中小城市地表溫度變化與下墊面關系

魏雪梅，馬衛(wèi)春，孔麗

(1.安徽省基礎測繪信息中心，合肥 230031；2.安徽省智慧城市與地理國情監(jiān)測重點實驗室，合肥 230031)

0 引言

地表溫度(land surface temperature，LST)在城市的熱環(huán)境變化、景觀格局與生態(tài)特征分析等領域都具有十分重要的研究意義[1-3]，是研究地氣間物質(zhì)和能量交換的重要參量。近年來，學者們基于遙感技術(shù)圍繞地表溫度，開展了從地表溫度反演[4-7]到成果分析和應用等眾多方面的研究工作。其中圍繞城市地表溫度變化及其與下墊面(氣候形成的重要因素，是指在熱量、動量和水汽交換過程中與大氣相互作用的地球表面)關系的定量分析就是熱點之一[8-10]。但此類研究多數(shù)都局限于大型城市，針對中小型城市的較為少見。相較大城市，中小型城市在發(fā)展的過程中往往會遇到由于局部人類活動增速過快，出現(xiàn)城市規(guī)劃和管理不符合實際需要，進而產(chǎn)生中小型城市特有的環(huán)境問題，其中就包括城市熱島問題。這類區(qū)域的地表溫度變化有何規(guī)律？地表溫度的變化與其下墊面的構(gòu)成有哪些關系？這些問題對研究區(qū)自然資源生態(tài)環(huán)境評價和城市規(guī)劃，具有重要的輔助決策作用。

本文以安徽省合肥市城區(qū)與六安市金安區(qū)為例，以Landsat-8 TIRS影像數(shù)據(jù)為基礎，對其中心城區(qū)的夏末秋初地表溫度進行反演，并結(jié)合研究區(qū)的地理國情數(shù)據(jù)，開展地表溫度與下墊面關系的定量分析，以期為中小型城市的自然資源生態(tài)環(huán)境評價和城市規(guī)劃提供科學參考。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

合肥市城區(qū)包含直轄的廬陽、包河、蜀山、瑤海四區(qū)，氣候較溫和，四季分明，雨量適中，梅雨顯著，經(jīng)濟發(fā)展速度較快；金安區(qū)為六安市的主城區(qū)，四季分明，季風明顯，雨量充沛，無霜期較長，2個地區(qū)均為發(fā)展中的中小型城市典型，且地理位置相鄰。

1.2 數(shù)據(jù)源與預處理

本研究使用的數(shù)據(jù)源主要包括：地理國情矢量和Landsat-8遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。其中，地理國情矢量數(shù)據(jù)主要為2015年地理國情普查和2017年地理國情監(jiān)測成果中的地表覆蓋數(shù)據(jù)；Landsat-8遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)包括2015年10月11日和2017年9月14日的2景熱紅外衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。

安徽省自6月起氣溫持續(xù)上升，7—9月處于高溫期，城市熱島效應明顯，選用數(shù)據(jù)源時優(yōu)先考慮6—9月影像數(shù)據(jù)，但由于2015年6—9影像數(shù)據(jù)云量較多，嚴重影響溫度反演結(jié)果，故選取了日期最為接近且天氣晴朗的10月11日影像作為數(shù)據(jù)源。

2 研究方法

2.1 地表溫度反演

選用大氣校正法反演研究區(qū)的地表溫度，該方法的基本原理：首先估計大氣對地表熱輻射的影響，然后從衛(wèi)星傳感器所觀測到的總熱輻射量中減去這部分影響，即得到地表熱輻射強度，再把熱輻射強度轉(zhuǎn)換為地表溫度[11-12]。

衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值Lλ由3個部分組成：大氣向上輻射亮度、地面的真實輻射亮度經(jīng)過大氣層之后到達衛(wèi)星傳感器的能量、大氣向下輻射到達地面后反射的能量。

衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值Lλ的表達式可寫為(輻射傳輸方程)：

Lλ=L↑+[εB(TS)+(1-ε)L↓]τ

(1)

式中：ε為地表比輻射率；TS為地表真實溫度(K)；B(TS)為黑體熱輻射亮度；τ為大氣在熱紅外波段的透過率。

溫度為T的黑體在熱紅外波段的輻射亮度B(TS)為：

B(TS)=[Lλ-L↑-τ(1-ε)L↓]/τε

(2)

TS可以用普朗克公式的函數(shù)獲?。?/p>

TS=K2/ln(K1/B(TS)+1)

(3)

對于TIRS Band10，K1、K2為常數(shù)，K1=774.89 W/(m2·μm·sr)，K2=1 321.08 K。大氣剖面參數(shù)：τ、L↑以及L↓，通過在NASA提供的網(wǎng)站(http：∥atmcorr.gsfc.nasa.gov/)中輸入影像拍攝時間以及中心經(jīng)緯度的方式獲取。

