原名：Satellite identification of atmospheric-surface-subsurface urban heat islands under clear sky
译名：晴空下大气-地表-地下城市热岛的卫星识别
期刊：Remote Sensing of Environment (IF=13.85)
发表时间：2020.12
DOI：10.1016/j.rse.2020.112039
1.研究背景
城市热岛（UHI）是城市气候研究中的一个重要课题。UHI 发生在地表、大气中和地表之下。一般可分为地表UHI（UHI Surf）、大气UHI（UHI Atm）和地下UHI（UHI Sub）三类，其中UHI Atm包括冠层UHI Atm （UHI CL）和边界层 UHI Atm（UHI BL）。不同的UHI通常被单独研究，而它们之间的比较研究主要集中在UHI Surf和UHI CL上。然而，目前尚未见同时对三种UHI进行综合研究的报道。部分原因是传统方法需要星载、机载、地面和地下同步观测，在大范围城市地区很难实现。
2.研究内容
研究区范围为北京市范围为80×80 km 2的矩形区域，范围从市中心到周边。
图1 北京的研究区域：(a)数字高程模型(DEM)，(b) 2010-2016 年和气象站的平均不透水面积百分比 (%ISA)，(c) 2010年和(d) 2016年的MODIS土地覆盖类型
使用的数据包括MODIS数据、其他卫星衍生数据和气象数据。MODIS数据包括地表温度、大气廓线和土地覆盖类型数据。其他卫星衍生数据包括不透水面面积百分比 (%ISA) 和数字高程模型(DEM) 数据。气象数据包括地表气温、土壤温度和探测气球温度数据。
利用MODIS大气廓线和LST数据重建了完整的大气和土壤温度廓线，然后对三类UHI的时空格局进行统计分析。
图2 由920和950 hPa的数据外推的1000 hPa的MODIS近地表大气月平均温度与原位地表气温的比较
图3 月平均MODIS大气温度与700、950、925和1000 hPa探测气球温度的比较
图4 MODIS LST估算的月度(a)和季节(b)平均土壤温度与在0.05、0.20、0.40、0.80、1.60 和3.20 m深度测量的原位土壤温度的比较，(b)中线条和填充循环分别代表估计和观察
根据MODIS土地覆盖类型划分城市和农村地区。城市用地和建设用地大部分位于六环以内，几乎占据了整个区域，其分布与%ISA地图吻合良好，在五环内平均达到89%，在五环和六环之间分别达到59%，因此将城区定义为六环以内的城区和建成区。农村定义为围绕六环路5至20公里的缓冲区，不包括城市和建设用地、森林和水体，六环路外5公里缓冲区、海拔大于100 m的山区被排除在外。
基于重建的LST、2010-2016年平均大气和土壤温度剖面，分析了北京三类UHI的时空变化， 分析主要从两个方面进行：(1)通过将大气和土壤温度模式线性回归到LST 模式，探索三类UHI的日间、季节和垂直关系。(2)描述了三类UHI强度的昼夜、季节和垂直变化。UHI强度定义为城市和农村平均温度之差。UHI Surf强度根据LST计算，UHI Atm强度根据大气温度计算，UHI Sub强度根据土壤温度计算。
3.研究结果
3.1 验证大气和土壤温度
根据图2，MODIS近地表大气温度与SAT观测值有很好的近似值。白天的误差略大于夜间的误差。这可能是由于白天大气条件不稳定，近地表有强烈的湍流，而夜间大气相对稳定，湍流较弱。
根据图3，MODIS大气温度和探测气球温度在年度周期内均呈现正弦变化。在700 hPa（~3公里）处四个时间的MODIS大气温度与探空气球观测值近似。表明准确性良好，因为在这个压力水平上的昼夜变化很小。在 850、925和1000 hPa下，22:30和01:30的夜间MODIS大气温度与20:00和08:00的探空气球观测值非常吻合。然而，结合图2的结果，10:30（13:30）的白天MODIS大气温度可能有些低估（高估），因此使用平均值进行分析以减少误差。
根据图4，估算的月平均土壤温度与观测值吻合良好。模拟的土壤温度随时间和深度的分布与观测结果非常接近。
3.2大气温度模式
随着海拔高度升高，白天的大气温度在所有季节都比夜间下降得更快。随着海拔高度的升高，大气昼夜温差逐渐减小，在边界层底部尤为明显。
图5 大气温度 (a) 和 LST/土壤温度 (b) 在研究区的平均昼夜、季节和垂直剖面（不包括山地像素）
