濱海城市化地區(qū)熱島效應的遙感分析研究
——以防城港為例

謝敏，孫明，蔡建初，朱秋宇

（1.廣西氣候中心，南寧530022；2.廣西氣象減災研究所，南寧530022；3.北海市氣象局，廣西 北海536000）

城市熱島是指城市發(fā)展到一定規(guī)模，由于城市下墊面性質的改變、大氣污染以及人工廢熱的排放等使城市溫度明顯高于郊區(qū)，形成的類似高溫孤島現象[1]。2006年，國家提出廣西北部灣經濟區(qū)發(fā)展規(guī)劃，防城港迎來了新的發(fā)展機遇，規(guī)劃的實施極大地推動城市的發(fā)展，由城鎮(zhèn)化所造成的下墊面條件變化對氣象環(huán)境造成的影響逐漸顯現,對防城港市近55 年來的氣溫統(tǒng)計發(fā)現，年平均氣溫呈上升趨勢，增長率為0.177℃／10a，其中秋冬季節(jié)增溫趨勢最顯著，達到0.234℃／10a。城市熱島效應不僅能引起城市高溫，還會增加城市的能源消耗，加劇城市中的大氣污染，影響區(qū)域氣候、城市水文、空氣質量以及物資代謝、能量循環(huán)等諸多城市生態(tài)過程，是引發(fā)一系列生態(tài)環(huán)境問題的重要原因之一。

國內關于城市熱島效應的研究主要集中于沿海發(fā)達地區(qū)和大中型城市[2-11]，有關中小型城市的研究較少[12-14]；遙感反演LST 常用的方法主要有：輻射傳輸方程法、單窗算法、單通道算法以及劈窗算法。輻射傳輸方程法根據普朗克方程反演LST，物理基礎明確，在獲取或模擬出較準確的大氣參數時，反演精度較高，借助NASA提供的大氣校正計算器，可以快速獲取反演所需的各種大氣參數，提高了該方法的應用范圍和可操作性。

本文利用Landsat 數據及輻射傳輸方程法研究城市熱島效應變化特征及驅動因素。

1 研究區(qū)及數據

1.1 研究區(qū)概況

防城港市位于廣西南部，北部灣北岸，地理坐標介于E107°28′～108°36′，N21°36′～22°22′之間，處在中國大陸資源豐富的大西南經濟圈和經濟活躍的東南亞經濟圈的交叉結合部，是連接大西南和東南亞的海上樞紐，包括含二區(qū)、一市、一縣，即防城區(qū)和港口區(qū)、東興市及上思縣。全市山地丘陵面積占80%以上，地勢中間高，向東南和西北傾斜。防城港地處亞熱帶，氣候類型屬南亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，冬半年（10 月～次年3 月）受北方冷氣團影響，氣候干燥少雨；夏半年（4～9 月）受南方海洋濕熱氣團影響，氣候濕潤多雨；冬短夏長，季風氣候明顯，氣候溫和濕潤。

1.2 數據及預處理

考慮到遙感衛(wèi)星數據源的一致性，本文采用Landsat 系列遙感數據：選用6 景Landsat 系列影像，所選影像均為晴朗或無風天氣，目視效果好，時間分別為2001 年11 月17 日、2008 年11 月20 日、2015 年10 月23 日、2009 年2 月24 日、5 月31 日以及10 月6日，其中2015 年影像為Landsat8 OLI 數據。利用2001、2008以及2015年三期數據進行熱島效應年際變化分析；2009年三期影像進行熱島效應季節(jié)變化季節(jié)變化分析。

2 研究方法

2.1 地表溫度反演

本文采用輻射傳輸方程法反演LST，其計算公式為

式中：K1=607.76Wm-2sr-1um-1，K2=1 260.56 K（TM）；K1=774.89Wm-2sr-1um-1，K2=1 321.08 K（OLI）；B(TS)為普朗克黑體光譜輻亮度；Lsensor為傳感器接收到的熱紅外光譜輻射亮度；ε為地表比輻射率；Latm↓和Latm↑分別為大氣下行輻射亮度和大氣上行輻射亮度；τ為大氣透射率。

