城市热岛效应(urban heat island effects, UHI)指相对于其周边环境, 城市地区的硬化地面对温度的影响^[1]。城市地面由钢筋、混凝土、沥青瓷砖等材料构成, 相对于自然地表, 城市地表的不透水层占绝大部分面积, 导致城市的温度高于周边环境。研究表明, 城市热岛的增温效应仅次于未利用地, 远高于农田、草地等自然覆被^[2-3]。Kalnay等^[4]研究表明, 一半的升温结果是由于土地利用变化所导致, 土地利用变化导致的升温率达到0.27℃/100a。Jr Stone^[5]研究表明, 美国大城市在1951-2000年的50年间, 年代际的热岛效应达到0.05℃, 并且在美国南部和北部热岛效应有所不同。近几十年来, 城市热岛效应研究在研究区域、研究规模、研究内容、研究深度和研究方法上都有长足的发展^[6-10]。在研究区域上, 由中高纬度城市扩展到热带城市^[11]; 在研究规模上, 由大城市扩展到小城市和小聚落, 由单一城市扩展到城市群^[12-13]; 在研究内容上, 不仅关注气温场, 还开始探讨城市低温分布的特征和规律^[14]; 在研究深度上, 不仅对热岛现象进行研究, 还开始关注热岛造成的后果和次级效应^[15]; 在研究方法上, 数值模拟和遥感技术成为发展趋势^[16-24]。

目前, 不少学者开始关注国内大城市热岛效应。赵娜等^[25]利用北京12个台站的气候观测资料研究发现, 1961-2008年北京城市热岛强度增加了1.4℃, 上升幅度为0.29℃/10a。张景哲等^[26]分析北京城市气温与下垫面结构的关系, 发现绿地、建筑物、水域三要素的相关程度随着季节和昼夜的变化而变化。刘继韩^[27]提出可以利用城市和郊区的气温分布图, 按城镇内外, 用加权平均计算热岛强度。张恩洁等^[28]研究发现, 深圳的城市热岛呈现明显的多中心现象, 降水、有风等天气要素对热岛发展有很大的影响。窦浩洋等^[12]利用2000-2003年珠江三角洲城市群自动气象站的温度数据进行空间分析, 统计热岛和冷岛出现的频率, 总结空间分布规律, 并对照土地利用类型图分析热岛区域与地表覆被的对应关系。黄良美等^[29]研究南京市4种下垫面的气温日变化规律及城市热岛效应, 结果表明, 与水泥地相比, 水体、草地和林地下垫面白天有明显的降温效应, 而夜晚林地和水体有轻微的保暖效应。王佳丽等^[30]研究了北京地表气温的年变化、季节变化以及4个季节的日变化特征。

随着遥感技术的发展, 基于遥感数据的研究也取得大量的成果。Rigo等^[31]对不同卫星和实地测量的城市地表温度进行差异分析, 发现MODIS提供的地表温度与实测的差异小于5%。Zhao等^[32]运用MODIS地温数据和模式模拟的方式发现, 在北美洲局地气候通过改变对流效率来影响城市热岛强度, 在湿润地区的影响强度为3±0.3 K, 而干旱地区为-1.5±0.2 K。Pandey等^[33]运用MODIS地温数据研究德里的热岛, 发现夜间热岛全年存在, 而5-6月和10-12月白天存在冷岛, 并且热岛强度与气溶胶光学厚度负相关。

京津冀作为我国经济发展的第三极, 正在进行大规模的城市化, 并向一体化发展。1990-2008年期间, 京津冀都市圈城镇扩展明显, 18年间, 城镇用地面积由1990年的1.17万km²增长到2008年的1.57万km², 净增加4022.37 km², 城镇扩展平均速率为每年1.91%^[34]。

以往研究都是以单个城市或不同气候区的多个城市作为研究对象, 较少选择一个区域的多个城市运用MODIS地温数据(LST)进行区域研究。本文选择经济发展迅速的京津冀地区作为研究区域, 利用土地覆被数据和MODIS地温数据, 分析京津冀地区城市热岛的时空差异。

