安顺市西秀区热岛效应的缓解对策措施研究

陈爱民

(贵州省林业调查规划院， 贵州 贵阳 550003)

1 研究意义

城市热岛现象就是城区地表温度高于郊区地表温度的现象。随着经济社会的快速发展，安顺市西秀区基础设施建设逐步加强，城市化进程明显加快，它会改变或影响城市热环境，降低空气质量，破坏人类生存最理想的温度环境。因此，对西秀区城市热岛效应的研究，找出近地面温度变化差异和不同下垫面及类型之间的关系，提出缓解热岛效应的对策措施，提高人们的生活环境质量。

2 研究方法

利用新型遥感影像Landsat8的热红外波段，运用ENVI和ArcGIS工具进行地表温度反演。根据反演地表温度(LST)的时空分布特征，分析西秀区热岛效应的驱动力，揭示西秀区城市热岛效应的特点，提出缓解城市热效应的对策措施。技术路线如图1。

图1 技术路线

3 地表温度反演

通过对西秀区Landsat8遥感影像几何校正、监督分类、Landsat8 TIRS10辐射定标(Lλ=ML×Qcal+AL)，辐射定标是将传感器输出图像的灰度值(DN值)转化为辐射亮度值，消除或修正辐射误差而引起的影像畸变。

3.1 亮度温度反演

根据普朗克定律将辐射亮度值转化为亮度温度，方程式为：

(1)

式(1)中T10为亮度温度(K)；L10为辐射亮度值(W/(m2·sr·μm))；K1和K2为定标常数。

3.2 归一化植被指数提取

植被指数是被广泛用来定性和定量评价植被覆盖情况，求算公式为：

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(2)

式(2)中NIR为landsat8的OLI的第5波段反射值；R为landsat8的OLI的第4波段反射值。

3.3 单窗算法

覃志豪提出的单窗算法[5][6](Mono-window Algorith)求算公式为：

Ts=(a10×(1-C10-D10)+(b10×(1-C10-D10)+C10+D10)×T10+D10×Ta)/C10

(3)

式(3)中a10和b10是常数；C10和D10为中间变量，分别用下式计算：

C10=ε10×τ10

D10=(1-ε10)×(1+(1-ε10)×τ10)

(4)

式(4)中ε10是地表比辐射率，τ10是热红外波段大气透过率。

3.3.1 大气平均作用温度(Ta)估算

Ta的大小取决于大气剖面气温和大气状态，本研究估算公式如下：

Ta=16.0110+0.92621T0

(5)

式(5)中，T0为平均气温(20 ℃)。

3.3.2 大气透过率估算

大气透过率估算公式为：

τ10=0.974290-0.08007ω

(6)

式(6)中ω为大气水含量(g/cm2)，其经验公式[10]为：

ω=0.0981e+0.1697

(7)

式(7)中e为绝对水汽压(hPa)，可表示为：

(8)

式(8)中RH为相对温度(72%)。

3.3.3 地表比辐射率估算

根据西秀区地表类型的特点，地表比辐射率采用混合像元分解法进行估算，将西秀区地表划分为水体、自然地表(可视为喀斯特山峰植被与石灰岩组成的混合像元)和城镇地表(可视为建筑用地和绿化用地组成的混合像元)3种类型。计算公式如下：

(9)

式(9)中pv为植被覆盖度；Rv、Rm、Rs分别为植被、建筑物、祼土温度比率；εv、εm、εs分别为植被、建筑物、祼土地表发射率(%)。

Pv的求算公式如下：

Pv=((NDVI-NDVIS)/(NDVIV-NDVIS))

(10)

选取植被覆盖度高的区域均值作为NDVIV值，选取裸土均值作为NDVIS。当VDVI≤NDVIS时，认为植被覆盖率Pv=0；当NDVI≥NDVIV时，认为植被覆盖率Pv=1。

dε可根据植被构成比例求得，公式如下：

(11)

温度比率Ri=(Ti/T)^4，植被温度比率Rv、建筑物温度比率Rm、祼土温度比率Rs根据以下公式求得：

(12)

3.4 反演结果

地表温度最大值为32 ℃、最小值为10 ℃、平均值20.9 ℃，高温区主要地类为建筑用地和裸地，低温工主要分布在中心城区的部分水库、绿化用地、林地和河流。

3.4.1 城区与郊区温度差异

将西秀区划分为城区和郊区两部分，从图2可以看出，对于9月29日，卫星过境时间是格林威治3:24(北京时间11:24)，西秀区中心城区温度明显高于郊区温度，中心城区平均温度25.32 ℃，郊区平均温度22.66℃，城区平均温度比郊区高2.66 ℃，表现为明显的热岛效应现象。

