寧德市蕉城區(qū)植被與熱島效應關系

李曉婷 賈寶全

摘要：文章利用1999年9月23日和2015年9月27日寧德市蕉城區(qū)TM衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，定量反演了城區(qū)的熱場和植被指數(shù)，并對城區(qū)熱場變化以及其與植被之間的關系進行了分析。結(jié)果表明：1999-2015年，平均熱場溫度升高0.43℃，城市熱場在東北部區(qū)域進一步擴大，在西南區(qū)域有所收縮：2015年與1999年相比，綠島面積增加9.44%，弱熱島、中等熱島、強熱島和極強熱島分別減少6.08%、2.66%、0.64%和0.06%，綠島面積在西南部區(qū)域擴展，弱熱島、中等熱島、強熱島和極強熱島在霍童鎮(zhèn)、扶搖鄉(xiāng)、八都鎮(zhèn)、七都鎮(zhèn)、漳灣鎮(zhèn)、涵道鄉(xiāng)、城南鎮(zhèn)區(qū)域的分布更加集中，且在赤溪鎮(zhèn)有所延伸;城區(qū)熱場強度與植被指數(shù)、地表植被蓋度等級呈顯著負相關性。

關鍵詞：熱島效應，相對亮溫，植被指數(shù)，植被蓋度，動態(tài)變化

城市化發(fā)展的目標和基礎是城市的可持續(xù)發(fā)展，而城市化可持續(xù)發(fā)展的關鍵在于城市建設與環(huán)境保護協(xié)同發(fā)展。目前，我國城鎮(zhèn)化率高速增長，政府預計到2020年全國城鎮(zhèn)化水平將會達到60%，粗放型的城市化發(fā)展致使建設用地不斷擴張，用于環(huán)境保護的生態(tài)用地被大量占壓、毀損，生態(tài)環(huán)境極度惡化，城市環(huán)境問題成為影響城市可持續(xù)發(fā)展的焦點問題，城市熱島效應是城市化快速發(fā)展帶來的最為突出的生態(tài)環(huán)境問題，嚴重影響了城市居民的生活和健康，而城市植被作為城市結(jié)構(gòu)中的自然生產(chǎn)力主體，在緩解城市熱島效應方面發(fā)揮著極其重要的作用，因此對城市植被與熱島效應關系的研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。

寧德市蕉城區(qū)是閩東中心城市，也是寧德市政府所在地。地處長江經(jīng)濟板塊與粵港大珠江經(jīng)濟板塊的融匯中心點，境內(nèi)縱行南北的沈海高速公路貫穿市區(qū)，依山而行的104國道連接浙、閩、粵等東南沿海各省，橫向延伸至內(nèi)陸諸省，坐擁廣闊的經(jīng)濟腹地，三都澳深水港已開通日本、香港的海上航線.5～15萬噸級遠洋碼頭陸續(xù)建成，給寧德市社會經(jīng)濟的發(fā)展帶來了眾多的機遇，同時也給寧德市生態(tài)環(huán)境的建設提出了新的挑戰(zhàn)，目前，全市正在開展“國家森林城市”的創(chuàng)建，各縣市積極響應。為此，本文利用遙感影像數(shù)據(jù)和GIS手段，從熱場以及熱場與地表植被蓋度的關系角度對其環(huán)境的宏觀變化情況進行分析，為未來森林城市建設的重點和空間布局提供有力支撐。

1 研究區(qū)概況

寧德市蕉城區(qū)地處福建東北的鷲峰山南麓、三都澳之濱，東與霞浦縣隔海相望，東北與福安市相連，北接周寧縣，西倚屏南縣、古田縣，南鄰羅源縣?？偯娣e1537k㎡，其中海域面積172.96k㎡。地勢西高東低，大部分地區(qū)海拔500m以上，為全國沿海地勢最高的縣區(qū)。氣候?qū)儆趤啛釒ШＱ笮约撅L氣候，年均溫19℃，年降水量2013.8mm。

蕉城區(qū)現(xiàn)轄10鎮(zhèn)、4鄉(xiāng)、2街道辦事處和1個經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，是寧德市政府所在地，是閩東的政治、經(jīng)濟、文化中心，到2015年年末，戶籍總?cè)丝?53 499人（其中農(nóng)業(yè)戶籍人口275 967人），城鎮(zhèn)建成區(qū)總?cè)丝?20 981人，公共財政收入37 980萬元，工業(yè)企業(yè)總產(chǎn)值1927966萬元。

