西寧市城市化進(jìn)程與熱島效應(yīng)關(guān)系的研究

王占青++王釗齊++王軻

摘要：以2000～2010年Landsat 5 TM 影像數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，利用線性光譜混合分析法、熱傳導(dǎo)方程法和歸一化植被指數(shù)（NDVI）研究了青海省西寧市土地利用變化、地表溫度（LST）、植被指數(shù)分布圖，分析了西寧市城市化進(jìn)程對(duì)LST、NDVI的影響。結(jié)果表明：西寧市10年間植被轉(zhuǎn)變?yōu)樗w、裸露地和人工表面用地的面積分別達(dá)到0.18 km2、0.84 km2和18.91 km2；反之，水體轉(zhuǎn)換為植被的僅有0.04 km2。西寧市10年間平均LST升高了1.1℃，在空間上，LST呈增加趨勢(shì)的面積為339.74 km2，占研究區(qū)總面積的99.88%。在植被方面，NDVI總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，增加面積為241.77 km2，占研究區(qū)總面積的71.03%。并且不同地物類型LST變化情況不同，其中交通用地、工業(yè)用地、灌木綠地、居住地的LST升高最快，10年間分別升高了1.43℃、1.42℃、1.32℃和1.23℃，而溫度變化較緩慢的是河流綠地，溫度升高了0.77℃。說明城市植被用地大面積改變?yōu)槠渌斯び玫厥浅鞘袩釐u效應(yīng)形成的主要影響因素。

關(guān)鍵詞：城市化；地表溫度；植被歸一化指數(shù)；熱島效應(yīng)

中圖分類號(hào)：X16

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16749944（2017）12001505

1引言

目前，國(guó)內(nèi)外許多利用熱紅外遙感對(duì)城市熱島效應(yīng)的研究都有較大的進(jìn)展[1]。國(guó)外利用遙感進(jìn)行城市熱島效應(yīng)的研究起步較早，主要有針對(duì)熱島效應(yīng)形成機(jī)制的研究，使用大氣模型對(duì)城市熱島的研究以及熱島效應(yīng)對(duì)大氣影響的研究等[2～4]。

國(guó)內(nèi)對(duì)熱島效應(yīng)的研究始于20世紀(jì)80年代，起初主要是對(duì)北京、上海、廣州等大都市的基于氣象學(xué)的城市熱島效應(yīng)觀測(cè)和分析研究，迄今為止已有多個(gè)城市開展過基于遙感的城市熱島效應(yīng)研究，研究主要包括：從宏觀角度定性或定量地進(jìn)行熱島效應(yīng)分布與強(qiáng)度分析、變化監(jiān)測(cè)、熱島效應(yīng)與植被指數(shù)或土地覆蓋類型的相關(guān)性等的研究[5～13]?？梢?，近年來國(guó)內(nèi)外城市熱島的研究成果很豐富，未來利用遙感技術(shù)來進(jìn)一步研究城市熱島效應(yīng)的各類問題仍將是一個(gè)十分重要的方向。

隨著城市的快速發(fā)展，西寧市城市規(guī)模日益擴(kuò)大，城市人口密集、工廠及車輛排熱、居民生活用能的釋放、城市建筑結(jié)構(gòu)及青藏高原下墊面特性的綜合影響，對(duì)城市氣候和土地類型有深遠(yuǎn)的影響，使得熱島問題日益突出，并引發(fā)了一系列的環(huán)境問題。城市熱島還在一定程度上影響城市空氣濕度、云量、降水、生物等，這些使城市氣候及環(huán)境受到極大的影響，也給城市的可持續(xù)發(fā)展帶來阻礙[14，15]。

因此，開展對(duì)西寧市城市化進(jìn)程與熱島效應(yīng)關(guān)系的研究是非常必要的，這對(duì)緩解熱島強(qiáng)度，合理規(guī)劃土地利用類型，改善人居環(huán)境都具有十分重要的作用。

