基于衛(wèi)星資料的北京陸表水體的熱環(huán)境效應(yīng)分析*

劉勇洪，軒春怡，2，權(quán)維俊

(1:北京市氣候中心，北京100089)

(2:蘭州大學大氣科學學院，蘭州730000)

城市化是人類社會發(fā)展的必然趨勢.城市化進程中:建筑物、瀝青或水泥馬路等不透水下墊面逐漸代替了原有的農(nóng)田、森林、河流、湖泊等自然地表覆蓋，伴隨著下墊面特征的這種巨大變化，城市的近地層大氣結(jié)構(gòu)和微氣象環(huán)境也發(fā)生相應(yīng)的變化［1－2］.如城區(qū)水體、綠地面積的減少會使氣溫升高、濕度降低［3］，但另一方面，如果在城市區(qū)域增加水體、綠地等自然地表，則有利于城市的減溫、增濕［4－5］，有利于降溫及減緩城市熱島效應(yīng)［6－7］.由于水體的輻射特征和熱力特征與周圍類型有顯著差異，顯示出與周邊不同的小氣候或影響著周邊的局地氣候，傅抱璞分析了不同自然條件下的水體氣候效應(yīng)［8］，毛以偉等分析了三峽水庫水體的熱氣候效應(yīng)［9］，呂雅瓊等和趙林等分別研究了青海湖和金塔綠洲水庫的冷(暖)湖效應(yīng)［10－11］.而近年來由于城市發(fā)展中城市熱島效應(yīng)突出問題，城市中水體對局地氣候及人居環(huán)境的影響近年來也引起關(guān)注［12］.楊凱等分析了上海中心城區(qū)6處不同類型的城市河流及水體周邊的小氣候效應(yīng)，并探討了主要影響因素［13］.李書嚴等研究了水體的微氣候效應(yīng)，研究結(jié)果表明城市中的水體對其周邊的小氣候有著明顯的調(diào)節(jié)作用，水體的面積和布局是影響小氣候效應(yīng)的重要因素［14］.軒春怡等研究表明無論分散型或集中型布局，城市水體面積的增加，都在一定程度上使城市氣溫降低、濕度增加、平均風速增大.比較而言，分散型水體布局對城市區(qū)域微氣象環(huán)境的影響更為顯著［15］.上述研究結(jié)果多集中于城區(qū)水體及周邊站點的“點”觀測或數(shù)值模擬，對城市“面”狀區(qū)域水體的微環(huán)境效應(yīng)研究得較少，而遙感技術(shù)則提供了一種面向空間區(qū)域研究城市水體熱環(huán)境效應(yīng)的有效途徑.遙感監(jiān)測水體熱環(huán)境的原理是基于不同地物在遠紅外波段具有輻射差異，通過遠紅外傳感器對城市地表(含水體)溫度進行大面積觀測而得到的地物熱量空間差異分布，從而可以對城市水體及其周邊環(huán)境進行監(jiān)測與分析.國內(nèi)利用衛(wèi)星資料研究水體的熱環(huán)境效應(yīng)的研究較少，本文將針對北京大型水體(以密云水庫為例)及城區(qū)重要水體，利用衛(wèi)星遙感資料開展水體的熱環(huán)境效應(yīng)分析，分析其自身的熱環(huán)境特征及其對周邊區(qū)域熱環(huán)境的影響，對城市規(guī)劃及減緩熱島效應(yīng)方面具有借鑒意義.

1 資料和方法

1.1 資料

為研究北京不同尺度水體的熱環(huán)境效應(yīng)，本文采用具有高時間分辨率的中粗分辨率衛(wèi)星資料(250～1000 m分辨率)和高空間分辨率的衛(wèi)星資料(30～120 m分辨率)進行地表水體熱環(huán)境分析.

