發布時間：2019-11-28所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 一、引言 由于城市化的發展，人類消耗了大量的物質和能量，產生了大量廢棄物和無效熱量，形成了城市熱環境景觀，最顯著特征就是城市熱島與城市高溫。隨著全球城市熱島和城市高溫現象呈現不斷加劇的趨勢，對城市生態環境的影響越來越顯著，已成為21世紀面臨的
一、引言
由于城市化的發展，人類消耗了大量的物質和能量，產生了大量廢棄物和無效熱量，形成了城市熱環境景觀，最顯著特征就是城市熱島與城市高溫。隨著全球城市熱島和城市高溫現象呈現不斷加劇的趨勢，對城市生態環境的影響越來越顯著，已成為21世紀面臨的重要生態環境問題[1-2]。近二十年來，遙感作為一種具有空間分辨率高、覆蓋范圍廣、直觀定量等優點的分析手段，在大城市和城市群熱環境評估和熱力空間格局分析研究中發揮了重要作用[3-5]。其中，基于遙感觀測的陸表溫度(LST)是開展城市熱環境研究的一個關鍵指標。
LST不但是多種地表過程模型的主要輸入參數，也是估算區域及全球尺度上的地表能量平衡的關鍵因子[6]，不同衛星反演的LST質量也直接影響著城市熱環境監測評估的精度。2008年5月我國新一代極軌氣象衛星風云三號A星(FY-3A)發射成功，后續又陸續發射了FY-3B、FY-3C和FY-3D等衛星，已經形成了全球上、下午星的組網觀測能力[7]。風云三號衛星(FY-3)攜帶的可見近紅外掃描輻射計VIRR具有類似于美國諾阿(NOAA)衛星的AVHRR傳感器熱紅外波段探測能力，可以進行陸表溫度LST持續觀測，具有很大的應用前景。目前，中國氣象局通過“風云衛星遙感數據服務網”向全球免費提供FY-3A、FY-3B、FY-3C的全球10°×10°LST分幅產品，此外還通過“新一代極軌氣象衛星(風云三號)工程地面應用系統”在氣象局業務內網提供5min數據段的LST產品，使之在衛星過境半個小時后即可獲得經過質量控制的LST產品，大大提高了LST衛星產品服務的實時性和可用性[8]。
本文分別以北京和廣州城市為例，基于FY-3LST,綜合運用多種熱環境評估指標和方法開展城市熱環境及空間格局對比分析，評估FY-3LST產品在城市熱環境評估的可用性，對其他城市如何利用FY-3LST產品開展熱環境研究具有借鑒意義。
二、數據
文中所使用的FY-3A、FY-3B、FY-3CLST產品來源于“風云衛星遙感數據服務網(http://satellite.nsmc.org.cn/portalsite/default.aspx)”;MODISTerra/AquaLST日產品(MOD11A2或MYD11A2)來源于“美國地質調查局數據共享網(https://lpdaac.usgs.gov/dataset_discovery/modis/modis_products_table)”;NOAA18/AVHRR來源于北京市氣候中心接收的日1B數據，NOAALST采用Quan等(2012)提出的改進型Becker分裂窗方法進行反演得到[9]。
三、方法
1.陸表熱島強度
陸表熱島強度(SUHI)是目前城市熱環境評估最常用、最重要的指標，估算方法較多，本文采用國際上通用的城—鄉二分法[5]，并參考有關劃分標準[10]，把SUHI劃分為強熱島、較強熱島、弱熱島、無熱島、弱冷島、較強冷島和強冷島等7個等級。
2.熱場強度指數
熱場強度指數(NHFI)定義為熱場地表溫度的歸一化，參考有關計算方法及劃分標準[10]，可以把熱場強度指數初步劃分成5個等級：低溫區、次低溫區、常溫區、次高溫區和高溫區。
3.熱島比例指
數采用熱島比例指數(UHPI)[11]可進行空間單元的熱島定量評估，參考有關劃分標準[12]，根據UHPI值大小，可以劃分為5個等級：輕微或無、較輕、一般、較嚴重和嚴重。
4.熱島容量
熱島容量(SUHC)定義為城市陸表熱島足跡(產生地表城市熱島效應的空間范圍)內的熱島強度值與面積相乘值的累加，是一個表征熱島強度和面積的綜合指標，單位km2·℃或km2·K。熱島容量模型建立的原理是：若城市熱島在空間上為高斯曲面分布，則可利用高斯曲面擬合熱島強度信號函數，根據該函數可確定熱島足跡及熱島中心，從而估算熱島容量[13-14]。