1 数据和方法 1.1 数据来源

本文使用的数据包括MODIS 8天平均地温产品和土地覆被数据。地表温度数据为NASA Earth Data提供的2000年1月至2012年12月MODIS 8天平均地温产品(https://lpdaac.usgs.gov/prod-ucts/modis_products_table/mod11a2), 该产品包括夜间地温和白天地温, 其传感器搭载在Terra卫星上, 过境时间为当地太阳时的10:30和22:30, 空间分辨率为1 km。土地覆被数据来源于全国生态环境十年变化(2000-2010年)遥感调查与评估项目提供的京津冀地区2000, 2005和2010年土地覆被数据, 空间分辨率为30 m。土地覆被分类系统分为两级:一级为IPCC土地覆被类型; 二级基于碳收支的LCCS土地覆被类型。土地覆被系统中, 一级为6类:林地、草地、水体、农田、人工地表和其他。其他指一年最大植被覆盖度小于20%的地表和冰雪, 人工地表包括居住地、交通用地、工业用地和采矿场。

1.2 研究方法

由于京津冀地区采矿场少且离城镇远, 因此将居住地、交通用地和工业用地这三类人工地表定义为城市用地类型, 判断是否城市区的基础条件是至少有3 km×3 km的网格为城市用地类型, 确定主体后, 以该主体区域为中心点, 向外扩展, 若以上三类用地与该区域相连接, 则判定为城市区域。在城市区域的基础上向外扩展出与城市面积相等的区域作为郊区(图 1)。基于此算法, 分别确定2000, 2005和2010年的城郊区域。

定义城市热岛强度为城市区域地温平均值与郊区地温平均值之差:

$ {\text{UHI}} = {\text{LS}}{{\text{T}}_{\text{u}}} - {\text{LS}}{{\text{T}}_{\text{s}}} $

(1)

其中UHI为城市热岛强度, LST_u为城市区域地表温度平均值, LST_s为对应郊区地表温度平均值。同时选择2000-2002年、2003-2007年、2008-2012年1, 4, 7, 10月平均白天地温和平均夜间地温分别代表 2000, 2005和2010年京津冀地区冬、春、夏、秋季的白天地温和夜间地温, 利用城区和郊区的识别方法, 计算城区范围内的地温平均值和郊区范围内的地温平均值, 其差值为城郊温度差, 即城市热岛。

2 结果分析

依据本文的定义, 2000, 2005和2010年京津冀地区分别有56, 60和72个城镇, 城镇的面积分别为4497.5, 6698.2和8965.0 km², 分别占京津冀土地总面积的2.09%, 3.11%和4.16%, 每5年增长1个百分点。

2.1 研究区域平均热岛特征

京津冀地区基于地温的平均热岛强度如图 2所示。可以看出, 白天地温热岛与夜间地温热岛呈现不同的特征:冬、春季夜间大于白天, 夏季相反, 秋季则无明显昼夜特征。夏季和冬季的热岛昼夜差异明显大于春秋两季。白天热岛各季节差异巨大, 夏季热岛最强可达2.53℃, 春秋次之, 而冬季存在冷岛现象(UHI < 0);各季节夜间热岛差异较小, 强度均在1~1.6℃之间, 呈现出冬季最强而春季次之、秋季再次、夏季最弱的特点。

2.2 研究区热岛的级别特征

将所有热岛值从大到小排序, 并将其分为热岛( > 0℃)和冷岛( < 0℃), 定义热岛的前20%为三级热岛( > 1.5℃), 中间60%为二级热岛(0.5~1.5℃), 后20%为一级热岛( < 0.5℃), 分为3个等级。

从图 3可以看出, 各季节白天热岛所占比例差异较大, 大部分城市在冬季白天出现冷岛现象(3个年份出现冷岛的城镇所占比例分别为85.7%, 85.0%和90.3%), 只有少部分为热岛, 主要出现在邯郸市周围以及渤海湾周围几个面积较小的城镇。冬季白天出现冷岛的原因可能是城市周边被农田环绕, 冬季农田没有植被, 土壤裸露, 反照率较低, 而且土壤含水量较低, 白天受太阳照射时, 农田的地表温度迅速升高, 高于城区地表温度, 从而出现冷岛的现象。夏季白天所有城镇均存在热岛, 且三级热岛的数量和比例都在增长, 分别为23 (41.1%), 30 (50.0%)和37 (51.4%), 呈现出上升趋势, 且分布上有所改变。2000年三级热岛主要分布在北京市、天津市以及河北南部城镇, 2010年三级热岛主要分布在渤海湾附近。各个时段各个季节夜间出现热岛的城镇比例均在92.8%以上, 2000-2010年4个季节二级热岛城镇所占比例均呈现上升趋势, 其中冬季和春季增长明显, 分别为13.0%和38.9%, 而冬季和春季一级热岛的比例分别下降13.1%和38.5%, 冷岛主要分布在渤海湾附近。