中粗分辨率資料主要采用NOAA/AVHRR、MODIS/Terra和FY－3A衛(wèi)星資料.其中NOAA/AVHRR衛(wèi)星主要利用1B數(shù)據(jù)的第4和第5熱紅外通道亮溫來分析地表熱場，空間分辨率為1 km左右［16］.本文選用2006年8月21日、2009年11月17日和18日、2011年2月15日的NOAA/AVHRR 1B數(shù)據(jù).EOS/MODIS衛(wèi)星資料則采用8 d合成的MODIS地表溫度產(chǎn)品(MOD11A2)，空間分辨率為1 km［17］，本文選用2006年全年的8 d合成的MODIS地表溫度產(chǎn)品數(shù)據(jù).FY－3A衛(wèi)星利用中分辨率光譜成像儀(MERSI)第5熱紅外通道估算地表溫度，空間分辨率為250 m［18］，本文選取2009年6月25日的FY－3A/MERSI數(shù)據(jù).

高分辨率衛(wèi)星資料主要采用Landsat5－TM的第1～5波段和第7波段提取水體及其他土地利用類型，空間分辨率為30 m，利用第6熱紅外通道來估算陸面地表溫度，空間分辨率為120 m［19］.本文選用北京地區(qū)2008年8月2日10時40分過境的晴空清晰無云的Landsat5－TM來分析北京城區(qū)水體熱環(huán)境.

1.2 研究方法

1.2.1 高分辨率衛(wèi)星資料地表溫度的反演 利用高分辨率衛(wèi)星Landsat5－TM數(shù)據(jù)反演陸地表面溫度主要分為兩大步驟:(1)計算輻射亮溫;(2)利用輻射亮溫計算地表溫度.首先利用Landsat5－TM的定標系數(shù)(Gain和Bias)將原始DN值轉(zhuǎn)換為大氣層頂太陽輻亮度(L)，定標系數(shù)由USGS的Landsat Project提供［19］，計算公式為:

式中，DN為像元灰度值，Gain為增益，Bias為偏移值.再利用下面的公式將其轉(zhuǎn)化為亮度溫度［19］:

式中，Tb為亮溫(K)，K1、K2為常量，其中 K1=607.76 mW/(cm2·sr·μm)，K2=1260.56 K.

由于北京城區(qū)范圍較小，且采用的遙感圖像晴空無云，大氣的影響程度在空間上可以近似認為是一致的，從而對地表溫度空間相對分布影響也較小，在這里忽略大氣校正，采用常見的比輻射率的方法計算地表溫度［20－21］:

式中，Ts為地表溫度(K)，λ =11.5 ×106m，α =1.438 ×102mK，ε 為地表比輻射率，采用 Van de Griend的NDVI估算法進行計算［22］:

該經(jīng)驗關(guān)系只有NDVI在0.16～0.74之間時適用.在這范圍之外，采用土地利用類型進行比輻射率ε糾正:其中水體的比輻射率取0.995，植被的比輻射率取0.986，裸地土壤的比輻射率取0.972，居民地的比輻射率取 0.970.

1.2.2 中粗分辨率衛(wèi)星資料地表溫度的反演 由于城市熱環(huán)境大多注重的是溫度相對強弱的空間分布特征，加之一般城市區(qū)域范圍有限，可以認為區(qū)域水汽狀況一致，在晴空無云狀態(tài)下，可直接利用亮溫表征城市熱場的空間相對分布［23－24］.NOAA/AVHRR衛(wèi)星亮溫資料在對上海城市高溫及熱島效應(yīng)的研究中得到應(yīng)用［25］.本文對NOAA/AVHRR衛(wèi)星資料采用第4熱紅外通道亮溫來表征1 km分辨率地表熱場產(chǎn)品.

對MODIS衛(wèi)星資料則直接采用了MODIS 1 km分辨率8 d合成的溫度產(chǎn)品MOD11A2，溫度對應(yīng)圖層分別為LST_Day_1 km(白天溫度)和LST_Night_1 km(夜間溫度).該產(chǎn)品是MODIS衛(wèi)星的重要業(yè)務(wù)產(chǎn)品之一，它對陸地地表溫度的監(jiān)測能達到1 K(1σ)的精度，且能有效監(jiān)測北京地區(qū)的城市熱島強度及季節(jié)變化［16］.

