基于遙感的南寧城市熱島效應時空演變分析

葉駿菲，文 秀，林奕桐，廖國蓮

（1.南寧市邕寧區氣象局，廣西 南寧 530200； 2.南寧市氣象局，廣西 南寧 5300223.廣西區氣象臺，廣西 南寧 530022）

城市熱島是城市氣候最顯著的特征之一。城市化進程加快使得城市熱島日益加劇，對城市人居環境產生了極為不利的影響［1］。熱島效應作為在城市化過程中產生的特有環境問題［2］，其產生及演變與城市地表覆被變化、人類社會經濟活動密切相關，是城市生態環境狀況的綜合概括與體現，因而，對于城市熱島的分布特征、形成演變機制等問題的研究受到了眾多學科領域的廣泛關注［3-5］。很多地區都存在城市熱島逐年加重的趨勢，但不同城市的熱島四季變化和晝夜變化是不同的［6-8］。目前，對城市熱島的研究大多都是基于氣象站點或自動氣象站氣溫觀測資料的分析應用，以點代面，有一定的局限性。而利用遙感測定分析法進行的城市熱島監測和研究具有時相多、范圍廣、能長期連續觀測，不受氣候影響，可以進行大面積地表溫度測定，且通過遙感手段獲取的觀測資料時間同步性好等特點，基本克服了傳統方法的缺陷［1］。同時，傳統的研究方法沒有足夠的覆蓋度，不能很好地體現高溫區的具體分布位置及熱島的發展演變規律。因此，本文針對熱島效應傳統研究方法存在的不足，并總結已有的研究經驗，利用MODIS數據和TIRS數據，對2013年南寧市四季及晝夜的熱島強度、熱場強度與剖面結構進行了分析，探明近年來南寧熱島的四季及晝夜變化特征，為城市管理部門做好城市生態文明規劃與建設決策提供科學理論依據。

1 研究區域及數據

1.1 研究區域范圍

南寧市在地貌分區上屬廣西盆地西南部之間的桂西南丘陵區，地貌分為平地、低山、石山、丘陵和臺地，其中平地所占面積最大。南寧市建城區及城郊，位于北回歸線南側， 范圍為北緯 22°13′-23°33′，東經 107°45′-108°52′，面積約為 22112km2，城市建成區面積190km2，其中自西向東流的邕江將南寧市城區劃分為南北兩部分。

1.2 遙感數據

研究選用 4景 EOS-MODIS白天影像，4景EOS-MODIS夜晚影像，1景 LANDSAT8-TIRS影像。所選的影像，均為大范圍晴朗、無風或微風天氣。選取的時間為：MODIS數據：2013年3月6日；2013年 6月 12日，2013年 10月 7日，2013年 12月 1日，用于2013年熱島效應四季變化的研究，每日包含白天夜晚兩景圖像，用于熱島效應晝夜變化的研究。LANDSAT8-TIRS數據：2013年12月20日，用于熱島分布及溫度參照點選取。

2 研究方法和原理

2.1 地表溫度反演

熱島主要研究城市近地層的溫度分布規律［9］。因此，在進行熱島分析前，需要對遙感數據進行地表溫度反演。本文分別通過單窗算法［10］和分裂窗算法［11］分別對TIRS數據和MODIS數據進行地表溫度反演。前者是為了研究2013年南寧熱場的分布情況，后者是為了研究2013年南寧熱島的四季變化與晝夜變化。

單窗算法主要公式為［10］：

式中，a＝-67.355351，b＝0.458606，為經驗常數，Ts為地表溫度，TB為亮溫，通過普朗克公式可以計算得到。 Ta為大氣平均作用溫度，C＝te，D＝（1-t）［1＋t（1-e）］。 t為大氣透射率，e 為比輻射率。

分裂窗算法公式為［11］：

其中，TS是地表溫度 （K），T31和 T32分別是MODIS 第 31 和 32 通道的亮溫，A0、A1、A2為分裂創算法的參數，其表達式為：

εi和 τi分別表示 MODIS 第 i通道 （i＝31，32）的比輻射率和透射率。

2.2 溫度參照點選取

溫度參照點用于熱島強度的研究。由于植被的比熱較大，溫度的四季或晝夜變化較小，因此，宜選取南寧市郊區植被覆蓋度常年較高的區域作為溫度參照點。

由于研究區域是城市建成區及近郊，MODIS圖像空間分辨率過低難以滿足該研究對植被覆蓋度尺度上的要求，因此采用2013年12月20日的TIRS影像計算出植被覆蓋度［12］。在南寧市西北方向的高植被覆蓋區域選取5個參照點，并記下其經緯度，計算季節熱島強度時，均以這些點的平均溫度作為城鄉溫差的參照溫度。同理，在南寧市區內城東區域較高植被覆蓋區選取5個點作為城內溫差的參照點。

