拉薩市主城區(qū)地表溫度動態(tài)變化分析

馮成玉，孟令斌，劉 瑞，陳 揚(yáng)

西藏大學(xué)，西藏拉薩 850000

1 概述

伴隨著城市化的發(fā)展，受到人類活動、下墊面改變等因素的影響，城市生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展受到制約。其中，較為明顯的是城市熱環(huán)境的變化和城市熱島效應(yīng)的形成，會破壞城市生態(tài)系統(tǒng)平衡，對城市的大氣環(huán)境、居民健康等產(chǎn)生惡劣影響，不利于城市社會、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1]。地表溫度作為城市熱島的關(guān)鍵因子及地表熱環(huán)境和熱島效應(yīng)研究的基礎(chǔ)，在城市熱生態(tài)領(lǐng)域的研究中備受關(guān)注[2]。

西部發(fā)展戰(zhàn)略的背景下, 拉薩市城區(qū)迅速發(fā)展，城市環(huán)境的變化及其生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展備受各界關(guān)注。研究拉薩市地表溫度的動態(tài)變化對探索城市生態(tài)環(huán)境的變化與城市的可持續(xù)變化具有指導(dǎo)意義。

2 研究區(qū)概括與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)概括

城關(guān)區(qū)隸屬于西藏自治區(qū)拉薩市，位于拉薩河中游河谷沖積平原區(qū)域，城市區(qū)域面積占10%左右。作為拉薩市的中心轄區(qū)，城關(guān)區(qū)是拉薩市城市化最高的區(qū)域，是拉薩市和西藏自治區(qū)的經(jīng)濟(jì)、政治等活動中心。由于本次研究基于城市層面，所以將城關(guān)區(qū)的城市建成區(qū)（拉薩市主城區(qū)）作為本次研究區(qū)域。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用分辨率高，適合研究城市區(qū)域的Landsat遙感影像數(shù)據(jù)，共獲取2006、2013、2020年3期同時(shí)空不同時(shí)相的遙感影像。

3 地表溫度反演

（1）采用大氣校正法實(shí)現(xiàn)地表溫度反演。大氣校正法的原理是以衛(wèi)星傳感器接收到的輻射總量為基礎(chǔ)的，減去因受到大氣影響的熱輻射量，得到真實(shí)的地表輻射總量，根據(jù)普朗克公式將地表輻射總量反演為地表溫度[3]。大氣校正法的優(yōu)點(diǎn)是該反演算法操作簡單、精確。大氣校正法對只有一個(gè)熱紅外波段的傳感器所獲取的影像反演精度高，并在反演過程中對熱紅外波段沒有任何限制[4]。

（2）在ENVI 5.3中對已預(yù)處理的影像進(jìn)行參數(shù)的計(jì)算，反演得出真實(shí)的地表溫度。

NDVI和植被覆蓋度的計(jì)算：NDVI為歸一化植被指數(shù)，由公式（1）計(jì)算得出，NDVI良好地反映了植被的生長狀況和覆蓋度狀況，可將植被與其他地表物體區(qū)分開來。NDVI也是城市下墊面伴隨著城市化發(fā)生改變的明顯反應(yīng)指標(biāo)之一，能夠反映出城市熱環(huán)境的變化。

得到歸一化植被指數(shù)后，進(jìn)一步反演得到植被覆蓋度。

分別取累計(jì)百分比最接近5%和95%時(shí)的NDVI值作為NDVIS的值和NDVIV的 值。當(dāng)NDVI大 于NDVIV時(shí)，P(V)=1，當(dāng)NDVI小于NDVIS時(shí)，P(V)=0。

比輻射率的計(jì)算：地表比輻射率是物體的輻射強(qiáng)度與相同溫度、波長的黑體輻射強(qiáng)度的比值，是地表溫度反演的關(guān)鍵參數(shù)。

黑體輻射亮度值的計(jì)算：由衛(wèi)星傳感器接收到的輻射亮度值總和公式推導(dǎo)而成。

I為傳感器接收的輻射總亮度，ε為比輻射率，TS為地物真實(shí)溫度，τ為大氣透過率，L↑為大氣上行輻射亮度，L↓為大氣下行輻射亮度，B(TS)為黑體輻射亮溫。

地表溫度反演：真實(shí)的地表溫度可由普朗克公式求得。

4 結(jié)果與分析

4.1 2006—2020年地表溫度動態(tài)變化

將反演出的3年地表溫度結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，并采用均值標(biāo)準(zhǔn)差法對研究區(qū)的地表溫度進(jìn)行等級劃分，結(jié)果見圖1。