對FY－3A/MERSI衛(wèi)星資料則采用了Jiménez－Mu?oz單窗算法［26］進行溫度反演得到250 m分辨率地表溫度產(chǎn)品.

1.2.3 熱島強度的計算 利用熱島強度指數(shù)可以反映城市熱島的強弱.在這里，采用葉彩華地表熱島強度UHII的計算方法來估算城市地表熱島強度［27］，即:

式中，UHIIi為圖象上第i個象元所對應(yīng)的熱島強度，Ti是地表溫度，n為郊區(qū)農(nóng)田內(nèi)的有效象元數(shù)，Tcrop為郊區(qū)農(nóng)田內(nèi)的地表溫度.并按熱島強度值的大小，劃分為7級熱島強度:強冷島、較強冷島、弱冷島、無熱島、弱熱島、較強熱島和強熱島.

2 結(jié)果與分析

2.1 水體類型的熱場年變化

利用2006年MODIS地表溫度產(chǎn)品(MOD11A2)和2005年土地覆蓋資料對北京地區(qū)不同季節(jié)、不同土地覆蓋類型的白天和夜晚地表季節(jié)平均溫度進行了計算，其中土地覆蓋資料采用北京市1∶250000 2005年基礎(chǔ)地理信息資料，把土地覆蓋類型歸并為林地、農(nóng)田、草地(綠地)、水體、建筑5大類別.

幾人不再吭聲，遞個眼色，努了努嘴，跟著往前走?！鯛斀裉鞖庑源笾兀遣坏?逛廟會的那念頭還是待明天再說吧。

白天的計算結(jié)果(圖1a)顯示:北京地區(qū)春、夏、秋季5種地表覆蓋類型的地表溫度為水體＜林地＜農(nóng)田＜草地＜建筑，冬季地表溫度為水體＜林地＜建筑＜綠地＜農(nóng)田，表明在白天城市建筑相對郊區(qū)農(nóng)田在春、夏、秋季具有“熱島效應(yīng)”，在冬季具有“冷島效應(yīng)”，這與王建凱等關(guān)于北京城區(qū)熱島(冷島)的研究結(jié)論一致［28］;而水體在一年四季白天溫度均最低，具有降溫作用，這與劉嬌妹等利用氣象觀測資料研究的結(jié)果一致［29］.夜晚的計算結(jié)果(圖1b)顯示:各季草地(綠地)與建筑區(qū)地表溫度最高，由于綠地主要在城區(qū)分布，因此它與建筑相對于郊區(qū)農(nóng)田呈現(xiàn)“熱島效應(yīng)”.而水體在春季和夏季夜晚溫度均低于其他類型，表明水體在暖熱的夜晚具有降溫效應(yīng)，到了秋季和冬季水體溫度則高于農(nóng)田和林地，表明水體在寒冷的夜晚里具有保溫效應(yīng).這與毛以偉等利用氣象觀測資料分析得到的南方三峽水體四季均具有白天降溫、夜間增溫效應(yīng)并不完全一致［9］，這很可能與北京所處半干旱地區(qū)與三峽處于濕潤地區(qū)的不同水域氣候效應(yīng)有關(guān)［8］.

2.2 密云水庫的熱場日變化

密云水庫是北京最大的單一水體，處于郊區(qū)密云縣內(nèi).近幾年水體面積保持在70～90 km2，蓄水量在10×108m3左右，其水體熱場與周邊其他類型相比具有明顯差異.在這里，以NOAA/AVHRR資料來分析密云水庫水體在夏季和冬季的熱場日變化.

圖1 2006年北京不同土地覆蓋類型熱場分布(a.白天，b.夜晚)Fig.1 LST of different land cover types of Beijing in 2006(a.Day，b.Night)

2.2.1 夏季熱場日變化 利用NOAA/AVHRR資料處理的2006年8月21日上午到夜間的北京地表亮溫變化顯示:上午11∶00時(圖2a)和中午13∶00時(圖2b)密云水庫均處于低溫區(qū)，與周圍及城區(qū)溫度差異較大;傍晚18∶00時(圖2c)密云水庫與周圍地表熱場差異不大;到夜晚21∶00時(圖2d)密云水庫與城區(qū)則均處于高溫區(qū).這些監(jiān)測結(jié)果表明:密云水庫由于熱容量大，白天升溫慢，處于低溫區(qū)，具有“冷湖效應(yīng)”;夜晚降溫慢，與城中心并列為一高溫區(qū)，具有“暖湖效應(yīng)”，這與呂雅瓊等采用數(shù)值模擬方法得出夏季青海湖的冷暖湖效應(yīng)結(jié)論近似［10］.