随着高度升高，UHI Atm逐渐减弱，而夏季白天在 700 hPa以上仍然明显。在950 hPa（~500 m）以下的低层大气，UHI Atm模式明显但在不同时间不同。在850 hPa（~1.5 km）以上，白天气温逐渐形成由西向东递减的梯度，而夜间逐渐形成由南向北递减的梯度。受地面强迫影响较小，850 hPa以上的温度模式越来越受到大尺度大气环流的调节。
图6 从700到1000 hPa，平均每50 hPa 大气温度的昼夜、季节和垂直模式，内环和外环分别代表北京五环和六环
图7 LST和从地表到0.5 m深度每0.1 m的平均土壤温度的昼夜、季节和垂直模式，内环和外环分别代表北京五环和六环
3.3 LST和土壤温度模式
土壤温度的日变化在~0.5 m深度以下消失，而随着深度增加到10 m，季节变化逐渐消失。随着深度从地表以下增加到很浅的深度，白天（夜间）土壤温度四季下降（上升）较快，白天土壤温度大于夜间土壤温度。但在~0.2 m以下，夜间土壤温度在所有季节都略高于白天，这是由于日常温度波渗透到土壤中的时间滞后。随着深度从0.5增加到5 m，夏季土壤温度迅速下降，而春季土壤温度略有下降，直到2米深度，然后随着深度的增加而升高。秋季和冬季的垂直变化分别与春季和夏季相反。在10 m以下，土壤温度收敛于年平均土壤温度。
图8 1至10 m深度的土壤温度的季节和垂直模式，内环和外环分别代表北京五环和六环
3.4 LST、大气和地下温度与不透水面面积百分比的关系
白天LST高于另两种温度，夜间相反。三种温度与%ISA之间存在相同点和不同点。夏秋三类温度白天均随%ISA增加，而冬季除土壤温度外，地表温度和大气温度均随%ISA减少。夜间三类温度四季均随%ISA升高。大气温度随%ISA的变化比另两种温度小。LST 与大气温度之间的差异在夏季和秋季的白天随着 %ISA 的增加而增加，但在所有季节的夜间都减少。
图9 LST、1000 hPa 大气温度和 0.1 米深度土壤温度相对于不透水面面积百分比 (%ISA) 的日变化和季节变化，第一行和第二行分别代表白天和夜间的情况，点和条表示%ISA 每个四分位数范围的平均值±标准差
原位SAT和%ISA之间的R 2在所有季节都是白天远小于夜间。夜间SAT和LST在所有季节都与%ISA密切相关，R 2的季节变化较小。
图10 现场地表气温 (SAT) 和MODIS LST 与不透水表面积百分比 (%ISA) 的昼夜和季节关系，第一行和第二行分别代表白天和夜间的情况，线性回归的R 2和 RMSE 在括号中给出，星号表示在 0.05 水平上不显着
3.5 UHI Atm和UHI Sub与UHI Surf的关系
UHI Atm与UHI Surf之间的关系为，R 2在夏秋季白天和夏季夜间在低层大气中随高度增加而增加，在高层大气中随高度增加而减小。
图11 UHI Atm (a)和UHI Sub (b)相对于UHI Surf的昼夜、季节和垂直关系，R 2的显着性水平为0.05
对于UHI Sub和UHI Surf之间的关系，随着深度的增加，白天R 2比夜间下降得更快，在浅层深度增加，但两者在深层深度变化很小。
3.6 三类UHI强度剖面
从1000 hPa（近地表）到 700 hPa（~3 km），白天UHI Atm夏季强度在850 hPa（~1.5 km）以上先缓后快减弱，而春秋季强度先小幅增强后减弱。夜间UHI Atm强度随高度增加近似线性下降，冬季快，夏季慢。
图12 UHI Atm (a) 和 UHI Surf /UHI Sub (b) 强度的昼夜、季节和垂直剖面
从地表到0.2 m深度，白天UHI Surf强度在夏季降低到UHI Sub强度，但在其他季节增加，而夜间趋势与白天相反。UHI Sub强度的昼夜和季节变化分别在深度增加到0.5 m和10 m时消失。
4.研究总结
利用2010-2016年期间的MODIS LST和大气廓线数据，对北京三类UHI的时空格局进行了综合研究。特别是，对三类UHI的关系及其强度的昼夜、季节和垂直剖面获得了新的见解。未来的工作，可以将卫星和地面遥感、气象观测与模型模拟相结合，进一步研究不同气候情景下不同城市的三类UHI剖面，进一步探索相关机制及其背后的互动。
5.引用格式
HUANG F, ZHAN W, WANG Z-H, et al. Satellite identification of atmospheric-surface-subsurface urban heat islands under clear sky [J]. Remote Sensing of Environment, 2020, 250(112039.
转自：“科研圈内人”微信公众号
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