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].隨著城市各項規(guī)劃的實施，我國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)對人體危害極大，因為城市熱島中心氣溫上升，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的氣流，氣流流動過程中會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)域長時間的高溫也會對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，隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，學(xué)者們利用遙感技術(shù)對城市熱島效應(yīng)進(jìn)行了大量研究，對城市規(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)對此進(jìn)行了研究.吳寶軍等[6]利用遙感數(shù)據(jù)對鄭州市熱環(huán)境的空間動態(tài)變化進(jìn)行了分析,并預(yù)測了未來九年的熱環(huán)境發(fā)展趨勢;段金龍等[7]采用1988年與2001年遙感數(shù)據(jù)對鄭州市熱島效應(yīng)時空變化進(jìn)行了分析;從這些研究可以看出，學(xué)者們主要從時空變化角度對鄭州市城市熱環(huán)境進(jìn)行分析，對城市的規(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)系也沒有進(jìn)行過詳細(xì)分析.本文基于Landsat 8數(shù)據(jù)，利用劈窗算法對鄭州市地表溫度進(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，分析鄭州市熱環(huán)境具體分布特征，并對鄭州市植被覆蓋、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，經(jīng)濟發(fā)展迅速，已成為中原經(jīng)濟區(qū)的核心城市.

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)為Landsat 8數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn)，獲取時間為2015年9月14日，行列號為124/36，影像清晰，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好.Landsat 8數(shù)據(jù)有兩個熱紅外通道，分別為第10和11波段，中心波長分別為10.9 μm和12.0 μm，常用來反演地表溫度.對研究數(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Landsat 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率.

(1)亮度溫度

亮度溫度采用Planck函數(shù)公式進(jìn)行計算，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]，計算公式如下：

εi=PvRvεi,v+1-PvRsεi,s+dε

式中：i為Landsat 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和 Landsat 8數(shù)據(jù)特點得出，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)驗公式進(jìn)行計算：當(dāng)Pv=0或1時，dε=0；當(dāng)0

(3)大氣透過率

大氣水分含量是影響大氣透過率的主要因素，一般通過大氣校正模型估算大氣透過率.根據(jù)前人研究成果[8]及研究區(qū)地理位置與數(shù)據(jù)獲取時間確定大氣水汽含量與大氣透過率關(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Landsat 8第10和11波段大氣透過率，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)差法對城市熱環(huán)境進(jìn)行等級劃分，以避免其他因素影響[15-16].以μ-std、μ-0.5std、μ+0.5std、μ+std為分割點將研究區(qū)熱環(huán)境劃分5級，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、車站和商業(yè)中心等建筑用地區(qū)域為主，低溫區(qū)主要集中在四環(huán)外一些河流、水庫、林地及農(nóng)用地等區(qū)域.

經(jīng)統(tǒng)計，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.由城市中心向外擴展，對城市各環(huán)線內(nèi)外溫度等級面積進(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，對各區(qū)內(nèi)不同溫度等級面積進(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；惠濟區(qū)主要以低溫區(qū)為主，面積占43.74%，惠濟區(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城市熱環(huán)境影響最大，因此，本文主要對鄭州市植被覆蓋度、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，通過對比分析可采用ISA(Impervious Surface Area)指數(shù)對不透水面進(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，隨機選取4 980個樣點，分別對地表溫度與植被覆蓋、不透水面進(jìn)行統(tǒng)計分析，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減少不透水面面積能夠有效降低城市熱環(huán)境.

目前，中國的城市化發(fā)展迅速，各項城市規(guī)劃建設(shè)逐步實施，城市配套設(shè)施不斷完善，在城市規(guī)劃建設(shè)的同時考慮城市生態(tài)環(huán)境問題，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.多項研究表明在城市化過程中以不透水面為主的人工地表擴張是城市熱島效應(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，在研究過程中，城市人口因素、經(jīng)濟發(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.