2.2 地表溫度變化與下墊面關系的定量化分析

基于地理國情數(shù)據(jù)中的地表覆蓋成果，在研究區(qū)內(nèi)，開展地表溫度變化與下墊面關系的定量化分析，主要包括：城市熱島比例指數(shù)以及下墊面與地表溫度變化關系分析。

其中，城市熱島比例指數(shù)(urban-heat-island ratio index，URI)是針對不同時相的城市熱島效應難以進行定量比較的問題提出的新觀點，即不同時相之間的城市熱島效應的對比，不能僅考慮溫度本身的高低，還要考慮構(gòu)成城市熱島的不同溫度等級占城市建成區(qū)的面積比例大小，以及它們的溫度強度對形成熱島效應的貢獻程度。

金安區(qū)耕地級別整體較高，主要是因為其屬于六安市市轄區(qū)，交通發(fā)達，路網(wǎng)密布，城鎮(zhèn)化較高，地區(qū)基礎建設完備。全區(qū)80%為中壤，土壤黏性不強，耕性較好，可耕種時間長，對肥力與水分的保持功能較好。但是其自然地力等級不高，有機質(zhì)、氮磷鉀、鋅銅硼鐵等大中微量元素含量不豐。但此次耕地定級綜合考慮自然、社會經(jīng)濟與區(qū)位因素。根據(jù)特爾斐法專家打分，社會經(jīng)濟因素與區(qū)位因素所占的比例遠大于自然因素。而這兩項正是金安區(qū)的優(yōu)勢所在。

城市熱島比例指數(shù)分析?；诜囱莸玫降牡乇頊囟?，分別獲得2個研究區(qū)的最高溫、最低溫、均溫等信息，同時分析各研究區(qū)地表溫度的空間分布特征；采用密度分級技術(shù)，對地表溫度的絕對值進行溫度分級，計算并分析城市熱島比例指數(shù)。

下墊面與地表溫度變化關系分析。分別對2個研究區(qū)2015與2017年地表溫度進行分析，統(tǒng)計各級地表溫度的面積及占比；結(jié)合地理國情地表覆蓋數(shù)據(jù)，統(tǒng)計各級溫度內(nèi)不同類型下墊面的面積及占比；根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，定量分析地表溫度變化與下墊面的關系。

3 結(jié)果分析

本次研究的下墊面共分為3類：水體、植被以及不透水面，其中不透水面指的是由各種不透水建筑材料所覆蓋的表面，如由瓦片、瀝青、水泥混凝土等材料構(gòu)成的建筑物、路面和停車場等[13]。

3.1 城市熱島比例指數(shù)分析

合肥市城區(qū)較六安市金安區(qū)，人類活動更為頻繁，據(jù)安徽省地理國情普查與監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，如表1所示，合肥城區(qū)不透水面、水體、植被的面積占比分別約為金安區(qū)的3.5倍、2倍及0.6倍。2015至2017年期間，合肥城區(qū)和金安區(qū)不透水面與水體面積占比均有小幅度提升，植被面積占比有小幅度降低。

表1 2個研究區(qū)2015和2017年不同下墊面面積占比

反演出的地表溫度情況如表2所示，合肥市城區(qū)日最高溫、均溫均高于金安區(qū)，日最低溫小于金安區(qū)，溫度的標準差大于金安區(qū)，即溫度分布的離散度較大。

表2 2個研究區(qū)2015和2017年2個時相的地表溫度統(tǒng)計特征 ℃

由于各個時相的地表溫度差異較大，直接對各個時相的地表溫度進行比較不可行。因此，采用歸一化和密度分割技術(shù)，對2個時相的地表溫度進行等級劃分，通過計算城市熱島比例指數(shù)，研究不同區(qū)域、不同時相間地表溫度的變化趨勢[14-15]。

具體步驟為：首先，對反演后的地表溫度，按照公式(4)進行歸一化處理，將地表溫度統(tǒng)一到0至1之間；然后利用密度分割技術(shù)，將歸一化后的地表溫度，采用均分的方式，劃分為極高溫、高溫、較高溫、中溫、較低溫、低溫、極低溫7個等級，對應的等級值為7至1；最后，統(tǒng)計這些等級占建成區(qū)的比例，并據(jù)此依據(jù)公式(5)計算URI。

(4)

(5)

