宿州市城市热岛效应的时空变化分析

2022-04-29邓大保

宿州学院学报 2022年3期

方刚，邓大保

宿州学院环境与测绘工程学院，安徽宿州,234000

城市热岛效应 ( Urban Heat Island，UHI) 是指城市中央区温度明显高于城市边缘温度[1]。随着城市化发展和人民生活水平的不断提高，城市建成区规模在不断扩大，城市热岛效应也越来越明显，给城市生态环境和人的身体健康都带来一定影响[2-3]。城市热岛效应现象越来越受到人们的关注。目前，关于城市热岛效应研究的方法主要有四种：布点观测法、数值模拟法、气象资料法和遥感监测法[4]。由于热岛效应时空分布变化较复杂(时间尺度上包括年度、季节、昼夜等)，前3种方法基本都是在固定点收集数据，数据较为离散，很难反映出大范围整体区域的热岛效应时空分布，而遥感监测方法具有数据获取方便，监测范围广，更新速度快等优点[5]，遥感技术已广泛用于城市热岛效应研究。Rao[6]于1972年利用热红外影像数据研究城市热岛效应，随后国内很多学者[7-10]对重庆、天津、上海、北京、南京、宿州等城市的热岛效应进行了深入研究。

本研究在借鉴前人研究成果基础上，以宿州市为研究区，以2001年、2005年、2010年、2015年和2020年Landsat卫星数据为数据源，利用辐射传输方程法反演宿州市地表温度，分析近20年来宿州市地表温度变化及其城市热岛效应时空变化，研究成果可为缓解宿州市城市热岛效应和改善城市生态环境提供科学依据，为皖北其他城市开展城市热岛效应定量研究提供参考。

1 研究区概况

宿州市位于安徽省最北部，地处于皖、鲁、苏、豫四省交界之处，地理位置位于33°18′～34°38′N、116°09′～118°10′E之间，研究区包括四县一区(灵璧县、砀山县、泗县、萧县和埇桥区)。到2020年底，宿州市的GDP为2 044.99亿元，常住人口为570.0万人，总面积为9 939 km2。宿州市气候是暖温带半湿润季风气候，气候较温和，四季分明，年均温在14 ℃～14.5 ℃之间，降雨充足，年降水量在774～896 mm之间，研究区影像图如图1所示。

图1 研究区影像图

2 数据来源与数据处理流程

2.1 数据来源

本研究以2001—2020年Landsat遥感影像为数据源，为保证其数据结果分析的可靠性与一致性，2001年、2005年、2010年、2015年和2020年的数据云量为0、成像时间均在4月，数据来源于地理空间数据云官网，数据属性如表1所示。

表1 Landsat影像数据列表

2.2 数据处理流程

研究利用Landsat影像数据反演宿州市地表温度，以ENVI 5.3遥感图像处理软件为平台，首先，对研究区的遥感图像进行几何校正、辐射定标、大气校正和影像镶嵌等预处理(包括对Landsat 7影像去条带处理)；其次，利用辐射传输方程法反演地表温度及密度分割；最后，分析宿州市城市热岛效应的时空变化特征，处理流程如图2所示。

图2 数据处理流程图

3 研究方法

国内外利用热红外数据反演地表温度成效显著。目前，地表温度反演方法主要有：辐射传输方程法(大气校正法)、分裂窗算法和单窗算法等[4]。辐射传输方程法(大气校正法)反演过程虽复杂，但没有任何数据限制，具有广适性。孟宪红等[11]做了大量实验，得出辐射传输方程法反演结果相对误差最小。参考研究成果，论文选用辐射传输方程法反演宿州市地表温度。

3.1 植被覆盖度的计算

植被覆盖度计算前，先提取NDVI(归一化植被指数)，NDVI值在-1～1之间[12]。NDVI计算式如公式(1)所示，植被覆盖度计算式如公式(2)所示。

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

(1)

在式(1)中:NIR和RED分别表示为近红外波段和红色波段。

FV=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(2)

式(2)中，FV是植被覆盖度，NDVI是指归一化植被指数，NDVISoil和NDVIVeg分别表示研究区无植被覆盖区和全植被覆盖区的NDVI值。参考前人研究成果，“NDVISoil”值和“NDVIVeg”值分别取“0.05”和“0.70”，即当NDVI<0.05，FV值为0；当NDVI>0.70时，FV值为1[13]。

3.2 地表比辐射率的计算

地表比辐射率是反演过程中的重要参数之一，为使其反演结果更精确，根据研究成果[14]，将遥感影像中的地表分为三种类型：水体、建筑物、道路等组成的城镇区以及天然的自然表面，其中水体的比辐射率为0.995，城镇比辐射率和自然表面比辐射率分别由公式(3)和公式(4)计算：

εbuilding=0.958 9+0.086Fv-0.067 1Fv2

(3)

自然表面比辐射率公式：

εsurface=0.962 5+0.0614Fv-0.046 1Fv2

(4)

3.3 黑体辐射亮度值的计算

由于卫星传感器观测得到的热辐射强度并不是地表热辐射强度，直接利用原数值计算会存在较大偏差，可以通过Chander等[15]修订的反演公式(5)求得。

B(TS)=[Lλ-L↑τ(1-ε)L↓]/τε

(5)

