李欣欣 廖 廓 孙蔡亮 郑潮宇 吴新宇 邢丽珠

(1.福建省气候中心，福建 福州 350001；2.福建省海峡气象科学研究所，福建 福州 350001；3.福建省莆田市气象局，福建 莆田 351100；4.山东省枣庄市气象局，山东 枣庄 277000)

全球变暖是21世纪人类面临的最为严峻的挑战之一。随着城市化进程加快，人类活动造成的土地覆盖及土地利用方式的改变，正以直接或间接的方式影响着局地和全球的气候变化。城市热岛效应作为城市化进程的产物和全球变暖下最明显的气候现象之一[1]，近年来随着人类活动的加剧而不断增强，尤其是在夏季，气温升高使得城市热岛效应更为明显，导致城市极端高温事件频发。这不仅对生态环境产生严重的威胁，也给城市居民的生产生活带来了较大的负面影响。因此，不同季节的热岛效应也得到了更多的关注和研究，这为政府缓解热岛效应所带来的城市生态环境问题提供参考。

针对热岛效应，国内外学者已开展了大量研究分析[2-6]。卫星遥感监测作为研究热岛效应的重要手段，相较于传统的气象观测法，具有时相多、范围广、空间连续性好、空间分辨率高等优点[7]。Landsat与 MODIS遥感数据已被广泛应用于城市热岛的大范围空间监测和评估。Landsat数据空间分辨率高，但时间分辨率低，多用于城市尺度的热岛研究[8-9]。MODIS 空间分辨率低于Landsat数据，但时间分辨率更高，并且对地表温度数据具有良好的反演精度，被广泛用于大区域的热岛监测[10-11]。乐通潮等[12]利用Landsat 8卫星影像分析了福州春季城市热岛空间分布特征，表明福州存在明显的城市热岛现象，老城区及扩张的城市建设区是城市热岛效应主要影响区域。相较于其他“火炉城市”，近年来福州的城市热岛效应加剧[13-14]。张春桂等[15]基于MODIS遥感数据对福建省地表温度和植被覆盖的互动关系进行了研究，发现福建沿海城市热岛面积整体呈上升趋势，福州和莆田尤为明显。福建省地表温度自东南沿海向西北山区递减，沿海平原的热岛效应强于内陆山区[16]。近15年来，由于快速城市化，福建省东南沿海城市的最高地温从30.95℃上升到33.05℃，但因植被覆盖率的增加，平均地表温度呈小幅下降趋势，其中全省降温面积是升温面积的两倍。有学者指出，当植被覆盖率高于20%时，覆盖率每增加 10%，地表气温下降约1.1℃[17]。除了植被覆盖率，城市化建设过程中的土地利用变化[18-19]、城市人口规模[20]、产业结构及能源消耗[21-22]、不透水面[23]、水体[24]等因素也会对热岛效应产生不同程度的影响。考虑自然和人文的多元化影响，有研究发现夜间灯光、交通路网密度、地表非渗透面、地表植被、地面高程、水体等多维因素对城市热岛的影响存在差异，前三者为正贡献，后三者为负贡献，其中夜间灯光、交通路网密度和地面高程的升温、降温作用最大[25]。

本文以福建木兰溪流域(118°38′E～119°06′E，25°22′N～25°25′N)为研究区域，利用2000—2019年MODIS遥感数据的地表温度和热场强度指数数据，统计分析了木兰溪流域地表温度和热场强度在不同时间尺度下的变化特征，并探讨了不同下垫面类型对地表温度的调节作用，由此构建了基于建筑、水体和植被的木兰溪流域地表温度评估模型。该研究成果可为当地政府开展城市生态环境治理提供科学决策参考。

1 资料与方法

1.1 数据来源

本文数据来源为8天合成的分辨率为1km的2000—2019年MOD11A2地表温度遥感产品，获取行列号为h28v06，共计910景影像①。

1.2 热场强度指数

为更好地监测木兰溪流域热环境，引入了热场强度指数。热场强度指数能够对热场分布的相对高温、低温范围及位置作出判断。热场强度定义为热场的归一化，表达式为：

式中：Ni为第i个像元对应的热场强度指数，范围为0～1，值越大，高温现象越明显；Ti为第i个像元的地表温度；Tmin为研究区域内最低地表温度；Tmax为研究区域内最高地表温度。其中Tmin和Tmax分别为图像的频率累积直方图上的0.05%和99.95%处的值，这可以去除异常值，同时保证图像的高温区域和低温区域，更合理地研究木兰溪流域的热环境。对大量图像进行分析研究，并将热场强度指数分为5个等级，见表1。

