1、第 41 卷 第 3 期2023 年 6 月Vol.41 No.3June，2023干旱气象Journal of Arid Meteorology近17 a郑州城市热岛时空演变及驱动机制分析张渝晨1，2，田宏伟1，2（1.中国气象局 河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室，河南 郑州 450003；2.河南省气象科学研究所，河南 郑州 450003）摘要：为深入探讨郑州市热环境问题，基于长时间序列的 MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）陆表温度产品（MYD21A1），分析郑州城市热岛效应的时间演变和空间分布特征，并结合土地
2、利用/覆盖类型数据及郑州市统计年鉴资料，从自然和人为两方面因素探讨郑州市热岛效应的成因和驱动机制。结果表明：郑州市年平均热岛强度的昼、夜空间分布差异不大，较强及以上热岛区域主要在主城区。郑州市热岛效应具有昼、夜和季节差异。日间，春季和夏季的热岛面积占比分别呈非显著和显著上升趋势，秋季和冬季呈非显著下降趋势；夜间，春、夏、秋季热岛面积均呈非显著上升趋势，冬季热岛效应偏弱，无明显变化特征。郑州市城市热岛比例指数与热岛强度的年际变化特征一致，昼、夜城市热岛比例指数均为夏季春季秋季冬季。不同土地利用/覆盖类型的热岛效应差异明显，城乡建筑用地最高、耕地次之、林地和水域最低；植被覆盖度与地表温度呈负相关，
3、太阳辐射强度对城市热岛效应有正向驱动作用，人口密度、城市生产总值和建筑竣工面积均与城市地表温度呈正相关。关键词：城市热岛效应；时空变化；驱动因子文章编号：1006-7639（2023）03-0403-10 DOI：10.11755/j.issn.1006-7639（2023）-03-0403中图分类号：X16 文献标志码：A引 言在全球变暖和城市化高速发展背景下，人类赖以生存的生态环境安全不断受到影响（王建鹏等，2011；赵彩萍等，2019；姚晓洁等，2021），其中以城市热岛效应为代表的城市热环境问题尤为突出。近年来，不断恶化的城市地表热环境给城市发展以及居民生活带来巨大挑战，对城市热岛效应
4、的研究受到当前社会的持续关注。城市热岛效应的研究通常采用气象资料分析法、数值模拟法和遥感监测法。早期热岛效应研究主要基于气象站的观测数据开展（李兴荣等，2006；孙学珍等，2009；瓦力江瓦黑提等，2018），但受限于气象观测站点的布设，该方法的空间代表性存在一定局限。数值模拟法机理性较强，但所需参数资料复杂，获取全面的背景数据存在一定困难（黄良美等，2011；张赟程等，2017；郑玉兰等，2017）。遥感监测法由于其探测区域广、动态性强、空间分辨率高等优势，已成为热岛效应空间研究的主要手段（裴欢和房世峰，2008；卞子浩等，2016；Ward et al.，2016；周甜甜等，2017；曹张
5、驰等，2021；裔传祥等，2022）。国外相关研究基于 Landsat TM、Landsat 8 TIRS和MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）等多源遥感数据研究了城市热岛效应的时空变化特征，并从横向和纵向两个方面探讨热岛效应的形成机制（Buo et al.，2021；Maharjan et al.，2021；Monteiro et al.，2021）。国内基于 Landsat TM/ETM+/TIRS/OLI 数据针对一线特大城市（杨敏等，2018）和东部沿海城市（王伟武等，2009；丁海勇和史恒畅，2018；沈中健和曾坚，
