基于陸地衛(wèi)星TM／ETM＋改進(jìn)的溫濕指數(shù)及其對(duì)不透水表面的響應(yīng)

李仕峰，錢樂祥，王瑾

（廣州大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510006）

0 引言

溫濕指數(shù)（THI）作為衡量濕熱環(huán)境影響人體舒適度的有效指標(biāo)，得到了廣泛應(yīng)用［1－7］，但傳統(tǒng)的溫濕指數(shù)計(jì)算多是基于點(diǎn)狀數(shù)據(jù)［1－6］，難以對(duì)大尺度區(qū)域的濕熱環(huán)境進(jìn)行適時(shí)動(dòng)態(tài)的評(píng)估。隨著遙感影像解譯技術(shù)的提高，地表溫度（LST）等參數(shù)可以直接從遙感影像上獲?。?］，為利用遙感開展城市熱環(huán)境研究提供了技術(shù)支撐。近些年來，許多學(xué)者［9－13］基于地表溫度開展城市熱環(huán)境研究，取得了不錯(cuò)的效果，但這些研究偏重于對(duì)“熱”的分析，對(duì)“濕”的關(guān)注較少。錢樂祥等［14］在研究地表溫度和歸一化水汽指數(shù)（NDMI）關(guān)系時(shí)指出，NDMI可有效指示一個(gè)區(qū)域的全部水汽特征。而在氣象學(xué)上，水汽含量的多少與相對(duì)濕度的大小有很好的相關(guān)性和一致性，這為運(yùn)用遙感數(shù)據(jù)對(duì)溫濕指數(shù)進(jìn)行改進(jìn)提供了可能性。

本文以珠江三角洲核心區(qū)域?yàn)槔眠b感反演的LST和NDMI對(duì)傳統(tǒng)的THI計(jì)算公式進(jìn)行改進(jìn)，探討基于遙感的溫濕指數(shù)的可用性及不透水表面對(duì)溫濕指數(shù)的影響。開展基于遙感的溫濕指數(shù)及其環(huán)境響應(yīng)研究，對(duì)于相關(guān)決策部門合理配置城市土地資源、改善生活環(huán)境具有一定參考價(jià)值。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

研究區(qū)位于珠江三角洲核心區(qū)域，覆蓋了廣州市的大部分以及周邊的中山市和東莞市局部區(qū)域。這里屬于南亞熱帶季風(fēng)氣候，水熱豐沛，地勢平坦，且毗鄰港澳，地理位置優(yōu)越，易于吸引投資。改革開放以來，在快速的工業(yè)化和城市化進(jìn)程中，地表參數(shù)發(fā)生了巨大變化，并產(chǎn)生了一系列不良的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，如“城市熱島效應(yīng)”，進(jìn)而影響到了人類的生活環(huán)境和生存質(zhì)量。

由于華南地區(qū)多云多雨，難以獲取1－8月份無云多光譜影像，因此選取了少云少雨的9月、10月、12月3景陸地衛(wèi)星影像（分別為2000年9月14日ETM＋影像、1990年10月13日TM影像和2008年12月17日TM影像），可以代表晚夏、秋、初冬的氣候特征。為了有效減少數(shù)據(jù)畸變誤差，并使其具有共同的空間參考，分別對(duì)這3景影像進(jìn)行輻射校正、幾何校正等操作，統(tǒng)一坐標(biāo)系為 WGS－84基準(zhǔn)面的UTM投影。

2 基于遙感的溫濕指數(shù)計(jì)算公式的改進(jìn)

THI（溫濕指數(shù)）計(jì)算公式是由俄國學(xué)者提出的有效溫度計(jì)算公式演變而來，可有效表征溫度和濕度對(duì)人體熱感受的綜合影響，公式如下［1，2］：

式中：Ta為氣溫（℃），f為相對(duì)濕度。

本文擬用LST代替Ta，NDMI代替f，對(duì)上述公式進(jìn)行改進(jìn)，其中LST和NDMI的計(jì)算方法分別參見文獻(xiàn)［8］和文獻(xiàn)［14］。修正后的公式如下：

式中：THI′為修正后的溫濕指數(shù)，LST為地表溫度，NDMI′為NDMI的平均值。需要進(jìn)一步指出的是，基于改進(jìn)的溫濕指數(shù)所得結(jié)果為上午11時(shí)左右衛(wèi)星過境時(shí)的溫濕指數(shù)，這時(shí)的溫濕指數(shù)高低基本上決定了一天舒適感的時(shí)間長短。

