肥都市圈核心城市。淮南市轄田家庵區(qū)、潘集區(qū)、謝家集區(qū)、八公山區(qū)、大通區(qū)、壽縣、鳳臺(tái)縣5區(qū)2縣，總面積為5 571 km2。市境以淮河為界形成兩種不同的地貌類型，淮河以南為丘陵，屬于江淮丘陵的一部分；淮河以北為地勢(shì)平坦的淮北平原，總體南高北低?；茨鲜惺桥瘻貛Ш蛠啛釒У倪^(guò)渡地帶，年平均氣溫偏高，降雨主要集中在夏季，每年的六月底到七月中旬是淮南的梅雨季節(jié)，梅雨期略短，20 d左右?；茨鲜行姓^(qū)劃如圖1所示。

圖1 淮南市行政區(qū)劃

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

地表溫度數(shù)據(jù)為2014—2017的MODIS地表溫度8 d合成產(chǎn)品(MOD11A2、MYD11A2)，數(shù)據(jù)來(lái)源于NASA官網(wǎng) (https: //ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/)，采用MODIS重投影工具(MODIS Reprojection Tools, MRT)對(duì)影像進(jìn)行批量格式轉(zhuǎn)換、重投影和重采樣，選取白天和夜間地表溫度(LST)。

土地利用數(shù)據(jù)為2014—2017的MODIS全球土地覆蓋類型年合成產(chǎn)品(MCD12Q1)，數(shù)據(jù)來(lái)源于NASA官網(wǎng) (https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/)。采用MODIS重投影工具(MODIS Reprojection Tools，MRT)對(duì)影像進(jìn)行批量格式轉(zhuǎn)換、重投影和重采樣，選取第一類植被分類方案即IGBP的全球植被分類方案，利用ArcGIS進(jìn)行裁剪，得到2014—2017淮南市的土地覆蓋類型數(shù)據(jù)。

城市熱島強(qiáng)度與城市氣候因素、下墊面性質(zhì)、人為熱排放、經(jīng)濟(jì)因素、地形因素和城市規(guī)劃等息息相關(guān)。由于地形地貌和城市規(guī)劃等因素較為穩(wěn)定，本研究?jī)H考慮能夠人為加以改善并相對(duì)易控的因素，選取如表1所示的10種因素。氣候因素選取年降水量和年平均風(fēng)速兩個(gè)因素，城市下墊面性質(zhì)選取綠化面積、城市和建筑區(qū)面積兩個(gè)因素，人口因素選取年末常住人口一個(gè)因素，經(jīng)濟(jì)因素選取全市總產(chǎn)值和工業(yè)總產(chǎn)值兩個(gè)因素，人為熱排放選取能源消耗總量、全社會(huì)用電量總計(jì)和機(jī)動(dòng)車保有量3個(gè)因素。這10個(gè)驅(qū)動(dòng)因素?cái)?shù)據(jù)來(lái)源于2014—2017淮南統(tǒng)計(jì)年鑒和中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。

表1 2014—2017各驅(qū)動(dòng)因素值

2 研究方法

2.1 MODIS地表溫度產(chǎn)品合成

因MODIS地表溫度產(chǎn)品(MOD11A2、MYD11A2)在有云的區(qū)域DN值為0，所以在MODIS地表溫度合成時(shí)，使DN值為0的區(qū)域不參與計(jì)算。根據(jù)需求，先將MOD11A2和MYD11A2產(chǎn)品進(jìn)行月份合成，得到月平均地表溫度產(chǎn)品，在此基礎(chǔ)上再按照季節(jié)劃分：春季(3月、4月、5月)、夏季(6月、7月、8月)、秋季(9月、10月、11月)、冬季(12月、1月、2月)合成季平均地表溫度產(chǎn)品，最后得到年平均地表溫度產(chǎn)品。

2.2 城市熱島強(qiáng)度計(jì)算

基于MCD12Q1的第一類植被分類方案，提取DN值為13的城市和建筑區(qū)，結(jié)合高分辨率影像，提取淮南市主要建成區(qū)，并計(jì)算主要建成區(qū)的面積，得到主要建成區(qū)的平均地表溫度。Peng 等[16]在熱島強(qiáng)度的相關(guān)研究中指出：熱島效應(yīng)的最小影響區(qū)域?yàn)槌菂^(qū)面積的150%。在主要建成區(qū)外建立緩沖區(qū)，其緩沖區(qū)即為城市郊區(qū)，使緩沖區(qū)的面積是主要建成區(qū)面積的150%，得到緩沖區(qū)的平均地表溫度，利用式(1)計(jì)算熱島強(qiáng)度。

Tcv=Tc-Tv.

