基于FY-3D MERSI-II的2019~2021海南岛城市热岛效应特征分析

Characteristic Analysis of Urban Heat Island Effect in Hainan Island from 2019 to 2021 Based on FY-3D MERSI-II

摘要: 热岛效应是城市发展过程中的重要生态问题，自2018年海南省建立自由贸易试验区以来，经济快速发展，基于自贸港全岛一体化发展的基本原则以及海南省“生态建省”的基本理念，本文应用FY-3D MERSI-II数据，基于分裂窗反演算法进行地表温度反演，结合热岛强度指数与热岛比例指数分析2019~2021年海南岛全岛城市热岛效应变化特征。结果表明：2019年~2021年，全岛城市热岛效应面积比例变化不大，其中2019年为6.77%，2020年为5.11%，2021年为5.85%，总体热岛强度为“轻微”和“较轻”级别。强热岛区域主要分布在北部的海口，西部的昌江和东方，中部森林地区常年表现为冷岛，海口市区热岛效应常年存在。儋州、昌江、东方、乐东等西部沿海地区受地形及气温影响夏季和秋季热岛效应面积较大、强度较强。本研究对于海南省城市生态文明建设及城市发展规划具一定的参考意义。

Abstract: The heat island effect is an important ecological issue in the process of urban development. Since the establishment of a free trade pilot zone in Hainan Province in 2018, the economy has developed rapidly. Based on the basic principle of integrated development of the whole island of a free trade port and the basic concept of “Construction Eco-province” in Hainan Province, this paper uses split window inversion algorithm to retrieve the surface temperature based on FY-3D MERSI-II data, combined with the heat island intensity index and the heat island proportion index, analyze the change characteristics of urban heat island effect in Hainan Island from 2019 to 2021. The results show that: from 2019 to 2021, the proportion of urban heat island effect area of the island has little change, including 6.77% in 2019, 5.11% in 2020, and 5.85% in 2021. The overall heat island intensity is “slight” and “light”. Strong heat island area is mainly distributed in Haikou in the north, Changjiang in the west and Dongfang. The forest area in the middle of the Hainan Island is cold island all the year round, and the heat island effect in Haikou City exists all the year round. Danzhou, Changjiang, Dongfang, Ledong and other western coastal areas are affected by topography and temperature. The heat island effect in summer and autumn is larger and stronger in those areas. This study has certain reference significance for the construction of urban ecological civilization and urban development planning in Hainan Province.

1. 引言

城市热岛效应是由于人为原因改变了城市地表的局部温度、湿度、空气对流等因素，造成的城市区域气温高于乡村、郊区的现象 [1]。出现热岛效应时，环境气温持续较高，城市上空的云、雾增加，有害气体、烟尘在市区上空累积形成一定的大气污染。人类医学研究表明，环境温度与人体的生理活动密切相关，出现热岛效应可能会引发有许多疾病，当环境温度高于28℃时，人们就会体感不适；长期处于高温环境中易出现烦躁、中暑、精神紊乱等症状；环境温度高于34℃时，心脑血管和呼吸系统疾病的发病率上升，死亡率明显增加 [2]。年极端高温日数每增加一天，死亡率约上升0.11% [3]。

已有研究表明城市热岛效应在热带地区更为严重 [4] [5]。海南地处热带地区北缘，属热带季风气候。自2018年海南省建立自由贸易试验区以来，海南省经过多次发展跨越，经济迅速发展，形成了以旅游业、对外贸易等为主的新型支柱产业。根据海南省“十四五”规划和二〇三五年远景目标纲要，“十四五”期间海南的生态环境质量和资源利用效率应居于世界领先水平，成为在国际上展示我国积极参与应对全球气候变化和生态文明建设成果的靓丽名片。目前，海口、三亚城市建设显著提速，“海澄文定”、“大三亚”经济圈一体化发展增强。在“生态立省”的指导思想下，海南将持续开展城市大环境绿化，加强城市生态环境保护，着力城郊一体化绿化体系，缓解城市热岛效应，形成现代化国际化城市品质。基于自贸港建设全岛一体化的发展原则，本研究对海南岛全岛进行城市热岛效应监测，基于FY-3D MERSI-II数据，应用分裂窗反演算法获得地表温度遥感数据 [6] [7]；采用热岛强度指数与热岛比例指数分析2019~2021年海南自由贸易港建设以来海南岛城市热岛效应变化特征，为海南城市绿化建设遵循因地制宜的原则提供生态学依据，为各城市的进一步发展提供决策参考 [8] [9]。

2. 数据与方法

2.1. 研究区域概况

海南岛位于中国南海西北部，北纬18˚10'~20˚10'，东经108˚37'~111˚03'，地处热带季风气候，年平均气温22.5℃~25.6℃，年光照为1750~2650小时，年平均降雨量约为1640毫米。岛屿轮廓呈椭圆形，四周环海地势低平，中间高耸，呈穹隆山地形，以五指山、鹦哥岭为隆起核心，向外围逐级下降，由山地、丘陵、台地、平原构成环形层状地貌，梯级结构明显。海岸线总长1944公里(不含海岛岸线)，自然岸线长度为1272.61公里 [10]。

