基于MODIS数据的广州热岛变化特征

 2022-01-17 11:01

论文总字数:13550字

目 录

1 引言 1

2 国内外研究进展 1

3 研究区域概况 3

4 资料来源与研究方法 4

4.1 资料来源 4

4.2 研究方法 4

4.2.1 MODIS数据预处理 4

4.2.2 研究方法 5

5 结果分析 5

5.1 2004年广州四季昼夜城市热岛特征及分析 5

5.1.1 2004年广州四季白天热岛变化特征及分析 5

5.1.2 2004年广州四季夜晚热岛变化特征及分析 7

5.2 2000年至2009年夏季广州昼夜热岛特征及分析 8

5.2.1 2000年至2009年广州白天热岛变化特征及分析 8

5.2.2 2000年至2009年广州夜晚热岛变化特征及分析 9

6 结论与讨论 11

参考文献 12

致谢 14

基于MODIS数据的广州热岛变化特征

樊杰

,China

Abstract:In this paper, we use the MODIS11A1 surface temperature product of each season in the four seasons of Spring, Summer, Autumn and Winter of 2004 and the summer of 2000-2009 to compare the urban and suburban heat island effects of Guangzhou City. The seasonal variations and annual trends are mainly studied. The research shows that: 1) The heat island effect is most intense during the daytime in Guangzhou in 2004. The intensity of the heat island center can reach 8.5°C. The spring and autumn seasons are strong, and the winter heat island effect is weak. 2) The intensity of the heat island center is the highest in the autumn of 2004 and the spring heat island is strong in spring. The range is the largest, and the summer heat island effect is weak; 3) In 2000-2009, the summer daytime heat island effect in Guangzhou has a certain degree of weakening. The central intensity of heat island is reduced from 9.1°C to 8.7°C, the overall heat island intensity is reduced by about 1°C, and the heat island range is not. Significant changes; 4) The heat island effect showed a general growth trend in the summer of 2000-2009, with the intensity of the central heat island rising from 4.2°C to 5.1°C. The heat island range expanded north of Huadu District and south of Panyu District.

Key words: MODIS11A1 data; Guangzhou; Heat Island;Surface temperature.

1 引言

城市热岛,主要指城市中心由于各种因素,例如大气污染和下垫面性质发生了改变,以及人工排热等造成的城区温度明显比郊区高,从而可看成类似于高温孤岛的情形。城市热岛的面积和强度的迅速上升,会导致城市能源消耗增加,污染加重等一系列社会问题,影响着城市的正常运行[1][2]

近年来,随着全球气候变暖的情形加剧,我国的城市热岛现象越来越严重。2010年,重庆市热岛强度接近10℃[3],2007年乌鲁木齐的最大热岛强度也在8℃以上[4]。针对城市热岛进行的研究,可以更好的了解其分布和变化,从而更好的解决城市热岛带来的一系列问题。

本文以广州市2004年四季和2000-2009年历年夏季的每季一天的MODIS11A1地表温度产品为主要数据,分析得到广州市的四季昼夜和历年昼夜的热岛强度分布,并对广州市的热岛效应季节变化特征和历年的变化趋势进行研究。

2 国内外研究进展

城市热岛效应的概念被提出以后,如何去研究城市热岛的难题已经有了突破性进展。到现在为止,主要有以下几种方法分别被学者利用:

城市热岛刚被提出时,没有符合这种研究的方法和仪器,学者们主要利用分布在主干道、工业密集区域等的气象资料之间的互相比对,进而分析出城市热岛的强度,范围及其动态分布。这种方法现在被称为气象资料法,是最传统的一种研究城市热岛的方法。其优点在于可以很精确、及时的分析出气象站点附近的城市热岛变化情况,在时间尺度上也很连续;但气象站点的有限性,使得学者们只能获得局部的数据,不能很全面的获取整个城市的热岛信息。Hua Ma[5]对1961-2000年全国191对城乡气象站的气温资料分析后,得出中国城市热岛在时空分布上,有着热岛强度和城市人口成正比的特征。Barring[6]通过对瑞典气象资料的分析,总结了城市道路热岛对城市的影响。朱家其、汤绪等[7]基于上海城郊的气象站点资料,分析了上海市的城市热岛特征和城乡气温变化特点。张艳等[8]利用气象资料分析得到了上海地区热岛的变化特征。

