局地氣候區(qū)與晝夜城市熱島效應的耦合關系研究

高鵬 劉桂馨 陳吉科 徐志剛,3

0 引言

城市基礎設施發(fā)展、建筑面積擴張以及人口的快速增長加劇了城市化進程,并改變了城市區(qū)域原有的自然下墊面屬性,對城市生態(tài)環(huán)境等產生了一系列挑戰(zhàn)[1-2]．城市熱島效應作為城市化對氣候影響最為顯著的特征已經被廣泛證實[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,有必要對城市熱島形成機制和強度特征等展開研究,以緩解城市熱島效應[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致結果存在不一致性;且多數(shù)研究僅探討了局地氣候區(qū)與白天城市地表熱環(huán)境之間的相互關系,對城市地表熱環(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,基于機載LiDAR、IKONOS-2、ASTER地表溫度等多源數(shù)據,基于GIS和遙感結合方法實現(xiàn)了城區(qū)內部精細化熱屬性分區(qū),實現(xiàn)了基于局地氣候區(qū)的城市熱島分析,為城市生態(tài)文明建設以及城市可持續(xù)發(fā)展提供了理論指導．

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)和雨花臺等6區(qū)(圖1)．南京屬于亞熱帶濕潤氣候,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系能夠為城市生態(tài)環(huán)境改善提供指導意義．

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)據源與研究方法

2.1 數(shù)據及其預處理

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)的計算．遙感數(shù)據主要包括地表溫度、機載LiDAR和IKONOS-2數(shù)據．

2.1.1 地表溫度數(shù)據

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關系,以及Landsat衛(wèi)星和MODIS地表溫度產品的優(yōu)劣性,研究采用的地表溫度數(shù)據是ASTER地表溫度產品(AST_08v003),空間分辨率為90 m(ASTER數(shù)據來源:https:∥lpdaac.usgs.gov/products/ast08v003/)．該產品以大氣校正后的ASTER地表輻射率為基礎,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,產品精度為1.5 K．為了獲取與機載LiDAR數(shù)據和土地覆蓋分布圖時間盡可能接近的地表溫度產品,本文根據產品質量和可獲取性篩選了2008—2012年間地表溫度數(shù)據,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．雖然機載LiDAR和土地覆蓋數(shù)據與ASTER地表溫度產品時間間隔將近2年,但是本文研究區(qū)位于土地覆蓋相對穩(wěn)定的中心城區(qū),土地覆蓋類型在2年內相對變化較少．

2.1.2 機載LiDAR和多光譜遙感數(shù)據

機載LiDAR數(shù)據由南京測繪勘察研究院通過Optech ALTM Gemini傳感器獲得．獲取時間為2009年4月9日和21日,點云密度為4.2 點/m2,包括高程、強度和多重回波等信息．機載LiDAR數(shù)據主要用于兩方面:一方面將其與IKONOS-2數(shù)據融合提取城區(qū)土地覆蓋信息;另一方面提供地物的三維信息．數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)由地面點數(shù)據計算得到,通過機載LiDAR第一次回波高程獲取數(shù)字表面模型(Digital Surface Model,DSM)．數(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),表示地物的絕對高度值,空間分辨率為3.2 m．

IKONOS-2遙感影像獲取時間為2009年6月18日,多光譜波段為3.2 m,分別為藍色波段(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)據主要用于與機載LiDAR數(shù)據融合提取研究區(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遙感影像用于計算研究區(qū)地表反照率分布．由于機載LiDAR、ASTER地表溫度、IKONOS-2和Landsat-5 TM數(shù)據來自不同的傳感器,為了保持多源遙感數(shù)據地理坐標的一致性,對以上數(shù)據進行了空間配準,校正誤差在0.5個像元內．

2.2 研究方法

2.2.1 土地覆蓋分類

鑒于多源遙感數(shù)據融合能夠實現(xiàn)優(yōu)勢互補,本文基于面向對象的分類方法,實現(xiàn)了基于機載LiDAR和IKONOS-2數(shù)據融合的土地覆蓋分類,主要步驟如下:

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

2)通過挖掘IKONOS-2和機載LiDAR對地物分類有價值的信息獲取地理對象的特征,包括基于IKONOS-2提取的光譜特征、空間特征以及機載LiDAR獲取的高程、強度和回波等特征.

3)利用隨機森林分類器實現(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果可以用于局地氣候區(qū)分類．

2.2.2 統(tǒng)計分析

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不同局地氣候區(qū)類型與白天和夜間地表溫度進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,利用多重比較檢驗方法Tamhane’s T2進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)較為完備的基礎數(shù)據,能準確計算用于局地氣候區(qū)分類所需的指標參數(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合的手段進行局地氣候區(qū)分類．根據局地氣候分類體系,首先分別進行基于建筑類型區(qū)的局地氣候區(qū)分類,對未分類的單元再根據土地覆蓋分類圖賦予類別,最終實現(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、地表結構和地表反照率等參數(shù)通過指標匹配方法進行分類．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個參數(shù),其定義及其計算公式如表2所示．其中,建筑高度主要通過影響地表粗糙度和改變風速等對城市地表熱環(huán)境產生影響[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,因此本文根據研究區(qū)各參數(shù)的取值對不同建筑類型局地氣候區(qū)范圍進行了微調,表3顯示了具體的參數(shù)范圍．最后,通過將各分類單元內的參數(shù)與表3中的各參數(shù)進行匹配,確定最終的建筑類型．

表2 城市形態(tài)參數(shù)的定義及其計算公式

表3 不同建筑類型區(qū)分類各參數(shù)指標的取值范圍,括號中參數(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載LiDAR和IKONOS-2數(shù)據融合的土地覆蓋分類圖．為了將3.2 m的土地覆蓋分類結果賦值到90 m的局地氣候區(qū)分類單元內,將每一個局地氣候區(qū)分類單元內所占面積比例最大的土地覆蓋類型賦予分類單元．根據前人經驗,將土地覆蓋類型進行再分類．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,對兩者進行疊加最終得到研究區(qū)局地氣候區(qū)分類圖(圖3)．為了準確反映局地氣候區(qū)類型與地表溫度之間的相互關系,在探討基于局地氣候區(qū)的城市地表熱環(huán)境中,對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關系

4.1 局地氣候區(qū)類型與白天地表溫度之間的響應關系

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(圖4a),這主要是建筑高度越高產生的陰影越多,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．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

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 ℃,主要歸因于這兩類局地氣候區(qū)增加了地表對太陽輻射的吸收,并且降低了風速．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關系

從表4可以看出,對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數(shù)占全部對數(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結果發(fā)現(xiàn),對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．對于建筑類型區(qū)而言,沒有一個建筑類型區(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)計了對于每一個局地氣候區(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數(shù)具有明顯的晝夜差異．相對于其他建筑類型區(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．

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數(shù)Fig.7 Logarithm of significant difference between day and night surface temperatures in different LCZs

5 結論

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到更細的尺度,從而更加準確反映地表覆蓋、地表結構、地表材質和人類活動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)據基礎上,實現(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關系．研究結果發(fā)現(xiàn),本文共識別出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,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．本研究中對白天和黑夜僅分別采用1 d的地表溫度進行晝夜地表熱環(huán)境研究,結果會存在部分不確定性,未來將采用多個時期平均的白天和夜間地表溫度數(shù)據探討局地氣候區(qū)與晝夜地表熱環(huán)境之間的耦合關系．