近30年寧波市熱環(huán)境時(shí)空變化分析

包穎，申佩佩，陳海珍

(1.寧波市測繪設(shè)計(jì)研究院，浙江 寧波 315041； 2.寧波市遙感應(yīng)用中心，浙江 寧波 315041；3.寧波市阿拉圖數(shù)字科技中心，浙江 寧波 315041)

1 引 言

在全國城市建設(shè)飛速發(fā)展的背景下，城市熱環(huán)境已成為城市生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)問題之一[1]。熱島效應(yīng)是城市熱環(huán)境特征的集中體現(xiàn)，是指城市地表大氣溫度高于周邊區(qū)域溫度的現(xiàn)象[2，3]。城市熱島效應(yīng)的加劇，不僅會(huì)對城市和周邊生態(tài)環(huán)境帶來負(fù)面影響，還會(huì)對人體健康產(chǎn)生威脅[4]。因此，客觀全面掌握城市熱島效應(yīng)的歷史規(guī)律和現(xiàn)狀，并根據(jù)發(fā)展規(guī)律提出有效措施，對于城市生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展、創(chuàng)建高效城市運(yùn)營機(jī)制、創(chuàng)建和諧健康的人居環(huán)境有著重要的意義。

近幾十年，遙感技術(shù)因其覆蓋范圍廣、成本低和動(dòng)態(tài)監(jiān)測等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于城市熱島效應(yīng)的研究[1，5，6]。城市熱島效應(yīng)的遙感監(jiān)測，是在熱紅外遙感數(shù)據(jù)獲取城市地表溫度(Land Surface Temperature，LST)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，Landsat、MODIS、ASTER和HJ-1 IRS等數(shù)據(jù)均為常用的數(shù)據(jù)源[7～9]。在實(shí)際應(yīng)用中，Landsat數(shù)據(jù)因其較高的空間分辨率和成熟的理論方法被廣泛地應(yīng)用于城市和小區(qū)域的城市熱島效應(yīng)研究：如朱文娟等[10]基于ETM+影像，分別利用單窗算法和單通道算法實(shí)現(xiàn)了南京市地表溫度反演；聶芹等[11]基于TM/ETM+影像和單通道算法，實(shí)現(xiàn)了上海市1997年～2010年的熱島效應(yīng)分析；李軍等[12]利用Landsat 8OLI/TIR影像和劈窗算法研究了重慶市主城的熱島效應(yīng)。

寧波市地處我國海岸線中段，是我國東南沿海重要的港口城市，在城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速的同時(shí)城市環(huán)境問題也日漸突出。目前，針對寧波市的長時(shí)間序列的熱島效應(yīng)研究較少，且研究內(nèi)容和深度也有待深化。因此，本研究以寧波市為研究區(qū)，采用多時(shí)相的Landsat數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)寧波市LST反演，獲取城市熱島強(qiáng)度，并在此基礎(chǔ)上分析1987年～2015年間寧波市熱島強(qiáng)度空間格局變化，為寧波市海綿城市和生態(tài)文明建設(shè)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和決策依據(jù)。

2 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

2.1 研究區(qū)概況

寧波市地處東經(jīng)120°55′～122°16′，北緯28°51′～30°33′之間，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，地勢西南高東北低。全市包括海曙區(qū)、江北區(qū)、鎮(zhèn)海區(qū)、北侖區(qū)、鄞州區(qū)、奉化區(qū)、余姚市、慈溪市、寧海縣和象山縣六區(qū)兩市兩縣(如圖1所示)。隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，寧波市呈現(xiàn)“一核兩翼，兩帶三灣”的多節(jié)點(diǎn)市域空間格局。

圖1 研究區(qū)示意圖

2.2 數(shù)據(jù)源

根據(jù)《寧波市城市規(guī)劃史》當(dāng)代寧波規(guī)劃的各階段，結(jié)合USGS(http：//glovis.usgs.gov/)實(shí)際數(shù)據(jù)獲取情況，分別選取包括1987年、1998年、2007年和2015年的夏季Landsat影像數(shù)據(jù)作為熱環(huán)境監(jiān)測的數(shù)據(jù)源，其中1987年～2010年使用的是Landsat5數(shù)據(jù)，2015年使用的是Landsat8數(shù)據(jù)，各年份使用數(shù)據(jù)的條帶號均為118/39和118/40；同時(shí)，獲取2015年寧波全市 0.5 m空間分辨率的航飛DOM影像和寧波市行政區(qū)劃分別作為幾何校正和裁剪數(shù)據(jù)源；此外，從中國氣象官方網(wǎng)站下載當(dāng)日的氣象數(shù)據(jù)作為LST反演的輔助數(shù)據(jù)。

3 研究方法

3.1 遙感影像預(yù)處理

對于Landsat光學(xué)影像，進(jìn)行校正(輻射校正、幾何校正和大氣校正)、拼接、裁剪等。其中，輻射校正根據(jù)影像中對應(yīng)的輻射校正參數(shù)實(shí)現(xiàn)；幾何校正通過2015年DOM影像實(shí)現(xiàn)，且誤差控制在1個(gè)像元內(nèi)；大氣校正則是基于ENVI中FLAASH大氣校正模型實(shí)現(xiàn)。而針對Landsat熱紅外影像，首先根據(jù)頭文件將原始影像的DN值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的熱輻射強(qiáng)度，隨后將輻射強(qiáng)度值轉(zhuǎn)化為輻射亮溫，獲取影像的亮度溫度。