3 結(jié)果與分析

3.1 精度驗(yàn)證及結(jié)果分級(jí)

利用兩個(gè)時(shí)段的氣象數(shù)據(jù)對(duì)傳統(tǒng)溫濕指數(shù)計(jì)算結(jié)果與改進(jìn)溫濕指數(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，研究區(qū)內(nèi)兩個(gè)站點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果如表1所示。從兩個(gè)時(shí)段的結(jié)果可以看出，改進(jìn)后計(jì)算的溫濕指數(shù)值比傳統(tǒng)的溫濕指數(shù)值平均高出2℃左右，差異產(chǎn)生的原因，一是用平均值代替衛(wèi)星過境時(shí)的氣溫和相對(duì)濕度，二是地表溫度和水汽指數(shù)反演的精度不夠。雖然有所差異，但反映溫濕狀況總體的分布特征沒有受到影響，可以認(rèn)為改進(jìn)后的方法是基本可行的。

表1 傳統(tǒng)溫濕指數(shù)計(jì)算結(jié)果與改進(jìn)溫濕指數(shù)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比Table 1 Comparison between result from traditional THI formula and result from improved THI formula

依據(jù)對(duì)比情況，在傳統(tǒng)溫濕指數(shù)各分級(jí)的基礎(chǔ)上，依次增加2℃，作為改進(jìn)后溫濕指數(shù)計(jì)算結(jié)果的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（表2）。

表2 溫濕指數(shù)等級(jí)Table 2 Grade standard of THI′

3.2 溫濕指數(shù)的時(shí)空分布特征

圖1顯示了珠江三角洲核心區(qū)域溫濕指數(shù)的空間分布，可以看出，溫濕指數(shù)較高的區(qū)域包括廣州市、順德、南海等城區(qū)范圍，而溫濕指數(shù)較低的區(qū)域主要位于城市的外圍及農(nóng)村；隨著季節(jié)從晚夏、秋季到初冬的變化，其溫濕指數(shù)的平均值分別從28℃、26℃減到21℃，但最大最小值之差卻是晚夏（15℃）大于初冬（14℃）、初冬大于秋季（10℃），這與地表溫度的季節(jié)分異一致，說明溫濕指數(shù)與溫度的相關(guān)性更大一些［15］。

圖1 三景影像的THI′空間分布Fig.1 Spatial distribution of THI′from images for three different dates

為了進(jìn)一步說明城鄉(xiāng)溫濕指數(shù)的空間分異，選取同一位置橫跨城市的南北向空間剖面（圖2）。圖2顯示了THI′沿剖面的分布情況，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，位于城區(qū)范圍內(nèi)像元的溫濕指數(shù)值較高，而位于城區(qū)外圍像元的溫濕指數(shù)值相對(duì)較低。表3顯示了THI′沿剖面分布的基本參數(shù)，其中12月份影像空間剖面的溫濕指數(shù)值分布較為集中，眾數(shù)、平均數(shù)、中位數(shù)差異很小，分別為20.79、20.93、20.86；9月、10月份影像空間剖面的溫濕指數(shù)值分布波動(dòng)比12月份的要大，9月份的眾數(shù)（27.42）和中位數(shù)（26.24）相差1.18，10月份的眾數(shù)（25.37）和中位數(shù)（26.33）相差0.96。從三景影像空間剖面溫濕指數(shù)值分布的集中趨勢來看，晚夏（2000年9月14日）和秋季（1990年10月13日）城鄉(xiāng)間的溫濕指數(shù)波動(dòng)較大，而初冬（2008年12月17日）城鄉(xiāng)間的溫濕指數(shù)波動(dòng)要比晚夏和秋季的小。

圖2 三時(shí)段THI′的空間剖面Fig.2 Spatial profile of THI′for three different dates

表3 三時(shí)段THI′空間剖面的基本統(tǒng)計(jì)參數(shù)Table 3 The basic statistic parameters of THI′spatial profile for three different dates℃

三時(shí)段溫濕指數(shù)各等級(jí)范圍的像元數(shù)分布情況表明：10月份影像，“舒適”的像元百分比最高，為69.35%，其次為“暖”，占28.84%，“熱”為15.38%，此外，依然有小部分“炎熱”存在，為0.02%；9月份影像，“舒適”的像元百分比較前者下降很多，為11.6%，而“暖”、“熱”和“炎熱”所占比例明顯升高，分別為58.65%、26.05%和3.9%；12月份影像，“舒適”像元百分比為98.93%，“涼”為1.04%，可見，12月份的廣州舒適度最高。