5.高溫強度評估
本文利用平原地區自動站點日最高氣溫≥33℃的晴空氣象臺站資料，選擇相應的下午星FY-3BLST產品，根據臺站相應位置在遙感圖像上取位置為中心3×3像元的平均LST作為臺站的相應遙感地表溫度，建立FY-3BLST與日最高氣溫的回歸關系式，從而計算不同氣溫高溫等級(35℃、37℃、40℃)下對應的地表高溫值，并參照氣象上高溫等級劃分進行遙感地表高溫強度等級劃分，劃分為輕度高溫、中度高溫、重度高溫。并可利用高溫比例指數(LSHP)對不同空間單元的高溫監測狀況進行有效比較，并參考相關劃分標準[15]，LSHP可以劃分為5個等級：輕微或無、較輕、一般、較嚴重和嚴重。
6.高溫中暑指數評估
利用北京城市歷史高溫氣象資料與人群中暑資料建立高溫對中暑影響評估模型：
Y=-22.754+1.68×(Tmax-35)+0.71×T
Tmax≥35℃(1)
其中Y是高溫中暑指數，Tmax是最高氣溫，T是平均氣溫。根據北京平原地區自動站氣象站最高氣溫Tmax與下午星FY-3BLST建立的回歸模型，確定高溫中暑指數值中的陸表溫度值LST代替Tmax;通過白天和夜間的FY-3BLST平均值與自動站日平均氣溫的關系，建立基于FY-3B的平均地溫與氣溫的關系，代入公式(1)，從而估算出遙感高溫中暑指數值，根據等級劃分，進行高溫中暑影響等級評估，如表1所示。
7.熱力景觀指標
常用的熱力景觀指標主要包括：熱力斑塊密度、熱力最大斑塊指數、平均斑塊分數維、熱力分離度指數、熱力多樣性指數和熱力聚集度指數[16-17]。
熱力斑塊密度(PD)表達單位面積上熱力斑塊數量，描述熱力景觀破碎度情況;熱力最大斑塊指數(LPI)表示熱力最大斑塊所占景觀面積的比例，有助于確定景觀的優勢類型等;平均斑塊分數維(FRAC_MN)用于描述不規則幾何形狀的復雜程度，其值越接近1，反映斑塊形狀越簡單，其值越接近2，說明斑塊形狀越復雜;熱力分離度指數(SPLIT)用于描述熱力斑塊在空間分布上的分散程度，分離度越大表示斑塊在空間分布上越分散。熱力多樣性指數(SHDI)用于描述一個區域內不同熱力景觀類型分布的均勻化和復雜化程度，等于0表明整個景觀僅有一個斑塊組成，各熱力景觀比例相等時，則多樣性指數最高，各景觀類型比例差異增大，則多樣性指數減小。熱力聚集度指數(AI)用于度量同一類型熱力斑塊的聚集度程度，值越小，熱力景觀越離散。
相關期刊推薦：《衛星應用》(月刊)創刊于2010年，現由國防科工委、總裝備部、中國航天科技集團公司多家單位主辦的中國航天科技集團公司衛星應用專業信息網網刊，內部發行，秉承“信息交流、服務決策，促進我國衛星應用事業發展”的辦刊宗旨，認真履行職責，力爭把國內外衛星應用各領域的新政策、新技術、新進展及時呈現給讀者，搭建起了業界領導、衛星制造企業、衛星應用企業間信息交流、互動的橋梁。有投稿的，可以咨詢期刊天空在線編輯。
四、基于FY-3衛星的城市熱環境監測和評估
1.熱島強度監測和評估
如圖1和圖2所示為北京和廣州典型晴空高溫日(日最高氣溫≥35℃)2017年7月10日和2017年8月20日熱島強度SUHI等級監測及熱島比例指數UHPI，可以看出北京城六區大部分區域及各郊區城中心出現明顯熱島，主要建成區五環內區域UHPI達0.92，UHPI排名前三位的區分別是城區(1.0)、朝陽(0.79)和豐臺(0.71)，分別評估為“嚴重”、“較嚴重”和“較嚴重”等級。廣州城區荔灣熱島最重，UHPI為0.88，評估為“嚴重”等級;海珠(UHPI為0.67)次之，評估為“較嚴重”，表明這些區域熱島現象較為嚴重。
如圖3利用1990—2017年不同年份夏季典型晴空日NOAA/AVHRR和FY-3B衛星資料對北京市SUHI進行時間動態變化監測：1990—2017年北京熱島出現了從中心城區向北、東和南三面擴展趨勢，2001年后由于北京奧運會的舉辦，舊城改造和綠化率明顯增加使得熱島面積有所減小，2008年后則熱島持續增加，其中向昌平、順義和通州方向城市熱島擴展最為明顯。2017年，北京城六區熱島面積為1115km2，占城六區總面積的80%，略高于2016年，結果顯示利用FY-3衛星資料可有效監測城市熱島時空動態變化。
2.熱場強度指數監測
