不同地表覆盖类型对城市热岛效应的影响探究

　　1 引言
　　城市热岛效应是指城市气温明显高于周边郊区气温的现象，其效应强弱可用热岛强度表示。城市热岛效应是由于人口密集、产业集中形成市区温度高于郊区的现代城市小气候现象，它不仅是一种大气热污染现象，也是城市环境不可缺少的重要组成部分，被认为是最典型的城市气候特征之一。随着城市规模的不断扩大以及城市化进程的加快，城市热岛效应越来越显著。城市热岛不仅使人容易高温中暑，使城市能耗增加，而且还会因为城市热岛的热力作用，形成所谓的城市热岛复合环流，造成从郊区吹向市区的局地风，把市区已扩散到郊区的污染大气又送回市区，加剧城市的大气污染。目前城市热岛效应严重制约着人们的日常生活和城市的可持续发展，如何有效的缓解城市热岛已成为近年来国内外研究的热点，研究城市热岛效应的形成机理、变化特征、影响因素以及演变规律可为城市的可持续发展提供一定的理论指导。
　　19 世纪初，Lake Howard 首次提出城市热岛概念，指出伦敦城区气温高于郊区气温；1972年 Rao 首次利用热红外遥感数据研究城市热岛现象；Callo 等人于 1993 年利用 NOAA 卫星遥感数据研究城市热岛对最低气温升高的影响。目前，气温和地表温度都成为了研究城市热岛效应的有效手段。地表温度是反映城市热岛效应的一个重要指标，传统的地表温度研究主要利用气象资料或实测数据进行对比研究，但由于站点空间分布不均以及受观测条件的限制，无法全面反映整个地区的温度状况。随着卫星遥感技术的发展，利用卫星遥感影像数据研究城市热岛也成为当前的一种趋势，它可以大范围的监测其变化趋势及空间分布，具有监测时相多，监测范围广，资料同步性好，数据易于分析等优点，为研究城市热岛效应提供了便利。
　　本文以石家庄市区为研究区域，利用 2004 年 8 月 30 日、2008 年 7 月 16 日、2010 年 8月 15 日 Landsat-5 TM 卫星遥感影像数据，采用单窗算法对研究区进行地表温度反演，利用地面实测 0cm 地表温度数据对算法的可靠性进行了验证。以反演得到的地表温度为基础，探讨石家庄市城市热岛时空分布规律以及变化特征，结合地表覆盖类型分析研究不同地表类型对城市热岛的影响情况。最后，定量分析石家庄城区一定规模的水体和绿地对周边热环境的影响，并利用缓冲区技术对影响范围进行了定量估算。该项研究可以为石家庄市城市建设和土地合理规划提供一定的理论依据和技术指导。
　　2 研究区概况及数据源
　　2.1 研究区概况
　　本文选取石家庄市区作为研究区域。石家庄市地处河北省中南部，太行山东麓，位于北纬 3727 3847，东经 11330 11520之间。石家庄属于温带半湿润半干旱大陆性季风气候，太阳辐射的季节性变化显著，四季分明。近年来，由于城市工业化进程加快，使得城市绿地越来越少，城市下垫面结构发生改变，城市工业、交通运输和居民向大气中排放的人为热和废热日益增加，城郊之间某些气象要素已出现明显差异，城市热岛效应愈发显著。通过研究石家庄城市热岛效应，可以掌握气候对城市环境发展的相互作用规律，对石家庄城市建设、城市规划、大气污染治理、能源利用、提高城市气象预报、城市灾害防御和生态平衡的改善等方面都具有重要的意义，也可以为今后的城市规划提供一定的理论依据和技术支撑。
　　2.2 数据介绍
