南寧市熱島效應(yīng)的遙感研究*

林奕桐，葉駿菲，林開(kāi)平，張家安

（1.南寧市氣象局，廣西南寧530022；2.賓陽(yáng)縣氣象局，廣西南寧5300223；3.廣西區(qū)氣象臺(tái)，廣西南寧530022）

南寧市熱島效應(yīng)的遙感研究*

林奕桐1，葉駿菲2，林開(kāi)平3，張家安2

（1.南寧市氣象局，廣西南寧530022；2.賓陽(yáng)縣氣象局，廣西南寧5300223；3.廣西區(qū)氣象臺(tái)，廣西南寧530022）

利用MODIS數(shù)據(jù)、TM數(shù)據(jù)對(duì)南寧市的地表溫度、植被覆蓋度、熱場(chǎng)強(qiáng)度、熱島強(qiáng)度分別進(jìn)行計(jì)算，從熱島的時(shí)空分布、熱島強(qiáng)度與面積、熱島成因三方面討論南寧熱島特征及近十年的演變，研究南寧市熱島與高溫天數(shù)的關(guān)系，建立了植被覆蓋度與熱場(chǎng)強(qiáng)度的聯(lián)系。結(jié)果表明：南寧市從2000年的單一熱島中心逐漸發(fā)展成為多熱島中心；熱島面積以年均15.7%的速率增長(zhǎng)，與之對(duì)應(yīng)的是南寧市的高溫天數(shù)平均以每年1.1 d的速率增長(zhǎng)。盡管南寧市的植被對(duì)熱島的緩解作用強(qiáng)于城市用地及裸土的增溫作用，但由于南寧市植被覆蓋的面積（26.44%）遠(yuǎn)小于城市用地的面積（55.33%），城市熱島仍處于發(fā)展的狀態(tài)。

熱島效應(yīng)；遙感；高溫災(zāi)害；熱島強(qiáng)度；廣西南寧

城市熱島是一種城市公害，會(huì)給人類健康和社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)不容低估的損失［1］。隨著城市熱島效應(yīng)的加劇，高溫災(zāi)害越來(lái)越顯著，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000－2010年，南寧市的高溫天數(shù)（氣溫大于35℃［2］）平均以每年1.1 d的速率增長(zhǎng)。同時(shí)，城市熱島效應(yīng)也會(huì)為城市帶來(lái)其他方面無(wú)法估量的災(zāi)害：一方面表現(xiàn)為影響工業(yè)產(chǎn)值并產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p失，耗水耗電量劇增，以及危及人民生活和健康等［3］；另一方面則會(huì)加速城區(qū)水土流失，引起路面開(kāi)裂與淪陷以及地面沉降等［4］。從1990年以來(lái)，對(duì)城市“熱島”的研究已有很多［5－6］。監(jiān)測(cè)城市熱島效應(yīng)的方法也比較多，各有所長(zhǎng)［7］。閆峰等利用EOS／MODIS數(shù)據(jù)對(duì)上海市進(jìn)行了地面熱場(chǎng)季節(jié)分析，認(rèn)為上海市熱島強(qiáng)度及范圍存在季節(jié)差異［8］，由此說(shuō)明了熱島研究中季節(jié)的選取較為重要。呂光輝［9］等利用MODIS數(shù)據(jù)著重從宏觀上揭示干旱城市熱島的時(shí)空分布特征，證明了MODIS數(shù)據(jù)能夠較好地應(yīng)用于熱島宏觀時(shí)空分布的監(jiān)測(cè)。饒勝［10］等利用MODIS數(shù)據(jù)定性分析了珠江三角洲地區(qū)下墊面類型與地表溫度的關(guān)系，初步證明了水體、植被對(duì)城市熱島有緩解作用，但各類下墊面對(duì)城市熱島影響的效率還需要進(jìn)一步定量研究。