2.2 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，其計算公式[19]為：

其中：Hi表示第i個像元所對應的熱場強度；Ti為第i個像元的地表溫度；Tmin表示圖像區(qū)域地表溫度的最小值；Tmax為圖像區(qū)域地表溫度的最大值。

通過對圖像進行分析實驗，本文將防城港市熱場強度分為5個等級（表1）。

表1 熱場強度等級劃分

2.3 熱島比例指數計算

城市熱島比例指數（urban heat-island ratio index，URI）[20]是一個定量指標，可比較不同時相、不同地區(qū)熱島強度大小，URI值越大，熱島效應越嚴重。其計算公式為

式中：URI為城市熱島比例指數；m為歸一化等級；i為城區(qū)溫度高于郊區(qū)溫度等級；n為城區(qū)溫度高于郊區(qū)溫度的等級數；w為權重，為i溫度級的值。

2.4 熱島強度計算

地表城市熱島強度（surface urban heat-island intensity，UHI）[21]定義為城市LST 與郊區(qū)鄉(xiāng)村LST之差，用于反映城區(qū)溫度高于郊區(qū)鄉(xiāng)村的程度。其計算公式為

式中：UHIi為圖像中第i 像元對應熱島強度；Ti為LST；n為郊區(qū)農田內的有效像元數；Tcrop為郊區(qū)農田內的LST。參照文獻[20]的劃分標準，將熱島強度分為4個等級（表2）。

表2 熱島強度等級劃分

3 結果與分析

3.1 熱場強度分析

通過對比3 期熱場強度的影像，防城區(qū)與港口區(qū)的建成區(qū)范圍擴張較快，特高溫區(qū)的范圍明顯增大，新增的特高溫區(qū)、高溫區(qū)主要集中在港口區(qū)沿海港口碼頭開發(fā)區(qū)域以及企沙鎮(zhèn)新擴建的工業(yè)園區(qū)，2008～2015 年新增熱島面積尤為顯著；而防城區(qū)的變化則比較緩慢，15 年間無明顯特高溫區(qū)出現，這主要是因為老城區(qū)城市改造幅度較小。

通過對3期影像中高溫區(qū)及特高溫區(qū)進行面積統(tǒng)計，高溫區(qū)面積分別為1.18km2，3.75 km2和9.88 km2，年均增長率為9.60%；特高溫區(qū)面積分別為0.16km2，1.38km2和2.69km2，年均增長率為26.72%。

東興市熱島新增區(qū)域與城市開發(fā)范圍一致，熱島區(qū)域均分布在新建城區(qū)范圍內，特高溫區(qū)由老城區(qū)逐漸往城市外圍新城區(qū)轉移，低溫中溫區(qū)域隨著城市的發(fā)展面積迅速減少；老城區(qū)的發(fā)展趨勢與防城區(qū)類似，熱島增加趨勢比較緩慢。通過對3期影像中特高溫區(qū)面積統(tǒng)計，其面積分別為0.84km2，1.49 km2和4.40km2。2008～2015 年，東興市的城市特高溫區(qū)面積大幅增加，這與東興市的城市發(fā)展趨勢一致。

從2001～2008年上思縣城市建成區(qū)面積擴張面積幾乎為老城區(qū)一倍，高溫特高溫區(qū)往城市西南方向發(fā)展，老城區(qū)的熱島變化趨勢較為平穩(wěn)，高溫區(qū)域零散狀分布，無連片區(qū)域；2008～2015 年，老城區(qū)高溫區(qū)域由點狀分布發(fā)展成大范圍連片分布，特高溫區(qū)無顯著增加，低溫和中溫區(qū)域面積大幅減小。從面積統(tǒng)計上看，高溫和特高溫區(qū)域面積從2001 年的0.095km2發(fā)展到2015 年的1.02km2，面積擴大了約25.7倍。

為了更具體地反映防城港市各區(qū)市縣城區(qū)城市熱島的空間分布情況，將各區(qū)市縣的地表溫度等級面積進行統(tǒng)計分析。可以看出，各區(qū)的高溫和特高溫區(qū)域所占比重逐年加大，其中東興市增長趨勢顯著，到2015年，城市熱島區(qū)域所占比重接近40%。

3.2 熱島比例指數發(fā)展趨勢

根據地表溫度歸一化結果，統(tǒng)計不同等級LST的面積，選取高溫和特高溫2 個等級代表城市熱島范圍。利用熱島比例指數計算公式［公式（4）］計算得到不同時期、不同區(qū)域的熱島比例指數（圖1）。熱島比例指數逐年遞增，表明防城港市熱島效應逐年加重。其中，東興市的熱島比例指數最高，年增幅最大，表明東興市的城市熱島現象非常顯著；防城區(qū)和港口區(qū)的熱島比例指數與上思縣發(fā)展趨勢較為一致，2001～2008年增速較快，2008～2015年平穩(wěn)上升。

