城市綠地水熱通量的遙感反演與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

王修信，朱啟疆，陳聲海，劉馨，胡玉梅

(1.廣西師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，廣西桂林541004;2.北京師范大學(xué)

地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/環(huán)境遙感與數(shù)字城市北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100875)

城市綠地是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有降溫增濕等生態(tài)效應(yīng)。耗費(fèi)巨資的北京綠色奧運(yùn)綠地建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境的改善作用需定量數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)。地表水熱通量是近地層大氣和下墊面間能量、水分交換的數(shù)量表征，是評(píng)價(jià)綠地生態(tài)效應(yīng)的重要指標(biāo)。迄今對(duì)城市綠地生態(tài)效應(yīng)的研究主要觀測(cè)綠地內(nèi)部溫濕度[1]，也有使用渦度相關(guān)系統(tǒng)觀測(cè)綠地通量[2]，都是點(diǎn)或局部觀測(cè)數(shù)據(jù)，存在很大的局限性。遙感是獲取地表面狀信息的唯一經(jīng)濟(jì)可行方法[3]，但目前遙感在城市應(yīng)用主要集中于提取城市綠地分布、城市熱島溫度分析等問(wèn)題[4-5]，很少研究綠地的“冷島”生態(tài)效應(yīng)。SEBAL模型基于遙感反演水熱通量，已成功應(yīng)用于森林、農(nóng)田等生態(tài)系統(tǒng)[6-7]，但鮮見(jiàn)應(yīng)用于城市生態(tài)系統(tǒng)。

因此，根據(jù)北京城市下墊面狀況對(duì)SEBAL模型地表比輻射率、地表溫度等參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，應(yīng)用模型對(duì)2005年10月29日北京TM遙感圖像反演城市綠地水熱通量(潛熱和顯熱)，并使用渦度相關(guān)系統(tǒng)地面同步觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，分析城市綠地對(duì)水熱通量空間分布的影響。

1 SEBAL模型原理

SEBAL模型原理是地表能量平衡方程[7]:Qe=Rn-Qh-Qg-ΔQS。式中:Qe，Qh分別為潛熱、顯熱通量;Rn為凈輻射;Qg為土壤熱通量;ΔQS為下墊面熱能儲(chǔ)存;Rn=(1-α)RS↓+(RL↓-RL↑)-(1-ε)RL↓，其中:RS↓為入射太陽(yáng)短波輻射，RL↓為大氣入射長(zhǎng)波輻射，RL↑=εσTs4為地表發(fā)射長(zhǎng)波輻射，α、ε分別為地表反照率、比輻射率;Qh=ρa(bǔ)CP(T1-T2)/rah，其中:ρa(bǔ)，CP，rah分別為空氣的密度、定壓比熱、動(dòng)力學(xué)阻抗;T1、T2分別為地面z1與z2高度空氣溫度。因?yàn)镼h，T1-T2，rah均未知且彼此相關(guān)，故使用迭代法求解。

(1)計(jì)算大氣中性穩(wěn)定度下摩擦速度u*與rah:u*=uk/(ln((z-d)/z0m)-ψm)，rah=(ln((z-d)/z0h)-ψh)/(u*k)。式中:d為零平面位移;z0m，z0h為動(dòng)量、顯熱表面粗糙度;ψm，ψh為動(dòng)量、顯熱穩(wěn)定度訂正函數(shù);k=0.41。

(2)在遙感圖像確定冷點(diǎn)和熱點(diǎn)兩極端點(diǎn)。冷點(diǎn)指較密集植被或水體像元，地表可利用能量完全用作蒸騰蒸發(fā)，T1-T2≈0;熱點(diǎn)指干燥且無(wú)植被覆蓋裸地或水泥地像元，蒸騰蒸發(fā)約為零，T1-T2≈(Rn-Qg)rah/(ρa(bǔ)CP);由兩極端點(diǎn)dT建立線性關(guān)系T1-T2=aTs+b，粗略求各像元Qh。

(3)對(duì)rah校正，由不同大氣穩(wěn)定度ψm，ψh計(jì)算u*和rah，循環(huán)遞歸，直至得到穩(wěn)定Qh。

(4)由能量平衡方程計(jì)算瞬時(shí)Qe。

2 模型地表特征參數(shù)的改進(jìn)

2.1 地表比輻射率的改進(jìn)