表1 热场强度指数划分等级

2 热场强度的时空分布特征

2.1 热场强度的空间变化

从2000—2019年木兰溪流域年均热场强度空间分布可知(图1)，绝大部分区域为正常区，相对其他区域，高温区与较高温区主要分布在流域的中南部至东部，这些地区主要为人口聚集的城镇地区，相对低温区与较低温区主要分布在流域的西北部，这些地区主要以植被为主。

图1 2000—2019年木兰溪流域年均热场强度空间分布

通过木兰溪流域2000年、2010年和2019年各季节热场强度空间分布可知(图2)，各季节的热场强度空间分布基本一致，和年均热场强度空间分布相似。即气温正常区占流域面积比例最大，相对于其他区域而言，不同季节中较低温区和低温区集中于多植被覆盖的流域西北部和西部，高温区与较高温区均集中于流域中南部至东部区域。在春、夏季，中南部和东部小部分区域的热场强度指数相对于其他区域均较高，容易发生高温事件。在秋、冬季，从流域的中南部至东部区域的热场强度指数均高于其他区域，亦容易发生高温事件。

图2 木兰溪流域2000年、2010年和2019年各季节热场强度空间分布

2.2 热场强度的时间变化

通过分析2000—2019年木兰溪流域各热场强度等级面积占比可以看出(图3)，正常区面积占比最大，达到木兰溪流域面积一半以上，20年平均面积占比62.38%，呈减小趋势；其次是较低温区，年平均面积占比19.15%，呈增大趋势；较高温区面积占比仅次于较低温区，年平均面积占比16.23%，呈略微减小趋势；低温区与高温区面积占比极小，低温区年平均面积占比为1.20%，高温区年平均面积占比为1.02%，总体上呈增大趋势。由各等级变化可以看出，木兰溪流域热场强度由正常向两极转变。

图3 2000—2019年木兰溪流域各热场强度等级面积占比变化

不同年份各季节木兰溪流域的热场强度等级面积占比也存在差异，如表2所示。从代表年份看，总体而言，春季正常区面积占比最大，其次是秋季，再次是冬季，夏季最小(除2000年外)。夏季较低温区和低温区面积占比最大，冬季较高温区和高温区面积占比最大。秋季和冬季热场强度较春季和夏季强，这可能是由于春季和夏季降水丰沛，植被长势较好，降低了一部分城市热场强度，而秋季和冬季气温相对低，尤其是冬季，人为释放热量造成热场强度较强。

表2 木兰溪流域2000年、2010年和2019年各季节热场强度等级面积占比(%)

3 地表温度变化特征及下垫面的调节效应

3.1 地表温度时间变化趋势

如图4所示，木兰溪流域2000—2019年全年平均温度、最高温度和最低温度均呈下降趋势，均值分别为24.97℃、29.72℃和20.23℃，气候倾向率分别为-0.33 ℃·(10a)-1、-0.2 ℃·(10a)-1和-0.70 ℃·(10a)-1，其中最低温度呈显著下降趋势(P<0.05)。2000—2019年木兰溪流域年平均温度2010年最低(22.81℃)，2002年最高(26.78℃)。年最高温度是2002年(31.47℃)，年最低温度则是2012年(18.21℃)。

图4 2000—2019年木兰溪流域全年地表最高温度、平均温度、最低温度变化

如图5所示，2000—2019年木兰溪流域春季平均温度和最低温度均值分别为25.40℃和20.23℃，虽有波动，但整体呈下降趋势，递减率分别为-0.61 ℃·(10a)-1和-0.70 ℃·(10a)-1，其中平均温度呈显著下降趋势(P<0.05)。木兰溪流域春季最高温度呈上升趋势，均值为30.81℃，气候倾向率为0.79 ℃·(10a)-1。从夏季来看，木兰溪流域平均温度和最低温度均值增加到30.74℃和25.71℃，近20年来也呈下降趋势，递减率分别为-0.25 ℃·(10a)-1和-0.70 ℃·(10a)-1，其中平均温度呈显著下降趋势(P<0.05)。夏季最高温度均值可达到37.83℃，气候倾向率为0.93 ℃·(10a)-1，呈显著上升趋势(P<0.05)。从秋季来看，木兰溪流域平均温度和最低温度均值与春季相当，分别为25.49℃和19.83℃，整体呈下降趋势，气候倾向率为-0.14 ℃·(10a)-1和-0.70 ℃·(10a)-1。秋季最高温度均值略高于春季(31.60℃)，上升速率为1.3 ℃·(10a)-1。而到了冬季，木兰溪流域平均温度(17.86℃)、最高温度(21.93℃)和最低温度(13.36℃)整体呈下降趋势，气候倾向率分别为-0.81 ℃·(10a)-1、-0.28 ℃·(10a)-1和-0.70 ℃·(10a)-1。值得注意的是，冬季地表温度在2015年后略有上升。