2研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

2.1研究區(qū)概況

研究區(qū)西寧市是青海省的省會(huì)，地處青藏高原河湟谷地南北兩山對(duì)峙之間（研究區(qū)位置見圖1），是青海省政治、經(jīng)濟(jì)、文化、科技、交通中心和主要工業(yè)基地。西寧市是青藏高原第一大城市，2014年末西寧市常住人口達(dá)229.07萬人，城鎮(zhèn)化率達(dá)到68.61%，特別是城鎮(zhèn)人口增長(zhǎng)顯著，與10年前的2014年相比，人口城鎮(zhèn)化率提高10.19%。

在西部大開發(fā)政策的帶動(dòng)下，西寧逐步向國(guó)際化的大都市發(fā)展，而城市快速發(fā)展的同時(shí)也帶來一系列的環(huán)境問題。

2.2數(shù)據(jù)來源

從青海省生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)中心購(gòu)買數(shù)據(jù)，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和解譯，分析西寧市城市化進(jìn)程與熱島效應(yīng)的關(guān)系。

3研究方法

本項(xiàng)目利用西寧市2000～2010年（10年）不同時(shí)期的Landsat 5 TM 影像，通過ArcGIS， ENVI軟件分析西寧市熱島效應(yīng)相對(duì)強(qiáng)度空間分布以及植被指數(shù)分布，并結(jié)合變化分析、GIS分析、對(duì)比與相關(guān)性分析等方法具體研究了西寧市城市化進(jìn)程與熱島效應(yīng)之間的關(guān)系，旨在為城市合理布局，改善環(huán)境狀況提供基本依據(jù)[16～19]。

4結(jié)果與分析

4.1地表溫度（LST）時(shí)空動(dòng)態(tài)變化

本研究基于Landsat-TM和ETM+遙感影像，對(duì)其熱紅外波段（10.4～12.5 μm）進(jìn)行預(yù)處理，利用熱輻射傳輸方程反演地表溫度（LST），并分析其時(shí)空動(dòng)態(tài)變化。分析結(jié)果顯示：西寧市2000～2010年LST呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，其中2001、2003、2006、2007和2009為溫度谷點(diǎn)，其中最高溫出現(xiàn)在2010年，其次為2008年，兩年的溫度分別為37.85℃和33.61℃，10年間平均LST升高了1.1℃（圖2）。LST的空間變化如圖3所示，其中LST呈增加趨勢(shì)的面積為339.74 km2，占研究區(qū)總面積的99.88%，主要分布在城西區(qū)、城北生物園區(qū)和東部經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)。LST呈減少趨勢(shì)的面積僅為0.63 km2，位于海湖新區(qū)外緣地帶、城北區(qū)外緣地帶以及城東區(qū)外緣地帶。溫度增加的面積主要分布在主城區(qū)和城市的中心地帶，變化較明顯的趨勢(shì)是：主城區(qū)溫度高于西寧市周邊地區(qū)。LST變化的顯著性檢驗(yàn)如圖4所示，無顯著變化（Not Significant Change）面積為185.35 km2，顯著增加（Significant Increase，0.01

4.2歸一化植被指數(shù)（NDVI）時(shí)空動(dòng)態(tài)變化

西寧市2000～2010年歸一化植被指數(shù)（NDVI）時(shí)空動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)如圖5所示。總體上研究區(qū)內(nèi)NDVI呈增加趨勢(shì)，該指數(shù)越大表示植被覆蓋度越大。NDVI變化趨勢(shì)的空間分布如圖6所示，其中，NDVI呈增加趨勢(shì)的面積為241.77 km2，占研究區(qū)總面積的71.03%，主要分布在海湖新區(qū)外緣以外地帶、城北區(qū)最外緣地帶，城東區(qū)部分外緣地帶，植被的增加有利于熱島效應(yīng)的降低。呈減少趨勢(shì)的面積為98.61 km2，占研究區(qū)面積的28.97%，主要分布在城西區(qū)、城北區(qū)、東部經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)。NDVI變化趨勢(shì)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果將變化趨勢(shì)分為以下5個(gè)等級(jí)，NDVI變化顯著性水平如圖7所示，呈極顯著減少（Extremely Significant Decrease， ESD， Slope < 0， P < 0.01）趨勢(shì)的面積為3.91 km2，顯著減少（Significant Decrease， SD， Slope < 0， 0.01 < P < 0.05）面積為9.24 km2。其中，308.70 km2的面積無顯著變化（Not Significant Change， NSC， Slope = 0），顯著增加 （Significant Increase， SI， Slope > 0， 0.01 < P < 0.05） 面積為15.24 km2，極顯著增加（Extremely Significant Increase， ESI， Slope > 0， P < 0.01） 面積達(dá)到3.28 km2。