但上述分析并不能說明溫濕指數(shù)等級(jí)隨時(shí)間變化了，因?yàn)?景影像的獲取時(shí)段不同。為了消除季節(jié)差異，探討溫濕指數(shù)等級(jí)的變化，采用歸一化方法實(shí)現(xiàn)3景影像不同時(shí)段之間的對(duì)比。溫濕指數(shù)的歸一化公式如下：

式中：THI′s為歸一化之后的溫濕指數(shù)，THI′i為像元i的溫濕指數(shù)值，THI′high和THI′low分別為研究區(qū)內(nèi)最高和最低的溫濕指數(shù)值。

表4顯示了溫濕指數(shù)的歸一化結(jié)果。在歸一化溫濕指數(shù)級(jí)別中，1990年，0.3～0.4和0.4～0.5所占比重較大，分別為39.17%和30.97%；2000年，0.3～0.4和0.4～0.5所占比重仍較大，分別為41.75%和34.42%，較前者有明顯上升；2008年，＞0.5所占的比重最大，其次為0.3～0.4和0.4～0.5，分別為29.12%、23.04%。如果將歸一化溫濕指數(shù)＜0.2劃為低幅度增長區(qū)，0.2～0.3、0.3～0.4、0.4～0.5劃為中幅度增長區(qū)，＞0.5劃為高幅度增長區(qū)，則后者較前者的溫濕指數(shù)有明顯的升高。

表4 歸一化溫濕指數(shù)分級(jí)及其占研究區(qū)總面積比例Table 4 Classifications of normalized THI′and its area percentage in the study area%

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，隨著城市的不斷擴(kuò)展，原來“暖”的地方演變成了“熱”，而“熱”的地方進(jìn)一步演變成了“炎熱”；但卻改善了冬季人們對(duì)熱的舒適感，使原來“涼”的地方演變成了“舒適”。

3.3 溫濕指數(shù)與歸一化裸露指數(shù)的關(guān)系

為了探討研究區(qū)溫濕指數(shù)時(shí)空演變機(jī)理，進(jìn)一步分析了THI′與歸一化裸露指數(shù)（Normalized Difference Bare Index，NDBI）［16］的關(guān)系。分別從溫濕指數(shù)影像和NDBI影像上相同位置隨機(jī)選取了1 000個(gè)像元做相關(guān)分析（圖3），3景影像的THI′與NDBI值都有較好的正相關(guān)性。由此說明溫濕指數(shù)時(shí)空演變的原因可能是：不透水表面的增加使地表溫度升高，而近地表的相對(duì)濕度通過地表溫度加劇了地表熱效應(yīng)，進(jìn)而影響人們對(duì)熱的生理反應(yīng)；而植被、水域覆蓋較好的區(qū)域，雖然相對(duì)濕度較大，但其表面溫度較為適中，故相對(duì)濕度不能通過地表溫度改變?nèi)藗儗?duì)熱的生理反應(yīng)［17］。

圖3 溫濕指數(shù)與歸一化裸露指數(shù)的關(guān)系Fig.3 The relationship between THI′and NDBI

4 結(jié)論

基于Landsat數(shù)據(jù)，利用地表溫度和歸一化水汽指數(shù)對(duì)傳統(tǒng)的溫濕指數(shù)（THI）計(jì)算公式進(jìn)行改進(jìn)，計(jì)算了珠江三角洲核心區(qū)域的溫濕指數(shù)，并探究了溫濕指數(shù)對(duì)不透水表面的響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)：修正后的溫濕指數(shù)與歸一化裸露指數(shù)呈正相關(guān)，城區(qū)范圍內(nèi)的溫濕指數(shù)要比郊區(qū)的高，且隨著不透水面的增加而升高。居住在城區(qū)范圍內(nèi)的人們對(duì)熱的生理反應(yīng)比郊區(qū)的強(qiáng)，尤其是在夏秋季；不透水表面的增加加劇了夏秋季對(duì)熱的不舒適感，而提高了冬季的人居舒適度。但由于遙感影像獲取時(shí)間的限制，修正后的溫濕指數(shù)和地表溫度一樣，只是一個(gè)瞬時(shí)值，在今后的研究中有待不同研究區(qū)的驗(yàn)證和氣象數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)。

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