6、2020）等开展了城市热岛效应研究，并从植被覆盖度、城市用地类型、空间格局和人为热排放等方面探讨影响城市热岛的因子。Landsat系列卫星空间分辨率较高，但重返周张渝晨，田宏伟.近 17 a 郑州城市热岛时空演变及驱动机制分析 J.干旱气象，2023，41（3）：403-412，ZHANG Yuchen，TIAN Hongwei.Analysis of spatial-temporal variation of urban heat island and driving mechanism in Zhengzhou in recent 17 years J.Journal of Arid Me
7、teorology，2023，41（3）：403-412，DOI：10.11755/j.issn.1006-7639（2023）-03-0403收稿日期：2021-12-16；改回日期：2022-12-06基金项目：中国气象局农业气象保障与应用技术重点开放实验室开放研究基金项目（AMF201903）和河南省农业气象保障与应用技术重点实验室应用技术研究基金项目（KM202125、KM202325）共同资助作者简介：张渝晨（1994），女，硕士，工程师，主要从事农业与生态气象研究。E-mail:zhangyc_。通信作者：田宏伟（1982），男，硕士，高级工程师，主要从事农业与生态气象研究。E-m
8、ail:。41 卷干旱气象期较长，受天气、季节等因素影响，在城市热岛动态变化研究中受限很大；MODIS卫星虽然空间分辨率较低，但重返周期短，昼夜均可获得有效监测数据，通过与气象站实测数据相结合，能更加全面地对城市热岛效应展开研究（陈命男，2012）。在“一带一路”政策的带动下，郑州市城市化进程不断加快，但同时也引发了一系列环境问题，导致城市生态系统服务功能逐渐下降。在此背景下，段金龙等（2011）和李芳芳等（2010）基于单景或少量 Landsat TM/ETM 数据结合同期气象观测数据开展了郑州市区热岛效应的初步研究，张凡等（2018）基于20072016年MODIS地表温度数据，分析了郑州
9、市热岛效应时空演变特征，但其以行政边界选取郊区背景区域，科学性较低。本研究基于长时间序列的遥感地表温度数据集（20042020年MYD21A1），结合多源数据科学确定郊区背景区域，从年、季和昼夜多个时间尺度分析郑州城市热岛效应的时空演变规律，并从自然（下垫面、NDVI、太阳辐射强度）和人为（人口密度、城市生产总值、建筑竣工面积）两方面探讨郑州热岛效应的驱动机制，以期为郑州市发展规划布局、优化资源配置、缓解城市热环境问题提供科学依据。1数据与资料1.1数 据20042020年地表温度数据来源于美国航空航天局（National Aeronautics and Space Administratio
10、n，NASA）发布的 EOS/MODIS 下午星 AQUA 地表温度产品（MYD21A1），AQUA 为太阳同步轨道卫星，每日重返2次，过境时间约为13：30和01：30（苏玥等，2019）。MYD21A1产品分昼间（MYD21A1D）和夜间（MYD21A1N）两类，由相对应的L2级格点产品合成，空间分辨率为1 km，数据格式为HDF-EOS。归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）数据来源于20042020年MODIS月合成产品MOD13A3，空间分辨率为1 km，产品格式为HDF。采用MRT（MODIS Reprojectio
11、n Tools）软件对数据进行等经纬度投影，并输出GEOTIFF格式数据。年最大NDVI值由月最大NDVI值合成。土地利用/覆盖类型资料采用中国科学院环境科学数据中心提供的 2004、2005、2010、2015、2020年影像分类数据。人口密度、城市生产总值和建筑竣工面积等数据均从20172021年郑州统计年鉴（郑州市统计局和国家统计局郑州调查队，20172021）中获取。文中所有时间均为北京时，将 35 月划为春季，68月划为夏季，911月划为秋季，12月至次年2月划为冬季。文中附图涉及地图均基于自然资源部标准地图服务网下载的审图号为 GS（2019）1822号的标准地图绘制，底图无修改。