(1)

式中：Tcv為城市熱島強(qiáng)度，Tc為主要建成區(qū)的平均地表溫度，Tv為城市郊區(qū)的平均地表溫度。

2.3 灰色關(guān)聯(lián)分析法

灰色關(guān)聯(lián)分析法是根據(jù)因素之間發(fā)展趨勢(shì)的相似或相異程度，亦稱灰色關(guān)聯(lián)度，作為衡量因素間關(guān)系程度的一種方法。較其他的統(tǒng)計(jì)分析方法，灰色關(guān)聯(lián)分析法更加符合實(shí)際，充分考慮了熱島強(qiáng)度驅(qū)動(dòng)因素的復(fù)雜性和不確定性，不需要大量的數(shù)據(jù)資源即可探尋規(guī)律，只需要2014—2017 MODIS地表溫度產(chǎn)品(MOD1A2、MYD11A2)、淮南市統(tǒng)計(jì)年鑒和中國(guó)氣象數(shù)據(jù)，就可以定量研究熱島強(qiáng)度的驅(qū)動(dòng)因素。其計(jì)算原理[17]如下：

設(shè)X0= (x0(1) ,x0(2) , …,x0(n) ) 為系統(tǒng)特征行為序列，且

X1= (x1(1) ,x1(2) , …,x1(n) )

…

Xi= (xi(1),xi(2) , …,xi(n))為相關(guān)因素序列。

對(duì)于ξ∈ (0,1)，令

γ(x0(k),xi(k))=(minmin|x0(k)-xi(k)|+

ξmaxmax|x0(k)-xi(k)|)/|x0(k)-xi(k)|+

ξmaxmax|x0(k)-xi(k)|，

(2)

γ(X0,Xi)= 1/n∑γ(x0(k),xi(k)).

(3)

式中：i=1,2,3,…,m為相關(guān)因素的數(shù)量；k=1,2,3，…,n為每種因素的樣本數(shù)量；ξ為分辯系數(shù)；γ(X0,Xi)為每種相關(guān)因素與系統(tǒng)特征的灰色關(guān)聯(lián)度。

3 結(jié)果與分析

3.1 熱島強(qiáng)度季節(jié)變化特征

分別計(jì)算2014—2017晝夜不同季節(jié)淮南市熱島強(qiáng)度，如圖2所示，2014—2016淮南市白天熱島強(qiáng)度以春季最強(qiáng)，夏季其次，然后是秋季，冬季最弱，2017年淮南市熱島強(qiáng)度是夏季最強(qiáng)，春季次之，其次是秋季，冬季最弱。夏季熱島強(qiáng)于冬季是因?yàn)橄募究照{(diào)的使用，人為熱排放增加，而冬季沒(méi)有集中供暖，能源消耗較少。2014—2017熱島強(qiáng)度的變化趨勢(shì)分別為春季：上升-上升-下降，夏季：下降-上升-下降，秋季：下降-上升-上升，冬季：上升-下降-上升。2017年較2014年，春季熱島強(qiáng)度下降，夏季、秋季和冬季熱島強(qiáng)度上升。

圖2 2014—2017不同季節(jié)淮南市熱島強(qiáng)度

可以看出，2014—2017淮南市夜間熱島強(qiáng)度以春季最強(qiáng)，冬季其次，然后是夏季，秋季最弱。2014—2017熱島強(qiáng)度的變化趨勢(shì)分別為春季和夏季：下降-下降-上升，秋季和冬季：上升-下降-上升。2017年相比于2014年，四季的熱島強(qiáng)度都有所下降。