4.3LST與NDVI相關(guān)性分析

本研究利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)（Pearson correlation coefficient）分析兩變量LST與NDVI之間的相關(guān)性關(guān)系，得出LST與NDVI之間存在很好的相關(guān)關(guān)系，圖8是西寧市LST與NDVI相關(guān)性分析圖。極顯著的正相關(guān)（extremely significant positive correlation，ESPC） 面積為10.78 km2，顯著正相關(guān)（significant positive correlation，SPC） 面積為19.35 km2，弱正相關(guān)（weak positive correlation，WPC） 面積為223.53 km2，極顯著負(fù)相關(guān)（extremely significant negative correlation，ESNC） 面積為85.42 km2，顯著負(fù)相關(guān)（significant negative correlation，SNC） 面積為0.42 km2，弱負(fù)相關(guān)（weak negative correlation，WNC） 面積為0.09 km2，兩者呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，負(fù)相關(guān)的面積是正相關(guān)面積的2.85倍，即植被覆蓋度越高，城市地表溫度越低，可見植被覆蓋度會(huì)影響城市的地表溫度，說明地表溫度和植被指數(shù)的變化對(duì)于城市熱島的形成和發(fā)展產(chǎn)生了重要影響，且城市內(nèi)部綠地植被在緩解熱島效應(yīng)方面有顯著作用。

4.4土地類型變化及LST特征

2000～2010年西寧市土地類型和不同地物類型平均地表溫度發(fā)生了明顯的變化。結(jié)果表明：西寧市2000～2005年土地利用變化趨勢(shì)是：植被轉(zhuǎn)換為了水體、裸露地和人工表面，轉(zhuǎn)化的面積分別為0.37 km2、0.84 km2和15.23km2；0.02 km2的水體轉(zhuǎn)換為了植被（圖9）；2005～2010年3.68 km2植被轉(zhuǎn)換為了人工表面，0.22 km2的水體轉(zhuǎn)換為了植被用地（圖10）；2000～2010年大量的植被用地轉(zhuǎn)換為了水體、裸露地和人工表面用地，面積分別為0.18 km2、0.84 km2和18.91 km2，0.04 km2水體轉(zhuǎn)換為植被用地（圖11、表1、表2、表3）。然而土地類型的變化又影響著平均地表溫度（表4），其中交通用地、工業(yè)用地、灌木綠地、居住地的平均LST變化最明顯，分別升高了1.43℃、1.42℃、1.32℃和1.23℃。而溫度變化較緩慢的是河流綠地，溫度升高了0.77℃。說明植被用地轉(zhuǎn)換為人工表面是平均地表溫度升高的最主要原因，西寧市主城區(qū)溫度有較高的氣溫增幅，更多來源于城市化發(fā)展的結(jié)果，也是導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)的主要因素。

5討論與結(jié)論

（1）西寧市2000～2010年10年間平均地表溫度（LST）整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，平均溫度升高了1.1℃。城西區(qū)中心地帶、城北生物園區(qū)和東部經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的溫度變化比較明顯，也是溫度變化面積較大的區(qū)域，增加的面積達(dá)到339.74 km2，占研究區(qū)總面積的99.88%。

（2）西寧市2000～2010年10年間歸一化植被指數(shù)（NDVI）總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，增加趨勢(shì)滿足線性方程：y=0.0028x-5.5559，R2=0.0201，增加趨勢(shì)的面積為241.77 km2，占研究區(qū)總面積的71.03%，主要分布在海湖新區(qū)外緣以外地帶、城北區(qū)最外緣地帶，城東區(qū)部分外緣地帶。