式(5)中:B(TS)为黑体辐射亮度值，Lλ为卫星接收的热红外辐射值，ε为地表比辐射率，τ为热红过率，L↑、L↓分别代表大气向上、向下的辐射亮度。其中τ、L↑、L↓参数信息可通NASA官网查询。

3.4 地表温度的反演

根据公式(5)和普朗克公式可推算求得TS[16]，TS的计算公式如公式(6)所示。

TS=K2/ln(K1/B(TS)+1)

(6)

式(6)中：K1和K2为常数，TS为地表真实温度(单位：K)。对于不同的传感器而言，K1和K2值是不同的，K1和K2的具体值[9]如表2所示。

表2 不同传感器的K1、K2取值

3.5 热岛效应的分级

由于反演的地表温度有最高、最低和异常温度，温差较大，不利于热岛效应分析，需进行归一化分级处理，使其值在0～1之间，参考方刚[10]对城市热岛效应划分方法，将研究区热岛效应分为5个等级，分级标准如表3所示，其归一化计算公式如下。

(7)

式(7)中，N是归一化后的温度(N为无量纲)，Ti是第i个像元的地表温度；Tmax和Tmin分别表示地表温度的最大值与最小值。

表3 城市热岛分级

4 结果与分析

4.1 地表温度的反演

利用公式(1)(2)(3)(4)(5)和公式(6)反演得到宿州市2001—2020年的地表温度，为了更好地分析地表温度，将其单位转化为摄氏温度(在公式(6)基础上减去273)，反演结果如图3所示。

图3 2001—2020年宿州市地表温度反演结果

由图3可知，宿州市地表温度的中高温区在不断扩大，低温区在减少，建成区中心的地表温度较高。通过统计5个不同时期宿州市地表温度的最高温度、平均温度及最低温度，结果如表4所示,2001—2020年宿州市地表温度升高明显。其中,2001—2010年宿州市最低温度上升了1.22 ℃，最高温度上升了1.16 ℃，平均温度上升了2.66 ℃，但地表温度上升幅度不大，温差变化较小；2010年之后宿州市地表温度上升明显，2020年的平均地表温度较2010年上升了4.64 ℃，最低温度和最高温度分别上升了3.76 ℃和10.96 ℃。综上所述，2001—2020年，宿州市地表温度在不断上升，温差在逐渐增大，平均温度与最高温度分别上升了7.2 ℃和12.12 ℃，宿州市城市热岛效应显著。

表4 2001—2020年宿州市地表温度

4.2 宿州市城市热岛效应的空间变化分析

利用ENVI 5.3软件对宿州市地表温度进行密度分割，得到宿州市城市热岛效应分级图，结果如图4所示：近20年来，宿州市城市绿岛区在减少，而热岛区在不断扩大。2001—2020年，宿州市强热岛区和热岛区主要分布在砀山西北部、萧县东南部、宿州市区中心及各县建成区的中心地带，主要原因是萧县东南部周围地势相对较高，群山环绕，阻止了该地方热量的向外扩散，市区中心及各县建成区的中心地带由于建设用地增多，不透水层增加，比热容较小，空气增温快，城市热岛效应显著。正常区和绿岛区主要分布在宿州市东部、东南部和中部区域，主要原因是该区域为郊区，人口密度较小，耕地和林地较多；强绿岛区主要呈现着线带状分布，大部分分布在新汴河、沱河、奎河和新濉河等区域，主要原因是河流附近水汽蒸发旺盛，水汽利于空气降温及增加空气湿度，对城市热岛效应起到了一定的抑制作用。

图4 2001—2020年宿州市热岛效应分级图

综上所述，近20年来，宿州市城市热岛效应空间分布变化较大，城市热岛区在不断扩大，其中部分热岛区和正常区向强热岛区转换。绿岛区变化较小，但宿州市东南部地区中的大部分绿岛区逐渐转化为正常区和热岛区，宿州市城市热岛效应显著。

4.3 宿州市城市热岛效应的时间变化分析

利用ENVI软件统计计算宿州市城市热岛等级区面积、百分比和年间变化，结果如表5、表6所示。

表5 2001—2020年宿州市城市热岛等级分级统计

由表5可知：近20年来，宿州市城市热岛区面积增加较多,绿岛区与正常区面积占宿州市总面积的一半以上。由表6可知：2001—2010年，宿州市绿岛区面积逐年减少(减少了10.83%)，正常区和热岛区面积逐年增加(分别增加了5.83%和4.11%)；2010—2020年，强热岛区和正常区面积变化较大，强热岛区面积增加了4.35%，正常区面积减少了4.36%，绿岛区面积增加较小，主要是宿州市2010—2020年发展速度比2001—2010年快，建城区不断扩大、建筑面积的不断增加、城市化进程不断加快，加上国家园林城市、国家卫生城市、全国文明城市、国家森林城市、安徽省文明城市的创建，城市绿化建设成效显著；2001—2020年，绿岛区、强热岛区和热岛区面积变化最大，绿岛区>强热岛区>热岛区，其中绿岛区总面积减少了10.67%，热岛区和强热岛区面积分别增加了3.71%和6.55%。