基于遙感的南京市冬季熱島效應(yīng)研究

梁芮涵

摘要：工業(yè)的發(fā)展往往伴隨著嚴(yán)重的熱污染問(wèn)題，城市熱島效應(yīng)對(duì)城市空氣質(zhì)量及人類健康狀況有極大的影響。為大范圍整體監(jiān)測(cè)分析，采用先進(jìn)的遙感手段，可以及時(shí)監(jiān)控地面熱場(chǎng)的分布狀況。本文利用南京地區(qū)2013年至2014年冬季Landsat 8影像，通過(guò)大氣校正法對(duì)熱紅外波段影像進(jìn)行了地表溫度反演和定量解譯。結(jié)合南京市當(dāng)日歷史氣象數(shù)據(jù)，顯示溫度反演結(jié)果具有較高可信度。反演結(jié)果顯示南京市冬季城市熱島效應(yīng)并不明顯，但工業(yè)區(qū)熱島現(xiàn)象相當(dāng)顯著，與其他部分地區(qū)溫差高達(dá)6℃。初步分析，南京市城區(qū)冬季城市熱島效應(yīng)不明顯與冬季日照較弱，以及南方城市沒(méi)有集中供暖等因素有關(guān)，工業(yè)區(qū)強(qiáng)熱島效應(yīng)與工業(yè)熱排放相關(guān)。本研究可給熱島效應(yīng)的治理及市政建設(shè)、環(huán)境保護(hù)、人居環(huán)境優(yōu)化等方面提供信息參考。

關(guān)鍵詞：熱島效應(yīng)；南京市；遙感溫度反演；Landsat 8

1 引言：城市建設(shè)造成了城市下墊面性質(zhì)變化、城市人工熱源增加和城市建筑規(guī)模膨脹，這些因素均會(huì)導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)的發(fā)生和加劇[1]。熱島效應(yīng)也稱“大氣熱污染現(xiàn)象”，是指一個(gè)地區(qū)的氣溫高于周圍地區(qū)的現(xiàn)象，中心的高溫區(qū)就像突出海面的島嶼，所以就被形象地稱為熱島。熱島效應(yīng)會(huì)影響城市空氣對(duì)流，不利于污染物的擴(kuò)散，給居民的身體健康造成危害。同時(shí)夏季時(shí)熱島效應(yīng)會(huì)加劇高溫，危害室外工作者的身體健康[2]。遙感是指應(yīng)用探測(cè)儀器，不與探測(cè)目標(biāo)相接觸，從遠(yuǎn)處把目標(biāo)的電磁波特性記錄下來(lái)，通過(guò)分析，揭示出物體的特征性質(zhì)及其變化的綜合性探測(cè)技術(shù)。搭載在衛(wèi)星平臺(tái)的遙感傳感器，可以對(duì)地球表面進(jìn)行大范圍的連續(xù)動(dòng)態(tài)觀測(cè)，為研究帶來(lái)了便利[3]。本文利用遙感手段反演南京市地表溫度，進(jìn)行南京市熱島效應(yīng)研究。

2 數(shù)據(jù)

本文選用美國(guó)陸地衛(wèi)星Landsat 8遙感數(shù)據(jù)對(duì)南京城市熱島效應(yīng)進(jìn)行地表溫度反演和定量解譯。數(shù)據(jù)選取了2013年11月5日、2013年12月1日、2014年1月2日、2014年11月8日、2014年12月4日等五個(gè)日期，成像時(shí)間為當(dāng)?shù)貢r(shí)間上午10：40左右。數(shù)據(jù)行列號(hào)為120行、38列[4]。

Landsat 8數(shù)據(jù)的共有11個(gè)波段，其中1- 7波段為可見(jiàn)光近紅外短波紅外波段，空間分辨率30米；第8波段是全色波段，空間分辨率15米；第9波段是卷云波段，空間分辨率30米；第11和12波段是熱紅外波段，波段分辨率100米，衛(wèi)星每16 天可以實(shí)現(xiàn)一次全球覆蓋。

3. 方法

本文采用方法基于大氣校正法[5]對(duì)Landsat 8 第10波段進(jìn)行大氣校正。大氣校正法首先估計(jì)大氣對(duì)地表熱輻射的影響， 然后把這部分大氣影響從衛(wèi)星傳感器所觀測(cè)到的熱輻射總量中減去， 從而得到地表熱輻射強(qiáng)度， 再把這一熱輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的地表溫度。

4. 溫度反演結(jié)果與驗(yàn)證

使用上述遙感數(shù)據(jù)與反演方法對(duì)南京市進(jìn)行地表溫度反演，反演結(jié)果如下圖所示：

*注：圖1右下中的紅點(diǎn)為南京市酒店分布圖，可粗略代表南京市城區(qū)分布。

為了驗(yàn)證南京市地表溫度反演結(jié)果的正確性，本文選取了南京市的歷史氣象數(shù)據(jù)，來(lái)進(jìn)行對(duì)比。見(jiàn)下表：

在天氣晴朗的情況下，一般每天的最低溫出現(xiàn)在凌晨1：00左右，最高溫出現(xiàn)在午后14：00左右[7]?？紤]到遙感影像的成像時(shí)間為當(dāng)?shù)貢r(shí)間上午10：30左右，通過(guò)上表對(duì)照可知，遙感影像反演的可信度較高。

5. 結(jié)論與討論

通過(guò)分析溫度反演結(jié)果，可以明顯發(fā)現(xiàn)南京市冬季熱場(chǎng)的分布區(qū)域有較強(qiáng)的規(guī)律性。比如圖像左側(cè)中上部有一條狹長(zhǎng)的低溫帶（經(jīng)考證為自然風(fēng)景區(qū)），圖像中下部及右側(cè)上部都有固定的高溫區(qū)域（經(jīng)考證為工業(yè)區(qū)）。

通過(guò)結(jié)合南京市酒店分布圖（酒店分布可大致反應(yīng)城區(qū)分布）與反演結(jié)果地面資料可知：南京市冬季城市熱島效應(yīng)較弱，但工業(yè)區(qū)熱島效應(yīng)顯著，與其他部分區(qū)域溫差最高達(dá)6℃，工業(yè)區(qū)形成島嶼狀的高溫區(qū)域，界線清晰可辨。

關(guān)于為何冬季城市區(qū)域熱島效應(yīng)較弱而工業(yè)區(qū)熱島效應(yīng)較強(qiáng)，初步分析有以下幾點(diǎn)原因：

1.冬季日照較弱，柏油路面等人工地面沒(méi)有與樹(shù)冠草地等自然地表有明顯溫差；

2.南京市屬于南方城市，沒(méi)有城市集中供暖，導(dǎo)致城市與郊區(qū)沒(méi)有明顯熱源差異；

3.隨著城市的發(fā)展，工業(yè)區(qū)外遷到城市周邊區(qū)域，而工業(yè)區(qū)域的熱排放使得在同一張影像中城市熱島效應(yīng)更不明顯；

雖然南京市城市區(qū)域的熱島效應(yīng)并不明顯，但工業(yè)區(qū)的熱島效應(yīng)顯著，生活在工業(yè)區(qū)的居民需要注意由于熱島效應(yīng)帶來(lái)的空氣污染不易消散、夏季加劇高溫等問(wèn)題。

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