12、1.2研究区概况郑州（112.7E114.23E，34.27N34.97N）位于黄河中下游和伏牛山脉向黄淮平原过渡的交接地带，地势呈阶梯状下降，西部、西南部高且多为中低山，中部和东部地势偏低，多为丘陵、平原。气候属于北温带大陆性季风气候，四季分明，雨热同期。全市下辖6个区、1个县，代管5个县级市，总面积 7 446 km2，市区面积 1 091 km2，建成区面积由2004年的243 km2增长至2020年的836 km2（图1），常住人口 2004 年约为 708 万，到 2020 年末增长至1 260 万人，其中城镇人口 987.9 万，城镇化率约78.4%，远高于2004年（57.9%）
13、。1.3研究方法1.3.1城市热岛强度城市热岛的监测通常采用热岛强度指数（Urban Heat Island Intensity Index，IUHII），是评价城市热图12004（a）和2020（b）年郑州市土地利用/覆盖类型Fig.1Land use/land cover types in Zhengzhou in 2004（a）and 2020（b）404第 3 期张渝晨等：近17 a郑州城市热岛时空演变及驱动机制分析岛效应强弱的定性指标，计算公式（叶彩华等，2011）如下：IUHIIi=Ti-1nj=1nTsubj（1）式中：IUHIIi为城市第i个像元的热岛强度；Ti是城市第i个像元
14、地表温度，Tsubj为农田背景内第j个像元的地表温度，单位均为或K；n为农田背景内的有效像元数。城市热岛强度共分为7个等级：强冷岛、较强冷岛、弱冷岛、无热岛、弱热岛、较强热岛和强热岛，分别赋值为1、2、3、4、5、6和7，具体等级划分如表1所示，本文主要选用季、年等级划分。根据城市热岛的定义，农田背景区域的选取直接决定城市热岛强度的估算结果。考虑估算指标的简便性、易获取性和通用性，选取农田背景区域时需满足以下3个条件：（1）与城市所在区域高程差小于等于 50 m，该指标可通过当地数字高程图像（Digital Elevation Model，DEM）计算得到；（2）夜间灯光指数值小于等于 15，
15、通过该指标可以确定受人类活动影响较小的区域；（3）年最大植被指数大于等于0.7，该指标可以确定不包含水体且为高植被覆盖的纯植被区域。其中，背景区域所用的 NDVI和夜间灯光指数分别为当年 MODIS MOD13A1 产品和 NPP VIIRS（National Polar-orbiting Partnership，Visible-infrared Imaging Radiometer）夜间灯光指数产品。1.3.2城市热岛比例指数城市热岛比例指数（Urban Heat Island Proportion Index，IUHIP）（叶彩华等，2011），为城市空间单元范围内热岛面积占所在区域面积比
16、例，并赋予权重来表明该空间单元内城市热岛的发育程度，能较好地比较不同空间单元的热岛强弱，目前在热岛效应研究中应用广泛（王美雅和徐涵秋，2021；张丽等，2022），计算公式如下：IUHIP=1100mi=1nipi（2）式中：m为热岛强度等级数，取值7；n为城区温度高于郊区温度的等级数（即热岛等级数，根据表 1可知，热岛包含弱热岛、较强热岛和强热岛3个等级，故 n取值 3）；i为城区温度高于郊区温度的等级序号，取值为1、2、3，分别对应弱热岛、较强热岛和强热岛3个等级；i为第i级的权重，取表1对应等级值（i=5、6、7）；pi为第i级所占的面积百分比（即不同热岛等级的面积占比）。IUHIP值为01，值越大热岛现象越严重。根据城市热岛比例指数大小将热岛严重程度划分为严重热岛等级（0.8IUHIP1.0）、较严重热岛等级（0.6IUHIP0.8）、一般热岛等级（0.4IUHIP0.6）、较轻热岛等级（0.2IUHIP0.4）和轻微或无热岛等级（0IUHIP0.2）5个等级（刘勇洪等，2017）。2结果与分析2.1热岛效应时空变化特征2.1.1郑州市年均昼夜地表热岛强度变化特征从热岛强度的空
