濱海城市化地區(qū)熱島效應(yīng)的遙感分析研究
——以防城港為例

謝敏，孫明，蔡建初，朱秋宇

（1.廣西氣候中心，南寧530022；2.廣西氣象減災(zāi)研究所，南寧530022；3.北海市氣象局，廣西 北海536000）

城市熱島是指城市發(fā)展到一定規(guī)模，由于城市下墊面性質(zhì)的改變、大氣污染以及人工廢熱的排放等使城市溫度明顯高于郊區(qū)，形成的類似高溫孤島現(xiàn)象[1]。2006年，國家提出廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展規(guī)劃，防城港迎來了新的發(fā)展機(jī)遇，規(guī)劃的實(shí)施極大地推動(dòng)城市的發(fā)展，由城鎮(zhèn)化所造成的下墊面條件變化對氣象環(huán)境造成的影響逐漸顯現(xiàn),對防城港市近55 年來的氣溫統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，年平均氣溫呈上升趨勢，增長率為0.177℃／10a，其中秋冬季節(jié)增溫趨勢最顯著，達(dá)到0.234℃／10a。城市熱島效應(yīng)不僅能引起城市高溫，還會(huì)增加城市的能源消耗，加劇城市中的大氣污染，影響區(qū)域氣候、城市水文、空氣質(zhì)量以及物資代謝、能量循環(huán)等諸多城市生態(tài)過程，是引發(fā)一系列生態(tài)環(huán)境問題的重要原因之一。

國內(nèi)關(guān)于城市熱島效應(yīng)的研究主要集中于沿海發(fā)達(dá)地區(qū)和大中型城市[2-11]，有關(guān)中小型城市的研究較少[12-14]；遙感反演LST 常用的方法主要有：輻射傳輸方程法、單窗算法、單通道算法以及劈窗算法。輻射傳輸方程法根據(jù)普朗克方程反演LST，物理基礎(chǔ)明確，在獲取或模擬出較準(zhǔn)確的大氣參數(shù)時(shí)，反演精度較高，借助NASA提供的大氣校正計(jì)算器，可以快速獲取反演所需的各種大氣參數(shù)，提高了該方法的應(yīng)用范圍和可操作性。

本文利用Landsat 數(shù)據(jù)及輻射傳輸方程法研究城市熱島效應(yīng)變化特征及驅(qū)動(dòng)因素。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

防城港市位于廣西南部，北部灣北岸，地理坐標(biāo)介于E107°28′～108°36′，N21°36′～22°22′之間，處在中國大陸資源豐富的大西南經(jīng)濟(jì)圈和經(jīng)濟(jì)活躍的東南亞經(jīng)濟(jì)圈的交叉結(jié)合部，是連接大西南和東南亞的海上樞紐，包括含二區(qū)、一市、一縣，即防城區(qū)和港口區(qū)、東興市及上思縣。全市山地丘陵面積占80%以上，地勢中間高，向東南和西北傾斜。防城港地處亞熱帶，氣候類型屬南亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，冬半年（10 月～次年3 月）受北方冷氣團(tuán)影響，氣候干燥少雨；夏半年（4～9 月）受南方海洋濕熱氣團(tuán)影響，氣候濕潤多雨；冬短夏長，季風(fēng)氣候明顯，氣候溫和濕潤。

1.2 數(shù)據(jù)及預(yù)處理

考慮到遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)源的一致性，本文采用Landsat 系列遙感數(shù)據(jù)：選用6 景Landsat 系列影像，所選影像均為晴朗或無風(fēng)天氣，目視效果好，時(shí)間分別為2001 年11 月17 日、2008 年11 月20 日、2015 年10 月23 日、2009 年2 月24 日、5 月31 日以及10 月6日，其中2015 年影像為Landsat8 OLI 數(shù)據(jù)。利用2001、2008以及2015年三期數(shù)據(jù)進(jìn)行熱島效應(yīng)年際變化分析；2009年三期影像進(jìn)行熱島效應(yīng)季節(jié)變化季節(jié)變化分析。

