典型喀斯特城市的熱島時(shí)空變化及其成因分析

陳炫熾，陳 蓉，廖 瑤，吳愈鋒，王躍躍

(1. 貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025； 2. 貴州省生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心，貴州 貴陽 550025)

喀斯特即巖溶，是水對(duì)可溶性巖石(碳酸鹽巖、石膏、巖鹽等)進(jìn)行以化學(xué)溶蝕作用為主，流水的沖蝕、潛蝕和崩塌等機(jī)械作用為輔的地質(zhì)作用，以及由這些作用所產(chǎn)生的現(xiàn)象的總稱。

熱島效應(yīng)(heat island effect)是指一個(gè)地區(qū)的氣溫高于周圍地區(qū)的現(xiàn)象，主要有城市熱島效應(yīng)和青藏高原熱島效應(yīng)兩種。城市熱島效應(yīng)(urban heat island effect),就是因城市化的發(fā)展,導(dǎo)致城市中氣溫高于外圍郊區(qū)的現(xiàn)象，其出現(xiàn)可能會(huì)危害人體健康、加劇大氣污染、造成局部地區(qū)的自然災(zāi)害、導(dǎo)致氣候與物候失常。

對(duì)于城市熱島效應(yīng)的研究一直是一個(gè)熱點(diǎn)，遙感技術(shù)以其本身范圍廣、速度快、效率高的優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的應(yīng)用：文獻(xiàn)[1—2]提出利用Landsat影像進(jìn)行地表溫度(land surface temperature，LST)反演的各種算法，有效地提高了遙感影像反演地表溫度的精度；文獻(xiàn)[3]用兩期Landsat TM影像分析了蘇州地區(qū)18年的熱島時(shí)空變化及其與土地覆蓋變化的關(guān)系；文獻(xiàn)[4]等利用Landsat 8數(shù)據(jù)對(duì)成都市中心城區(qū)熱島效應(yīng)的時(shí)空變化及其與下墊面的關(guān)系進(jìn)行了分析。

本文選擇貴州省典型喀斯特城市——安順市的老城區(qū)西秀區(qū)為研究區(qū)，使用基于影像的反演算法，利用RS、GIS及統(tǒng)計(jì)學(xué)的各種手段定量分析其熱效應(yīng)的時(shí)空變化和造成這些變化的原因，為其他喀斯特城市的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)及治理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

安順市西秀區(qū)位于貴州省中部腹地，貴陽市以西為90 km，為安順市政府所在地，是安順市政治、經(jīng)濟(jì)、科技和文化中心，平均海拔高度在1102～1694 m，全境海拔高度為560～1500 m，具有山岳氣候的典型特征。屬典型的高原型濕潤亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，年平均降雨量為1360 mm，年平均氣溫為14℃，歷史最高氣溫為34.3℃，最低氣溫為-7.6℃，年平均相對(duì)濕度為80%，年平均風(fēng)速為2.4 m/s，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，氣候溫和宜人。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

研究使用的三期Landsat影像均下載于美國地質(zhì)勘探局(United States Geological Survey，簡(jiǎn)稱USGS)的數(shù)據(jù)共享網(wǎng)站(http:∥glovis.usgs.gov/)，分別接收于1989年2月15日(Landsat TM)、2003年3月2日(Landsat ETM+)和2018年3月3日(Landsat OLI)的3個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，含云量極低，影像質(zhì)量良好；對(duì)Landsat影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、影像裁切等預(yù)處理后得到研究區(qū)3期影像圖。氣象數(shù)據(jù)下載于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)。

2 研究方法

2.1 地表溫度反演算法

本文選擇基于影像的反演算法[5]，當(dāng)研究區(qū)范圍較小且無云的條件下，大氣的影響程度在空間上可以近似地認(rèn)為一致，因而不需衛(wèi)星過境的實(shí)時(shí)大氣剖面數(shù)據(jù)或采用大氣模型進(jìn)行大氣校正[6]。在實(shí)時(shí)大氣參數(shù)不可得時(shí)，基于影像算法的反演精度在以上條件下與單窗算法接近，而反演過程要比單窗算法和單通道算法等簡(jiǎn)便得多。該模型公式為

(1)

A=hc/ρ=1.438×10-2

(2)

式中，T為地表溫度(K)；ε為地表比輻射率；λ為熱紅外波段的中心波長(zhǎng)；A為常數(shù)；h為Planck常數(shù)；c為光速；ρ為Boltzmann常數(shù)。

2.2 CART決策樹分類算法

地表比輻射率的計(jì)算結(jié)果決定了地表溫度反演的精度，各類地物由于其物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同的原因，其地表比輻射率也不相同?？λ固氐貐^(qū)地物分布復(fù)雜且破碎，而CART決策樹(classification and regression tree，CART)分類算法對(duì)于類型復(fù)雜多樣、分布界限模糊、光譜混淆與混合像元現(xiàn)象嚴(yán)重的河流濕地等濕地類型具有更好的鑒別能力[7-8]。使用CART算法對(duì)3期影像進(jìn)行分類，誤差較小(見表1)，分類結(jié)果滿足研究需求。

