基于MODIS数据的成都市冬季热岛强度分析

基于MODIS数据的成都市冬季热岛强度分析
张微;程武学
【摘要】随着成都市的发展,热岛效应成为一个很重要的影响因素.选取2010 ～2013年的遥感数据,计算出其最大热岛强度和加权热岛强度来分析热岛强度变化,计算出城市热岛比例指数来分析热岛发育程度;并从这两方面分析出成都市冬季的热岛特点,从而揭示出成都市热岛强度与城市热岛发育程度的变化趋势呈反比的规律.
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2015(015)019
【总页数】5页(P197-201)
【关键词】热岛效应;热岛强度;城市热岛比例指数;冬季;成都市
【作者】张微;程武学
【作者单位】四川师范大学西南土地资源评价与监测教育部重点实验室,成都610068;四川师范大学西南土地资源评价与监测教育部重点实验室,成都610068【正文语种】中文
【中图分类】X16
城市热岛效应(urban heat island effects)是指由于人类活动造成的城市气温高于周围自然环境气温的现象［1］。

随着成都市城市规模的扩大，热岛效应日益成为一个对环境重要的影响因素。

成都市冬季有其特有的热岛情况，对成都市整体环境
也有一定的影响。

对热岛效应的研究，根据基础数据的来源和研究方式划分，UHI 的研究方法有气象资料法、布点观测法、数值模拟法和遥感法4类［2］。

4种方
法中，前3类方法基本上是离散点或纯概念的研究，很难真实、有效地扩展到面上，因而对于研究UHI的平面布局和内部结构等存在着很大局限性，难以对UHI
做较深入的研究。

卫星遥感具有观测范围大、时相多、速度快、动态性好、成本低、空间密度大等优点，可以弥补地面观测的不足，能够较详细地反映出UHI的结构［3］。

选取了MODIS数据中的温度产品MYD11A2数据，经过了一些处理，得出2010年、2012年、2013年的成都市冬季地表温度情况，分析其热岛强度，从而揭示
一些规律。

1 研究区概况
成都市位于四川省中部，四川盆地西部，介于102°54'E ～104°53'E 和
30°05'N ～31°26'N 之间，面积12 390 km2。

成都市管辖9个区，分别是武侯区、青羊区、金牛区、锦江区、成华区、温江区、新都区、青白江区、龙泉驿区;
并包括6个县，分别是郫县、双流县、金堂县、大邑县、蒲江县、新津县。

另代
管4个县级市，邛崃市、彭州市、崇州市、都江堰市。

成都市属于中亚热带湿润
季风气候，具有冬暖、春早、无霜期长，四季分明，热量丰富的特点，年平均气温17.5℃左右，≥10℃的年平均活动积温为4 700～5 300℃，冬春雨少，夏秋多雨，雨量充沛，年平均降水量为1 124.6 mm，降水年际变化较小。

成都市地势差异显著，西北高，东南低，西部属于四川盆地边缘地区，以深丘和山地为主，东部属于四川盆地盆底平原，主要由平原、台地和部分低山丘陵组成。

2 数据处理
2.1 数据来源
数据来源于MODIS数据温度八天合成产品MYD11A2数据，根据遥感影像质量
和数据来源时段，选取了2010年12月、2011年2月，2013年1月、2月、12月，2014年2月，共6期数据，数据时段比较合理。

2.2 数据处理方法
用成都市行政区域图与MYD11A2温度产品作掩膜处理，在 ARCGIS中建模，用公式0.02value-273.15，算出各期数据地表温度，然后选取每年的所有数据取平均值，得出成都市冬季2010、2012、2013年的地表温度，再此基础上作等级分类，从而划分出热岛区域。

2.3 地表温度概况
图1 成都市在四川省的地理位置Fig.1 Geographical position in Sichuan Province of Chengdu
图2 2010年成都市地表温度分布图Fig.2 2010 surface temperature distribution of Chengdu
通过对数据进行预处理，可以看出，2010年冬季成都市地表温度范围在8.99～22.40℃之间，2012年冬季成都市地表温度范围在10.78～27.48℃之间，2013年冬季成都市地表温度范围在9.39～25.18℃之间。

表1 数据来源表Table 1 Data source table时间数据12月 1月 2月合计2010 20101219 1 2011 20110226 1 2013 20131211 20130117 20130226 3 2014 20140226 1合计2136
3 热岛强度分析
3.1 地表温度等级分类
按等间距法对成都市地表温度进行等级分类，共分为五类，地表温度从低到高依次为低温区、次低温区、中温区、次高温区、高温区，如图5～图7所示。

