近17 a郑州城市热岛时空演变及驱动机制分析

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2023)-03-0403

摘要/Abstract

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，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

Abstract:

In order to make an in-depth study of urban thermal environment of Zhengzhou, the temporal evolution and spatial distribution characteristics of urban heat island effect are analyzed based on the MODIS land surface temperature product (MYD21A1), and the causes and driving mechanism of urban heat island effect are discussed from both natural and anthropogenic factors in combination with the data of land use/land cover types and Zhengzhou statistical yearbooks. The results show that there is no significant difference in the spatial distribution of annual mean heat island intensity between day and night in Zhengzhou, and the areas with stronger heat island intensity or above are mainly in the main urban area. The temporal variation of heat island effect in Zhengzhou has diurnal and seasonal differences. During the daytime, the proportion of heat island area increased insignificantly in spring and significantly in summer, and decreased insignificantly in autumn and winter. In spring, summer and autumn, the proportion of heat island area at night increased insignificantly, while in winter, the heat island effect was weak and there was no obvious change characteristics. The inter-annual variation of urban heat island proportion index of Zhengzhou was consistent with heat island intensity. The urban heat island proportion index during daytime and nighttime was higher in summer, then in spring, autumn and winter in turn. The heat island effect of different land use/land cover types was obviously different, with the highest in urban and rural building land, followed by cultivated land, and the lowest in woodland and water area. There is a negative correlation between vegetation coverage and land surface temperature. Solar radiation intensity has a positive driving effect on urban heat island effect, and population density, GDP and built-up area are all positively correlated with urban land surface temperature.

Key words: urban heat island effect, spatial-temporal variation, driving factor

中图分类号:

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图/表 14

图1 2004（a）和2020（b）年郑州市土地利用/覆盖类型

Fig.1 Land use/land cover types in Zhengzhou in 2004 （a） and 2020 （b）

表1 基于热岛强度指数的热岛等级划分标准

Tab.1 The classification standard of heat island level based on urban heat island intensity index

等级	（日）城市热岛强度/℃	（季、年）城市热岛强度/℃	含义
1	≤-7.0	≤-5.0	强冷岛
2	（-7.0， -5.0]	（-5.0， -3.0]	较强冷岛
3	（-5.0， -3.0]	（-3.0， -1.0]	弱冷岛
4	（-3.0， 3.0]	（-1.0， 1.0]	无热岛
5	（3.0， 5.0]	（1.0， 3.0]	弱热岛
6	（5.0， 7.0]	（3.0， 5.0]	较强热岛
7	>7.0	>5.0	强热岛

图2 2004—2020年郑州市昼（a）、夜（b）年均城市热岛强度空间分布

Fig.2 The spatial distribution of annual mean urban heat island intensity during daytime （a） and nighttime （b） in Zhengzhou from 2004 to 2020

表2 2004—2020年郑州市昼夜不同等级热岛面积占比单位：%

Tab.2 Proportion of area with different heat island intensity levels during daytime and nighttime in Zhengzhou from 2004 to 2020

	强冷岛区	较强冷岛区	弱冷岛区	无热岛区	弱热岛区	较强热岛区	强热岛区	热岛总面积	较强热岛及以上面积
昼	0.00	0.27	4.54	75.46	19.62	0.04	0.05	19.71	0.09
夜	0.00	9.46	58.47	29.08	2.98	0.00	0.00	2.98	0.00

图3 2004—2020 年郑州市昼（a）、夜（b）城市热岛面积占比年际变化

Fig.3 The yearly variations of heat island area proportion during daytime （a） and nighttime （b） in Zhengzhou from 2004 to 2020

图4 2004—2020年郑州市春（a）、夏（b）、秋（c）、冬（d）季日间平均城市热岛强度空间分布

Fig.4 Spatial distribution of mean urban heat island intensity during daytime in spring （a）， summer （b）， autumn （c） and winter （d） in Zhengzhou from 2004 to 2020

表3 2004—2020年郑州市四季日间不同等级热岛面积占比单位：%

Tab.3 Proportion of area with different heat island intensity levels during daytime in four seasons in Zhengzhou from 2004 to 2020

季节	强冷岛区	较强冷岛区	弱冷岛区	无热岛区	弱热岛区	较强热岛区	强热岛区	较强热岛及以上区
春季	1.94	6.29	15.29	34.89	31.73	9.21	0.65	9.86
夏季	2.84	4.46	15.31	40.32	29.28	6.52	1.28	7.80
秋季	4.54	9.93	35.73	40.41	9.17	0.22	0.00	0.22
冬季	0.66	3.59	18.53	65.27	11.88	0.07	0.00	0.07

图5 2004—2020年郑州市春（a）、夏（b）、秋（c）、冬（d）季夜间平均城市热岛强度空间分布

Fig.5 Spatial distribution of mean urban heat island intensity during nighttime in spring （a）， summer （b）， autumn （c） and winter （d） in Zhengzhou from 2004 to 2020

表4 2004—2020年郑州市四季夜间不同等级热岛面积占比单位：%

Tab.4 Proportion of area with different heat island intensity levels during nighttime in four seasons in Zhengzhou from 2004 to 2020

季节	强冷岛区	较强冷岛区	弱冷岛区	无热岛区	弱热岛区	较强热岛区	强热岛区	较强热岛及以上区
春季	0.00	0.00	2.82	67.03	27.87	1.92	0.35	2.27
夏季	0.05	1.46	14.97	68.51	12.27	1.45	1.28	2.73
秋季	0.00	0.00	2.78	72.06	23.06	1.89	0.00	1.89
冬季	0.91	37.48	54.28	7.31	0.01	0.00	0.00	0.00

图6 2004—2020年郑州市四季昼（a）、夜（b）热岛面积占比逐年变化

Fig.6 The yearly variation of proportion of heat island area during daytime （a） and nighttime （b） in four seasons in Zhengzhou from 2004 to 2020

图7 2004—2020年郑州市各县（区）热岛比例指数季节变化

Fig.7 Seasonal variations of urban heat island proportion index in each county or district of Zhengzhou from 2004 to 2020

表5 郑州市不同土地利用/覆盖类型面积及平均地表温度统计

Tab.5 Statistics of area and average surface temperature of different land use/land cover types in Zhengzhou

年份	林地		耕地		草地		水域		城镇、居民建筑用地
年份	面积/km²	地表温度/K	面积/km²	地表温度/K	面积/km²	地表温度/K	面积/km²	地表温度/K	面积/km²	地表温度/K
2005	710.0	308.9	5 034.8	311.0	677.1	310.6	235.9	308.8	902.3	312.6
2010	710.8	308.3	4 947.8	311.3	678.1	309.9	254.1	309.3	969.5	313.2
2015	706.5	308.6	4 838.1	312.3	676.9	310.5	262.7	310.4	1 075.9	314.2
2020	559.0	308.7	4 391.1	313.3	388.6	310.6	304.4	310.6	1 919.7	314.8

图8 2004—2020年郑州市中心城区夏季高温（a）与雨日（b）日数与热岛强度的散点图

Fig.8 The scatter diagrams between summer high temperature days （a）， rain days （b） and heat island intensity in central districts of Zhengzhou from 2004 to 2020

图9 2017—2021年郑州市人口密度（a）、城市生产总值（b）、建筑竣工面积（c）与地表温度的相关性

Fig.9 The correlation between population density （a）， urban gross domestic product （b）， completed area of construction （c） and surface temperature in Zhengzhou from 2017 to 2021

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