圖1 2006—2020年拉薩市主城區(qū)地表溫度圖

各溫度等級區(qū)域的面積及變化情 況統(tǒng)計(jì)見表1

表1 拉薩市主城區(qū)各地表溫度等級面積統(tǒng)計(jì) m2

由表1可知，主城區(qū)的次中溫區(qū)、中溫區(qū)呈減少趨勢，次中溫區(qū)面積2006—2020年的變化率為-51.03%，為5個(gè)溫度等級區(qū)域面積變化率最高的區(qū)域，主要升溫為次高溫區(qū)、高溫區(qū)。中溫區(qū)在15年間變化趨于平穩(wěn)，在3年間都為面積最大的區(qū)域。低溫區(qū)、次高溫區(qū)、高溫區(qū)面積都呈增加趨勢。

將次高溫區(qū)和高溫區(qū)作為熱島區(qū)。2006—2020年，熱島區(qū)面積增加了7 967 700 m2，增長率為24.97%，直觀表明15年拉薩主城區(qū)的地表升溫現(xiàn)象。由表1可知，2006年的熱島主要分布在東郊和城區(qū)四周的山地。東郊及其周圍山地多無植被覆蓋的裸地。裸地對熱輻射的吸收和裸地地表溫度的上升速率不亞于城市下墊面，裸地也是導(dǎo)致城市升溫、熱島效應(yīng)的下墊面之一[6]。在陽光直射且地表裸露的條件下，2006年土地利用程度小的東郊及其周圍山地溫度高于草地、林地等自然下墊面較多的中心城區(qū)和西郊。2013年與2006年相比，主城區(qū)中心熱島區(qū)域大幅度增加且西郊也有一定程度的熱島區(qū)域。2020年與2013年相比，主城區(qū)中心熱島程度加深，次高溫區(qū)和高溫區(qū)區(qū)域集中分布，并且向四周擴(kuò)散，西郊和東郊熱島面積擴(kuò)大。進(jìn)一步表明主城區(qū)城市化區(qū)域隨著城市的發(fā)展逐步擴(kuò)大。

2006—2020年，低 溫 區(qū) 增 加 了2 524 500 m2，增長率為17.86%，3年的低溫區(qū)主要分布在拉魯濕地和拉薩河流域，低溫區(qū)面積的增加反映出拉魯濕地和拉薩河流域面積增加的趨勢。拉魯濕地在早年受人為活動的干預(yù)，生態(tài)環(huán)境被破壞，區(qū)域面積減少，2005年拉魯濕地被設(shè)立為國家級自然保護(hù)區(qū)，政府及相關(guān)部門加強(qiáng)對拉魯濕地的生態(tài)修復(fù)和保護(hù)，在研究結(jié)果中拉魯濕地區(qū)域低溫面積的增加一定程度上反映出拉魯濕地生態(tài)的修復(fù)和保護(hù)效果。

4.2 拉薩市地表溫度變化與城市熱島效應(yīng)形成的原因和危害

4.2.1 地表溫度變化與熱島效應(yīng)形成原因（1）城市快速擴(kuò)張，主城區(qū)下墊面的變化。作為西藏自治區(qū)的首府，拉薩市城市化的進(jìn)程迅速?；诔鞘薪?jīng)濟(jì)等各方面的發(fā)展需求，主城區(qū)規(guī)模日益擴(kuò)大，人工建筑物在城市區(qū)域中占比增加，土地利用類型向城市用地類型轉(zhuǎn)變。人工下墊面與自然下墊面的性質(zhì)差異明顯，瀝青等材料組成的下墊面對輻射的吸收率高，反射率低，當(dāng)其受到熱輻射時(shí)，地表會蓄積更多熱量，并且不易散發(fā)，使城區(qū)地表溫度升高，形成城市熱島效應(yīng)。同時(shí)，主城區(qū)日益增多的高層建筑使城市建筑密度增加，導(dǎo)致城市風(fēng)速受阻，城市產(chǎn)生的熱量不易向四周散發(fā)，城市溫度無論晝夜溫度下降速度都較緩慢。

（2）主城區(qū)人口聚集與人為熱的釋放。城市人口密集與大量人為熱的釋放是造成城市熱量集中的重要原因[7]。城市化發(fā)展的主要標(biāo)志之一就是人口密度的增加。拉薩市的常住人口數(shù)量快速增加且居民的生活質(zhì)量日益提高，人們?nèi)粘Ｉ睢⒙糜?、宗教等活動的過程中會產(chǎn)生大量的熱量，如拉薩市冬季的大規(guī)模取暖等。人類活動產(chǎn)生的大量人為熱量聚集在城區(qū)，使城區(qū)溫度上升，導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)強(qiáng)度增強(qiáng)。

（3）城市化過程中的空氣污染。在城市快速發(fā)展的過程中，人類活動還會排放大量的污染氣體。拉薩市工業(yè)產(chǎn)業(yè)形成初步規(guī)模，生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生粉塵等工業(yè)污染物；拉薩市人均擁有汽車數(shù)量居全國前位，汽車的尾氣排放成為拉薩市區(qū)主要的空氣污染源，同時(shí)拉薩全年天氣多晴朗，在大氣溫度結(jié)層穩(wěn)定、靜風(fēng)、晴朗的天氣情況下，空氣污染物不易擴(kuò)散，并懸浮在城區(qū)上空的低空層[8]。聚集在城市上空的污染氣體能阻礙城市熱能向外輻射，使城市中產(chǎn)生的熱量停留在城市區(qū)域，增強(qiáng)城市熱島效應(yīng)。