表1 CART決策樹算法分類精度

為便于后續(xù)分析，根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況，如圖1將3期影像分類結(jié)果中的裸土與建筑合并為不透水面，植被和陰影合并為綠地。

各地物純凈像元的地表比輻射率可根據(jù)文獻(xiàn)[9]的研究成果計(jì)算得到，對(duì)于包含不同地類的混合像元，使用文獻(xiàn)[10]針對(duì)這種情況提出改進(jìn)的地表比輻射率計(jì)算模型

(3)

式中，ε自、ε城、ε裸分別為自然地表、城鎮(zhèn)地表和裸土地表的比輻射率；PV為植被覆蓋度，可基于像元二分法進(jìn)行反演，公式為

(4)

在像元二分法模型中，NDVIS和NDVIV分別為裸土(或無植被覆蓋區(qū)域)和全植被覆蓋區(qū)的NDVI值。二者的大小會(huì)因植被類型的不同而出現(xiàn)時(shí)間和空間上的變化，因此需要利用影像分類結(jié)果中不同地物的掩膜影像進(jìn)行計(jì)算。

RV、RB、RS分別為植被、建筑、裸土的溫度比率，文獻(xiàn)[10]根據(jù)各地表類型的溫度差異進(jìn)行模擬，給出公式為

(5)

式中，εV、εS、εB分別為純凈植被、裸土、建筑的地表比輻射率；dε包括自然表面的幾何分布和內(nèi)部反射的影響，當(dāng)?shù)乇硐鄬?duì)平整時(shí)，dε一般取0；本文研究區(qū)為山區(qū)，高差較大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿ε[11]為

在醫(yī)學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)教學(xué)全部完成后，利用課間進(jìn)行調(diào)查，采用無記名、自填問卷、當(dāng)場(chǎng)回收方式開展調(diào)查。由醫(yī)學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)教師發(fā)放問卷，組織學(xué)生填寫。問卷內(nèi)容包括個(gè)人基本信息、對(duì)醫(yī)學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)教學(xué)效果的評(píng)價(jià)、各章節(jié)教學(xué)內(nèi)容難易度評(píng)價(jià)、個(gè)人學(xué)習(xí)效果自我評(píng)價(jià)及教學(xué)建議。

(6)

2.3 相關(guān)分析法

使用相關(guān)系數(shù)r計(jì)算緩沖區(qū)內(nèi)各地物類型面積占總面積百分比x與平均地表溫度y之間的相關(guān)性，計(jì)算公式如下。

設(shè)有n對(duì)x與y的數(shù)值，則有

(7)

式中，當(dāng)rxy>0時(shí)，x與y呈正相關(guān)，當(dāng)rxy<0時(shí)，x與y呈負(fù)相關(guān)；|rxy|≤1，值越大說明x與y的相關(guān)性越高，計(jì)算得到的回歸直線越符合數(shù)據(jù)變化的趨勢(shì)：|rxy|<0.3，為弱相關(guān)；0.3≤|rxy|<0.5，為低相關(guān)；0.5≤|rxy|<0.8，為顯著相關(guān)；0.8≤|rxy|≤1，為極顯著相關(guān)。

3 結(jié)果與分析

3.1 地表溫度反演結(jié)果

選取安順市氣象站溫度數(shù)據(jù)作為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證，對(duì)比結(jié)果見表2。

表2 地表溫度反演數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果

如圖2將反演得到的地表溫度用基于均值和標(biāo)準(zhǔn)差的分級(jí)方法[12]分為低溫、次低溫、中溫、次高溫、高溫區(qū)等5級(jí)。該方法分級(jí)更客觀、在城市熱島研究中表現(xiàn)較好。

從圖2中可以看出：

(1) 從空間上來看，與非喀斯特地區(qū)的熱島效應(yīng)不同，3個(gè)時(shí)期主城區(qū)以外的某些區(qū)域均存在大量高溫區(qū)，這是喀斯特地區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境形成的大量裸巖分布造成的。

(3) 2018年時(shí)，主城區(qū)的熱島現(xiàn)象幾乎完全消失，這一異常熱效應(yīng)需要進(jìn)一步分析。

3.2 熱效應(yīng)分析

3.2.1 熱效應(yīng)與地物類型的關(guān)系

為避免主城區(qū)異常熱效應(yīng)的影響，根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)[13]，利用ArcGIS 10.4.1對(duì)整個(gè)研究區(qū)從中心處選擇以210 m為步長(zhǎng)，逐步移除的方式建立多個(gè)緩沖區(qū)，逐漸削弱直至移除中心區(qū)可能造成的影響。整個(gè)研究區(qū)總計(jì)46個(gè)框型緩沖區(qū)，根據(jù)3個(gè)時(shí)期的地表溫度反演結(jié)果和地物類型分布圖，統(tǒng)計(jì)各緩沖區(qū)內(nèi)平均地表溫度(mean LST)、綠地占地百分比、不透水面占地百分比，并分別對(duì)平均地表溫度和不透水面占地百分比、平均地表溫度和綠地占地百分比進(jìn)行相關(guān)性分析，所得結(jié)果見表3。