　　本文所用的遥感影像数据为晴空无云条件下 2004 年 8 月 30 日 11：32 时、2008 年 7 月16 日 10：50 时、2010 年 8 月 15 日 10：51 时过境的石家庄市 Landsat-5 TM 数据，数据由国家科学数据服务平台提供（http://datamirror.csdb.cn/）。其覆盖石家庄市区的影像图条带号/行编号（轨道号）为 124/34。Landsat-5 TM 影像包含 7 个波段，波段 1-5 和波段 7的空间分辨率为 30m，波段 6（热红外波段）的空间分辨率为 120m。南北的扫描范围大约为170km，东西的扫描范围大约为 183km…研究中通过运用最邻近算法将第 6 波段（热红外波段）的120m分辨率影像重采样到30m分辨率。
　　3 反演算法及精度验证
　　3.1 单窗算法
　　早在 20 世纪 60 年代初期发射 TIROS-Ⅱ以来，学者们就用卫星遥感数据反演地表温度。70 年代以后，越来越多的遥感数据被应用于地表温度反演，如 MODIS、AVHRR、TM/ETM+等，针对不同数据特点，国内外专家学者陆续提出了一系列反演地表温度的算法，如单窗算法、分裂窗算法以及多通道算法等。单窗算法主要是针对当时只存在一个热红外波段的 TM 数据提出来的。相对于多通道算法而言，单窗算法的优点在于只需要一个热红外波段就可以进行地表温度的反演。单窗算法是由覃志豪在 2001 年提出，根据地表热辐射传导方程，把大气和地表的影响直接包含在演算公式里，取得了较好的结果。
　　3.2 算法精度验证
　　本研究采用单窗算法反演了石家庄地区 2010 年 8 月 15 日 10：51 时的地表温度，反演结果如图 2 所示（空白处为数据缺失区域）。为了验证算法的精度，本文利用 0cm地表温度观测数据（实测值）为参照值与反演结果（反演值）进行比较分析，验证数据为 2010 年 8月 15 日 11：00 时 0cm地表温度整点数据。可以看出，反演值整体低于实测值，这可能是因为两者的采集时间有一定的偏差，并且未对遥感影像进行大气精校正处理等原因造成的；反演值与实测值的绝对差值相差不大，基本可以控制在 2 以内，误差在可以接受的范围内，表明利用 Landsat5 TM 数据采用单窗算法反演石家庄地区地表温度是可行的，算法精度足以满足本项研究的需要。
　　4 石家庄城市热岛效应分析
　　4.1 城市热岛时空分布分析
　　利用本文所用单窗算法反演 2004 年 8 月 30 日、2010 年 8 月 15 日石家庄市地表温度，用反演得到的地表温度研究石家庄城市热岛时空分布规律及变化特征（结果见图 3a、图 3b）。对比图 3a 和图 3b 发现，两幅图中的石家庄市区均存在明显的城市热岛效应，2010 年比 2004年热岛范围明显扩大，从中心向东西方向呈现逐渐扩张的空间特征。城区中心温度明显高于周边郊区温度，从城区中心到郊区温度值逐渐降低，呈辐射状分布。沿东西走向有条长长的高温带，这与石家庄市区目前的实际情况相吻合，同时与石家庄城市发展趋势基本保持一致；图 3a 虚线椭圆框大致可以代表 2004 年石家庄市区热岛中心，很容易看出，该区域温度明显高于市区其他区域，对比图 3b 发现，2010 年在同一区域（图 3b 虚线椭圆框）出现一个低温带，该区域热岛效应得到明显地缓解。经过调查得知，近年来石家庄旧火车道绿化改造，在该区域（新胜利大街）已经改造成一条绿色长廊。可见，提高城市绿化面积可以有效地改善城市热岛效应；图 3a 实线椭圆框为滹沱河，是石家庄市政府近年来倾力打造的一项工程，对比发现，滹沱河经过改造后成效显著，河道蓄水后使得河道及周边地表温度得到明显降低。可见，水体的增加也可以使得城市热岛效应得到有效地缓解；从图 3b 还可以得出，地表温度最高值出现在城区中心，为 49.3 ，最低温度为 23.6 ，为滹沱河水体，绿地次之。在水体和绿地分布密集的区域地表温度值偏低，在一定程度上说明水体和绿地的增加是减缓城市热岛的有效途径之一。