2 研究方法

本研究選擇軌道號為119/041的1999年9月23日和2015年9月27日Landsal TM衛(wèi)星影像作為信息源，對地面亮溫、相對亮溫以及其與植被指數(shù)NDVI均值和植被蓋度分級2個指標的相關性進行分析。

2.1 地面亮溫

目前反演地面亮溫的方法通常有3種：單通道算法，單窗算法和基于影像的反演算法，且3種方法各有利弊。本研究區(qū)域范圍較小，地形差異不大，因而可以忽略大氣對輻射量的影響，選擇基于影像的反演算法。由于目前該方法已經(jīng)非常成熟，具體反演過程參見文獻6。

2.2 相對亮溫

地面亮溫是地面每一像元的溫度值，雖然其對于熱場的宏觀空間分布情況的掌握非常有用，但不能夠進行詳細的區(qū)域量化分析，而相對亮溫則可以對研究區(qū)域的熱場情況從時間和空間上的絕對差異進行衡量，具體計算公式為：

TR=（Ti-Ta）/Ta

（l）式中TR為相對亮溫：死為區(qū)域第i點的亮溫： Ta為研究區(qū)域的平均亮溫。基于相對亮溫與陸地表面溫度之間的關系將熱島強度劃分為5個等級：TR≤0，綠島;00.4，極強熱島。

2.3 植被指數(shù)

NDVI是被廣泛應用的表征植被狀況的參數(shù)。對于Landsat5而言，計算公式為：

NDVI=（B4-B3）/（B4+B3）

（2）式（2）中，B4，B3分別是TM3、TM4波段的DN值。NDVI的值被限定在[-l，1]范圍內(nèi)，在非植被區(qū)，如沙漠、水體等的NDVI值很低或為負值，一般認為其值小于0.1時植被已很稀少。

2.4 植被蓋度分級

目前植被蓋度的分級主要有4級分類法和5級分類法。本文研究區(qū)域?qū)儆谀戏匠鞘兄脖簧w度受農(nóng)田收耕、水域植被等影響較大，固采用4級分類法：fc≥75%，60%≤fc<75%，45%≤fc<60%和fc<45%。

3 結(jié)果與分析

3.1 寧德市蕉城區(qū)絕對溫度下的熱場空間分布

寧德市蕉城區(qū)1999年和2015年區(qū)域亮溫分布情況見圖1。從圖1可以看出寧德市蕉城區(qū)城市熱島空間分布具有以下3個特點：

1）城市熱島主要集中在303省道、104國道和沈海高速沿線，呈帶狀形式分布。

2）與1999年相比.2015年城區(qū)熱場強度有所增強，主要體現(xiàn)在兩方面：一方面熱場強度有所增大，表現(xiàn)為平均氣溫有所升高（從1999年的21.48℃升到2015年的21.91℃，升幅為0.43℃）.最高溫和最低溫分別比1999年提高了1.66℃和0.73℃;另一方面亮溫極差擴大，1999年極差為17.02℃.2015年為17.95℃，比1999年提高了0.93℃。

3）與1999年相比，2015年城市熱場在新厝、洋中鎮(zhèn)和石厝等西南區(qū)域以及三都鎮(zhèn)呈空間收縮態(tài)勢，而在赤溪鎮(zhèn)、霍童鎮(zhèn)、扶搖、九都鎮(zhèn)、八都鎮(zhèn)、七都鎮(zhèn)、漳灣鎮(zhèn)、涵道、城南鎮(zhèn)和飛鸞鎮(zhèn)的廣大東北部區(qū)域，熱場的空間分布則有所擴大，尤其是赤溪鎮(zhèn)、霍童鎮(zhèn)、涵道鄉(xiāng)和城南鎮(zhèn)區(qū)域熱場空間擴大極其明顯。

3.2 寧德市蕉城區(qū)相對亮溫下的熱場變化

從城區(qū)的相對亮溫來看（圖2，表1），寧德市蕉城區(qū)的熱場強度總體不高，以綠島和弱熱島占絕對優(yōu)勢，1999年其面積比例分別為44.80%和41.69%，2015年為54.25%和35.61%：其次為中等熱島，其面積比例在1999年和2015年分別為11.34%和8.68%;強熱島和極強熱島所占比例極小。從其數(shù)量和空間變化來看，2015年與1999年相比，綠島面積增加了9.44%，而弱熱島、中等熱島、強熱島和極強熱島均有所減少，分別減少了6.08%，2.66%，0.64%和0.06%，綠島面積在西南部的新厝、洋中鎮(zhèn)、石厝、飛鸞鎮(zhèn)和三都鎮(zhèn)區(qū)域大面積擴展，而弱熱島、中等熱島、強熱島和極強熱島卻更加集中的分布在霍童鎮(zhèn)、扶搖、八都鎮(zhèn)、七都鎮(zhèn)、漳灣鎮(zhèn)、涵道、城南鎮(zhèn)區(qū)域，且在赤溪鎮(zhèn)有所延伸。