基于上述方法，得到如表3、圖2所示的計算和圖件成果。2015年，合肥市城區(qū)的中溫區(qū)面積占全區(qū)面積比例最大，為57.223%；2017年占全區(qū)面積比例最大的區(qū)域是次高溫區(qū)，為46.046%，熱島比例指數(shù)URI由2015年的0.306 8升為了0.392 5。對于金安區(qū)而言，2015年占全區(qū)面積比例最大的區(qū)域同樣為中溫區(qū)，為80.005%；2017年占全區(qū)面積比例最大的區(qū)域是次低溫區(qū)，為43.417%，熱島比例指數(shù)由2015年的0.118降至了0.067。

合肥城區(qū)，2017年和2015年相比，極高溫、高溫與次高溫區(qū)占比的總和提升了10.804%，金安區(qū)則降低了7.244%，從而導致合肥市城區(qū)熱島比例指數(shù)升高了0.086，金安區(qū)降低了0.051。如圖1所示，自2015至2017年期間，合肥市城區(qū)的地表呈現(xiàn)增溫，金安區(qū)則呈現(xiàn)降溫。由圖1(a)、圖1(b)看出，合肥城區(qū)的極高溫、高溫及次高溫范圍小幅度增大，而金安區(qū)的極高溫、高溫及次高溫范圍則呈現(xiàn)為顯著減小，如圖1(c)、圖1(d)所示。

表3 研究區(qū)熱島比例指數(shù)及各溫度等級占本區(qū)面積比例表

圖1 研究區(qū)地表溫度分級圖

3.2 下墊面與地表溫度變化關系分析

從下墊面的角度分析，如圖2、圖3、圖4及圖5所示，合肥市城區(qū)和金安區(qū)，2015年與2017年相比，極高溫和高溫區(qū)的下墊面、不透水面的占比變化不大，穩(wěn)定在95%以上。這說明城市的高溫區(qū)主要集中在建筑物、公路、鐵路以及無植被和水體覆蓋的其他不透區(qū)域。

圖2 合肥市城區(qū)2015年各溫度區(qū)間下墊面分布圖

圖3 合肥市城區(qū)2017年各溫度區(qū)間下墊面分布圖

圖4 金安區(qū)2015年各溫度區(qū)間下墊面分布圖

圖5 金安區(qū)2017年各溫度區(qū)間下墊面分布圖

次高溫區(qū)，合肥市城區(qū)的不透水面的占比下降了25.17%，而植被的占比上升了14.77%，水體占比變化不大。金安區(qū)的不透水層和植被的占比基本保持穩(wěn)定。

中溫區(qū)，合肥市城區(qū)和金安區(qū)的植被占比和不透水面的占比均分別出現(xiàn)下降和上升的趨勢，但變化后植被占比與不透水面占比的差值，合肥市城區(qū)為7.27%，金安區(qū)為59.67%，前者顯著小于后者，水體占比變化不大。

次低溫、低溫以和極低溫區(qū)，合肥市城區(qū)和金安區(qū)，水體占比較變化不大，植被占比均小幅度降低，不透水層小幅度上升。變化后植被占比與不透水面占比的差值，合肥市城區(qū)為41.61%，金安區(qū)為90.57%，與中溫區(qū)類似，前者顯著小于后者。

4 結(jié)束語

2015年至2017年期間，合肥城區(qū)和金安區(qū)不透水面與水體面積占比均有小幅度提升，植被面積占比有小幅度降低，但2個地區(qū)的城市熱島強度變化卻不一樣，合肥市的城市熱島比例指數(shù)增大了，而六安市金安區(qū)卻減小了。

仔細對比分析2年下墊面面積占比后，發(fā)現(xiàn)六安市金安區(qū)下墊面中的植被面積占比較為穩(wěn)定，保持在80%以上，遠高于合肥市城區(qū)(2015年為52.62%，2017年為48.97%)；水體面積占比約為6%，低于合肥市城區(qū)(2015年為13.20%，2017年為13.52%)。由此得出，對于中小城市而言，植被對于緩解城市熱島效應的作用高于水體。也就是說，對于中小城市而言，在城市發(fā)展的進程中，若能保持住區(qū)域內(nèi)植被覆蓋面積高占比，即使不透水面的面積占比有所增加，人類活動區(qū)域加大，也不一定會導致城市熱島現(xiàn)象的加劇。

本研究在數(shù)據(jù)上僅選取了2期影像，不足以研究熱島變化趨勢，下一步計劃充分利用地理國情數(shù)據(jù)，細化下墊面地類，開展研究區(qū)四季的地表溫度變化與下墊面關系的定量分析，以期為城市的發(fā)展規(guī)劃提供有益的參考依據(jù)；在技術(shù)上，本文地表溫度反演使用的是傳統(tǒng)的大氣校正法，精度有待提升，下一步計劃從物理模擬和數(shù)學統(tǒng)計分析角度入手，優(yōu)化反演算法，使結(jié)果更加接近于現(xiàn)實。