2.3 城区土地覆被对UHI的影响

划分出的城区中包括水体、草地等多种土地类型, 这部分与人工地表差异巨大, 对城市热岛有一定的作用。将这部分土地覆被分别剔除, 重新计算UHI, 与未剔除对比, 得出各种土地覆被对UHI的影响强度(表 1), 其中负值表示该土地覆被减弱城市热岛, 正值相反。

2.3.1 水体对UHI的影响

将城镇中水体剔除后计算新的城市热岛, 与未剔除时对比, 有72个城镇包含水体, 面积占城镇面积的0.50%~23.91%。去除这部分后, 计算其平均ΔUHI, 发现各个季节白天水体均减弱UHI, 其中冬、春季节效果较为明显。各个季节夜间水体对城市热岛为保持作用, 其强度均在0.01℃左右。

2.3.2 草地对UHI的影响

有93个城镇包含草地, 面积占城镇面积的0.50%~13.85%。计算剔除后与剔除前的差异, 发现草地在春、夏季白天对城市热岛有增强作用, 而秋季白天作用不明显, 冬季则是减弱作用。各个季节草地对夜间城市热岛均表现为增强作用, 且季节差异较小。

2.3.3 林地对UHI的影响

有63个城镇包含林地, 面积占城镇面积的0.26%~11.11%。运用同样的方法计算平均ΔUHI, 发现林地在春、夏、秋季白天对于城市热岛有减弱作用, 夏季减弱作用最强, 而春、秋减弱效果接近。冬季白天林地对城市热岛有增强效果。夜间林地减弱城市热岛, 春、夏季较为明显, 而秋、冬季影响较小。

2.3.4 农田对UHI的影响

171个城镇包含农田, 面积占城镇面积的1.09%~35.54%。春、夏、秋季白天, 农田对城市热岛有减弱作用, 其中夏季作用最强, 减弱0.108℃, 而春、秋季减弱幅度均在0.01℃左右。冬季农田对城市热岛具有增强作用, 增强幅度达0.109℃。各个季节农田对夜间城市热岛强度具有减弱作用, 冬季减弱效果最强, 而夏季最弱。

2.3.5 水体、草地、林地、农田对城市热岛的综合影响

剔除城市中其他覆被, 只将居住地、工业用地和交通用地的地温用于计算LST_u, 与未剔除的情况做对比(表 2, 负值表示减弱作用, 正值相反), 发现白天其他覆被类型对春、夏、秋季热岛有减弱作用, 其中夏季效果最明显, 而对冬季白天热岛有增强作用。夜间其他覆被类型对4个季节的热岛均为减弱作用, 冬季效果最好而夏季最差。

3 结论

1) 京津冀冬、春季夜间热岛强于白天, 而夏季相反, 冬季昼夜差异最大可达2.5℃以上, 夏季次之, 在1.34~1.53℃之间, 春季和秋季再次。各季节白天热岛差异大, 夏季最强, 冬季最弱, 为冷岛。各季节夜间热岛差异小, 均在1℃左右, 冬季最强, 春秋次之, 夏季最弱。

2)  85%以上的城镇冬季白天出现冷岛, 而夏季白天所有城镇均为热岛, 且2000-2010年呈三级热岛的城镇数量和比例都在上升。各个时段各个季节夜间出现热岛的城镇比例均在92.8%以上, 且2000-2010年冬、春季一级热岛城镇比例下降明显, 二级热岛城镇比例上升明显。

3) 各个季节白天, 水体对城市热岛有减弱作用, 而夜间为增强作用; 草地在春、夏季白天对城市热岛有增强作用, 秋季白天作用不明显, 冬季白天是减弱作用, 夜间则均呈增强作用。林地春、夏、秋季白天对于城市热岛有减弱作用, 冬季白天为增强效果。夜间林地对于城市热岛为减弱作用, 夏季最为明显, 春季次之, 秋、冬季影响小。农田在春、夏、秋季白天对城市热岛有减弱作用, 而在冬季白天为增强作用, 夜间均表现为减弱作用。4种土地覆被对城市热岛的综合作用为春、夏、秋季白天和四季夜间为减弱作用, 而冬季白天为增强作用。