3.3 寧德市蕉城區(qū)熱場與植被覆蓋關系

3.3.1 熱場與植被NDVI均值的關系

熱場與植被的關系非常密切。通過GIS中的空間分析以及統(tǒng)計工具得到相對亮溫等級內(nèi)的平均NDVI（圖3），從圖3可以看出，無論是1999年還是2015年，NDVI均值均與亮溫等級呈負相關性;從變化情況來看，2015年與1999年相比，除極強熱島以外其他各相對亮溫等級內(nèi)的NDVI均值均有所減少，減少值分別為綠島（0.1238）;弱熱島（0.1013）;中等熱島（0.1074）;強熱島（0.0491）。只有極強熱島中的NDVI均值表現(xiàn)為微量增加，增加了0.0782。這說明寧德市蕉城區(qū)熱場強度的增強與植被的退化呈正相關關系。

3.3.2 熱場強度與地表植被覆蓋等級的關系

將蕉城區(qū)1999年和2015年城市相對亮溫與植被蓋度等級在GIS中做疊置分析得到統(tǒng)計結(jié)果（表2），從表2可以看出，無論是1999年還是2015年，蕉城區(qū)相對亮溫分布區(qū)域與地表植被覆蓋等級呈顯著的負相關關系。綠島、弱熱島、中等熱島分布區(qū)域地表植被覆蓋等級均以中高覆蓋度和高覆蓋度為主，強熱島分布區(qū)域均以中覆蓋度和中高覆蓋度為主，極強熱島分布區(qū)域則均以中覆蓋度和低覆蓋度為主。

從兩年的變化情況來看.2015年與1999年相比，綠島分布區(qū)域表現(xiàn)為低覆蓋度植被和高覆蓋度植被分別增加0.22%和6.02%，中覆蓋度和中高覆蓋度植被分別減少0.7%和5.54%，植被狀況向兩極演化：弱熱島分布區(qū)域，低覆蓋度和中高覆蓋度植被分別增加0.17%和1.07%，高覆蓋度和中覆蓋度植被分別減少0.14%和1.12%;中等熱島分布區(qū)域，中覆蓋度、中高覆蓋度和高覆蓋度植被均有所減少，分別減少11.28%，8.19%，19.99%，低覆蓋度植被則增加0.53%;強熱島分布區(qū)域表現(xiàn)為低覆蓋、中覆蓋度植被分別增加0.68%，32.86%，中高覆蓋度和高覆蓋度分別減少10.72%，22.82%;極強熱島分布區(qū)域與中等熱島分布區(qū)域植被變化狀況相同表現(xiàn)為中覆蓋度、中高覆蓋度、高覆蓋度植被分別減少3.73%，3.92%，0.71%，低覆蓋度植被則增加8.35%。綜合來看，各類型熱島分布區(qū)域均表現(xiàn)出低覆蓋度植被的增加，并且植被出現(xiàn)不同程度的退化，這說明寧德市蕉城區(qū)綠島面積增加其他各類型熱島面積均減少但城市亮溫卻呈現(xiàn)升高趨勢的原因，也一定程度指示出熱場與植被變化的密切相關性。

4 結(jié)論

寧德市蕉城區(qū)熱場強度總體不高，1999年和2015年均以綠島和弱熱島占絕對優(yōu)勢，2015年與1999年相比，綠島面積增加9.44%，弱熱島、中等熱島、強熱島和極強熱島分別減少6.08%，2.66%，0.64%和0.06%，整體環(huán)境質(zhì)量有更進一步的改善。研究發(fā)現(xiàn)寧德市蕉城區(qū)熱場與植被蓋度呈顯著負相關性，綠島、弱熱島、中等熱島分布區(qū)域地表植被覆蓋等級均以中高覆蓋度和高覆蓋度為主，強熱島分布區(qū)域均以中覆蓋度和中高覆蓋度為主，極強熱島分布區(qū)域則均以中覆蓋度和低覆蓋度為主。2015年與1999年相比，蕉城區(qū)各類型熱島分布區(qū)域植被均出現(xiàn)不同程度退化。