2.3 熱場強度計算

熱場強度能夠有效地反映出城市熱島的水平分布。熱場強度指標，定義為遙感地表熱場的歸一化，能對一景圖像熱場分布的相對高溫、低溫范圍及位置做出判斷，其表達式為：

式中，Hi為第i個像元所對應的熱場強度指數，Ti為該像元的地表溫度，Tmin為圖像區域的有效最低地表溫度，Tmax為圖像區域對應的有效最高地表溫度。

經過對大量遙感圖像進行分析試驗，根據參考文獻提出的方法［14］，這里把熱場強度指數劃分為7個等級（表1），能很好地反映出南寧市的熱場分布狀況。

表1 熱場強度等級劃分

2.4 熱島強度計算

熱島強度可有效地反映出城市熱島面積及強弱。熱島強度往往定義為城鄉溫差。在本研究中，為了體現城區的熱島強弱程度，除了計算城鄉溫差之外，還引入城區內部溫差的計算：

式中，Ii為圖像上第i個像元所對應的熱島強度，Ti為該點對應的地表溫度。當分析城內溫差時，Tn為城內溫度參照點，當分析城鄉溫差時，Tn為城鄉溫度參照點。根據參考文獻［14］的分類方法，把熱島強度分為4個等級（表2）。

表2 熱島強度等級劃分

3 研究結果與討論

3.1 南寧熱島水平分布的基本特點

根據TIRS數據反演地表溫度得到的熱場強度圖能很好地體現了南寧市熱島的水平空間分布特征，本文以熱場分布最為明顯的12月份為例分析南寧市熱島分布特征。

南寧市的熱島分布主要有以下幾個特點：（1）邕江在冬季為熱源，夏季為冷源，并將高溫中心分為南北兩個部分。（2）熱島中心主要集中在西鄉塘區及江南區，興寧區、良慶區及青秀區由于有大面積植被覆蓋，熱島較不明顯。（3）廣西大學、人民公園、金花茶公園、南湖、青秀山公園、藥用植物園等地的溫度相對較低，這與利用自動氣象站氣溫觀測資料統計分析結果相同。

3.2 晝夜及四季熱場分布變化

對8景MODIS影像進行熱場強度計算，得到的南寧四季晝夜熱場分布特征（圖略）：

（1）四季的白天和夜晚都存在城市熱島現象。

（2）從四季變化來看，南寧市的秋、冬季節熱場分布最為明顯，春季的熱場分布相對不明顯，夏季居中。

（3）從晝夜變化來看，南寧市的高溫區域白天分散于城市的南北兩側，夜晚集中于市中心。

（4）從空間分布上來看，白天南寧東部城郊的溫度低于西部城郊，夜晚相反。這是由于東部城郊的植被覆蓋度較高，比熱較大，晝夜溫度變化較小。

3.3 晝夜及四季熱島強度變化

對8景MODIS數據進行熱島強度計算，以春秋兩季為例觀察南寧市熱島面積的變化情況：2013年南寧市春、秋兩季強熱島區均以邕江為界，劃分為南北兩部分。在白天，春季的強熱島區的面積為74km2，而秋季的強熱島區的面積達到了154km2，秋季熱島面積遠大于春季。但到了夜晚，兩季均僅剩弱熱島區，且面積差異較小，均集中在市中心。

熱島強度的計算結果如表3所示。

由表3可以看出，盡管被稱為“綠城”的南寧市的整體植被覆蓋度較高，但仍出現了城郊溫差達10°以上的強熱島現象。對數據進行詳細分析，得出以下主要結論：

（1）從晝夜變化上看，南寧市白天的熱島強度明顯大于晚上。在白天，春、夏、秋三個季節都出現了強熱島，冬季出現了較強熱島，而到了晚上只有冬、夏兩個季節出現了較強熱島，春秋兩個季節都僅出現弱熱島。

（2）從四季變化上看，夏季的熱島強度最大，冬季熱島強度最小，秋季和春季居中。

（3）城內溫差與城郊溫差有較好的相關性。

表3 2013年南寧市熱島強度變化情況

4 結論

本文利用遙感反演的地表溫度分析南寧市熱島效應，以下為主要的分析結論：

（1）從熱島分布位置上看，熱島中心主要集中在西鄉塘區及江南區，興寧區、良慶區及青秀區由于有大面積植被覆蓋，熱島較不明顯。廣西大學、人民公園、金花茶公園、南湖、青秀山公園、藥用植物園等地的溫度相對附近地區溫度較低。白天南寧東部城郊的溫度低于西部城郊，夜晚相反。

（2）從四季變化上看，南寧市的秋、冬季節熱場分布最為明顯，春季的熱場分布相對不明顯，夏季居中；夏季熱島強度最強，冬季熱島強度最小，秋季和春季居中。

（3）從晝夜變化上看，南寧市的高溫區域白天分散于城市的南北兩側，夜晚集中于市中心。南寧市區白天的熱島強度明顯大于晚上。

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