4.2.2 城市地表溫度增高與熱島效應(yīng)的危害熱島效應(yīng)會對城市的生態(tài)、居民健康等方面產(chǎn)生不同程度的危害。地表溫度的升高和熱島效應(yīng)的形成，使城市長期處于高溫狀態(tài)，易造成城市極端天氣的發(fā)生。城市熱島效應(yīng)阻礙城市大氣流動循環(huán)，使城市活動過程中產(chǎn)生的大氣污染物上升流動，聚集在城市上空。熱島效應(yīng)會直接或間接地對城市居民的健康產(chǎn)生危害，大量的醫(yī)學(xué)臨床試驗(yàn)證明, 人類所處環(huán)境溫度影響人體的機(jī)能、生理活動[9]。高于人體最佳適應(yīng)環(huán)境溫度時(shí)，人類的身體和心理都會遭到損害，也會引起人體調(diào)節(jié)系統(tǒng)的失衡，出現(xiàn)各方面的疾病。熱島效應(yīng)的加劇還會對城市的能源消耗、經(jīng)濟(jì)等產(chǎn)生消極影響，不利于城市可持續(xù)、健康發(fā)展[10]。

4.3 拉薩市城市熱島效應(yīng)的緩解措施

4.3.1 加強(qiáng)城區(qū)冷島區(qū)域的生態(tài)建設(shè)、防護(hù)本研究表明拉薩主城區(qū)的冷島區(qū)域集中在拉薩河流域和拉魯濕地。拉薩河和拉魯濕地區(qū)域及周邊的地表溫度低于城市建筑密集區(qū)。濕地、水的熱容量比人工下墊面大，水在蒸發(fā)過程中也可以吸收大量的周圍熱量[11]。由此可見，加強(qiáng)對拉薩河和拉魯濕地的生態(tài)建設(shè)是調(diào)節(jié)城市熱環(huán)境的重要舉措。在此基礎(chǔ)上，可以開發(fā)新的人工河、人工湖等，構(gòu)建拉薩城區(qū)河網(wǎng)系統(tǒng)，擴(kuò)大水體面積，以達(dá)到城市降溫效果。

4.3.2 強(qiáng)化城市綠化綠色植物的蒸騰等作用能高效吸收環(huán)境的熱量，每公頃綠地每天從周圍環(huán)境中吸收熱量的作用相當(dāng)于189臺空調(diào)的制冷作用。強(qiáng)化城市綠化是降低地表溫度，減緩城市熱島效應(yīng)的有效措施之一。基于拉薩的地貌地形及土地利用程度，強(qiáng)化綠化有以下幾種辦法。首先，可以在城區(qū)周圍的山地開展植樹造林活動，形成環(huán)城綠色屏障。其次，擴(kuò)大城區(qū)的綠化面積，打通拉薩市的綠色廊道，豐富綠色植物的垂直結(jié)構(gòu)。考慮城市建筑密集，還可以引進(jìn)綠色屋頂先進(jìn)的城市綠化技術(shù)，在建筑屋頂進(jìn)行綠化，可以減少建筑物對熱輻射的吸收，降低建筑物溫度，一定程度上擴(kuò)大城區(qū)綠化面積，減少拉薩市陽光直射的影響。

4.3.3 倡導(dǎo)綠色出行隨著拉薩經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和居民生活質(zhì)量的提高，拉薩市人均車輛位居全國前列，私家車成為拉薩市居民主要的出行交通方式，產(chǎn)生的尾氣等加劇城市熱島效應(yīng)。因此，應(yīng)提倡綠色的出行方式、建立發(fā)達(dá)便捷的共享系統(tǒng)、公共交通系統(tǒng)、建設(shè)新能源汽車配套設(shè)施。

5 結(jié)束語

本研究表明2006—2020年，主城區(qū)次高溫區(qū)和高溫區(qū)面積增加25%左右，在空間上，城市建成區(qū)的次高溫區(qū)和高溫區(qū)由城區(qū)中心的零散分布演變?yōu)槌菂^(qū)中心的集中分布并向城郊擴(kuò)散。城區(qū)熱島效應(yīng)的增強(qiáng)和地表溫度的上升主要受人口增加、城區(qū)下墊面的改變、大氣污染的影響。對于裸地的升溫效應(yīng)和城市熱環(huán)境的影響未進(jìn)行深入分析，未來將對山地城市的裸地升溫效應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步探討。關(guān)于主城區(qū)地表溫度動態(tài)變化的分析對拉薩市城市熱島效應(yīng)的緩解和城市的可持續(xù)發(fā)展具有一定的參考意義。