图2 城区郊区温度分级

3.4.2 不同地表类型对热环境的影响

有植被覆盖和水体的区域相对于建筑用地、裸地等下垫面类型的地表温度低，这主要是由于植物和水体蒸腾作用所致。植被和水体表面(主要是叶子)不断地向空气中蒸腾水分，使植物和水体周围空气湿度较高，从而起到降低近地表温度的作用。研究区域的植被覆盖情况，一般用植被覆盖度来表示，而植被覆盖度又是由植被指数来确定。

受西秀区地形地貌和影像分辨率的影响，监督分类的精度不是很高，为进一步提高地表类型分类精度，本研究运用贵州2013年林地变更影像(2.5 m×2.5 m)对Landsat8影像进行校正，在监督分类的基础上，再用2013年林地变更矢量数据对监督分类的结果进行修正，用ENVI软件分类统计功能，统计各地类的地表平均温度为建筑用地23.16 ℃、裸地21.41 ℃、宜林地21.34 ℃、灌木林地20.67 ℃、乔木林地20.64 ℃、水体20.45 ℃(图3)。

图3 不同地表类型地表平均温度对比

4 热岛效应驱动力分析

4.1 不同下垫面特点

(1)城区下垫面主要由错综复杂的建筑群组成。住宅区、学校、商业区、人口多，活动频繁，人口密度大，这导致大量的人为热排放。由于错综复杂的高层建筑，城市中心空气流动缓慢，人为热扩散缓慢。

(2)郊区下垫面主要由城镇建筑、乡村公路、居民点、河流、裸地组成。其特征是建筑高度相对较低，工业商业区相对分散，虽然裸地面积较大，热贡献度较高，但郊区绿地率较城区高，空气流动较快。

(3)不同下垫面材料构成。城市建筑、道路大多由混凝土、大理石、沥青组成，其材质的热惯量很大的，而且夏秋季白天在太阳光的照射下，热吸收强度大，散热缓慢，而且下垫面的不透水性，城市降水快速流失。

4.2 不同地表类型的降温机制分析

选取城郊水库虹山水库和雷家坡水库，城区1号和2号成片绿化用地，分别对2个水库做20 m、50 m、100 m、150 m缓冲区分析，对2个绿化用做20 m、50 m、100 m的缓冲区分析。由图4可知，1号绿化用地20 m缓冲区平均温度为21.91 ℃，50 m缓冲区平均温度为23.11 ℃，100 m缓冲区平均温度为24.54 ℃；2号绿化用的从20～100 m缓冲区地表平均温度依次递增；雷家坡水库从20～150 m缓冲区地表温度也是依次递增；虹山水库从50 m缓冲区到150 m缓冲区地表平均温度依次递增。经以上水体和绿化用地缓冲区分析可知，水体和绿地对缓解地表温度具有较大的作用，且水体的作用更为明显。

图4 研究对象温度统计

5 西秀区热岛效应的缓解对策措施

基于以上研究，提出以下几方面缓解热岛效应的对策措施。

5.1 构建生态文明绩效评价考核体系

《国家生态文明试验区(福建)实施方案》将贵州省确定为第一批国家生态文明试验区，主要意义在于培育加快绿色发展新动能，保护生态环境和改善生态环境。西秀区要结合国家和省的生态环境保护相关政策，建立完善多元化的生态保护补偿机制，环境管理制度，探索建立生态文明建设目标评价考核制度，加快构建充分反映资源消耗、环境损害和生态效益的生态文明绩效评价考核体系。

5.2 编制科学合理城市总体规划

城市绿地和水体在空间范围内降低温度的作用十分明显，应加强城市规划布局，结合营造林政策，在城郊进行园林绿化，建成环城绿色屏障，严格控制城市容积率，在城区做好绿地和湿地布局，构建新型园林绿化城市。

5.3 提倡使用新能源、环保材料

制定各种耗能设备的能耗标准，发展节能型设备。高层建筑墙面选用反射率高的材料，以减少对太阳辐射能量的吸收；城市街道选取一些透水性好，能够吸收大量水汽的材料，通过地下水蒸腾作用，降低地表温度；路灯设计结合太阳能、风能等无碳能源，交通工具通过政府采购燃烧天然气、油气混合的汽车等，减少产生二氧化碳的石化燃料的使用量。