隨著南寧市規(guī)模的迅速發(fā)展，南寧市區(qū)的熱島效應(yīng)日益嚴(yán)重，這一現(xiàn)象已經(jīng)引起市政府的重視，相應(yīng)政策的制訂和實(shí)施也在不斷進(jìn)行中［11］。陳業(yè)國(guó)、凌穎等［11－12］通過(guò)自動(dòng)站的實(shí)測(cè)氣溫對(duì)南寧熱島進(jìn)行了研究，認(rèn)為秋季熱島強(qiáng)度最大，熱島效應(yīng)干季（9月至翌年1月）較強(qiáng)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是觀測(cè)值精度較高，其缺點(diǎn)是覆蓋度不廣，很難研究熱島的具體分布情況。韋亮英［13］通過(guò)遙感手段，對(duì)1990年、1998年、2006年的3景TM數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，得出了南寧市溫度變化的整體空間格局符合由內(nèi)向外的“圈層式”，但并未研究高溫區(qū)的具體分布位置及熱島的發(fā)展演變規(guī)律。本文總結(jié)已有研究的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)MODIS數(shù)據(jù)、TM數(shù)據(jù)，以“熱島強(qiáng)度”、“熱場(chǎng)強(qiáng)度”、“成因分析”為切入點(diǎn)，詳細(xì)分析南寧市2000－2010年熱島的面積變化、強(qiáng)度變化，并定量分析南寧市各類下墊面對(duì)城市熱島的影響效率，為深入了解南寧熱島狀況提供科學(xué)依據(jù)，為相關(guān)部門做出決策提供參考。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域范圍

研究區(qū)域?yàn)槟蠈幨薪ǔ菂^(qū)及城郊，范圍為22°13′～23°33′N，107°45′～108°52′E，面積約為22 112 km2，其中城市建成區(qū)面積約190 km2。南寧位于北回歸線南側(cè)，氣候類型屬濕潤(rùn)的亞熱帶季風(fēng)氣候。地貌分平地、低山、石山、丘陵和臺(tái)地五種類型，其中平地所占面積最大（57.78%），多分布于左、右江下游匯合處和邕江兩岸。城市2006－2010年的建設(shè)規(guī)劃及發(fā)展方向?yàn)橐早呓瓰檩S線，兩翼拓展，東建西擴(kuò)，完善江北，提升江南，形成東、西、南三個(gè)主要方向拓展的空間格局，重點(diǎn)實(shí)施城市向東、向南的發(fā)展戰(zhàn)略。

1.2 遙感數(shù)據(jù)

研究選用6景EOS-MODIS白天影像，1景LANDSAT7-ETM影像和3景LANDSAT5-TM影像。所選的影像，均為大范圍晴朗、無(wú)風(fēng)或微風(fēng)天氣。時(shí)間分別為MODIS：2000年、2002年、2004年11月1日、2006年11月2日、2008年11月20日、2010年11月2日；ETM：2000年11月1日；TM數(shù)據(jù)：2006年10月30日、2008年11月20日、2010年的12月28日。

2 研究方法和原理

2.1 地表溫度反演

通過(guò)單窗算法［14］對(duì)2010年12月的TM數(shù)據(jù)進(jìn)行地表溫度反演，得出空間分辨率為30米的地表溫度圖像，研究南寧市熱場(chǎng)分布情況。通過(guò)分裂窗算法對(duì)2000年、2002年、2004年、2006年、2008年、2010年11月的MODIS和數(shù)據(jù)進(jìn)行地表溫度反演，得出1 km空間分辨率的地表溫度圖像，研究10年南寧市熱島變化情況。

單窗算法主公式為［14－15］：

式中：a＝－67.355 351，b＝0.541 4，c＝0.458 606為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，Ts為地表溫度，C＝t6e6，D＝（1－t6）［1＋t6（1－e6）］。t6為大氣透射率，e6為地表比輻射率，Ta為大氣平均作用溫度，T6為TM第6通道反演的亮溫。

分裂窗算法公式為［16－17］：

式中：TS是地表溫度（K），T31和T32分別是MODIS第31和32通道的亮溫，A0，A1和A2是分裂窗算法的參數(shù)，由MODIS數(shù)據(jù)的31通道和32通道的比輻射率、大氣透過(guò)率決定。

