城市化下城市熱環(huán)境與下墊面關(guān)系研究
——以鄭州市為例

裴志方， 文艷， 楊武年

(成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059)

城市化是造成城市熱島效應(yīng)的主要因素[1].隨著城市各項(xiàng)規(guī)劃的實(shí)施，我國(guó)城市化水平不斷提高，城市生態(tài)環(huán)境也隨之發(fā)生改變，很多城市不斷出現(xiàn)熱島效應(yīng)現(xiàn)象[2].城市熱島效應(yīng)對(duì)人體危害極大，因?yàn)槌鞘袩釐u中心氣溫上升，氣壓降低，與熱島周邊形成氣壓差，從而形成向熱島中心流動(dòng)的氣流，氣流流動(dòng)過(guò)程中會(huì)攜帶大量的大氣污染物如氮氧化物、碳氧化物、硫氧化物等向城市熱島中心聚集，嚴(yán)重污染城市環(huán)境并危害人體健康.此外，城市區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間的高溫也會(huì)對(duì)居民的身體健康造成潛在威脅[3].因此，城市在規(guī)劃建設(shè)中應(yīng)特別注意熱島效應(yīng).

近年來(lái)，隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，學(xué)者們利用遙感技術(shù)對(duì)城市熱島效應(yīng)進(jìn)行了大量研究，對(duì)城市規(guī)劃建設(shè)提供了一定的借鑒意義[4-5].當(dāng)下，鄭州市城市建設(shè)發(fā)展迅速，熱島效應(yīng)也日趨嚴(yán)重，已有文獻(xiàn)對(duì)此進(jìn)行了研究.吳寶軍等[6]利用遙感數(shù)據(jù)對(duì)鄭州市熱環(huán)境的空間動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了分析,并預(yù)測(cè)了未來(lái)九年的熱環(huán)境發(fā)展趨勢(shì);段金龍等[7]采用1988年與2001年遙感數(shù)據(jù)對(duì)鄭州市熱島效應(yīng)時(shí)空變化進(jìn)行了分析;從這些研究可以看出，學(xué)者們主要從時(shí)空變化角度對(duì)鄭州市城市熱環(huán)境進(jìn)行分析，對(duì)城市的規(guī)劃建設(shè)提供了一定的科學(xué)依據(jù),但目前關(guān)于鄭州市熱環(huán)境的具體分布特征沒(méi)有進(jìn)行細(xì)致研究，鄭州市熱環(huán)境與下墊面的關(guān)系也沒(méi)有進(jìn)行過(guò)詳細(xì)分析.本文基于Landsat 8數(shù)據(jù)，利用劈窗算法對(duì)鄭州市地表溫度進(jìn)行反演，并采用均值-標(biāo)準(zhǔn)差法將鄭州市熱環(huán)境分為低溫區(qū)、次中溫區(qū)、中溫區(qū)、次高溫區(qū)、高溫區(qū)五級(jí)，分析鄭州市熱環(huán)境具體分布特征，并對(duì)鄭州市植被覆蓋、不透水面與熱環(huán)境關(guān)系進(jìn)行定量分析，從而為鄭州及類似城市的規(guī)劃建設(shè)及熱島效應(yīng)防治提供借鑒依據(jù).

1 材料與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

鄭州市位于東經(jīng)112°42′-114°14′、北緯34°16′-34°58′之間，地處華北平原南部、黃河下游，是國(guó)家重要的綜合交通樞紐,屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，年均氣溫16 ℃，八月最熱，一月最冷，年均降雨量600 mm.鄭州全市總面積7 446.2 km2，其中市區(qū)面積1 057.2 km2，到2014年底，中心城區(qū)城市建成面積為392.8 km2.2016年鄭州市中心城區(qū)人口已達(dá)600萬(wàn)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，已成為中原經(jīng)濟(jì)區(qū)的核心城市.

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究數(shù)據(jù)為L(zhǎng)andsat 8數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn)，獲取時(shí)間為2015年9月14日，行列號(hào)為124/36，影像清晰，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好.Landsat 8數(shù)據(jù)有兩個(gè)熱紅外通道，分別為第10和11波段，中心波長(zhǎng)分別為10.9 μm和12.0 μm，常用來(lái)反演地表溫度.對(duì)研究數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正及大氣校正等預(yù)處理，以鄭州市中心城區(qū)即中原區(qū)、二七區(qū)、管城區(qū)、金水區(qū)和惠濟(jì)區(qū)為研究范圍進(jìn)行裁剪.

