基于MODIS数据的贵阳市地表热场时空特征分析

李可相，肖玖军，陈 远，谢 刚，张蓝月,董艳艳

(贵州科学院贵州省山地资源研究所，贵州 贵阳 550001)

1 引言

地表温度是城市下垫面能量平衡的核心，也是城市热岛研究的关键。遥感监测法是目前宏观尺度获取城市地表温度，研究城市热岛效应的主要研究方法之一，具有监测面积广、时间序列长、可在时空上进行长期连续监测等优点。许多研究者对此进行了研究，如裴志方[1]等以郑州市为例研究了城市化下城市热环境与下垫面关系，结果表明城市化下城市热岛效应明显，地表温度与植被覆盖高度负相关。魏冠军[2]基于Landsat TM/ETM +对兰州市城市热环境格局动态变化进行了研究分析。侯浩然[3]等基于遥感方法对福州市近20年城市热环境变化进行了研究分析。多是利用Landsat TM/ETM +等高空间分辨率的遥感数据，基于高时间分辨率遥感的长期监测研究较少见，欠缺针对地表温度的季节变化特征研究。

本文在前人研究的基础上，选取典型喀斯特山地城市(贵阳市)作为研究区域，采用近20年的MODIS遥感数据，对贵阳市地表热环境进行研究，探讨其城市热岛效应的分布及强度，分析研究区域地表热环境的长期变化情况，以期为缓解城市热岛效应提供参考。

2 研究区域与研究方法

2.1 研究区概况

贵阳市地处长江和珠江水系分水岭地带，云贵高原东斜坡，东部平原向西部高原的过渡地带，属岩溶峰丛洼地、峰丛槽谷和峰林谷地地貌，海拔高，纬度低，是一座典型的喀斯特发育完全、城市生态脆弱的高原山区城市[4]。辖6个区，3个县，1个县级市，为云贵高原上仅有的两个省会城市之一。常年受西风带控制，属于亚热带湿润温和型气候，兼有高原性和季风性气候特点。

2.2 数据来源

本文选取的数据包括MODIS产品中的土地利用数据和MOD11A2地表温度数据。其中，遥感数据为2000～2019年MOD11A2数据，分辨率1km，是已经过定标定位，大气和气溶胶校正的8天合成产品，此数据消除了部分的云干扰，提高了LST数据的有效性；土地利用数据为2006年分辨率为500m的土地利用覆被数据MCD12Q1。为保障数据的连续性和完整性MOD11A2和MCD12Q1均获取自NASA官网(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)。为便于季节变化分析，四季按照MOD11A2原始数据的时间编码(001～361)进行划分，春季(3～5月份)为065～145，夏季(6～8月份)为153～241，秋季(9～11月份)为249～329，冬季(12月～次年2月份)为337～361和次年的001～057。

2.3 研究方法

利用MODIS产品中的土地利用数据和地表温度数据，对贵阳市地表热场的时空特征进行分析。在空间上，对城市的地表热场强度等级进行划分，分析地表热环境空间变化趋势；时间上，分析城市地表热场的年际变化特征。

采用MODIS地表温度产品(LST)表示热场分布，LST是反映热场最直接、最重要的定量指标[5]。由于白天贵阳市地表温度数据空值较多且不稳定，而夜间的热岛强度较稳定[6]，因此使用夜间地表温度进行研究。本文采用地表热岛强度指数[7](Urban Heat Island Intensity Index，UHII)和斜率分析法对研究区地表温度的时空特征进行研究。地表热岛强度指数是将地表热岛强度划分为强冷岛、较强冷岛、弱冷岛、无热岛、弱热岛、较强热岛和强热岛等7级，以反映城区温度高于郊区乡村的程度；斜率分析法能对不同的栅格变化趋势进行分析，得到地表温度的年际变化特征。使用的软件环境为ArcGIS 10.4、ENVI5.3、SPSS20等软件。

3 结果与分析

3.1 贵阳市地表热场时空变化特征

贵阳市作为典型喀斯特山地城市，热岛效应最典型的特点是：大部分城区没有热岛，而在没有大面积集中建设和高耗能工矿企业的城郊区域却出现了大面积的热岛，这与蔡宏等人[8]的研究结果一致。说明贵阳市存在区别于常规热岛的异常热岛。