SEBAL模型遙感反演使用8～14 μm波段平均比輻射率，而TM熱紅外波段在10.4～12.5 μm，兩者存在差異。經(jīng)驗(yàn)公式ε=1.009+0.047ln(NDVI)的適用條件是0.157≤NDVI≤0.727自然地表，而城市下墊面普遍存在包含較大建筑物比例的混合像元，其NDVI值接近0甚至負(fù)值。

針對(duì)該問(wèn)題，從ASTER衛(wèi)星波譜庫(kù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算TM熱紅外波段地表等效ε，得到水體εw=0.995，植被εv=0.983，土壤εs=0.975，瀝青或水泥建筑物εm=0.963。

對(duì)建筑物與植被構(gòu)成的混合像元:ε=PvRvεv+(1-Pv)Rmεm+dε，對(duì)土壤與植被構(gòu)成的混合像元:ε=PvRvεv+(1-Pv)Rsεs+dε，Rv，Rs，Rm分別為植被、裸土、建筑物溫度比率，可由植被覆蓋度Pv估算[8]。dε為混合像元植被和裸露下墊面間熱輻射相互作用而引起的修正，在相對(duì)平坦地表其值很小，可忽略。

2.2 地表溫度的改進(jìn)

SEBAL模型反演地表溫度常用Ts=T6/ε1/4計(jì)算，需先用Modtran進(jìn)行大氣糾正，然而其使用標(biāo)準(zhǔn)大氣廓線或非實(shí)時(shí)探空數(shù)據(jù)來(lái)代替衛(wèi)星過(guò)境實(shí)時(shí)大氣廓線，將使反演Ts誤差＞3℃[9]。針對(duì)該問(wèn)題利用直接包含大氣與地表影響的單窗算法反演Ts[9]

式中:Ta=16.011 0+0.926 21Ta0;Ta0為近地表空氣溫度;a=-67.355351;b=0.458606;C=ετ;D=(1-ε)[1+(1-ε)τ];τ為大氣透過(guò)率。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法簡(jiǎn)單且精度較高。

2.3 其他地表特征參數(shù)的確定

RS↓、RL↓從衛(wèi)星過(guò)境時(shí)凈輻射儀實(shí)驗(yàn)觀測(cè)值獲取。

地表反照率α=((0.356r1+0.130r3+0.373r4+0.085r5+0.072r7)-αpath)/τ2。式中:ri為波段i反射率;αpath為程輻射[10]。北京城區(qū)不同類型下墊面的地面粗糙度、零平面位移參考已有的研究賦值[11]。城市建筑區(qū)具有明顯熱能儲(chǔ)存，Qg和ΔQS參考實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和已有的研究估算[5]。

3 渦度相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)的獲取

遙感模型反演通量的可靠性，需使用衛(wèi)星過(guò)境時(shí)地面通量觀測(cè)值進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地位于北京市西北四環(huán)西北角的海淀公園，占地40 hm2(園林綠化30 hm2)，大部分為垂柳、毛白楊、洋白蠟、國(guó)槐、檜柏等喬木，是典型喬灌草復(fù)合結(jié)構(gòu)城市公園綠地。

2005年10 -12 月在公園中部土丘頂部樹(shù)林的觀測(cè)塔上10 m高度(林冠上約1.8 m)架設(shè)渦度相關(guān)系統(tǒng)(美國(guó)Campbell)，包括CSAT3三維超聲風(fēng)速儀、HMP45C空氣溫濕度計(jì)、CR 5000數(shù)據(jù)采集器，LI 7500紅外CO2/H2O分析儀，HFP01土壤熱流板。CNR1凈輻射儀(荷蘭Kipp＆Zonen)。系統(tǒng)采樣頻率10 Hz，全自動(dòng)連續(xù)測(cè)量潛熱、顯熱、凈輻射、土壤熱通量等數(shù)據(jù)，潛熱和顯熱經(jīng)WPL校正。實(shí)驗(yàn)期間獲取了10月29日TM衛(wèi)星同步圖像。

4 模型反演結(jié)果及驗(yàn)證

利用改進(jìn)SEBAL模型和衛(wèi)星過(guò)境同步氣象數(shù)據(jù)對(duì)TM圖像反演北京城區(qū)顯熱和潛熱(圖1)，模型反演2×2個(gè)像元通量值與對(duì)應(yīng)地面觀測(cè)值比較(表1)，改進(jìn)模型反演的相對(duì)誤差Qh在9%、Qe在10%，明顯低于改進(jìn)前，模型反演值與地面觀測(cè)值基本相符。