2 研究方法

2.1 地表溫度反演

本文采用輻射傳輸方程法反演LST，其計(jì)算公式為

式中：K1=607.76Wm-2sr-1um-1，K2=1 260.56 K（TM）；K1=774.89Wm-2sr-1um-1，K2=1 321.08 K（OLI）；B(TS)為普朗克黑體光譜輻亮度；Lsensor為傳感器接收到的熱紅外光譜輻射亮度；ε為地表比輻射率；Latm↓和Latm↑分別為大氣下行輻射亮度和大氣上行輻射亮度；τ為大氣透射率。

2.2 熱場強(qiáng)度計(jì)算

熱場強(qiáng)度能夠有效地反映出城市熱島的水平分布。熱場強(qiáng)度指標(biāo)，定義為遙感地表熱場的歸一化，能對一景圖像熱場分布的相對高溫、低溫范圍及位置做出判斷，其計(jì)算公式[19]為：

其中：Hi表示第i個(gè)像元所對應(yīng)的熱場強(qiáng)度；Ti為第i個(gè)像元的地表溫度；Tmin表示圖像區(qū)域地表溫度的最小值；Tmax為圖像區(qū)域地表溫度的最大值。

通過對圖像進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)，本文將防城港市熱場強(qiáng)度分為5個(gè)等級（表1）。

表1 熱場強(qiáng)度等級劃分

2.3 熱島比例指數(shù)計(jì)算

城市熱島比例指數(shù)（urban heat-island ratio index，URI）[20]是一個(gè)定量指標(biāo)，可比較不同時(shí)相、不同地區(qū)熱島強(qiáng)度大小，URI值越大，熱島效應(yīng)越嚴(yán)重。其計(jì)算公式為

式中：URI為城市熱島比例指數(shù)；m為歸一化等級；i為城區(qū)溫度高于郊區(qū)溫度等級；n為城區(qū)溫度高于郊區(qū)溫度的等級數(shù)；w為權(quán)重，為i溫度級的值。

2.4 熱島強(qiáng)度計(jì)算

地表城市熱島強(qiáng)度（surface urban heat-island intensity，UHI）[21]定義為城市LST 與郊區(qū)鄉(xiāng)村LST之差，用于反映城區(qū)溫度高于郊區(qū)鄉(xiāng)村的程度。其計(jì)算公式為

式中：UHIi為圖像中第i 像元對應(yīng)熱島強(qiáng)度；Ti為LST；n為郊區(qū)農(nóng)田內(nèi)的有效像元數(shù)；Tcrop為郊區(qū)農(nóng)田內(nèi)的LST。參照文獻(xiàn)[20]的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將熱島強(qiáng)度分為4個(gè)等級（表2）。

表2 熱島強(qiáng)度等級劃分

3 結(jié)果與分析

3.1 熱場強(qiáng)度分析

通過對比3 期熱場強(qiáng)度的影像，防城區(qū)與港口區(qū)的建成區(qū)范圍擴(kuò)張較快，特高溫區(qū)的范圍明顯增大，新增的特高溫區(qū)、高溫區(qū)主要集中在港口區(qū)沿海港口碼頭開發(fā)區(qū)域以及企沙鎮(zhèn)新擴(kuò)建的工業(yè)園區(qū)，2008～2015 年新增熱島面積尤為顯著；而防城區(qū)的變化則比較緩慢，15 年間無明顯特高溫區(qū)出現(xiàn)，這主要是因?yàn)槔铣菂^(qū)城市改造幅度較小。

通過對3期影像中高溫區(qū)及特高溫區(qū)進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)，高溫區(qū)面積分別為1.18km2，3.75 km2和9.88 km2，年均增長率為9.60%；特高溫區(qū)面積分別為0.16km2，1.38km2和2.69km2，年均增長率為26.72%。