1.3 研究方法

1.3.1 劈窗算法

劈窗算法是目前較為成熟的地表溫度反演算法，適用于有兩個(gè)熱紅外波段的數(shù)據(jù)[8-9].根據(jù)前人研究[10-11]，Landsat 8數(shù)據(jù)利用劈窗算法反演地表溫度的精度比其他算法高，可進(jìn)行地表溫度反演，反演公式如下：

Ts=A0+A1T10-A2T11

式中：Ts為地表溫度(K)，T10和T11分別為L(zhǎng)andsat 8數(shù)據(jù)第10和11波段的亮度溫度(K)，A0、A1和A2是劈窗算法的參數(shù)，它們由大氣透過(guò)率和地表比輻射率所決定.由此，利用劈窗算法反演地表溫度，只需確定Landsat 8數(shù)據(jù)第10和11波段的亮度溫度、地表比輻射率及大氣透過(guò)率.

(1)亮度溫度

亮度溫度采用Planck函數(shù)公式進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

Ti=Ki,2/ln1+Ki,1/Ii

式中：Ti為第i波段的亮度溫度，Ii為第i波段處的輻射亮度.Ki,1和Ki,2是常量，可從影像文件說(shuō)明中獲得，其中K10,1=774.89 W·m-2·sr-1·μm-1，K10,2=1 321.08 K，K11,1=480.89 W·m-2·sr-1·μm-1，K11,2=1 201.14 K.

(2)地表比輻射率

地表比輻射率反映了不同物體的熱輻射性質(zhì)，研究區(qū)處于城市，地表主要由建筑物、植被及水體三種地物組成，因此，可以采用覃志豪等提出的混合像元分解法求得城市地表比輻射率[12]，計(jì)算公式如下：

εi=PvRvεi,v+1-PvRsεi,s+dε

式中：i為L(zhǎng)andsat 8數(shù)據(jù)第10和11波段，εi為i波段處的地表比輻射率，Pv為植被覆蓋度，dε為熱輻射校正系數(shù)，εi,v和εi,s分別為混合像元中植被和裸土i波段的地表比輻射率，可根據(jù)Aster提供的常用地物比輻射率光譜庫(kù)和 Landsat 8數(shù)據(jù)特點(diǎn)得出，其中ε10,v=0.986 72，ε10,s=0.967 67，ε11,v=0.989 90，ε11,s=0.977 90.Rv和Rs為典型地物的溫度比率，根據(jù)覃志豪的研究得出，典型地物的溫度比率會(huì)隨植被覆蓋度變化而變化的結(jié)論，并擬合出典型地物溫度比率和植被覆蓋率之間的公式，如下：

Rv=0.933 2+0.058 5Pv

Rs=0.990 2+0.106 8Pv

dε值可以根據(jù)sobrino[13]提出的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：當(dāng)Pv=0或1時(shí)，dε=0；當(dāng)0

(3)大氣透過(guò)率

大氣水分含量是影響大氣透過(guò)率的主要因素，一般通過(guò)大氣校正模型估算大氣透過(guò)率.根據(jù)前人研究成果[8]及研究區(qū)地理位置與數(shù)據(jù)獲取時(shí)間確定大氣水汽含量與大氣透過(guò)率關(guān)系方程如下：

τ10=-0.113 4ω+1.033 5

τ11=-0.154 6ω+1.007 8

式中：τ10和τ11分別為L(zhǎng)andsat 8第10和11波段大氣透過(guò)率，ω為大氣水汽含量(g·cm-2).τ10也可由NASA公布的網(wǎng)址(http://atmcorr.gsfc.nasa.gov)獲取的大氣剖面參數(shù)中獲得，再根據(jù)以上方程從而可以間接計(jì)算出τ11,最終確定τ10=0.87，τ11=0.784 9.

1.3.2 均值-標(biāo)準(zhǔn)差法

遙感影像中的薄霧及云層等可能對(duì)反演的地表溫度結(jié)果產(chǎn)生影響[14]，因此，采用均值-標(biāo)準(zhǔn)差法對(duì)城市熱環(huán)境進(jìn)行等級(jí)劃分，以避免其他因素影響[15-16].以μ-std、μ-0.5std、μ+0.5std、μ+std為分割點(diǎn)將研究區(qū)熱環(huán)境劃分5級(jí)，分別為低溫區(qū)(≤17.5 ℃)、次中溫區(qū)(17.5 ℃≤Ts<20.0 ℃)、中溫區(qū)(20.0 ℃≤Ts<25.0 ℃)、次高溫區(qū)(25.0 ℃≤Ts<27.5 ℃)和高溫區(qū)(Ts≥30.0 ℃)，從而更加直觀地分析城市熱環(huán)境特征(圖1).