2.2 溫度參照點(diǎn)選取

選取相對(duì)溫度年變化較小的溫度最低點(diǎn)作為參照點(diǎn)。前人研究表明，植被覆蓋度能夠很好地反映決定下墊面溫度的特性［8］，且植被覆蓋度與下墊面溫度呈負(fù)相關(guān)［9］，因此，宜選取南寧市郊區(qū)植被覆蓋度常年較高的區(qū)域作為溫度參照點(diǎn)。

利用遙感數(shù)據(jù)估算植被覆蓋度（f）的常用方法有三波段梯度差法和NDVI像元二分法，后者比前者有著更高的精度［18］，故本文采用NDVI像元二分法估算植被覆蓋度：

式中：NDVIS為裸露土壤或建筑表面的NDVI值，NDVIg為完全植被覆蓋像元的NDVI值。

由于研究區(qū)域是城市建成區(qū)及近郊，MODIS圖像空間分辨率過(guò)低難以滿足該研究對(duì)植被覆蓋度尺度上的要求，因此采用2000年11月1日的ETM影像、2006年10月30日和2010年的12月28日的TM影像，計(jì)算出平均植被覆蓋度，對(duì)平均值被覆蓋度進(jìn)行如表1所示的等級(jí)劃分，得出10年研究區(qū)域植被常年覆蓋的區(qū)域。

表1 植被覆蓋等級(jí)劃分

在南寧市西北方向的高植被覆蓋區(qū)域選取5個(gè)參照點(diǎn)，并記下其經(jīng)緯度，計(jì)算各年份熱島強(qiáng)度時(shí)，均以這些點(diǎn)的平均溫度作為城鄉(xiāng)溫差的參照溫度。同理，在南寧市區(qū)內(nèi)城東區(qū)域較高植被覆蓋區(qū)選取5個(gè)點(diǎn)作為城內(nèi)溫差的參照點(diǎn)。

2.3 熱場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算

熱場(chǎng)強(qiáng)度能夠有效地反映出城市熱島的水平分布。熱場(chǎng)強(qiáng)度指標(biāo)，定義為遙感地表熱場(chǎng)的歸一化，能對(duì)一景圖像熱場(chǎng)分布的相對(duì)高溫、低溫范圍及位置做出判斷，其表達(dá)式為［18］：

式中：Hi為第i個(gè)像元所對(duì)應(yīng)的熱場(chǎng)強(qiáng)度指數(shù)，Ti為該像元的地表溫度，Tmin為圖像區(qū)域的有效最低地表溫度，Tmax為圖像區(qū)域?qū)?yīng)的有效最高地表溫度。

經(jīng)過(guò)對(duì)大量遙感圖像進(jìn)行分析試驗(yàn)，根據(jù)參考文獻(xiàn)提出的方法［19］，這里把熱場(chǎng)強(qiáng)度指數(shù)劃分為7個(gè)等級(jí)（表2），能很好地反映出南寧市的熱場(chǎng)分布狀況。

表2 熱場(chǎng)強(qiáng)度等級(jí)劃分

2.4 熱島強(qiáng)度計(jì)算

熱島強(qiáng)度可有效地反映出城市熱島面積及強(qiáng)弱。熱島強(qiáng)度定義為城鄉(xiāng)溫差。在本研究中，為了體現(xiàn)城市內(nèi)部的熱島強(qiáng)弱程度，除了計(jì)算城鄉(xiāng)溫差之外，還引入城內(nèi)溫差的計(jì)算：

式中：Ii為圖像上第i個(gè)像元所對(duì)應(yīng)的熱島強(qiáng)度，Ti為該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地表溫度。當(dāng)分析城內(nèi)溫差時(shí)，Tn為城內(nèi)溫度參照點(diǎn)，當(dāng)分析城鄉(xiāng)溫差時(shí)，Tn為城鄉(xiāng)參照點(diǎn)的溫度。根據(jù)文獻(xiàn)［19］的分類方法，把熱島強(qiáng)度分為4個(gè)等級(jí)（表3）。