除了2015年秋季，白天的熱島強(qiáng)度小于夜間，2014—2017春季、夏季和秋季，白天熱島強(qiáng)度均大于夜間，而冬季，夜間熱島強(qiáng)度大于白天。夏季白天空調(diào)等排放大量的人為熱，大氣層結(jié)穩(wěn)定度較強(qiáng)，城區(qū)增溫比城市郊區(qū)強(qiáng)，熱島強(qiáng)度增加；夜間空調(diào)使用率下降，排放的人為熱減少，城區(qū)和郊區(qū)下墊面的溫差減小，熱島強(qiáng)度減小。冬季夜間由于城區(qū)形成近地大氣層，使得城市郊區(qū)地面的氣溫下降速率大于城區(qū)，形成夜間城市熱島強(qiáng)度，城市熱島強(qiáng)度在白天會(huì)減弱。

3.2 熱島強(qiáng)度年際變化特征

為了反映淮南市熱島強(qiáng)度的年際變化，分別計(jì)算2014—2017的熱島強(qiáng)度，如圖3所示，白天和夜間，2014—2017淮南市的熱島強(qiáng)度變化并不顯著，白天略微增加，增加了0.018 102，夜間略微減少，減少了0.026 016，白天的熱島強(qiáng)度均大于夜間。

圖3 2014—2017淮南市熱島強(qiáng)度

3.3 城市熱島強(qiáng)度驅(qū)動(dòng)因素分析

為了定量研究城市熱島強(qiáng)度的主要驅(qū)動(dòng)因素，采用灰色關(guān)聯(lián)分析法，分別將2014—2017淮南市晝夜的熱島強(qiáng)度作為因變量，選取2014—2017的綠化面積、城市和建筑區(qū)面積、年末常住人口數(shù)量、全市生產(chǎn)總值、工業(yè)總產(chǎn)值、能源消耗總量、全社會(huì)總用電量、機(jī)動(dòng)車保有量、年降水量和年平均風(fēng)速作為影響因子，它們與熱島強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)度分別為γ12，γ13，γ14，γ15，γ16，γ17，γ18，γ19，γ110,γ111。

各影響因子對(duì)城市熱島強(qiáng)度的促進(jìn)或阻礙程度是不同的，基于灰色關(guān)聯(lián)分析法的計(jì)算結(jié)果如表2所示，可以看出，2014—2017白天，對(duì)淮南市熱島強(qiáng)度影響最大的驅(qū)動(dòng)因素是工業(yè)總產(chǎn)值，其后各驅(qū)動(dòng)因素的關(guān)聯(lián)度從大到小為：城市和建筑區(qū)面積>能源消耗總量>全社會(huì)總用電量>年平均風(fēng)速>年降水量>綠化面積>全市生產(chǎn)總值>年末常住人口數(shù)量>機(jī)動(dòng)車保有量。隨著淮南市工業(yè)總產(chǎn)值的逐年增加，說(shuō)明城市發(fā)展越快，城市的人為熱也越多，對(duì)城市熱島的影響也日益突出。隨著城市建筑區(qū)面積的增加，大量的不透水面取代了自然表面，植被覆蓋率減少，城市下墊面的熱容量大，導(dǎo)熱率高，相比于郊區(qū)，城市獲得的太陽(yáng)輻射能更多[18]。由于工業(yè)的發(fā)展，城市能源消耗總量增加，產(chǎn)生大量人為熱，熱島強(qiáng)度增加。