圖1 改進(jìn)SEBAL模型反演通量:(a)顯熱;(b)潛熱Fig.1 Fluxes retrieved from SEBAL:(a)sensible heat flux;(b)latent heat flux

表2是由遙感模型反演的顯熱和潛熱圖統(tǒng)計(jì)不同地物上通量均值，可以看出，郊區(qū)裸土顯熱較高，然后依次為建筑區(qū)、植被覆蓋下墊面(林地、草地和農(nóng)業(yè)用地)、水體;而潛熱的分布相反，水體是高值區(qū)而在圖中呈現(xiàn)較高亮度，然后依次為植被覆蓋下墊面、建筑區(qū)和裸土;林地顯熱略低于草地，而潛熱略高于草地。

表1 模型反演值與渦度相關(guān)觀測(cè)值W/m2Tab.1 Fluxes retrieved from SEBAL and measured by eddy covariance

表2 遙感反演不同下墊面通量均值W/m2Tab.2 Average fluxes retrieved from SEBAL over different surfaces

圖2為對(duì)遙感反演通量圖像統(tǒng)計(jì)計(jì)算通量隨植被覆蓋度Pv的變化，可以看出，顯熱隨Pv的增加而降低，潛熱隨Pv的增加而增加。Pv＜0.6時(shí)，顯熱隨Pv的增加而降低較快，而潛熱隨Pv的增加而增加較快;Pv＞0.6后，Qh-Pv和Qe-Pv曲線變緩。

5 結(jié)論與討論

圖2 通量與植被覆蓋度關(guān)系Fig.2 Vegetation fraction against fluxes

(1)在城市下墊面，秋季植被覆蓋下墊面(林地、草地)的顯熱約為建筑區(qū)的78%，為裸土的60%;而潛熱約為建筑區(qū)的1.24倍，為裸土的1.55倍，明顯大于無(wú)植被覆蓋的建筑區(qū)、裸土，且在植被覆蓋率較大的下墊面大于覆蓋率較小的下墊面。建筑區(qū)由于其間一般夾雜行道樹(shù)和小塊綠地，顯熱略低于裸土，而潛熱略高于裸土。

(2)秋季林地顯熱約為草地的97%，潛熱為草地的1.12倍，林地降溫增濕生態(tài)效應(yīng)略優(yōu)于草地。林地木本植物(特別是喬木)的葉面積遠(yuǎn)大于草地，通過(guò)葉面的蒸騰量高。

(3)植被覆蓋影響地表溫度的分布，從而影響顯熱、潛熱。水泥建筑物、水泥或?yàn)r青路面的熱容量大、導(dǎo)熱率高，在相同太陽(yáng)輻射下吸收更多熱量，表面溫度較高，使得白天下墊面向大氣輸送的顯熱較高。城市綠地植被的光合作用、蒸騰作用吸收大量熱量，同時(shí)，植被覆蓋地表，阻擋反射太陽(yáng)部分直接輻射，降低了地表溫度，使得顯熱減少，潛熱增加。

(4)城市綠化覆蓋率高低和綠地有效分布對(duì)水熱通量的空間分布、對(duì)改善城市生態(tài)環(huán)境起著主導(dǎo)作用。顯熱隨植被覆蓋度Pv的增加而降低，潛熱隨Pv的增加而增加。在低植被覆蓋度(Pv＜0.6)區(qū)域，提高Pv對(duì)降低顯熱、增加潛熱的效果比高植被覆蓋度(Pv＞0.6)區(qū)域要顯著。

(5)遙感模型反演通量值與渦度相關(guān)地面觀測(cè)值所屬的空間尺度不同，可能帶來(lái)對(duì)比分析誤差。模型反演2×2個(gè)像元通量的地面范圍是60 m×60 m，而渦度相關(guān)觀測(cè)值是觀測(cè)點(diǎn)上風(fēng)向一定范圍內(nèi)的湍流綜合特征，兩者空間尺度可能存在不同，公園周邊非綠地空間可能對(duì)觀測(cè)值產(chǎn)生一定影響，使得林地顯熱觀測(cè)值高于實(shí)際值，而潛熱觀測(cè)值低于實(shí)際值。

致謝:對(duì)中科院地理所張仁華、孫曉敏研究員，中科院大氣所胡非研究員，北京園林研究所李延明高工，海淀公園劉穎杰和周佳楠為本研究提出的建議和工作支持，在此謹(jǐn)致謝意!

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