　　4.2 不同地物类型对城市热岛的影响
　　为了研究不同地表类型对地表温度的影响，本文将研究区域的地表类型分为城区建筑、村落/乡镇、城区绿地、农田、水体（滹沱河）等五种类型，在同一地表类型下随机选 3 个点取平均值作为该地表类型的地表温度值。通过统计分析得出：①五种地表类型的地表温度高低顺序依次为：城区建筑村落/乡镇城区绿地农田水体。②与城区建筑相比，滹沱河水体温度平均偏低 10-16 左右，城区绿地温度平均偏低4-9 左右,水体对周围环境具有十分明显的降温效果，并且水体的降温作用比绿地的降温作用显著。③将地表温度图与植被指数图对比发现，地表温度随着植被覆盖率 NDVI的增大而减小，两者存在很好的负相关性，其相关系数 R2=0.71，在某种程度上说明了植被覆盖率低是导致城市热岛效应的原因之一。可以推断，在城区科学合理的增加植被覆盖有利于石家庄城市热岛效应的缓解。
　　经分析发现，水体和绿地地表温度值明显低于城区建筑，一定规模的水体和绿地可以改善周边热环境。为了定量分析水体和绿地对周边环境的影响，本文选用 2008 年 7 月 16 日10：50 时 Landsat5 TM 数据，选定城区公园内水体以及城区绿地作为研究对象，采用缓冲区技术估算城区水体、绿地的影响范围。标出了所选水体、绿地的地理位置，图 7 为本研究所选取具有代表性的公园水体及城区绿地。
　　5 结论
　　本文选用 Landsat-5 TM 高分辨率卫星遥感影像数据利用单窗算法反演地表温度，研究石家庄市区城市热岛效应。分析了石家庄城市热岛时空分布规律以及不同土地覆盖类型对城市热岛的影响，并针对石家庄城区一定规模的水体和绿地对周边热环境的影响范围进行了定量的分析。大致可以得出如下结论：
　　（1）石家庄市区存在明显的城市热岛效应，2010 年比 2004 年热岛范围明显扩大，从中心向东西方向呈现逐渐扩张的空间特征，从中心到郊区温度值逐渐降低，呈辐射状分布。这与近年来石家庄城市发展趋势基本保持一致。
　　（2）在石家庄城区水体和绿地分布密集的区域以及周边区域地表温度值偏低，形成一定范围的局地小气候，在一定程度上说明大力增加水体和绿地面积是减缓城市热岛的有效途径之一。
　　（3）五种地表类型的地表温度高低顺序依次为：城区建筑村落/乡镇城区绿地农田水体，多项研究均表明水体的降温作用比绿地效果显著。
　　（4）地表温度随着植被覆盖率 NDVI 的增大而减小，两者之间呈较好的负相关性，其相关系数 R2=0.71，在某种程度上说明了植被覆盖率低是导致城市热岛效应的原因之一，科学合理的增加城区绿地可以有效缓解城市热岛效应。
　　（5）分析研究一定规模的水体和绿地对周边热环境的影响，利用缓冲区技术定量估算其影响范围。结果表明，水体的影响范围可达 300m，超过 300m 不再有明显的降温作用，而绿地仅在 100m 范围内对周边热环境有影响。
　　该项研究结果表明，一定规模的水体和绿地对调节局地小气候、改善周边热环境效果显著。可以推断，科学合理的增加水体和绿地的面积可以有效地缓解城市热岛效应。这一结论可以为石家庄城市建设以及城市规划提供一定的理论指导和技术支撑，该结论对其他城市的城市区域气候研究也具有一定的借鉴价值。