紅沙核電站周邊區(qū)域地表熱環(huán)境反演研究

黃梅花 童新華 韋燕飛

（1、南寧師范大學(xué) 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣西 南寧530001 2、南寧師范大學(xué) 自然資源與測(cè)繪學(xué)院，廣西 南寧530001）

熱島效應(yīng)隨著城市化的推進(jìn)而不斷加劇，成為了影響城市環(huán)境問(wèn)題的因素之一。近年來(lái)，遙感技術(shù)的快速發(fā)展為城市熱環(huán)境研究提供了一種新方法，基于遙感圖像數(shù)據(jù)，可以對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行大規(guī)模的熱環(huán)境分析[1]。Kim、潘欣等[2-8]多位不同的研究者，分別采用聚類分析算法等多種研究方法，對(duì)國(guó)內(nèi)外多個(gè)城市進(jìn)行熱環(huán)境研究，各研究表明，熱環(huán)境的分布與地理位置、時(shí)間緊密相關(guān)，受下墊面類型、季節(jié)、人類生產(chǎn)建設(shè)等因素影響。

核技術(shù)的快速發(fā)展給人類社會(huì)帶來(lái)巨大的便捷，同時(shí)也帶來(lái)了許多問(wèn)題[5]。本文以紅沙核電站周邊區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，利用2003 年到2018 年獲取的Landsat TM/ETM/OLI 數(shù)據(jù)，結(jié)合單窗算法對(duì)研究區(qū)陸域及海域進(jìn)行時(shí)空熱環(huán)境反演，觀察研究區(qū)時(shí)空植被覆蓋度變化，研究其地表熱環(huán)境現(xiàn)狀及分布特征，為后期紅沙核電站的建設(shè)以及城市規(guī)劃提供有效的學(xué)術(shù)支撐，同時(shí)，對(duì)保護(hù)北部灣海洋生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定也具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)域選定于防城港紅沙核電站及其周邊區(qū)域，位于 地 理 坐 標(biāo)108° 22'23″ E-108° 46'48″ E，21° 31'24″N-21°48'11″N 的區(qū)域范圍內(nèi)。研究區(qū)分布著柳鋼防城港鋼鐵基地、大西南臨港工業(yè)園區(qū)等大型工業(yè)、欽州港經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)、紅沙核電站廠、商業(yè)基地，是一個(gè)受人類開(kāi)發(fā)活動(dòng)影響較大的區(qū)域。紅沙核電站位于廣西壯族自治區(qū)防城港市港口區(qū)光坡鎮(zhèn)紅沙村，是少數(shù)民族地區(qū)建設(shè)的首個(gè)核電站[8]。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法：

根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況，選取了覆蓋研究區(qū)的3 期Landsat ETM/OLI 美國(guó)NASA 陸地衛(wèi)星作為數(shù)據(jù)源，獲取時(shí)間分別為2003 年1 月15 日、2014 年1 月21 日、2018 年2 月1 日。

2.1 地表比輻射率

利用ENVI5.1 依次計(jì)算NDVI 和PV 指數(shù)，并考慮城鎮(zhèn)和水體2 種地表類型，如下：

式中，NIR 表示近紅外波段；R 表示紅光波段；在像元統(tǒng)計(jì)結(jié)果中分別選取NDVI 極大值為95%，極小值為5%。ε、εV 分別表示地表比輻射率和植被比輻射率，εi 為裸露地表比輻射率（取0.960），dε 表示地表幾何分布及內(nèi)散射效應(yīng)。

2.2 地表輻射亮溫計(jì)算

將Landsat 影像的熱紅外波段像元灰度值轉(zhuǎn)換為輻射強(qiáng)度值，并計(jì)算出相應(yīng)的輻射亮溫值。公式如下:

式中的Lλ、DN 分別表示地表的熱輻射強(qiáng)度值和熱紅外波段的灰度值，gain、offset 表示波段增益系數(shù)和偏移系數(shù)。Lmin表示傳感器可探測(cè)到的最小輻射亮度，Lmax表示傳感器可探測(cè)的最大輻射亮度[6]，Tb表示Landsat 熱紅外波段的像元輻射亮溫值，K1、K2為常數(shù)。

2.3 大氣透射率τ 的估計(jì)