2.2. 郊区背景划定

依据中国自然资源部Globeland 2020版30米海南省地表覆盖数据(图1)以及海南省最大植被指数数据(图2)，综合分析得出海南岛郊区农田背景(图3)。其中Globeland 2020版30米地表覆盖数据包括耕地、森林、草地、灌木地、湿地、水体、苔原、人造地表、裸地、冰川及永久积雪10种地表覆盖类型；按照产品定义的全球分幅，共有966个数据集；面积覆盖全球陆地表面1.49亿平方千米。(http://globallandcover.com/)。

2.3. 地表温度反演

用于地表温度反演的卫星数据主要来自于海南省气象科学研究所实时接收的FY-3D MERSI-II数据集，热红外通道空间分辨率为250 m，选取2019~2021年的34景晴空数据进行地表温度反演，进而计算热岛强度指数和热岛比例指数 [11] 对海南岛而开展年际尺度与季节尺度的城市热岛监测，并分析其时空分布特征。

Figure 1. Map of land cover types in Hainan Province

图1. 海南省地表覆盖类型图

Figure 2. NDVI distribution of Hainan province

图2. 海南省NDVI分布图

Figure 3. Distribution of Hainan suburbs

图3. 海南省郊区背景分布图

本研究所用的算法为国家气象卫星中心下发的基于NDVI的地表比辐射率估算方法 [12]。在参考了已有的地表温度反演模式的基础上，结合大气辐射传输模拟得到如下地表温度 $T_s$ 反演算法 [13] [14]

$T_s=a_0+a_1{T}_{24}+a_2{\left(\frac{T_{24}+T_{25}}{2}\right)}^2+a_3\left(T_{24}-T_{25}\right)+a_4{\left(T_{24}-T_{25}\right)}^2+a_5\left(1-\epsilon \right)+a_6\Delta \epsilon$ (1)

其中 $T_{24}$ 和 $T_{25}$ 分别为中心波长在10.8 μm和12.0 μm的两个热红外通道亮温； $\epsilon =\left({\epsilon }_{24}+{\epsilon }_{25}\right)/2$，是两个热红外通道的平均比辐射率。当 $\text{NDVI}<0.2$ 时，像元被认为是裸土像元， ${\epsilon }_{24}$ 为0.9547， ${\epsilon }_{25}$ 为0.9709；当 $\text{NDVI}>0.5$ 时，像元被认为是完全被植被覆盖，这时通常假定两个热红外通道的地表比辐射率均为0.99；当 $0.2\le \text{NDVI}\le 0.5$ 时，认为像元是由裸土和植被所构成的混合像元，地表比辐射率根据下式来估算 [14] [15]

${\epsilon }_i={\epsilon }_V{P}_V+{\epsilon }_{S,i}\left(1-P_V\right)+d{\epsilon }_i$ (2)

其中 ${\epsilon }_V$ 为纯植被的比辐射率即 ${\epsilon }_V=0.99$， ${\epsilon }_{S,i}$ 为通道的裸土的平均比辐射率； $d{\epsilon }_i$ 为自然表面的几何分布和内部反射效应。 $P_V$ 为植被覆盖度，可以通过下式来计算

$P_V={\left[\frac{NDVI-0.2}{0.3}\right]}^2$ (3)

$\Delta \epsilon ={\epsilon }_{24}-{\epsilon }_{25}$，是两个热红外通道比辐射率的差； $a_0~a_6$ 是算法回归系数，详情见表1 [16]。

Table 1. The coefficients of the land surface temperature inversion algorithm of FY-3D/MERSI-II

表1. FY-3D/MERSI-II的地表温度反演算法的系数

城区平均地表温度与郊区平均地表温度的差值即定义为热岛强度(UHII)，是城市热岛效应监测的重要指标 [11] [17]。

$UHI{I}_i=T_i-\frac{1}{n}{\displaystyle {\sum }_1^n{T}_s}$ (4)

其中， $UHI{I}_i$ 为图像上第i个像元所对应的热岛强度， $T_i$ 是第i个像元地表温度，n为郊区内的有效像元数， $T_s$ 为郊区内的地表温度。热岛强度共7个等级 [17]，日热岛强度 ≤ −7℃，强冷岛；−7℃ < 日热岛强度 ≤ −5℃，较强冷岛；−5℃ < 日热岛强度 ≤ −3℃，弱冷岛；−3℃ < 日热岛强度 ≤ 3℃，无热岛；3℃ < 日热岛强度 ≤ 5℃，弱热岛；5℃ < 日热岛强度 ≤ 7℃，较强热岛；日热岛强度 > 7℃，强热岛。