圖1 鄭州市熱環(huán)境分布圖

2 結(jié)果與分析

2.1 城市熱環(huán)境空間特征

對(duì)城市熱環(huán)境進(jìn)行空間分析，可以直觀和定量地掌握熱環(huán)境所處的位置及范圍，為城市環(huán)境改善提供決策依據(jù).由于城市規(guī)模因素，主要以三環(huán)和四環(huán)為界限進(jìn)行分析.根據(jù)反演出的鄭州市地表溫度可以得出(圖1)，鄭州市城市熱島效應(yīng)明顯，高溫區(qū)主要集中在四環(huán)以內(nèi)，以工廠、商貿(mào)市場(chǎng)、車站和商業(yè)中心等建筑用地區(qū)域?yàn)橹?，低溫區(qū)主要集中在四環(huán)外一些河流、水庫(kù)、林地及農(nóng)用地等區(qū)域.

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，低溫區(qū)面積為162.40 km2，占城區(qū)面積的16.82%；次中溫區(qū)面積為165.08 km2，占城區(qū)面積的16.53%；中溫區(qū)面積為380.52 km2，占城區(qū)面積的36.81%；次高溫區(qū)面積為153.74 km2，占城區(qū)面積的14.78%；高溫區(qū)面積為153.26 km2，占城區(qū)面積的15.06%，鄭州市城區(qū)主要以中溫區(qū)面積最大.由城市中心向外擴(kuò)展，對(duì)城市各環(huán)線內(nèi)外溫度等級(jí)面積進(jìn)行分析(表1)，三環(huán)內(nèi)次高溫區(qū)、高溫區(qū)面積占城區(qū)面積的55.30%，主要以高溫為主；三環(huán)至四環(huán)間中溫區(qū)面積最大，以中溫為主；四環(huán)外次高溫區(qū)與高溫區(qū)面積占城區(qū)面積的22.94%，高溫面積較少，相對(duì)以低溫為主.因此，鄭州市從城市中心到城市外圍，呈現(xiàn)從高溫→中溫→低溫過(guò)渡的明顯的熱島效應(yīng).

表1 鄭州市各環(huán)線內(nèi)外溫度等級(jí)分布特征

為更進(jìn)一步分析鄭州市熱環(huán)境的分布特征，對(duì)各區(qū)內(nèi)不同溫度等級(jí)面積進(jìn)行提取并進(jìn)行分析(圖2)，中原區(qū)主要以中溫區(qū)和次高溫區(qū)為主，面積分別占21.95%和22.14%，中原區(qū)工業(yè)基礎(chǔ)雄厚，一定程度上增加了城市的熱環(huán)境，但轄區(qū)內(nèi)有賈魯河、金水河及須水河等河流，可有效緩解區(qū)內(nèi)的熱環(huán)境；二七區(qū)主要以低溫區(qū)為主，面積占26.53%，二七區(qū)西南部以丘陵為主，城市建筑較少，以低溫區(qū)為主，高溫區(qū)主要集中在三環(huán)內(nèi)；管城區(qū)主要以高溫區(qū)為主，面積占38.05%，管城區(qū)為老城區(qū)，京廣、隴海兩大鐵路交會(huì)地帶，從而呈現(xiàn)高溫；金水區(qū)主要以次高溫區(qū)為主，面積占30.42%，金水區(qū)面積較大，經(jīng)濟(jì)最為發(fā)達(dá)，商貿(mào)區(qū)較多，因而以次高溫區(qū)為主；惠濟(jì)區(qū)主要以低溫區(qū)為主，面積占43.74%，惠濟(jì)區(qū)城市建筑面積較少，農(nóng)業(yè)用地較多，因而以低溫區(qū)為主.

圖2 鄭州市各區(qū)熱環(huán)境分布特征

Fig.2 Distribution of thermal environment in each district of Zhengzhou

2.2 地表溫度與下墊面關(guān)系

下墊面主要指與大氣下層直接接觸的地球表面，包括土壤、河流、植被等，對(duì)地表氣候影響較大.城市發(fā)展建設(shè)中，植被覆蓋度與不透水面對(duì)城市熱環(huán)境影響最大，因此，本文主要對(duì)鄭州市植被覆蓋度、不透水面與城市熱環(huán)境關(guān)系進(jìn)行分析.