表3 熱島強(qiáng)度等級(jí)劃分

2.5 南寧市熱島的成因分析

用2010年的TM影像分別計(jì)算歸一化植被指數(shù)（NDVI）、歸一化水體指數(shù)（NDWI）、歸一化建筑指數(shù)（NDBI），并應(yīng)用決策樹(shù)分析方法，將南寧市下墊面分為植被、水體、裸土及城市用地四類（圖1）。通過(guò)建立掩膜，將四類下墊面分別提取出來(lái)。對(duì)各類區(qū)域，建立NDVI、NDWI、NDBI與地表溫度關(guān)系的散點(diǎn)圖（圖2），探究各類下墊面對(duì)熱島的貢獻(xiàn)率。

圖1 南寧市土地利用分類圖

3 結(jié)果與討論

3.1 南寧市熱島水平分布的基本特點(diǎn)及其10年演變

根據(jù)TM數(shù)據(jù)反演地表溫度得到的熱場(chǎng)強(qiáng)度圖很好地體現(xiàn)了南寧市熱島的水平空間分布特征（圖3）。

圖2 NDBI、NDVI與溫度的散點(diǎn)圖

圖3 2010年南寧市熱島分布圖（TM數(shù)據(jù)）

南寧市的熱島分布主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①沿著邕江呈現(xiàn)出一條低溫帶，將高溫中心分為南北兩個(gè)部分。②熱島中心主要集中在西鄉(xiāng)塘區(qū)的明秀路與中華路之間及江南區(qū)的壯錦大道與星光大道之間。③廣西大學(xué)、人民公園、金花茶公園、南湖、青秀山公園、藥用植物園等地的溫度相對(duì)附近地區(qū)溫度較低。

連續(xù)分析2000年至2010年基于MODIS數(shù)據(jù)反演的熱場(chǎng)強(qiáng)度圖像（圖4），可以看到最近10年南寧市的熱島分布演變有如下的特征：

（1）高溫區(qū)域由單一中心變成多中心。2000年高溫中心集中在邕江以北的西鄉(xiāng)塘區(qū)的明秀路與中華路之間（圖4a），至2006年，邕江以南的江南區(qū)和良慶區(qū)交界處也出現(xiàn)了高溫中心（圖4d），至2010年，南寧市區(qū)出現(xiàn)了3個(gè)主要的高溫中心區(qū)，分別位于明秀路與中華路之間、江南區(qū)和良慶區(qū)交界處和城北的安吉區(qū)（圖4f）。

（2）高溫區(qū)域以西鄉(xiāng)塘區(qū)為中心往外擴(kuò)展。2000年，高溫區(qū)域基本上只出現(xiàn)在快環(huán)以內(nèi)，快環(huán)外的區(qū)域溫度與普通市郊所差無(wú)幾（圖4a），之后，高溫區(qū)、次高溫區(qū)及較高溫區(qū)的范圍逐年向四周擴(kuò)展。到了2010年，較高溫區(qū)幾乎布滿整個(gè)繞城高速以內(nèi)的區(qū)域（圖4f）。

圖4 2000－2010年南寧市熱島空間分布圖

（3）瑯東區(qū)的次高溫區(qū)域自2004年以來(lái)迅速發(fā)展。2000年，南湖以東的整個(gè)青秀區(qū)均為較低溫區(qū)域或中溫區(qū)域，瑯東區(qū)的溫度與其北面的藥用植物園，南面的青秀山公園等低溫區(qū)域相差無(wú)幾，在圖像上，三處幾乎連成一片（圖4a）。而2004年，瑯東區(qū)開(kāi)始有較高溫區(qū)域出現(xiàn)（圖4c），之后較高溫區(qū)域迅速發(fā)展成為次高溫區(qū)，把原來(lái)連成一片的藥用植物園到青秀山公園的較低溫區(qū)從中間分割成南北兩部分。