東興市熱島新增區(qū)域與城市開發(fā)范圍一致，熱島區(qū)域均分布在新建城區(qū)范圍內(nèi)，特高溫區(qū)由老城區(qū)逐漸往城市外圍新城區(qū)轉(zhuǎn)移，低溫中溫區(qū)域隨著城市的發(fā)展面積迅速減少；老城區(qū)的發(fā)展趨勢與防城區(qū)類似，熱島增加趨勢比較緩慢。通過對3期影像中特高溫區(qū)面積統(tǒng)計(jì)，其面積分別為0.84km2，1.49 km2和4.40km2。2008～2015 年，東興市的城市特高溫區(qū)面積大幅增加，這與東興市的城市發(fā)展趨勢一致。

從2001～2008年上思縣城市建成區(qū)面積擴(kuò)張面積幾乎為老城區(qū)一倍，高溫特高溫區(qū)往城市西南方向發(fā)展，老城區(qū)的熱島變化趨勢較為平穩(wěn)，高溫區(qū)域零散狀分布，無連片區(qū)域；2008～2015 年，老城區(qū)高溫區(qū)域由點(diǎn)狀分布發(fā)展成大范圍連片分布，特高溫區(qū)無顯著增加，低溫和中溫區(qū)域面積大幅減小。從面積統(tǒng)計(jì)上看，高溫和特高溫區(qū)域面積從2001 年的0.095km2發(fā)展到2015 年的1.02km2，面積擴(kuò)大了約25.7倍。

為了更具體地反映防城港市各區(qū)市縣城區(qū)城市熱島的空間分布情況，將各區(qū)市縣的地表溫度等級面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析?？梢钥闯?，各區(qū)的高溫和特高溫區(qū)域所占比重逐年加大，其中東興市增長趨勢顯著，到2015年，城市熱島區(qū)域所占比重接近40%。

3.2 熱島比例指數(shù)發(fā)展趨勢

根據(jù)地表溫度歸一化結(jié)果，統(tǒng)計(jì)不同等級LST的面積，選取高溫和特高溫2 個(gè)等級代表城市熱島范圍。利用熱島比例指數(shù)計(jì)算公式［公式（4）］計(jì)算得到不同時(shí)期、不同區(qū)域的熱島比例指數(shù)（圖1）。熱島比例指數(shù)逐年遞增，表明防城港市熱島效應(yīng)逐年加重。其中，東興市的熱島比例指數(shù)最高，年增幅最大，表明東興市的城市熱島現(xiàn)象非常顯著；防城區(qū)和港口區(qū)的熱島比例指數(shù)與上思縣發(fā)展趨勢較為一致，2001～2008年增速較快，2008～2015年平穩(wěn)上升。

圖1 2001～2015年防城港市熱島比例指數(shù)示意圖

3.3 熱島強(qiáng)度隨季節(jié)變化趨勢

受天氣及水汽條件的影響，本文研究熱島效應(yīng)隨著季節(jié)的變化采用2009 年2 月24 日、5月31 日、10 月6 日三個(gè)時(shí)相的熱紅外遙感影像，對防城港市主要建成區(qū)的熱島強(qiáng)度進(jìn)行了遙感反演，得出2009年三個(gè)季節(jié)防城港市城市熱島效應(yīng)時(shí)空演變情況，通過分析，得出了三個(gè)季節(jié)熱島強(qiáng)度的變化。

2009 年城市熱島隨著季節(jié)變化明顯，在冬季上午11 時(shí)左右，防城港市主要建成區(qū)的城市熱島基本處于無熱島狀態(tài)，熱島不明顯，但是由于冬季汽車尾氣排放、工業(yè)生產(chǎn)的能源消耗、城市居民空調(diào)制熱等人為因素，貢獻(xiàn)了大量的熱量，使得主城區(qū)在冬季也有局部小范圍的較強(qiáng)熱島區(qū)域，強(qiáng)熱島區(qū)域幾無分布；春末夏初，各區(qū)市縣主城區(qū)基本上處于無熱島和弱熱島變化范圍，東興市的熱島強(qiáng)度出現(xiàn)明顯提升，大部分地區(qū)處于弱熱島和較強(qiáng)熱島變化范圍，其中，港口區(qū)的港環(huán)路及東灣工業(yè)園附近出現(xiàn)局部強(qiáng)熱島區(qū)域；上思縣老城區(qū)出現(xiàn)較強(qiáng)熱島區(qū)域；到了秋季，則城區(qū)的熱島效應(yīng)出現(xiàn)明顯提升。秋季城區(qū)有明顯熱島效應(yīng)的原因是人造建筑結(jié)構(gòu)如街道和建筑物一般比自然地表有較低的反照率，高層建筑林立，綠地大量減少，工業(yè)活動(dòng)旺盛，夏季普遍使用空調(diào)又增加了熱量排放，使防城港市秋季出現(xiàn)了明顯的熱島效應(yīng)。

