【微课堂】天眼揭秘北京十二年城市热岛效应时空变迁

原创孟庆岩、张琳琳空天信息

城市热岛效应(Urban heat island effect)是指城市中的气温明显高于外围郊区的现象。在近地面温度图上，郊区气温变化很小，而城区则是一个高温区，如同突出海面的岛屿，所以形象地称高温的城市区域为城市热岛。随着城市建设的高速发展，城市热岛效应也变得越来越明显。

中科院遥感地球所遥感卫星应用国家工程实验室孟庆岩研究员团队，利用12年MODIS地表温度产品数据完成北京市热岛效应时空分布特征分析。研究成果对于城市热环境监测具有重要意义。

研究结果表明，北京市日、月、季、年四个时间尺度的热岛效应均有明显规律。其中，1-12月热岛强度/边界层温度呈现较明显的环状分布，白天为逆时针分布，夜间为顺时针分布。依据地表温度与当月平均热岛强度对热岛强度进行等级划分，统计不同热岛强度等级出现频率，研究表明白天热岛强度等级以2、3级为主，秋季热岛从外环向城区中心以“环形”递增，高等级热岛强度出现的频率逐渐增大。当不透水面聚集密度小于50%时，北京市主要建成区内白天热岛效应受到不透水面分布有显著影响。

1什么是城市热岛效应？

城市热岛效应是指城市地表覆盖类型的变化和人为活动的影响会引起局部区域气温及地表温度的上升，导致高于同时期的周边郊区温度。研究中通常采用城市地区的平均温度减去郊区平均温度来衡量城市热岛强度。因此准确提取城郊边界是热岛强度计算与分析的基础。

本研究采用基于不透水面聚集密度的方法提取城郊边界，并选取城市主要建成区面积150%的周边区域作为郊区，如下图所示：

2北京市主要建成区多时间尺度热岛强度演变规律

科研人员利用2003-2015年MODIS 8天合成地表温度产品MOD11A2和MYD11A2，实现北京市主要建成区热岛强度日、月、季、年变化规律研究。

北京市主要建成区日变化规律

• 北京市城区热岛日变化规律较为明显，其中1-3月和11-12月，1:30-10:30处于降温过程，达到日最低热岛强度值；10:30-22:30处于升温过程，达到日最高热岛强度值。

• 4-10月则有较大差异，1:30-13:30处于升温过程，达到日最高热岛强度值；13:30-1:30处于降温过程，达到日最低热岛强度值。

北京市主要建成区月变化规律

• 北京市热岛强度/边界层温度呈现较明显的环状分布；

• 北京市白天热岛强度△T随月份变化较为明显，月平均热岛强度为0.5k-3.83k不等，8月份最高，1月份最低；整体呈现逆时针分布特征；

• 夜间热岛强度△T较为稳定，浮动在1.27k-1.79k之间；整体呈现顺时针分布特征；

北京市主要建成区季变化规律

• 北京市白天热岛强度分布具有明显的季节变化，夏季最强，春秋次之，冬季最低；

• 北京市夜间热岛强度变化较小，春夏季较高，秋季最低

北京市主要建成区年变化规律

• 北京市白天热岛强度平均值为2.12K，标准差为1.29；2008年白天热岛强度均值最大，达到2.32K，2003年均值最小；

• 北京市夜间热岛强度年变化较为稳定，均值浮动在1.4K-1.7K之间，夜间热岛强度平均值为1.60K，标准差为0.33。

3北京市主要建成区空间尺度热岛强度演变规律

为了以同一标准衡量不同季节的北京市热岛强度，定义第i年j月，第k天MODIS地表温度产品中象元（x,y）的热岛等级如下表所示，其中TB_ij、△Tij分别为第i年j月的平均缓冲区温度及平均热岛强度：

热岛等级定义

热岛强度等级出现频率（白天）

• 热岛强度等级主要为二、三级；

• 夏季二级热岛强度出现率高达50%以上，主要集中在主要城建区中心，仅有南部（丰台区）属于三级热岛的高发区；

• 冬季不同等级热岛强度的出现并没有明显的空间分布特征，其中房山区和大兴区五级热岛出现的频率相对较高；

• 秋季热岛从外环向城区中心以“环形”递增，高等级热岛强度出现的频率逐渐增大。

热岛强度等级出现频率（晚上）

• 夜间热岛“环状递进”模式在各个季节均比较明显；

• 随着地理位置不断向中心递进依次出现“一级、二级、三级热岛强度环”；

• 四级热岛强度与五级热岛强度出现频率与白天相比有所上升。

热岛强度等级期望

• 可以看出白天E值的空间分布特征与城市内建筑物密度相关性较大，与北京市不透水面聚集密度的分布较为一致，而夜间二者的空间相关性较小；

• 同时北京市E值季节变化显著，平均热岛等级秋冬季节较强，春季次之，夏季较弱。

热岛强度等级出现频率与不透水面聚集密度的相关关系

• 不透水面聚集密度小于50%时，北京市主要建成区内白天热岛效应受到不透水面分布有显著影响；不透水面聚集密度大于50%时，不透水面分布情况对热岛效应的影响趋于饱和，两者的相关性趋于减弱。

• 夜间不同等级热岛强度，随不透水面聚集密度的变化并不显著，2-5级热岛强度仅在不透水面聚集密度为30%时有较小幅度的峰值。这与夜间热岛强度等级分布的“环状递增”特点有关，其中心处的不透水面聚集密度恰好为30%左右。可见北京市主要建成区内夜间热岛效应受到不透水面分布的影响并不显著，其还受到城市人口活动、人为热量排放（如汽车尾气、空调）等因素影响。