3.2 南寧市熱島面積及強(qiáng)度的變化

對(duì)2000年至2010年6景MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行熱島強(qiáng)度計(jì)算。以2000年、2004年和2010年熱島強(qiáng)度為例（圖5），觀察南寧市熱島的面積變化。對(duì)強(qiáng)熱島及較強(qiáng)熱島區(qū)域部分進(jìn)行了面積計(jì)算。

2000年南寧市大部分地區(qū)屬于弱熱島區(qū)域且強(qiáng)熱島集中在南寧市中心，而至2010年南寧市大部分地區(qū)已屬于強(qiáng)熱島區(qū)域。在面積上，2000－2010年6景圖像中，強(qiáng)熱島區(qū)面積分別為46、96、103、113、167、175 km2，年均增長(zhǎng)率為15.7%。

熱島強(qiáng)度的數(shù)值計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 2000－2010年南寧市熱島強(qiáng)度變化情況

由表4可以看出，對(duì)于南寧市多年來(lái)城市建設(shè)飛速發(fā)展，人口迅猛增加，而從城市熱島效應(yīng)來(lái)看，其高溫區(qū)的范圍也迅速擴(kuò)大，但城市熱島的強(qiáng)度變化卻不明顯。2000－2008年溫度最高點(diǎn)都出現(xiàn)在西鄉(xiāng)塘區(qū)的明秀路與中華路之間，該地區(qū)為南寧市的老城區(qū)之一，這10年來(lái)并沒(méi)有顯著的發(fā)展。而青秀山風(fēng)景區(qū)和大明山風(fēng)景區(qū)是南寧兩個(gè)重要的生態(tài)保護(hù)區(qū)，由于這兩個(gè)風(fēng)景區(qū)占地面積大，生態(tài)環(huán)境保護(hù)好，樹(shù)林茂密，植被覆蓋度大，因此10年來(lái)溫度也沒(méi)有多大的變化，這是造成近10年來(lái)城郊溫差或城內(nèi)溫差變化不大原因。而2010年溫度最高點(diǎn)卻出現(xiàn)在西鄉(xiāng)塘區(qū)的安吉附近，其溫度要高于西鄉(xiāng)塘區(qū)的明秀路與中華路這個(gè)老城區(qū)的傳統(tǒng)高溫區(qū)。這也使得該年的熱島強(qiáng)度明顯高于往年。

圖5 南寧市熱島強(qiáng)度的10年變化

3.3 不同下墊面狀況對(duì)南寧地面溫度的影響

通過(guò)分析不同下墊面與城市地表溫度的二維散點(diǎn)圖，得知綠地和水體對(duì)城市熱島具有緩解作用，而裸土和城市用地則對(duì)熱島有增強(qiáng)作用。但下墊面與城市地表溫度的關(guān)系并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，因此可借鑒干旱研究中“干濕邊”的思想，計(jì)算出南寧市各類下墊面對(duì)城市熱島的最大影響方程，并通過(guò)像元統(tǒng)計(jì)計(jì)算出各類下墊面所占面積（表5）。

表5 各類下墊面對(duì)熱島效應(yīng)影響

由表5看出，水體、植被、城市用地、裸土的影響方程斜率分別為－21.430 2、－40.956 8、30.677 8、31.616 9，說(shuō)明各類下墊面對(duì)熱島的影響效率：植被＞裸土＞城市用地＞水體。其中植被對(duì)熱島的緩解效率大于城市用地及裸土的增溫效率，但由于南寧市植被覆蓋的面積（26.44%）遠(yuǎn)小于城市用地的面積（55.33%），城市熱島仍處于發(fā)展的狀態(tài)。因此，在城市擴(kuò)展的同時(shí)，增加植被覆蓋的面積，能有效地緩解熱島的發(fā)展。