3.4 氣溫監(jiān)測熱島強(qiáng)度發(fā)展趨勢

為了驗(yàn)證遙感反演熱島強(qiáng)度結(jié)果，本文選擇氣象觀測站實(shí)測溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。挑選港口區(qū)、防城區(qū)、東興市各一組城區(qū)與郊區(qū)站組，對同一時(shí)期城區(qū)站溫度與郊區(qū)站溫度進(jìn)行對比分析（圖2）：防城港站與公車站，計(jì)算兩站2009 年到2015 年期間溫差，7a間城區(qū)站溫度均大于郊區(qū)站，2009年至2012年溫差有逐年上升趨勢，但最近三年卻呈現(xiàn)減小趨勢；東興站與大橋村站，計(jì)算兩站2010年到2015年期間溫差得出，6a 間城區(qū)站溫度均大于郊區(qū)站，2010 年至2015 年溫差有逐年上升趨勢；防城站與茅嶺站，計(jì)算兩站2009 年到2015 年期間溫差得出，7a 間除2009 年外，城區(qū)站溫度均大于郊區(qū)站，2010 年至2015年溫差有逐年上升趨勢。

3.5 熱島效應(yīng)驅(qū)動(dòng)因素分析

3.5.1 熱島效應(yīng)與城市下墊面的關(guān)系

大量前人的研究表明：城市熱島效應(yīng)是由人為因素和地理?xiàng)l件等眾多因子的共同影響下形成的，并且地表溫度分布與下墊面性質(zhì)有著密切的關(guān)系，尤其是由于城市下墊面對城市太陽輻射的反射率小、吸收率高、儲(chǔ)熱能力強(qiáng)的熱力學(xué)特性導(dǎo)致城市溫度比郊區(qū)高。本文主要利用建筑用地、水體和植被三種指數(shù)進(jìn)行分析。利用2015 年遙感影像提取3 種指數(shù)并將其進(jìn)行歸一化；然后在整個(gè)研究區(qū)內(nèi)選取樣本點(diǎn)，利用SPASS軟件對樣點(diǎn)進(jìn)行擬合，得出LST與各種指數(shù)之間的最佳擬合方程（表3）。

從LST與NDBI的擬合方程可以看出，建筑用地指數(shù)與地表溫度成正比關(guān)系，NDBI 指數(shù)越高，建筑密度越高，其地表溫度越高,表明城鎮(zhèn)建筑對城市熱島效應(yīng)具有明顯的增溫作用；根據(jù)NDVI及MNDWI與LST 回歸方程，LST 與NDVI 及MNDWI 呈反比關(guān)系，表明植被和水體對城市熱島效應(yīng)具有明顯的降溫作用：NDVI值越高、植被覆蓋越好的地區(qū)，其LST值越低；MNDWI 值越高、水分含量高地區(qū)，其LST值越低；同時(shí)根據(jù)對擬合方程的斜率分析（植被-18.747，水體-29.982），水體對LST的影響程度高于植被。

圖2 城區(qū)站與郊區(qū)站對比圖

表3 下墊面與LST的擬合方程

圖3 防城港市社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素變化圖

3.5.2 熱島效應(yīng)與城市建設(shè)和工業(yè)發(fā)展的關(guān)系

城市熱島的發(fā)展與城市化進(jìn)程的變化息息相關(guān)，于淑秋等研究表明，城市化指數(shù)的變化與城市熱島強(qiáng)度的變化非常相似，二者具有良好的線性關(guān)系。本文通過遙感提取城市建成區(qū)范圍，收集了2001～2013年以來防城港市主要社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素：包括全市戶籍人口、民用機(jī)動(dòng)車數(shù)量、城市建成區(qū)及國內(nèi)生產(chǎn)總值，通過這四個(gè)方面分析2001年以來各個(gè)要素的變化情況（圖3）。