圖1 2001～2015年防城港市熱島比例指數示意圖

3.3 熱島強度隨季節(jié)變化趨勢

受天氣及水汽條件的影響，本文研究熱島效應隨著季節(jié)的變化采用2009 年2 月24 日、5月31 日、10 月6 日三個時相的熱紅外遙感影像，對防城港市主要建成區(qū)的熱島強度進行了遙感反演，得出2009年三個季節(jié)防城港市城市熱島效應時空演變情況，通過分析，得出了三個季節(jié)熱島強度的變化。

2009 年城市熱島隨著季節(jié)變化明顯，在冬季上午11 時左右，防城港市主要建成區(qū)的城市熱島基本處于無熱島狀態(tài)，熱島不明顯，但是由于冬季汽車尾氣排放、工業(yè)生產的能源消耗、城市居民空調制熱等人為因素，貢獻了大量的熱量，使得主城區(qū)在冬季也有局部小范圍的較強熱島區(qū)域，強熱島區(qū)域幾無分布；春末夏初，各區(qū)市縣主城區(qū)基本上處于無熱島和弱熱島變化范圍，東興市的熱島強度出現明顯提升，大部分地區(qū)處于弱熱島和較強熱島變化范圍，其中，港口區(qū)的港環(huán)路及東灣工業(yè)園附近出現局部強熱島區(qū)域；上思縣老城區(qū)出現較強熱島區(qū)域；到了秋季，則城區(qū)的熱島效應出現明顯提升。秋季城區(qū)有明顯熱島效應的原因是人造建筑結構如街道和建筑物一般比自然地表有較低的反照率，高層建筑林立，綠地大量減少，工業(yè)活動旺盛，夏季普遍使用空調又增加了熱量排放，使防城港市秋季出現了明顯的熱島效應。

3.4 氣溫監(jiān)測熱島強度發(fā)展趨勢

為了驗證遙感反演熱島強度結果，本文選擇氣象觀測站實測溫度數據進行驗證。挑選港口區(qū)、防城區(qū)、東興市各一組城區(qū)與郊區(qū)站組，對同一時期城區(qū)站溫度與郊區(qū)站溫度進行對比分析（圖2）：防城港站與公車站，計算兩站2009 年到2015 年期間溫差，7a間城區(qū)站溫度均大于郊區(qū)站，2009年至2012年溫差有逐年上升趨勢，但最近三年卻呈現減小趨勢；東興站與大橋村站，計算兩站2010年到2015年期間溫差得出，6a 間城區(qū)站溫度均大于郊區(qū)站，2010 年至2015 年溫差有逐年上升趨勢；防城站與茅嶺站，計算兩站2009 年到2015 年期間溫差得出，7a 間除2009 年外，城區(qū)站溫度均大于郊區(qū)站，2010 年至2015年溫差有逐年上升趨勢。

3.5 熱島效應驅動因素分析

3.5.1 熱島效應與城市下墊面的關系

大量前人的研究表明：城市熱島效應是由人為因素和地理條件等眾多因子的共同影響下形成的，并且地表溫度分布與下墊面性質有著密切的關系，尤其是由于城市下墊面對城市太陽輻射的反射率小、吸收率高、儲熱能力強的熱力學特性導致城市溫度比郊區(qū)高。本文主要利用建筑用地、水體和植被三種指數進行分析。利用2015 年遙感影像提取3 種指數并將其進行歸一化；然后在整個研究區(qū)內選取樣本點，利用SPASS軟件對樣點進行擬合，得出LST與各種指數之間的最佳擬合方程（表3）。

從LST與NDBI的擬合方程可以看出，建筑用地指數與地表溫度成正比關系，NDBI 指數越高，建筑密度越高，其地表溫度越高,表明城鎮(zhèn)建筑對城市熱島效應具有明顯的增溫作用；根據NDVI及MNDWI與LST 回歸方程，LST 與NDVI 及MNDWI 呈反比關系，表明植被和水體對城市熱島效應具有明顯的降溫作用：NDVI值越高、植被覆蓋越好的地區(qū)，其LST值越低；MNDWI 值越高、水分含量高地區(qū)，其LST值越低；同時根據對擬合方程的斜率分析（植被-18.747，水體-29.982），水體對LST的影響程度高于植被。