采用热岛比例指数(UHPI)对城市热岛效应的强度进行评估 [18]。

$\text{UHPI}=\frac{1}{100m}{\displaystyle {\sum }_1^n{w}_i{p}_i}$ (5)

m为热岛强度等级数，i为城区温度高于郊区温度等级序号，n为城区温度高于郊区温度的等级数， 为第i级的权重， $p_i$ 为第i级所占面积百分比，结合UHII定义可知m = 7，n = 3，i为热岛强度等级序号值5、6、7。UHPI介于0~1之间，数值越大，热岛现象越严重。

3. 结果分析

研究表明，2019~2021年海南省年平均气温均较高，其中2019年全省年平均气温25.7℃，比常年偏高1.2℃，位居历史第一位高值；2020年全省年平均气温25.4℃，比常年偏高0.9℃，与2015年并列位居历史第二位高值；2021年全省年平均气温25.1℃，较常年偏高0.6℃，列位历史第四位高值。1951~2021年海南省平均气温如图4所示。

Figure 4. Annual average temperature in Hainan Province from 1951 to 2021 (˚C)

图4. 1951~2021年海南省年平均气温(单位：℃)

2019~2021年海南省年平均气温均偏高，高温天气频繁，同时也是城市化建设高速发展的三年，开展全岛城市热岛效应监测十分必要。对2019~2021年展开季节尺度(春季3~5月、夏季6~8月、秋季9~11月、冬季12月~次年2月)的城市热岛效应监测结果表明：海南岛中部地区由于地表下垫面森林茂密，山脉地形特征等因素影响常年表现为冷岛。春季全岛热岛效应面积比例较小，热岛强度级别以较强热岛为主，多分布在西部及南部的儋州、昌江、东方、乐东、三亚、陵水等地的沿海地区。上述地区受季风影响每年4~5月气温快速升高，故热岛效应出现时间较早。夏季全岛热岛强度较强，范围有所减小，主要分布在北部及西部地区的文昌、海口、儋州、昌江、东方、乐东等地，强热岛区域主要分布在海口、昌江、东方、乐东。秋季全岛热岛强度较夏季有所减弱，东部及南部沿海地区出现弱热岛或较强热岛，海口、东方、乐东、三亚、陵水等地存在较强的热岛区域。冬季海南岛气候宜人，全岛热岛效应减弱，大部分地区无热岛，北部、西部、南部沿海地区的部分市县存在弱热岛或较强的热岛。海口作为海南省省会、政治经济文化中心，城市化建设水平较高，主城区常年存在热岛效应(图5)。

(a) (b) (c) (d)

Figure 5. 2019~2021 Hainan Island Spring (a) Summer; (b) Autumn; (c) Winter; (d) Spatial Distribution of Heat Island Intensity

图5. 2019~2021年海南岛春季(a) 夏季；(b) 秋季；(c) 冬季；(d) 热岛强度空间分布

综合各季节的海南岛的热岛强度占比，综合分析2019~2021年海南岛年均热岛强度分布(图6)，结果表明：2019年~2021年，全岛城市热岛效应面积比例变化不大，其中2019年为6.77%，2020年为5.11%，2021年为5.85%，总体热岛强度为“轻微”和“较轻”级别(表2)。强热岛区域主要分布在北部的海口，西部的昌江和东方，较强热岛和弱热岛除分布在以上地区以外，在儋州、临高、澄迈、屯昌、文昌、琼海、三亚、陵水也有零星分布。由于季风以及海南岛中部山脉地形阻挡等因素的影响，海南岛西部的儋州、昌江、东方、乐东等地存在大面积持续时间大于7天以上的城市强热岛效应。

Table 2. Proportion of heat island area in Hainan Province from 2019 to 2021

表2. 2019~2021年海南省热岛面积比例

Figure 6. Annual average distribution of urban heat island effect in Hainan Island from 2019 to 2021

图6. 2019~2021海南岛年均城市热岛效应分布

4. 结论与讨论

本文对海南自由贸易港成立之后2019~2021年海南岛城市热岛效应的时空分布特征进行了分析，研究表明海南岛热岛效应主要受植被覆盖度和气温影响，强热岛区域主要集中在春季及夏季的昌江、东方、乐东、海口等地区，全岛热岛强度总体表现为“轻微”和“较轻”级别，中部森林地区常年表现为冷岛。由于海南岛城市沿海发展的规划特点，沿海市县的热岛强度要高于中部市县。昌江、东方、乐东等地区由于地处海南岛西部沿海，受季风影响全年气温较高，热岛强度较强。本文对海南岛全岛进行了大范围的季节尺度及年际尺度的城市热岛效应监测，获得了一些初步结论，为海南省城市规划与城市生态建设提供了一定的参考依据 [19]。但依然存在监测时间序列较短不具备代表性，仅FY-3D MERSI-II数据源较为单一等问题 [17] [18]，应进一步开展长时间多源卫星热岛监测，结合人口分布等因素进一步分析海南岛热岛效应的影响因素，助力于全岛同城化发展，优化城市空间布局，塑造彰显海南特色和时代气息的城市风貌。

致 谢

感谢国家卫星气象中心的技术支持。