圖2 夏季(2006－08－21)北京地區(qū)密云水庫地表亮溫日變化(a.11∶00 時，b.13∶00 時，c.18∶00 時，d.21∶00 時)Fig.2 Daily variation of land surface brightness temperature of Miyun Reservoir of Beijing in summer(2006－08－21)(a.3∶00GMT，b.5∶00GMT，c.10∶00GMT，d.13∶00GMT)

2.2.2 初冬未結(jié)冰狀態(tài) 利用2009年11月17日(水體未結(jié)冰)中午14∶16時的NOAA18/AVHRR氣象衛(wèi)星資料對北京地區(qū)熱島強度監(jiān)測顯示:中午(圖3a)北京城區(qū)沒有熱島效應(yīng)，密云水庫處于弱熱島區(qū)域;夜晚凌晨(圖3b)北京城區(qū)存在熱島效應(yīng)，以弱熱島和較強熱島等級為主，密云水庫處于強熱島區(qū)域.這些監(jiān)測結(jié)果表明，初冬季節(jié)在水體未結(jié)冰狀態(tài)下，白天和夜間密云水庫具有“暖湖效應(yīng)”，這與傅抱璞關(guān)于水域在不封凍的情況下具有增溫效應(yīng)結(jié)論近似［8］.

圖3 冬季(2009－11－17)北京地區(qū)密云水庫熱島強度日變化——水體未結(jié)冰(a.中午，b.清晨)Fig.3 Daily variation of heat island intensity of Miyun Reservoir of Beijing under no－freezing condition in winter(2009－11－17)(a.noontime，b.early morning)

2.2.3 冬季結(jié)冰狀態(tài) 利用2011年2月15日(水體已結(jié)冰)中午13∶59時的NOAA18氣象衛(wèi)星資料對北京地區(qū)熱島溫度監(jiān)測顯示(圖4):中午時分(圖4a)北京城區(qū)沒有熱島效應(yīng)，密云水庫處于強冷島區(qū)域;夜晚凌晨(圖4b)北京城區(qū)存在明顯的熱島效應(yīng)，而密云水庫與周邊環(huán)境同處于無熱島區(qū)域.這些監(jiān)測結(jié)果表明，在冬季水體結(jié)冰的情況下，白天密云水庫具有“冷湖效應(yīng)”，夜晚水體無明顯冷暖效應(yīng).

圖4 冬季(2011－02－15)北京地區(qū)密云水庫熱島強度日變化——水體結(jié)冰(a.中午，b.凌晨)Fig.4 Daily variation of heat island intensity of Miyun Reservoir of Beijing under freezing condition in winter(2011－02－15)(a.noontime，b.early morning)

2.3 城區(qū)水體的熱環(huán)境效應(yīng)

以北京城六區(qū)內(nèi)典型水體昆明湖、中南海(含前海、后海、西海、北海與中南海)、紫竹院湖、玉淵潭湖、龍?zhí)逗葹槔?，分析這些處于城區(qū)內(nèi)的不同尺度水體的城市熱環(huán)境效應(yīng).利用2008年8月2日Landsat－TM5衛(wèi)星圖像估算的中南海、玉淵潭湖、昆明湖、龍?zhí)逗妥现裨汉雀魉w面積分別為122、52、195、15和11 hm2，其中昆明湖面積最大，紫竹院湖面積最小.