通過遙感提取城市建成區(qū)范圍，統(tǒng)計(jì)表明：防城港市主要建成區(qū)面積2001 年為38.1km2，2008 年為65.1km2，2011 年為132.85km2，年均增長率為9.3%。其中，防城區(qū)及港口區(qū)建成區(qū)面積2001 年為33.39 km2，2008年為54.15km2，2015年為114.78km2，15a間面積大幅增加了81.39km2，年均增長率為9.2%；建成區(qū)擴(kuò)張主要在沿海灘涂區(qū)域，包括圍海造陸、興建工業(yè)園區(qū)等。東興市的擴(kuò)展為典型的圈層式，每隔7a建成區(qū)面積擴(kuò)大1 倍，2001 年為3.6km2，2008 年為6.1 5km2，2015 年為12.13km2，年均增長率為9.1%；上思縣建成區(qū)面積2001 年為1.11km2，2008 年為4.80km2，2015年為5.94km2，2015年建成區(qū)面積約為2001 年的5.3 倍。其中，2001～2008 年上思建成區(qū)面積迅速擴(kuò)張，年均增長率為23.3%；2008～2015 年上思建成區(qū)面積增速放緩，年均增長率降低到3.1%。

從圖3 可以看出，防城港市全市戶籍人口2001年到2005年緩慢遞增，年均增長率19.9%；2005年到2010年是一個(gè)人口快速增長階段，年均增長率達(dá)到62.8%，增速為前4a的3倍；伴隨著人口的增長，全市機(jī)動(dòng)車數(shù)量也大幅增長，從2006年的1.59萬輛發(fā)展到2013年的7.17萬輛，年均增長率27.8%；全市國內(nèi)生產(chǎn)總值的變化趨勢與機(jī)動(dòng)車一致，都呈現(xiàn)快速發(fā)展的態(tài)勢：2001～2006 年緩慢遞增，從2007 年開始，國內(nèi)生產(chǎn)總值迅猛增長，年均增長率為前5a的1.5倍。

4 結(jié)語

（1）對2001、2008 及2015 三期遙感影像的年際變化分析表明：防城港市各區(qū)、市、縣的城市熱場強(qiáng)度均呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢。其中，防城區(qū)和港口區(qū)特高溫區(qū)面積年均增長26.72%；東興市特高溫區(qū)面積年均增長9.49%；上思縣特高溫區(qū)面積從2001年的0.02km2發(fā)展到2015年的0.1km2，面積顯著增加；城市熱島比例指數(shù)逐年遞增，其中，東興市的熱島比例指數(shù)最高，年均增幅最大，表明東興市的熱島效應(yīng)最為顯著。

（2）防城港市城市熱島效應(yīng)隨季節(jié)變化明顯：冬季全市基本處于無熱島狀態(tài)；春末夏初，各市區(qū)縣以無熱島和弱熱島為主；秋季，熱島效應(yīng)明顯提升，強(qiáng)熱島區(qū)域面積達(dá)到最大。

（3）氣象自動(dòng)站觀測資料分析結(jié)果與遙感數(shù)據(jù)分析結(jié)果較為一致：城區(qū)站與郊區(qū)站的溫差呈逐年遞增的趨勢。

（4）熱島效應(yīng)的主要驅(qū)動(dòng)因素包括：城市建成區(qū)的迅猛擴(kuò)張、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人口的大量遷入以及機(jī)動(dòng)車數(shù)量的爆發(fā)式增長；城市下墊面對熱島效應(yīng)的影響主要表現(xiàn)為：熱島效應(yīng)與城市用地成正比關(guān)系，城鎮(zhèn)化程度越高，建筑密度越大，地表增溫越快；熱島效應(yīng)與城市綠地和水體呈反比關(guān)系，城市植被蓋度越高，水體越多，對周邊城市熱場的降溫作用越明顯。