（3）西寧市2000～2010年10年間土地類型發(fā)生了變化，其中大量的植被用地轉(zhuǎn)換為了水體、裸露地和人工表面用地，面積達(dá)到0.18 km2、0.84 km2和18.91 km2，水體轉(zhuǎn)換為植被的面積為0.04 km2。10年間不同地物類型平均地表溫度變化趨勢(shì)不同，其中交通用地、工業(yè)用地、灌木綠地、居住地的平均地表溫度升高最快，分別升高了1.43℃、1.42℃、1.32℃和1.23℃，而溫度變化較緩慢的是河流綠地，溫度升高了0.77℃。

（4）從西寧市2000～2010年10年間LST、NDVI、土地類型和不同地物的地表溫度變化趨勢(shì)得出：主城區(qū)溫度升高的主要原因是大量植被用地被開發(fā)為其他類型的人工用地，從而導(dǎo)致城區(qū)大面積的溫度高于郊區(qū)，即城市化進(jìn)程中大量的植被用地轉(zhuǎn)化為人工用地是導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)的主要原因。說明，城市效應(yīng)對(duì)西寧市氣候產(chǎn)生了一定的作用，在很大程度上，溫度增高貢獻(xiàn)率與過去10年間西寧市所經(jīng)歷的變化發(fā)展，城市功能、綜合實(shí)力以及城市形態(tài)和環(huán)境面貌等發(fā)生巨大變化有一定的關(guān)系。

（5）西寧市是河谷型城市，熱島效應(yīng)的加劇會(huì)給城市整體帶來危害，包括城市上空云、霧增加，有害氣體、煙塵在市區(qū)上空積累的現(xiàn)象加劇，進(jìn)而影響城市環(huán)境質(zhì)量和市民身體健康。我們應(yīng)該采取措施，利用各種技術(shù)，嚴(yán)格控制城市的建設(shè)和發(fā)展，加大綠化效力，使城市發(fā)展和生態(tài)文明可持續(xù)發(fā)展模式相一致，城市熱島效應(yīng)的程度和危害就會(huì)降低。

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A Study on the Relationship between Urbanization Process and Heat Island Effect in Xining City

Wang Zhanqing1， Wang Zhaoqi2， Wang Ke3

（1. Ecological Environment Engineering College， Qinghai University， Xining 810016， China； 2. Department of Ecology School of Life Science， Nanjing University， Nanjing 210023， China； 3. Hutai Middle School， Xining 810000， China

）

2017年6月綠色科技第12期

Abstract： This article studied the change of the land use， the surface temperature （LST） and vegetation index distribution in Xining city， Qinghai province with Landsat TM image data in 2000 ～ 2010 as data sources， using linear spectral mixture analysis， heat conduction equation method and the normalized difference vegetation index （NDVI）. It analyzed the influence that the urbanization on LST and NDVI in Xining city. The results showed that the area that vegetation changed into water， bare land and artificial surface land is 0.18 k ㎡， 0.84 k ㎡ and 18.91 k ㎡respectively in the past 10 years in Xining city； On the other hand， the area that water is converted to vegetation is only 0.04 k ㎡. The average LST increased 1.1 ℃ within 10 years in Xining. The LST showed a trend of increase in space and the area is 339.74 k ㎡accounting for 99.88% of the total area of the study area. Over all NDVI showed a trend of increase in vegetation and the area is 241.77 k ㎡ accounting for 71.03% of the total area of the study area. And the change of the LST is different among different terrain types， among which the LST of traffic land， industrial land， shrub green space， place of residence increases fastestwith 1.43 ℃， 1.42 ℃， 1.32 ℃ and 1.23 ℃， respectively during 10 years. The temperature change of river green space is relatively slow， which increased by 0.77 ℃. It indicated that the change of large area of land used for urban vegetation into other artificial land use is the main effect factor of urban heat island effect.

Key words： urbanization； the surface temperature； NDVI； heat island effect