图5 2000—2019年木兰溪流域各季节地表温度时间变化

3.2 不同下垫面对地表温度的影响

通过分析木兰溪流域2001年、2010年和2019年不同下垫面地表温度与平均地表温度的差值变化可以看出(图6)，建筑、植被和水体对地表温度的影响各有差异。2001—2019年建筑温度高于木兰溪流域平均温度，植被温度低于木兰溪流域平均温度，水体温度在平均温度附近浮动，多数低于木兰溪流域平均温度。总体来说，建筑的地表温度在三种下垫面中较高，对热环境的影响较大。水体和植被地表温度较低，对热环境具有较好的缓解作用。

图6 木兰溪流域2001年、2010年和2019年不同下垫面地表温度与平均温度之差

综合考虑建筑、水体和植被对地表温度的影响，对建筑、水体、植被与地表温度进行相关性分析。结果表明，建筑、植被、水体均对地表温度产生显著影响(P<0.01)，其中，建筑与地表温度呈正相关，相关系数为0.73，而植被、水体与地表温度均呈负相关，相关系数分别为-0.68与-0.52。植被、水体与建筑之间也呈负相关，相关系数分别为-0.60和-0.25。基于此，构建木兰溪流域建筑、植被和水体与地表温度之间的多元逐步回归关系。

y=0.14x1-0.13x2-0.05x3+30.15R2=0.80

式中：y代表地表温度，x1代表建筑，x2代表植被，x3代表水体。建筑与地表温度的相关系数和植被与地表温度的相关系数差距不大，比水体与地表温度的相关系数大，可以看出植被的降温能力强于水体。由此可以说明，由于建筑面积的增加导致的地表温度升温可以通过提高植被覆盖率进行部分抵消。

进一步使用控制变量法，即假设三者中一个变量不变，其他两个变量改变，来比较建筑、植被、水体对木兰溪流域的降温效果。木兰溪流域建筑、植被、水体的实际占比分别为22.48%、63.55%和12.31%。假设在建筑面积不变的情况下，植被面积每减少10%、水体面积增加10%，温度升高0.008℃。假设植被面积不变，建筑面积每减少10%、水体面积增加10%，则地表温度下降0.019℃。而假设水体面积不变，建筑面积每减少10%、植被面积增加10%，地表温度降低0.027℃，降温效果显著。

综上所述，建筑有明显的增温效果，水体与植被都有明显的降温效果，且植被的降温效果较水体更为明显。

4 结论

以木兰溪流域为研究区域，以MODIS监测数据为研究基础，基于地表温度和热场强度指数得出以下结论与讨论。

①2000—2019年木兰溪流域热场强度空间分布以正常为主，高温区与较高温区主要分布在流域中南部至东部人口聚集的城镇地区，低温区与较低温区主要分布在以植被为主的西北部地区。

②2000—2019年木兰溪流域热场强度各等级面积占比中，正常区面积平均占比最大(62.38%)，其次是较低温区(19.15%)，再次是较高温区(16.23%)，近20年来分别呈减小趋势、增大趋势和略微减小趋势。低温区(1.20%)与高温区(1.02%)面积占比极小，总体上呈增大趋势。由各等级变化可以看出，木兰溪流域热场强度由正常向两极转变。

③近20年来木兰溪流域全年平均地表温度(24.97℃)、最高温度(29.72℃)和最低温度(20.23℃)均呈下降趋势，递减速率分别为-0.33℃·(10a)-1、-0.2℃·(10a)-1、-0.70℃·(10a)-1。春季、夏季和秋季平均温度和最低温度整体呈下降趋势，最高温度呈上升趋势，其中春夏两季平均温度和夏季最高温度趋势显著。冬季平均温度、最高温度和最低温度均呈下降趋势。

④不同下垫面对地表温度的调节能力不同，建筑与地表温度呈正相关关系(0.74)，而植被(-0.69)、水体(-0.53)与地表温度则呈负相关关系。控制变量法结果显示，建筑有明显的增温效果，水体与植被都有明显的降温效果，且植被的降温效果更为明显。

⑤从季节来看，秋季和冬季热场强度较春季和夏季强，这可能是由于春季和夏季降水丰沛，植被长势较好，降低了一部分城市热场强度。而冬季气温相对低，人为释放热量多造成热场强度较强。从下垫面类型来看，基于建筑、植被和水体的木兰溪地表温度评估模型分析结果表明，不同下垫面对地表温度的调节能力不同，但目前有关不同季节、不同因子的影响和定量化贡献仍有待探讨，更多的影响因子和它们的交叉作用也仍需加强研究。

注释：

①该数据从NASA官网上获取(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)。