分别计算成都市2010、2012、2013冬季地表温度等级分布面积比例，如表2所示。

3.2 城市热岛强度评价
3.2.1 热岛强度计算
(1)最大热岛强度。

最大热岛强度是城市区域内最高温度与郊区最低温度之差，即:
图3 2012年成都市地表温度分布图Fig.3 2012 surface temperature distribution of Chengdu
图4 2013年成都市冬季地表温度分布图Fig.4 2013 surface temperature distribution of Chengdu
式中，P表示城市热岛强度，Tmax表示最高温度，Tmin表示最低温度［4］。

代入公式，计算得出，成都市2010年冬季最大热岛强度为13.41℃，2012年冬
季成都市最大热岛强度为16.70℃，2013年冬季成都市最大热岛强度为15.79℃。

(2)加权平均热岛强度。

以郊区平均温度为基准，利用成都市地表温度等级中各等级区域平均温度及所占比例进行计算［5］，即:
图5 2010年成都市冬季地表温度等级分布图Fig.5 2010 winter surface temperature grade distribution of Chengdu
图6 2012年成都市冬季地表温度等级分布图Fig.6 2012 winter surface temperature grade distribution of Chengdu
表2 成都市不同年份地表温度等级分类面积比例/km2Table 2 Different years of land surface temperature classification area ratio in Chengdu/km2等级/年
份低温区次低温区中温区次高温区高温区2010 面积26.62 139.95 1613.23 9507.68 532.31比例 0.23% 1.18% 13.65% 80.44% 4.50%2012 面积23.18 491.14 4504.40 6507.59 445.63比例 0.19% 4.10% 37.62% 54.36%
3.72%2013 面积32.63 398.41 3041.28 7972.42 503.16比例0.27% 3.33% 25.45% 66.73%
4.21%
图7 2013年成都市冬季地表温度等级分布图Fig.7 2013 winter surface temperature grade distribution of Chengdu
式中，T1～T5代表从低温区到高温区的成都市冬季地表温度，AVG地表平均温度，TO代表郊区地表温度，A1～A5代表低温区到高温区所占的成都市总面积的比例。

按照经验公式，平均温度=0.4*高温+0.6*低温，算出2010、2012、2013年成都市冬季低温区到高温区的平均地表温度，用每一年的最低温替代郊区地表温度，通过计算，可以得出，成都市2010、2012、2013年冬季加权平均热岛强度分别为8.79℃，9.93 ℃，9.79℃。

3.2.2 热岛强度变化分析
最大热岛强度从整体上对成都市冬季热岛进行了分析，可以看出，2010～2013年，最大热岛强度先增加后降低的趋势，2010～2012年，最大热岛强度增加了
3.29℃，2012～2013年，最大热岛强度减少了0.91℃。

加权平均热岛强度分区域进行了热岛强度分析，更全面的描述了成都市冬季热岛强度状况。

可以看出，从2010～2012年，成都市冬季加权平均热岛强度呈现先增
加后降低的趋势。

2010～2012年，成都市冬季加权平均热岛强度增加了1.14℃，2012～2013年，成都市冬季加权平均热岛强度减少了0.14℃。

3.3 城市热岛发育程度评级
在城市建成区内，通过赋予各等级热岛的权重值，利用各等级热岛面积与建成区面积的比例，来表征热岛的发育程度。

指数越大，热岛程度就越重。

城市热岛比例指数的数学模型如下［6］:
式中，URI为城市热岛比例指数，m为温度等级总数，i为热岛等级序号，w为权重值，取i等级的级值，pi为第i级热岛面积百分比。

由于对成都市地表温度等级分为了五类，所以取m=5，通常将温度等级分为五级时，认为高温区和次高温区能代表城市热岛范围［7］，所以取n=2，由此可知，高温区的权重值为5，次高温区的权重值为4，参照表1统计数据，可以计算出，成都市2010、2012、2013年冬季热岛比例指数，如下式所示:
可以看出，2010～2013年，成都市冬季热岛比例指数是先下降后升高得到趋势，2010～2012年，热岛比例指数减少了0.22个单位，2012～2013年，热岛比例指数增加了0.10个单位。

可以看出前面时段的比例指数下降幅度要大于后面时段的比例指数增加幅度。

4 结论
通过对2010、2012、2013年成都市冬季热岛强度的分析，可以得出以下结论: (1)通过对最大热岛强度和加权平均热岛强度的计算与分析，可以看出，2010～2013年，成都市冬季热岛强度呈现先增强后减弱的趋势。

(2)对成都市2010、2012、2013年冬季热岛比例指数的计算，可以看出城市热岛发育程度先减弱后增强的趋势。

(3)热岛强度与城市热岛发育程度的变化趋势呈反比，可以推知，成都市在治理城市热环境中，使得地表温度下降了，但热岛面积依旧扩大。

(4)利用MODIS数据研究地表温度和热岛效应观测范围大、能够方便的研究动态变化过程，值得推广。

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