2.3.1 城區(qū)水體的“冷島效應(yīng)” 應(yīng)用2009年6月25日10時45分的FY－3A/MERSI氣象衛(wèi)星資料處理制作的北京城六區(qū)地表熱島強度監(jiān)測圖顯示:上午近11∶00時(圖5a)，北京城六區(qū)出現(xiàn)弱熱島現(xiàn)象，局部地區(qū)如前門、首鋼小區(qū)出現(xiàn)較強熱島，而昆明湖、中南海等水體為弱冷島或較強冷島，龍?zhí)逗?、紫竹院湖和玉淵潭湖水體為無熱島區(qū)域.到了中午近13∶00時(圖5b)，NOAA18衛(wèi)星監(jiān)測的城六區(qū)熱島范圍明顯擴大，強度增強，昆明湖、中南海、龍?zhí)逗⒆现裨汉陀駵Y潭湖等水體處于弱冷島或無熱島區(qū)域，而昆明湖的“冷島”效應(yīng)較其他水體更為明顯.利用2008年8月2日的Landsat－TM5監(jiān)測的地表熱島強度圖(圖6)顯示:上午10∶40時，北京城六區(qū)普遍出現(xiàn)弱熱島，局部地區(qū)出現(xiàn)較強熱島，相比初夏6月25日熱島效應(yīng)更為明顯，但各水體多呈弱冷島或無熱島現(xiàn)象，其中昆明湖、中南海、玉淵潭湖、紫竹院湖呈弱冷島，而面積較小的龍?zhí)逗薀o熱島狀態(tài).上述監(jiān)測結(jié)果表明:無論何種衛(wèi)星資料的處理結(jié)果都顯示城區(qū)水體尤其是大面積的水體是降低城市地表熱島現(xiàn)象的重要來源.

2.3.2 城區(qū)水體對周邊熱環(huán)境的影響 為分析城區(qū)內(nèi)昆明湖、玉淵潭湖、中南海、龍?zhí)逗妥现裨汉人w對周邊地區(qū)熱環(huán)境的影響，基于緩沖區(qū)技術(shù)，以500 m為半徑緩沖區(qū)，來分析每個水體斑塊對周邊建筑區(qū)熱環(huán)境的影響，并選擇城區(qū)內(nèi)較大面積的天壇公園為例，代表城區(qū)內(nèi)綠地對周邊熱環(huán)境的影響進行對比分析.

利用2008年8月2日Landsat－TM5提取的昆明湖、玉淵潭湖、中南海、龍?zhí)逗妥现裨汉人w、水體緩沖區(qū)域及周邊土地利用類型.可以看出，除昆明湖周邊有較多植被外，其它水體周圍分布著大面積的城區(qū)建筑.天壇公園為一大片綠地，周圍也被城區(qū)建筑包圍(圖7).根據(jù)Landsat－TM5衛(wèi)星資料估算的地表溫度，計算各水體和綠地平均溫度及水體和綠地緩沖距離范圍內(nèi)的建筑區(qū)平均地表溫度，結(jié)果見表1.

面積最大的昆明湖水溫最低(24.7℃)，而面積最小的紫竹院湖水溫(25.3℃)與面積排第二的中南海水溫接近(25.4℃)，而面積僅大于紫竹院湖的龍?zhí)逗疁刈罡?25.7℃)，表明水體的水溫與大小可能沒有直接關(guān)系.而各水體平均溫度(25.2℃)明顯低于天壇公園溫度(26.5℃)，表明水體較綠地具有更明顯的“冷島”效應(yīng)(表1).

各水體緩沖區(qū)范圍內(nèi)的建筑區(qū)地表溫度均明顯高于水體溫度.就平均狀況來看，0～100 m內(nèi)地表溫度最低，平均為26.6℃，距離水體越遠，地表溫度呈增高趨勢，300～400 m和400～500 m內(nèi)分別為27.8℃和27.9℃，但超過300 m后，建筑區(qū)地表溫度基本不再有明顯變化(0.2℃之內(nèi))表明.天壇公園綠地周圍100 m范圍內(nèi)建筑區(qū)地表溫度為28.1℃，低于100 m之外范圍內(nèi)建筑區(qū)地表溫度(大于28.4℃)，距離超過100 m后，建筑區(qū)地表溫度不再有明顯變化.