大氣透射率τ 通過(guò)NASA 官網(wǎng)（https://atmcorr.gsfc.nasa.gov/）上查詢獲取，利用大氣校正參數(shù)計(jì)算器計(jì)算得出大氣透射率分別為τ2003=0.75，τ2014=0.60，τ2018=0.84。

2.4 大氣平均作用氣溫的估計(jì)

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的條件下，平均大氣溫度與表面溫度存在一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，其表達(dá)式為：

表達(dá)式中T 表示地面平均溫度。

2.5 地表溫度反演

地表溫度的計(jì)算，可根據(jù)上述計(jì)算出的數(shù)據(jù)，結(jié)合單窗算法模型得出表達(dá)式（9），反演出地表溫度在不同時(shí)刻的地表溫度值：

式中，Ts 表示地表溫度真實(shí)值；Ta 表示大氣平均作用溫度（K）；Tb 表示像元輻射亮溫值（K）；C 和D 為中間變量，其中C=ε×τ，D=（1-τ）［1+（1-ε）τ］；a 和b 為變量系數(shù)，取值為a=-67.355351、b=0.458606。Ε 為熱紅外波段的地表比輻射率值，τ 為大氣透過(guò)率值。

3 結(jié)果與分析

3.1 熱環(huán)境格局分布特征

3.1.1 熱環(huán)境空間分布特征

本文對(duì)地表溫度進(jìn)行密度分割，可看出地表溫度不同范圍分布情況，如圖1，可以看出2003 年整體地表溫差不大，熱環(huán)境相對(duì)均衡穩(wěn)定，溫度值主要集中在7℃-19℃之間；2014 年研究區(qū)陸域和海域的地表熱環(huán)境差異明顯，其中高溫區(qū)主要分布在柳鋼防城港鋼鐵基地、大西南臨港工業(yè)園區(qū)、紅沙核電站廠、欽州港經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)的部分裸地及建成區(qū)等區(qū)域，這些地區(qū)平均氣溫高達(dá)25℃以上。由于城市化的建設(shè)，植被區(qū)遭到破壞，各類廠區(qū)基地面積逐年增長(zhǎng)，但綠化面積未能及時(shí)填充，成為導(dǎo)致氣溫升高的原因之一；2018 年研究區(qū)陸域與海域地表熱環(huán)境差異較小，其中地表最低溫主要分布于海陸過(guò)渡區(qū)域。地表高溫區(qū)與2014 年高溫區(qū)大致相同，溫度較2014 年低得益于對(duì)紅樹(shù)林海岸的修復(fù)以及加大對(duì)城市“綠地建設(shè)”的投入，有效的緩解建設(shè)用地的氣溫。

圖1 地表溫度密度分割結(jié)果圖

總體上可以看出，近15 年來(lái)，高溫地區(qū)均集中在工業(yè)區(qū)、建成區(qū)等植被較為稀少的區(qū)域。而在林地、山地等植被覆蓋的區(qū)域，溫度則在15-20℃之間浮動(dòng)。在部分沿海區(qū)域，紅樹(shù)林得到有效的保護(hù)，熱環(huán)境較為緩和，體現(xiàn)了建立紅樹(shù)林保護(hù)區(qū)的顯著成效。

3.1.2 熱環(huán)境等級(jí)分布特征

為了更直觀地表現(xiàn)氣溫分布情況，本文對(duì)研究區(qū)的地表溫度熱力等級(jí)進(jìn)行劃分。對(duì)于LST 而言，采用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法對(duì)進(jìn)行處理，可使不同時(shí)期的LST 數(shù)據(jù)具有較好的可比性，公式為：

式中：Ni 代表第i 個(gè)像元標(biāo)準(zhǔn)化后的值；Tmin代表LST 的最小值；Ti 代表第i 個(gè)像元的LST 值；Tmax代表LST 的最大值。結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況，可將地表溫度劃分為5 個(gè)等級(jí)，分別為高溫區(qū)、次高溫區(qū)、中溫區(qū)、次低溫區(qū)和低溫區(qū)。其中，高溫區(qū)和次高溫區(qū)被定義為城市熱島區(qū)域。