图1为基于MODIS数据得到的贵阳市2005、2010、2015、2019年夜晚热岛强度等级分布图。由图可知，贵阳市夜晚热岛强度等级仅包含7个等级中的4个等级(即：弱冷岛、无热岛、弱热岛、较强热岛)。2005～2019年，贵阳市的热岛效应以弱热岛为主，主要分布在云岩区、南明区、花溪区及北部低洼河谷地带，其次是较强热岛，较集中地分布于云岩区、南明区及开阳县东部的低海拔区域。弱热岛在观山湖区、白云区、乌当区仅有零星分布，而在云岩区、南明区及花溪区则呈现出扩散趋势。较强热岛未出现明显扩散趋势，历年均较集中地分布于云岩区、南明区及花溪区北部的低海拔区域。

图1 2005～2019年贵阳市热岛强度变化

统计2005～2019年贵阳市夜晚热岛强度范围平均地表面积占贵阳市总面积的比例情况，发现贵阳市82.27%的区域无热岛效应，仅有17.73%的区域存在热岛现象，且以弱热岛为主，占贵阳市总面积的17.41%，较强热岛仅占0.32%，说明贵阳市虽然存在热岛效应，但并不强烈。

由图2可见，贵阳市地表温度变化幅度均超过1.5 ℃/a，中部高海拔区域地表温度变化幅度较四周低海拔区域低，大部分区域变化幅度均在1.5～1.8 ℃/a，而北部、西部及西南部城郊的大部分区域地表温度变化幅度均超过1.8 ℃/a，尤其是南部的南明区和花溪区，部分区域变化幅度均超过2.0 ℃/a。从地表温度平均变化幅度来看，周边修文县、开阳县、息烽县及清镇市平均变化幅度为1.78 ℃/a，云岩区、南明区及花溪区平均变化幅度为1.81 ℃/a，而中部观山湖区、白云区及乌当区平均变化幅度为1.72 ℃/a。

图2 2000～2019年贵阳市地表温度年际变化率

3.2 贵阳市地表热场的时间变化特征

2000～2019年贵阳市地表温度年际变化呈增加趋势，这与全球气候变暖趋势相一致，但变化率很小，仅为0.0617 ℃/a，增温幅度不明显(图3)。分析不同季节地表温度年际变化，发现贵阳市地表温度四季均有微小的增加趋势，其中冬季的变化率最大，达0.0832 ℃/a，春季、夏季和秋季的变化率分别为0.0678 ℃/a、0.0336 ℃/a和0.0239 ℃/a。

图3 2000～2019年贵阳市地表温度年际变化

2000～2019年，贵阳市地表温度季节差异明显(图4)，夏季地表温度最高，冬季最低，夏季平均地表温度达20.08 ℃，冬季平均地表温度达7.18 ℃。夏季与冬季地表温度平均温差为12.90 ℃，变异系数达12.09%。春季和秋季的平均地表温度较为接近，分别为15.90 ℃和15.10 ℃。四季中以冬季地表温度的变异系数最大，达到19.11%，其次是春季和秋季地表温度变异系数，分别为10.72%和8.33%，而夏季地表温度波动幅度最小，变异系数只有3.92%。冬季地表温度波动幅度最大，可能是由于气候变化，贵阳市冬季各年降雪量发生较大变化，导致下垫面反射和吸收太阳辐射的能力出现明显差异，引起冬季地表温度波动幅度高于其他季节。

图4 2000～2019年贵阳市四季地表温度年际变化

4 结论

2000～2019年贵阳市地表温度年际变化呈增加趋势，这与全球气候变暖趋势相一致，但变化率很小，仅为0.0617 ℃/a，增温幅度不明显；贵阳市虽然存在热岛效应，但并不强烈，大部分城区没有热岛，而在没有大面积集中建设和高耗能工矿企业的城郊区域却出现了大面积的热岛；贵阳市的热岛效应以弱热岛为主，较强热岛仅有少量分布；地表温度季节差异明显，夏季地表温度最高，冬季最低，平均温差为12.90 ℃，春季和秋季的平均地表温度较为接近，平均温差小于1 ℃。本文使用的MOD11A2数据，虽然时间分辨率较高，但由于其空间分辨率较低，未能针对不同地类及地表环境与地表温度间的关系进行详细分析，未来还需结合精度更高的数据研究下垫面与地表温度间的相互影响过程。