由前面分析可知，水體周圍300 m之外、綠地周圍100 m之外的建筑區(qū)地表溫度變化很小，因此以400～500 m該區(qū)域內(nèi)的建筑區(qū)代表不受水體或綠地降溫影響的正常建筑區(qū)，其它區(qū)域內(nèi)建筑區(qū)地表溫度與其進行距平計算，就可得到水體及天壇公園綠地周圍0～400 m建筑區(qū)地表的降溫幅度(表2).

隨距水體距離增加，建筑地溫降溫幅度呈下降趨勢，各水體周圍建筑地溫平均下降值在0～100、100～200和200 ～300 m分別為1.2、0.6和0.4℃，而300 ～400 m 已幾乎沒有降溫效應(yīng)(0.1℃)(表2).另外各水體降溫還有個體差異，中南海僅在100 m范圍內(nèi)建筑區(qū)地表溫度有所下降.綠地也僅在100 m范圍內(nèi)對建筑區(qū)地表溫度有影響，降溫幅度為0.4℃，小于水體周邊100 m內(nèi)的降溫幅度1.2℃.這些結(jié)果表明:由于水體的存在，其周邊最大300 m范圍內(nèi)的建筑區(qū)地表溫度下降，而綠地周邊100 m范圍內(nèi)的建筑區(qū)地表溫度下降，城市水體對周邊環(huán)境熱場的影響程度和范圍大于城市綠地.

圖5 北京城區(qū)2009年6月25日地表熱島強度遙感監(jiān)測圖(a.10∶45，b.12∶57)Fig.5 Land surface island heat intensity of Beijing urban area in June 25th，2009(a.2∶45 GMT，b.4∶57 GMT)

圖6 北京城區(qū)2008年8月2日地表熱島強度Fig.6 Land surface heat island intensity of Beijing urban in Aug.2nd，2008

圖7 城六區(qū)主要水體緩沖區(qū)及土地利用類型(2008年8月2日)Fig.7 Buffer zones of urban water bodies and landuse types(Aug.2nd，2008)

表1 主要水體及綠地溫度及緩沖區(qū)范圍內(nèi)的建筑地表溫度(℃)Tab.1 Land surface temperature of building area in buffer zones of water bodies and green land

表2 主要水體緩沖區(qū)范圍建筑區(qū)降溫幅度(℃)Tab.2 Temperature cooling values of buildings areas of water bodies buffer zones

3 結(jié)論

通過對地表水體的熱環(huán)境效應(yīng)分析得知，水體的熱場分布與其它類型差異較大，城市水體對周邊建筑區(qū)熱環(huán)境存在著明顯降溫效應(yīng)，對降低城市熱島效應(yīng)具有明顯作用.根據(jù)上述分析，初步得到以下結(jié)論:

1)衛(wèi)星資料能有效監(jiān)測北京水體溫度的四季變化:水體在白天具有降溫效應(yīng)，在秋季和冬季寒冷的夜晚里具有保溫作用，在春季和夏季夜晚具有降溫作用.

2)密云水庫在夏季白天具有“冷湖效應(yīng)”，夜晚具有“暖湖效應(yīng)”;冬季在水體未結(jié)冰狀態(tài)下，白天和夜間水體均具有“暖湖效應(yīng)”，在結(jié)冰狀態(tài)下，白天具有“冷湖效應(yīng)”，晚上則無冷暖效應(yīng).

3)遙感監(jiān)測顯示城區(qū)水體沒有地表熱島現(xiàn)象出現(xiàn)，大面積的水體更易出現(xiàn)“冷島”效應(yīng)，是降低城市熱島效應(yīng)的重要途徑.

4)由于水體存在，其周邊最大300 m范圍內(nèi)的建筑區(qū)地表溫度均有下降，其中各水體100 m范圍內(nèi)平均下降1.2℃;100～200 m內(nèi)下降0.6℃;200～300 m內(nèi)下降0.4℃.而綠地周圍僅在100 m范圍內(nèi)的建筑區(qū)地表溫度有所下降，平均下降0.4℃.

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