2.2.1 下墊面信息提取

首先，基于像元二分模型原理，利用歸一化植被指數(shù)(NDVI)對(duì)研究區(qū)植被覆蓋度進(jìn)行提取[17].其次，由于研究區(qū)處于城區(qū)，主要由植被、不透水面和少量水體組成，通過(guò)對(duì)比分析可采用ISA(Impervious Surface Area)指數(shù)對(duì)不透水面進(jìn)行提取[18-19].最后，為了更好分析植被覆蓋度、不透水面與地表溫度的相互關(guān)系，對(duì)提取的植被覆蓋度與不透水面進(jìn)行歸一化處理，使其值處于0-1之間(圖3).

圖3 鄭州市植被覆蓋度與不透水面提取結(jié)果

2.2.2 相關(guān)性分析

對(duì)地表溫度與植被覆蓋、不透水面的關(guān)系進(jìn)行定量分析，隨機(jī)選取4 980個(gè)樣點(diǎn)，分別對(duì)地表溫度與植被覆蓋、不透水面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立回歸方程(表2)，從而定量分析地表溫度與植被覆蓋、不透水面的相關(guān)關(guān)系，可以看出(圖4)，地表溫度與植被覆蓋呈高度負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.592，即地表溫度隨著植被覆蓋度增加而逐漸降低，植被覆蓋度每增加0.1，地表溫度就下降0.98 ℃；地表溫度與不透水面呈高度正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.608，即隨著不透水面指數(shù)的減少，地表溫度也逐漸降低，不透水面指數(shù)每減少0.1，地表溫度降低1.02 ℃.多元回歸分析能夠進(jìn)一步反映植被覆蓋與不透水面對(duì)城市熱環(huán)境的影響，根據(jù)多元方程，植被覆蓋度若增加0.1，不透水面指數(shù)減少0.1，地表溫度則降低1.23 ℃，因此，在增加植被覆蓋的同時(shí)減少不透水面的面積能夠更加有效地降低城市熱環(huán)境.

表2 植被覆蓋度(Fv)、不透水面(ISA)與地表溫度(Ts)的關(guān)系方程

圖4 植被覆蓋度、不透水面與地表溫度相關(guān)分析

3 結(jié)論與討論

本文基于Landsat 8數(shù)據(jù)，利用劈窗算法對(duì)鄭州市地表溫度進(jìn)行反演，反演效果符合當(dāng)日平均溫度，精度較高.研究結(jié)果表明：鄭州市呈現(xiàn)明顯的熱島效應(yīng)，中溫區(qū)面積最大，高溫主要集中在三環(huán)內(nèi)，三環(huán)與四環(huán)間以中溫為主，四環(huán)以外以低溫為主；從各區(qū)熱環(huán)境分布看，中原區(qū)以中溫區(qū)和次高溫區(qū)為主，二七區(qū)以低溫區(qū)為主，管城區(qū)以高溫區(qū)為主，金水區(qū)以次高溫區(qū)為主，惠濟(jì)區(qū)以低溫區(qū)為主；地表溫度與植被覆蓋度高度負(fù)相關(guān)，與不透水面高度正相關(guān)，在增加植被覆蓋的同時(shí)減少不透水面面積能夠有效降低城市熱環(huán)境.

目前，中國(guó)的城市化發(fā)展迅速，各項(xiàng)城市規(guī)劃建設(shè)逐步實(shí)施，城市配套設(shè)施不斷完善，在城市規(guī)劃建設(shè)的同時(shí)考慮城市生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，可以更加科學(xué)合理的建設(shè)城市，提高城市環(huán)境質(zhì)量.多項(xiàng)研究表明在城市化過(guò)程中以不透水面為主的人工地表擴(kuò)張是城市熱島效應(yīng)產(chǎn)生的關(guān)鍵因素之一，而高溫區(qū)主要集中在大型商圈、大型工廠物流區(qū)及車站等建筑密集區(qū).在今后的城市規(guī)劃建設(shè)中應(yīng)綜合考慮植被的降溫效應(yīng)與不透水面的增溫效應(yīng)，積極應(yīng)對(duì)及預(yù)防城市熱島效應(yīng)，從而促進(jìn)城市生態(tài)環(huán)境的良性發(fā)展.此外，在研究過(guò)程中，城市人口因素、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r與城市熱環(huán)境也有一定的聯(lián)系，在今后的工作中需進(jìn)一步地探討分析.