3.4 南寧市熱島對(duì)高溫的影響

為了研究熱島的發(fā)展對(duì)高溫的影響，取2000－2010年的高溫天數(shù)數(shù)據(jù)分別與3.2節(jié)中得到的熱島強(qiáng)度與熱島面積進(jìn)行相關(guān)分析。為了消除單位不統(tǒng)一的影響，分別對(duì)高溫天數(shù)、熱島強(qiáng)度、熱島面積進(jìn)行無(wú)量綱化，得到結(jié)果如圖6所示。由圖中可以看出，高溫天數(shù)與熱島強(qiáng)度、熱島面積都有較好的相關(guān)性，且熱島強(qiáng)度與高溫天數(shù)的相關(guān)性更為密切。

圖6 城市熱島與高溫的相關(guān)性

4 結(jié)論

（1）南寧市的熱島從2000年的單一熱島中心逐漸發(fā)展成為多熱島中心；十年以來(lái)，南寧市的高溫區(qū)域以西鄉(xiāng)塘區(qū)和興寧區(qū)為中心，由內(nèi)向外呈“圈層式”不斷擴(kuò)大，由2000年的快環(huán)之內(nèi)擴(kuò)散到了2010年的幾乎布滿整個(gè)繞城高速圈。

（2）2000－2010年，南寧市的熱島面積以年平均15.7%的速率增長(zhǎng)，但城內(nèi)溫差及城鄉(xiāng)溫差發(fā)展較為平緩，熱島強(qiáng)度增強(qiáng)不是很明顯。

（3）各類下墊面對(duì)熱島的影響：植被＞裸土＞城市用地＞水體，其中植被對(duì)熱島的緩解效率大于城市用地及裸土的增溫效率，但由于南寧市植被覆蓋的面積遠(yuǎn)小于城市用地的面積，城市熱島仍處于發(fā)展的狀態(tài)。

（4）高溫天數(shù)與熱島強(qiáng)度、熱島面積都有一定的相關(guān)性，而熱島強(qiáng)度與高溫天數(shù)的相關(guān)性較好。

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Remote Sensing Research of Heat Island Effect in Nanning

Lin Yitong1，Ye Junfei2，Lin Kaiping3and Zhang Jiaan2
（1．Nanning Municipal Meteorological Service，Nanning 530022，China；2．Binyang County Meteorological Service，Nanning 530022，China；3．GuangxiMeteorological Observatory，Nanning 530022，China）

The surface temperature，vegetation coverage，thermal field intensity and heat island intensity in Nanning are respectively calculated with MODIS and TM data.And the characteristics and evolution of heat island in Nanning in recent ten years are discussed from three aspectswhich are spatial and temporal distribution，intensity and area，the factors of formation of heat island.Then the relations between heat island and days of high temperature are researched and the relations between vegetation coverage and thermal field intensity were built.The results show that the single center of heat island in Nanning has becomemulti-centers since 2000；the heat island area has grown at an annual average rate of 15.7%，and corresponding days of high temperature has increased at an annual average rate of 1.1 days.Though the alleviation efficiency of the vegetation for heat island in Nanning is higher than calescence efficiency of the urban and bare land，the urban heat island is still in a developmental state as the area of vegetation coverage（26.44%）in Nanning ismuch smaller than the urban land′s（53.33%）.

heat island effect；remote sensing；high temperature disaster；heat island intensity

X87；TP79；X4

A

1000－811X（2014）04－0192－06

10.3969／j.issn.1000－811X.2014.04.035

林奕桐，葉駿菲，林開(kāi)平，等.南寧市熱島效應(yīng)的遙感研究［J］.災(zāi)害學(xué)，2014，29（4）：192－197.［Lin Yitong，Ye Junfei，Lin Kaiping，etal.Remote Sensing Research of Heat Island Effect in Nanning［J］.Journal of Catastrophology，2014，29（4）：192－197.］

2014－02－10

2014－07－24

國(guó)家自然科學(xué)基金（41365002）；廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2011GXNSFE018006，0832190，0991208）；廣西科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目（1355010－4）

林奕桐（1990－），男，廣西南寧人，大學(xué)本科，主要從事遙感技術(shù)與應(yīng)用.E－mail：drift_lin＠163.com