經(jīng)分析，2003 年地表溫度整體相對(duì)平穩(wěn)，結(jié)合上訴地表溫度密度分析，該時(shí)期的地表溫度整體在7℃-19℃之間，海岸線周邊，溫度則在次低溫區(qū)；2014 年，高溫區(qū)則集中在柳鋼防城港鋼鐵基地、大西南臨港工業(yè)園區(qū)、紅沙核電站廠、欽州港經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)的部分裸地及建成區(qū)等區(qū)域，大部分則處于次低溫區(qū)，約在19℃左右；2018 年沿海大部分地區(qū)則演變成低溫區(qū)，由于近年來(lái)沿海紅樹(shù)林等植被得到有效保護(hù)，使得沿海溫度有下降的趨勢(shì)，而研究區(qū)西部的大西南臨港工業(yè)園區(qū)、西北部的南蛇頭嶺工業(yè)園區(qū)、及東部的圈海養(yǎng)殖等區(qū)域的周邊地區(qū)演變成次高溫和高溫區(qū)，這是由于這類產(chǎn)區(qū)的擴(kuò)建，使得建設(shè)性用地面積上升，周邊綠化面積下降，導(dǎo)致溫度升高。

3.1.3 熱環(huán)境區(qū)域演變情況

由于人為的干預(yù)，研究區(qū)部分地區(qū)在15 年間發(fā)生了不小的變化。部分地區(qū)從2003 年氣溫緩和的低溫區(qū)，演變成2018 年的高溫區(qū)，主要表現(xiàn)在柳鋼防城港鋼鐵基地、大西南臨港工業(yè)園區(qū)等工業(yè)區(qū)及建成區(qū)，這些地區(qū)植被遭到嚴(yán)重破環(huán)，異軍突起成為了氣溫較高的高溫區(qū)。而在沿海紅樹(shù)林地區(qū)，由于近年來(lái)建立起自然保護(hù)區(qū)，由原來(lái)的次高溫區(qū)演變成為次低溫區(qū)，氣溫趨向緩和。除此之外，部分地區(qū)由于城市化的進(jìn)程，人類活動(dòng)也使小部分發(fā)生了溫度等級(jí)變化，如填海造陸、海上養(yǎng)殖、退耕還林、人造公路等，都會(huì)引起溫度等級(jí)的變化。

3.2 植被覆蓋時(shí)空分布特征

根據(jù)歸一化植被指數(shù)計(jì)算得出各時(shí)段的植被覆蓋分布情況。經(jīng)分析，2003 年至2018 年植被變化不大，大部分地區(qū)處于植被覆蓋中、高水平。但從局部分析，近十五年間，研究區(qū)中北區(qū)、西南部以及西部地區(qū)植被覆蓋率明顯下降，由于臨港工業(yè)園區(qū)、南蛇頭嶺工業(yè)園區(qū)等廠區(qū)的建立及擴(kuò)張，植被覆蓋率急劇下降，從而影響周邊地區(qū)熱量的吸收與擴(kuò)散，導(dǎo)致該地區(qū)溫度上升；除此之外，部分沿海地區(qū)建立起自然保護(hù)區(qū)，植被得到有效保護(hù)，植被覆蓋率有所上升，進(jìn)而使周邊地區(qū)溫度下降，如西南部沿海地區(qū)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)研究區(qū)2003、2014、2018 三個(gè)時(shí)段的熱環(huán)境反演研究分析，得出以下結(jié)論：

研究區(qū)低溫區(qū)、次低溫區(qū)主要分布在水域、山林等區(qū)域，這類地區(qū)均在15℃以下；而高溫區(qū)、次高溫區(qū)多處于人類活動(dòng)較為頻繁的建成區(qū)。

2003 年到2014 年間溫度變化較大，上升趨勢(shì)明顯，主要原因在于沿海地區(qū)大量紅樹(shù)林不斷被破壞，以及城市建設(shè)用地急速擴(kuò)張，導(dǎo)致地表溫度不斷升高。該年段出現(xiàn)負(fù)值主要是受影像云量的影響，導(dǎo)致的偏差。2014 年出現(xiàn)較高的溫度值主要受干旱氣候的影響。

2014 年到2018 年間溫度下降趨勢(shì)明顯，主要原因在于國(guó)家注重生態(tài)環(huán)境修復(fù)與保護(hù)，加大了綠色建設(shè)的投入，努力修復(fù)沿海紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)，使得該區(qū)域的地表溫度有所下降。