为了解决气象资料法不能全面获取信息的问题,一些学者出了布点观测法,即不仅仅通过大的气象站点,也通过人工布置的小的气象观测仪,按照一定的布置方式进行观测。通过城市热岛在空间上的分布,分为水平方向和垂直方向两个方面。水平方向有两种,一种是选用若干个位于城郊的点,对比其几项温度和气候的指标,进而分析;另一种是选用横穿城市的剖线,对其进行观测分析。垂直方向,由于热岛会引起城市边界层的能量之间的交换,会出现明显的立体特征,对此的研究多利用飞机或者探空气球等进行观测,也有部分学者为了获得长期的连续的城郊气温差异资料,将气温表分别放置于高塔的不同的高度,用以观测垂直方向的气温差异。叶有华,周凯等[9]通过定点观测的方法,研究了商业区,工业区和社区的热岛发生频率及其强度。董妍等[10]研究西安城市热岛的分布特征时,利用气象观测资料和主城区内14个加密观测站的数据,分析西安城市热岛5月份日变化和2008年的空间分布特征。张景哲等[11][12]利用北京城郊的100多个观测点,结合气象资料,完成了北京市四季代表月份的城市热岛效应的研究。

GIS技术的发展,使得遥感数据在各种研究领域中占据了重要的位置。遥感数据有着时间同步性高、观测范围广的特点。目前,利用遥感监测资料分析热岛效应有几种主要的应用方向。

第一种是基于温度进行监测。由于热红外遥感卫星所探测到的亮温与地表温度、气温三个因素之间的关系很密切,基于温度进行热岛效应的检测,成为了检测城市热岛最直观的方法。这种方法有两种情况:一是基于亮温,即利用亮温和公式推算出地表温度,进而进行热岛效应研究。针对这种方法,国内外已经有很多学者使用了NOAA或者LANDSAT TM影像数据对多个城市进行了热岛方面的研究并有一定的成绩。覃志豪等[13]用LANDSAT TM6波段,研究地温反演,提出了单窗算法。黄聚聪等[14]利用厦门市LANDSAT遥感影像,分析了厦门城市热岛时空分布特征。徐涵秋等[15]用不同时相的热红外图像对厦门城市热岛效应的时空变化特征进行了定量地研究。另一种是基于地表温度,这种方法会考虑到大气的影响,但由于下垫面的差异和实时数据的获取难度,导致精确的对地表温度进行反演很难实现。周淑贞等[16]使用卫星气象卫星对热场和下垫面结构的关系进行了研究,在此基础上建立了回归方程

第二种是基于植被指数进行检测。植被指数在遥感领域,一向是反映地表植被信息的重要的数据源。1993年,GALLO等[17]尝试用植被指数来反映热岛效应,结果发现,城乡间的NDVI关系和城乡间的地表温度关系之间,有着很强的线性关系。但是,其缺陷也很大:首先,被研究的地区城郊之间的高程差不能够太大;其次,研究区域必须有绿色的植被;再次,不可以是干旱地区。周红妹等[18]使用RS与GIS与绿地统计资料,建立动态模型,对城市热岛分布和绿色植被的作用机理进行了分析。

3 研究区域概况

广州市地属广东省,是其首府,位于珠三角北部,主要位于东经112°57′到东经114°03′,北纬22°26′到23°56′之间。现下辖11个区,主要包括主城区、花都区,从化市,增城市,番禹区和南沙区,主城区主要包括:白云区、荔湾区、天河区、越秀区、海珠区和黄浦区。广州市面积达7400多平方千米,行政边界见图1。

广州市属南亚热带,气候为季风海洋性气候,年平均气温在22℃左右,年降水量可达1800多mm,雨量相当丰富。由于它背山面海,故海洋性气候特别显著,温暖多雨。其地形主要由中低山地、丘陵地、岗台地,和冲积平原以及滩涂构成,其中,在增城市、花都区、从化区及一部分市区分布有较多丘陵地,多山林及人工造林。市内生物资源丰富,种类繁多。2017年末,常住人口总量已经突破1449万大关[19],城镇化率高达86.14%。第一、第二、第三产业对比往年都有大幅度增长,特别是第三产业,对经济增长的贡献达79.3%。

图1 广州市行政边界

4 资料来源与研究方法

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