太原市主城区地表温度变化研究

贾 传 卫亚星

（辽宁师范大学地理科学学院，辽宁 大连116000）

近年来，城市热岛效应的影响不断扩大，已然成为全球性的生态环境问题。利用遥感数据反演地表温度，已成为研究热岛效应的主要方法[1]。岳辉等学者对比分析辐射传导方程法、IB 算法、MW 算法及SC 算法反演精度，并验证与MODIS 数据产品相关性[2]；谢启娇等学者基于Landsat 数据分析探讨武汉市城市热岛效应的时空演变特征和城市热岛形成的主要影响因素[3]；伟正等学者利用单窗算法反演安庆市地表温度，并精确分析出城市热岛与归一化植被指数、裸土指数等四个指数的关系[4]。

目前，基于热红外数据的地表温度反演算法主要有单通道算法、劈窗算法以及多通道算法等。Landsat 8 的11 波段不稳定，故本文以太原市主城区为例，以Landsat 数据为基础，采用单通道算法中精度较高的辐射校正法，反演2004 年、2010 年及2020 年地表温度。这对正确认识太原市热岛效应空间分布特征及演变规律，推进城市的绿色可持续发展具有重要意义。

1 研究数据与预处理

太原市(111°30′E～113°09′E，37°27′N～38°25′N)位于山西省中部，轮廓呈蝙蝠形，地势北高南低，平均海拔约800 米，面积6909 平方公里。汾河由北向南纵贯全市，属于暖温带大陆性季风气候，冬季干冷漫长，夏季湿热多雨，春秋短暂且温度变化迅速。

本文选取太原市2004 年9 月22 日、2010 年9 月23 日Landsat 5 TM 影像及2020 年9 月18 日Landsat 8 TIRS 影像，数据来源于地理空间数据云。影像云量低于1%，地面特征清晰，质量较高。地理空间数据云下载的数据已经过几何校正，数据预处理包括辐射定标、Flaash 大气校正及矢量数据裁剪。

2 研究方法

3 结果与分析

根据太原市气象数据资料，2020 年9 月18 日、2010 年9 月23 日和2004 年9 月22 日的最高和最低气温分别是26℃和8℃、22.7℃和6.3℃、24.5℃和6℃，统计反演结果得出，三次反演92%以上的像元温度集中在此区间，基本可以反映研究区的地表温度分布状况。结合前人研究与地温分布状况，将其划分为五级：高温区（＞23℃）、次高温区（20℃-23℃）、中温区（18℃-20℃）、次中温区（15℃-18℃）及低温区（＜15℃）。

2004 年高温区面积较小，绝大部分区域温度低于23℃，中温区主要分布在太原北城区和中部区域，北城区工厂较多，人口集中，使得地表温度升高，主要是位于尖草坪区汾河东西两岸的太钢集团，汾河、晋源区及小店区大部分处于次中温和低温区；2010 年高温区与次高温区主要分布在尖草坪区太钢工业园区附近, 万柏林区下元和迎泽区迎泽大街附近，以及南部的小店区。城市建设向南发展,小店区工业快速发展，引进新型、大型企业和工厂，新建商业及城中村的改建使人口不断集中，小店区温度升高；低温和次中温区主要分布在万柏林区西部及杏花岭东部区域；2020 年低温区和次中温区较小，包括汾河两岸和晋阳湖等水系，太原市大部分区域温度高于18℃，中温区向外扩张、高温区域不断向南移动，位于城北太钢工业园区和城南小店区高新技术开发区附近（图1）。

图1 研究区2004 年(左)、2010 年（中）、2020 年(右)的地表温度

表1 研究区地表温度总体特征 单位(km2)

2004 年、2010 年和2020 年太原市主城区地表温度变化如下 ： 高 温 区 面 积 依 次 是 36.17km2、77.35km2和146.36km2，2004-2020 年高温区面积增加110.19km2，高温区面积快速增加的原因是太原市工业快速发展、新建商业、人口不断集中，使得城区整体温度升高，城区北部的太钢工业园区持续发展的情况下，新建小店区高新开发区；次高温区面积依次是335.03km2、403.78km2和511.79，2004-2020 年次高温区面积增加176.49km2，源于万柏林区下元商业中心和柳巷商圈的不断扩大以及小店区商圈的逐步形成；中温区面积依次是479.01km2、585.37km2和496.21km2，2004-2020 年中温区面积增加17.2km2，分布范围急剧向外扩张，主要分布在中心城区外围的近郊区以及城乡结合部；次中温区面积依次是456.08km2、288.70km2和240.94km2，2004-2020 年次中温区面积减少215.14km2，主要原因是大规模发展使得农用地转化为非农用地，耕地覆盖面积急剧减少，地表温度上升；低温区面积依次是109.71km2、60.80km2和20.70km2，2004-2020 年低温区面积减少89.01km2，源于汾河两侧商圈的不断发展，导致汾河水域附近温度大幅度升高，低温区仅存在于城市外围的水域及植被覆盖度高的山地附近。