表3 各類地物面積占比與平均地表溫度相關(guān)性分析結(jié)果

從表3可以看出，3個(gè)時(shí)期的不透水面面積占比與平均地表溫度均呈極顯著負(fù)相關(guān)，而綠地面積占比與平均地表溫度則呈極顯著正相關(guān)。

3.2.2 熱島消失成因分析

對(duì)于2018年安順市主城區(qū)出現(xiàn)的無明顯的城市熱島情況，從分類結(jié)果展示的地物覆蓋類型上看，該區(qū)域主要分布為城市建筑群，理應(yīng)出現(xiàn)與2003年類似的密集高溫區(qū)。為排除2018年反演結(jié)果的偶然性，對(duì)2016年2月10日研究區(qū)landsat OLI影像進(jìn)行溫度反演，結(jié)果如圖3所示，與2018年影像反演結(jié)果類似，研究區(qū)主城區(qū)熱島現(xiàn)象幾乎完全消失，證明2018年研究區(qū)出現(xiàn)的熱效應(yīng)不是偶然的。

根據(jù)前人研究，當(dāng)出現(xiàn)異常熱效應(yīng)時(shí)，考慮可能由該區(qū)域氣象因素[14-15]或城市形態(tài)因子[16](建筑密度、平均建筑高度等)造成。故收集3期影像同天的氣象數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)各氣象因子(風(fēng)向、氣壓、氣溫、降水量、相對(duì)濕度等)在3個(gè)時(shí)間點(diǎn)相差很小，即氣象環(huán)境類似，可以排除氣象因素的影響。對(duì)比該區(qū)域2016年8月8日與近10年前2007年9月5日digital globe高分影像，發(fā)現(xiàn)主城區(qū)整體城市形態(tài)變化不大，但城市綠化情況顯著改善。

于是，從研究區(qū)中心處起，統(tǒng)計(jì)2003年與2018年兩期影像前4個(gè)緩沖區(qū)范圍內(nèi)的平均NDVI，結(jié)果見表4。

表4 2003年與2018年中心區(qū)域平均NDVI對(duì)比

從表4可以看出，2018年研究區(qū)主城區(qū)中心處的平均NDVI約為2003年的2倍之多，說明相比2003年，2018年研究區(qū)主城區(qū)的綠化情況有很大程度的改善。

根據(jù)以上分析，結(jié)合媒體報(bào)道和《安順市創(chuàng)建國家園林城市工作方案》《安順市城市綠化管理辦法》等文件，可以認(rèn)為研究區(qū)中心處明顯得到緩解的城市熱效應(yīng)是安順市政府近年來大力開展城市綠化、環(huán)境治理工作的成果，文獻(xiàn)[17—18]也提出過類似的觀點(diǎn)。

4 結(jié) 語

本文選擇典型喀斯特區(qū)域安順市西秀區(qū)為研究區(qū)，利用Landsat TM/ETM+/OLI遙感影像，使用基于影像的溫度反演算法，建立緩沖區(qū)對(duì)研究區(qū)近30年城市熱島效應(yīng)進(jìn)行定量分析，得出以下結(jié)論：

(1) 喀斯特城市的熱島現(xiàn)象與其他城市類型不同，受地形地貌的影響，主城區(qū)以外的某些區(qū)域同樣分布有一定面積的高溫區(qū)。

(2) 研究區(qū)近30年熱效應(yīng)均與不透水面面積存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與綠地面積存在極顯著正相關(guān)關(guān)系。

(3) 從1989—2003年，研究區(qū)的城市熱島面積隨著主城區(qū)面積的擴(kuò)大呈擴(kuò)張趨勢(shì)，這種趨勢(shì)符合我國當(dāng)前城市發(fā)展所帶來的環(huán)境問題的狀況。

(4) 2018年研究區(qū)的熱效應(yīng)與1989年和2003年不同，其主城區(qū)熱島現(xiàn)象幾乎完全消失，在排除氣象因子與城市形態(tài)因子影響的可能后，發(fā)現(xiàn)這應(yīng)為安順市政府大力推進(jìn)城市綠化、環(huán)境治理工作所取得的成果。

綜合本文結(jié)論，對(duì)于喀斯特城市的熱環(huán)境監(jiān)督與治理來說，城市綠化工作的大力推進(jìn)是卓有成效的，對(duì)于其他喀斯特山區(qū)城市具有借鑒意義，值得宣傳、效仿。