如圖4所示為北京和廣州典型晴空高溫日2017年7月10日和2017年8月20日熱場強度指數NHFI分布圖，可以看出，北京和廣州城區出現明顯高溫區，城市熱島明顯，結合圖1熱島強度SUHI分布圖可以看出，北京城市地區的“高溫區”和“次高溫區”范圍分別與城市強熱島和較強熱島范圍分布較為一致，但廣州城市地區的“高溫區”范圍明顯小于強熱島范圍，表明基于FY-3B衛星的熱場強度指數雖然可有效反映城市熱島，但兩者在確定熱島范圍上可能存在較大差異。
3.熱島容量評估
圖5為分別利用北京2016年8月28日的FY-3CLST數據和廣州2016年7月25日的FY-3BLST數據進行地區城市熱島高斯模擬結果。可以看出，北京、廣州都存在一個熱島中心和橢圓形的熱島足跡，對北京、廣州的熱島容量估算如表2所示：北京2016年8月28日的熱島容量SUHC明顯高于廣州地區2016年7月25日，分別為3554.9km2·K和572.3km2·K，SUHI最大值也是北京高于廣州，分別為7.9K和3.0K。結合圖1熱島強度分布圖可以看出，針對北京這種以城市中心向四周擴展只有一個明顯熱島中心的SUHI分布，高斯模擬可以較好地模擬出熱島中心和熱島范圍，但對于廣州這種并非以城市中心向四周擴展可能存在多個熱島中心的SUHI分布，高斯模擬并不能很好地模擬出番禺區和白云區的大片熱島范圍。
4.高溫強度監測和評估
圖6和圖7所示為基于FY-3B和自動氣象站資料對北京地區2017年7月10日和廣州地區2017年7月29日的高溫強度監測以及相應的高溫比例指數LSHI圖，可以看出北京2017年7月10日和廣州2017年7月29日主要建成區出現明顯高溫現象，中心城區出現重度高溫，這與自動站氣象觀測基本一致。北京2017年7月10日高溫比例指數排名前三位的分別是城區(0.75，“較嚴重”高溫等級)、朝陽(0.60，“一般”高溫等級)和豐臺(0.49，“一般”高溫等級)，其余區均在0.40以下，為“較輕”或“輕微或無”高溫等級;廣州2017年7月29日高溫強度排名前三位的分別是荔灣(0.91)、越秀(0.71)和海珠(0.41)，分別評估為“嚴重”、“較嚴重”和“一般”等級。結果表明利用FY-3BLST產品可有效監測基于網格的城市高溫強度。
5.北京高溫中暑評估
如圖8所示為基于FY-3B白天和夜間衛星的2017年7月10日北京高溫中暑指數監測，可以看出，中心城區及城六區都處于“易發生”、“極易發生”和“可能發生”等級區域，其他地區不容易發生中暑。
6.北京和廣州熱力景觀評估對比分析
分別利用圖1中北京2017年7月10日和廣州2017年8月20日FY-3B估算的SUHI圖，可對北京和廣州城市熱力景觀進行對比分析，如表3所示。
①斑塊密度(PD)：廣州地區比北京地區大，說明各類熱島北京地區分布集中，破碎度低于廣州;②最大斑塊指數(LPI)：廣州地區比北京地區大，表明廣州優勢熱力類型斑塊較大;③景觀形狀指數(LSI)：北京地區比廣州地區值大，說明北京地區熱力景觀中各類斑塊形狀不規則更復雜;④平均斑塊分數維(FRAC_MN)：北京地區基本與廣州地區斑塊規則程度接近;⑤分離度指數(SPLIT)：北京地區熱力景觀斑塊分散程度比廣州地區大;⑥聚集度指數(AI):北京地區大于廣州地區，說明北京地區景觀由少數團聚的大斑塊組成，廣州地區熱島斑塊類型較分散。
五、結論
FY-3是我國新一代極軌氣象衛星，從第一顆衛星FY-3A于2008年發射至今已有十余年，已積累了大量的LST產品。本文以北方城市北京和南方城市廣州為例，主要目的是檢驗FY-3LST產品的可用性以及在城市熱島和高溫監測評估中的應用。研究結果顯示：
①利用晴空FY-3LST估算的熱島強度SUHI和熱島比例指數UHPI可有效反映北京和廣州的熱島強度及時空變化;②熱場強度指數NHFI也可反映熱島大小，但與SUHI在空間分布上存在著差異;③熱島容量SUHC可定量評估熱島大小，但在空間分布上還不能對多中心熱島的城市進行有效評估;④利用高溫強度和高溫比例指數可有效評估城市高溫，相應的高溫中暑指數也可評估城市高溫對人體中暑影響;⑤基于FY-3LST的熱力景觀指數則可評估北京和廣州熱力景觀類型上的差異。但不同的指標反映強弱不同，在具體評估中需要根據實際情況進行選擇。
SCISSCIAHCI