表2 各驅(qū)動(dòng)因素和熱島強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)度

夜間，對(duì)淮南市熱島強(qiáng)度影響最大的驅(qū)動(dòng)因素是年平均風(fēng)速，其后各驅(qū)動(dòng)因素的關(guān)聯(lián)度從大到小為：綠化面積>年降水量>城市和建筑區(qū)面積>能源消耗總量>全社會(huì)總用電量>工業(yè)總產(chǎn)值>全市生產(chǎn)總值>年末常住人口數(shù)量>機(jī)動(dòng)車保有量。風(fēng)速有利于城市熱島效應(yīng)的形成和增加城市熱島效應(yīng)。隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大，高層建筑不斷增多，不利于風(fēng)的擴(kuò)散，使風(fēng)速減小，而風(fēng)速減小有利于形成城市熱島效應(yīng)。一般而言夜間的風(fēng)速小，空氣穩(wěn)定度增大，熱島強(qiáng)度增強(qiáng)。植物吸收輻射能量用于蒸騰散熱，同時(shí)光合作用吸收二氧化碳，減弱熱島強(qiáng)度。但淮南市綠化面積減少，使其熱島強(qiáng)度增加。年降水量減少，空氣相對(duì)濕度相對(duì)較小，導(dǎo)致潛熱交換的熱量減少，熱島強(qiáng)度增加。

風(fēng)速、降水量為自然因素，其余驅(qū)動(dòng)因素均為人為因素，自然因素和人為因素共同影響城市熱島強(qiáng)度?；茨鲜惺桥瘻貛Ш蛠啛釒У倪^(guò)渡地帶，年平均氣溫偏高，降雨主要集中在夏季，每年的六月底到七月中旬是淮南的梅雨季節(jié)，梅雨期略短，20 d左右，自然環(huán)境相對(duì)比較穩(wěn)定。而隨著城市化進(jìn)程不斷加快，淮南市人口不斷增長(zhǎng)，城市建筑區(qū)不斷擴(kuò)大，人為熱不斷增加，人為因素越來(lái)越成為主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)因素。

白天較夜間相比，白天，自然因素對(duì)于熱島強(qiáng)度的影響較小，人為因素中的工業(yè)總產(chǎn)值影響較大；夜間，自然因素對(duì)于熱島效應(yīng)的影響較大，人為因素中綠化面積影響較大。這可能源于產(chǎn)生熱島效應(yīng)的幾個(gè)主要原因：白天，影響熱島強(qiáng)度的關(guān)鍵是吸收的短波輻射的強(qiáng)弱和人為熱排放導(dǎo)致的熱量增加；而夜間影響熱島強(qiáng)度的關(guān)鍵是地面長(zhǎng)波輻射條件、不同屬性下墊面導(dǎo)致的降溫率差異和近地層溫度結(jié)構(gòu)。不論白天還是夜間，一些驅(qū)動(dòng)因素與熱島強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)度排序都是：城市和建筑區(qū)面積>能源消耗總量>全社會(huì)總用電量>全市生產(chǎn)總值>年末常住人口數(shù)量>機(jī)動(dòng)車保有量。

為了緩解城市的熱島效應(yīng)，應(yīng)該根據(jù)影響因子的關(guān)聯(lián)度，制定某些策略，如減少能源消耗、可用清潔能源代替、增加綠化面積、控制空調(diào)的使用、節(jié)約用電、綠色出行、減少機(jī)動(dòng)車的排放等等。

4 結(jié)束語(yǔ)

充分利用MODIS地表溫度8 d合成產(chǎn)品(MOD11A2、MYD11A2)，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度分析法發(fā)現(xiàn)：淮南市晝夜熱島強(qiáng)度的季節(jié)變化均較為明顯，四季和晝夜的熱島強(qiáng)度存在差異；淮南市晝夜熱島強(qiáng)度年際變化并不顯著，白天略微增加，夜間略微減少，白天的熱島強(qiáng)度均大于夜間；2014—2017淮南市晝夜的熱島強(qiáng)度驅(qū)動(dòng)因素與熱島強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)度排序不同，白天，工業(yè)總產(chǎn)值排第一，夜間，年平均風(fēng)速排第一；自然因素和人為因素共同影響淮南市熱島強(qiáng)度，白天，自然因素對(duì)于熱島強(qiáng)度的影響較小，人為因素中的工業(yè)總產(chǎn)值影響較大；夜間，自然因素對(duì)于熱島強(qiáng)度的影響較大，人為因素中綠化面積影響較大?？筛鶕?jù)各驅(qū)動(dòng)因素的關(guān)聯(lián)度，制定某些策略以緩解城市熱島效應(yīng)，減少熱島效應(yīng)帶來(lái)的一系列不良影響，對(duì)于改善城市規(guī)劃具有十分重要的意義。