圖2 城區(qū)站與郊區(qū)站對比圖

表3 下墊面與LST的擬合方程

圖3 防城港市社會經濟要素變化圖

3.5.2 熱島效應與城市建設和工業(yè)發(fā)展的關系

城市熱島的發(fā)展與城市化進程的變化息息相關，于淑秋等研究表明，城市化指數的變化與城市熱島強度的變化非常相似，二者具有良好的線性關系。本文通過遙感提取城市建成區(qū)范圍，收集了2001～2013年以來防城港市主要社會經濟要素：包括全市戶籍人口、民用機動車數量、城市建成區(qū)及國內生產總值，通過這四個方面分析2001年以來各個要素的變化情況（圖3）。

通過遙感提取城市建成區(qū)范圍，統(tǒng)計表明：防城港市主要建成區(qū)面積2001 年為38.1km2，2008 年為65.1km2，2011 年為132.85km2，年均增長率為9.3%。其中，防城區(qū)及港口區(qū)建成區(qū)面積2001 年為33.39 km2，2008年為54.15km2，2015年為114.78km2，15a間面積大幅增加了81.39km2，年均增長率為9.2%；建成區(qū)擴張主要在沿海灘涂區(qū)域，包括圍海造陸、興建工業(yè)園區(qū)等。東興市的擴展為典型的圈層式，每隔7a建成區(qū)面積擴大1 倍，2001 年為3.6km2，2008 年為6.1 5km2，2015 年為12.13km2，年均增長率為9.1%；上思縣建成區(qū)面積2001 年為1.11km2，2008 年為4.80km2，2015年為5.94km2，2015年建成區(qū)面積約為2001 年的5.3 倍。其中，2001～2008 年上思建成區(qū)面積迅速擴張，年均增長率為23.3%；2008～2015 年上思建成區(qū)面積增速放緩，年均增長率降低到3.1%。

從圖3 可以看出，防城港市全市戶籍人口2001年到2005年緩慢遞增，年均增長率19.9%；2005年到2010年是一個人口快速增長階段，年均增長率達到62.8%，增速為前4a的3倍；伴隨著人口的增長，全市機動車數量也大幅增長，從2006年的1.59萬輛發(fā)展到2013年的7.17萬輛，年均增長率27.8%；全市國內生產總值的變化趨勢與機動車一致，都呈現快速發(fā)展的態(tài)勢：2001～2006 年緩慢遞增，從2007 年開始，國內生產總值迅猛增長，年均增長率為前5a的1.5倍。

4 結語

（1）對2001、2008 及2015 三期遙感影像的年際變化分析表明：防城港市各區(qū)、市、縣的城市熱場強度均呈現逐年遞增的趨勢。其中，防城區(qū)和港口區(qū)特高溫區(qū)面積年均增長26.72%；東興市特高溫區(qū)面積年均增長9.49%；上思縣特高溫區(qū)面積從2001年的0.02km2發(fā)展到2015年的0.1km2，面積顯著增加；城市熱島比例指數逐年遞增，其中，東興市的熱島比例指數最高，年均增幅最大，表明東興市的熱島效應最為顯著。

（2）防城港市城市熱島效應隨季節(jié)變化明顯：冬季全市基本處于無熱島狀態(tài)；春末夏初，各市區(qū)縣以無熱島和弱熱島為主；秋季，熱島效應明顯提升，強熱島區(qū)域面積達到最大。

（3）氣象自動站觀測資料分析結果與遙感數據分析結果較為一致：城區(qū)站與郊區(qū)站的溫差呈逐年遞增的趨勢。

（4）熱島效應的主要驅動因素包括：城市建成區(qū)的迅猛擴張、經濟的快速發(fā)展，人口的大量遷入以及機動車數量的爆發(fā)式增長；城市下墊面對熱島效應的影響主要表現為：熱島效應與城市用地成正比關系，城鎮(zhèn)化程度越高，建筑密度越大，地表增溫越快；熱島效應與城市綠地和水體呈反比關系，城市植被蓋度越高，水體越多，對周邊城市熱場的降溫作用越明顯。