3.2 熱島強(qiáng)度提取

熱島強(qiáng)度的獲取是在估算LST的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。由于Landsat 5只有單個(gè)熱紅外波段，因此為了增強(qiáng)結(jié)果的可比性，本研究選取單窗算法不同年份LST的反演[13]。

在預(yù)處理獲取不同年份亮溫和反射率影像基礎(chǔ)上，根據(jù)單窗算法，求得大氣透射率、大氣平均作用溫度和地表比輻射率，就可實(shí)現(xiàn)LST反演，具體公式為[13]：

(1)

其中，Ts為地表溫度(K)；a6和b6為回歸系數(shù)，當(dāng)?shù)乇頊囟仍?℃～70℃時(shí)，a6=67.3551，b6=0.458606；T6為輻射亮溫(K)；Ta為大氣平均作用溫度(K)；C6和D6為中間變量，可通過以下公式求得：

C6=ε6τ6

(2)

D6=(1-τ6)[1+(1-ε6)τ6]

(3)

其中ε為地表比輻射率，τ為大氣透射率；ε與植被覆蓋度相關(guān)，根據(jù)不同地表類型可分別計(jì)算獲取；τ在對應(yīng)溫度和水汽含量范圍內(nèi)，與大氣水汽含量呈線性關(guān)系，可通過線性公式計(jì)算[13，14]。

此外，根據(jù)不同季節(jié)模擬研究獲得大氣平均作用溫度Ta，計(jì)算公式分別為：

中緯度夏季平均大氣：

Ta=16.011+0.92621T0

(4)

中緯度冬季平均大氣：

Ta=19.2704+0.91118T0

(5)

其中T0為近地溫度，從中國氣象官方網(wǎng)資料中獲取。

對不同年份LST進(jìn)行歸一化處理計(jì)算熱島強(qiáng)度，并利用武鵬飛等[15]提出的熱島等級劃分，來獲取寧波市的熱島強(qiáng)度分布情況。

(6)

4 結(jié)果與分析

4.1 寧波市LST時(shí)空分布特征

利用IDL語言實(shí)現(xiàn)單窗算法LST計(jì)算，得到1987年～2015年間LST空間分布如圖2所示。

從溫差來看，寧波市夏季LST空間差異明顯，各年份夏季最高值均分布于40℃以上，最低值分布在14℃～17℃之間，從LST較高的城市建成區(qū)到溫度較低的水體LST差異可達(dá)30℃以上。從下墊面類型來看，寧波市各年份高LST主要集中分布于三江片和其他區(qū)縣(市)主城區(qū)，其次是周邊農(nóng)村區(qū)域，林地LST較種植作物的農(nóng)田區(qū)域低，水體LST最低，LST的空間差異主要是各下墊面類型的熱特性差異所致。從空間分布來看，對于高LST區(qū)，1998年以前基本集中在各區(qū)縣(市)主城區(qū)，1998年以后，隨著寧波市不透水面的增加，高LST區(qū)域范圍不斷沿著寧波市城市發(fā)展向外擴(kuò)展。增加最迅速的為三江口片、各區(qū)縣(市)主城區(qū)、大榭開發(fā)區(qū)、杭州灣新區(qū)、鎮(zhèn)海煉化和慈溪-余姚高速沿線等區(qū)域；并且隨著時(shí)間變化，上述地區(qū)高溫范圍逐年向外擴(kuò)展，城區(qū)的高溫地區(qū)主要呈現(xiàn)出片狀發(fā)散的空間分布特征，余姚和慈溪區(qū)域呈現(xiàn)出沿高速公路的“帶狀”發(fā)展模式，到2015年，寧波市地表溫度高值區(qū)的空間發(fā)展趨勢基本符合寧波市提出以三江口片寧波市區(qū)為核心的“一核兩翼，兩帶三灣”的多節(jié)點(diǎn)市域空間格局。

圖21987年～2015年寧波市地表溫度空間分布圖

4.2 寧波市熱島強(qiáng)度時(shí)空分布特征

結(jié)合圖2和圖3可知，寧波市熱島具有較強(qiáng)的區(qū)域性，熱島強(qiáng)度空間分布趨勢與LST空間分布趨勢類似，植被和水體等LST較低的區(qū)域多為綠島區(qū)，不透水面覆蓋較多的城鎮(zhèn)化發(fā)達(dá)區(qū)域多為強(qiáng)熱島區(qū)和極強(qiáng)熱島區(qū)。1987年和1998年，寧波市熱島分布集中于三江口片和其他區(qū)縣(市)主城區(qū)，熱島呈連片分布且集中，呈現(xiàn)聚集狀；而2007年以后，由于寧波市明確提出走可持續(xù)發(fā)展的新型城市化道路，城鎮(zhèn)化體系更為完備，城市內(nèi)部景觀綠化增多，城區(qū)熱島相較于1987年以前較為分散，大多集中在建筑密度高、開發(fā)密度高或工業(yè)區(qū)等區(qū)域，城市內(nèi)部老城區(qū)和其他區(qū)域熱島等級相對較低。

圖31987年～2015年寧波市熱島空間分布圖

圖4 1987年～2015年寧波市強(qiáng)熱島疊加分布圖

統(tǒng)計(jì)寧波市近30年強(qiáng)熱島和極強(qiáng)熱島區(qū)域面積，如圖4和表1所示，并分別計(jì)算各階段面積年變化率。1987年～2015年間，寧波市強(qiáng)熱島區(qū)域面積逐年增加，從1987年的 125.87 km2增加到了2015年的 477.97 km2，強(qiáng)熱島和極強(qiáng)熱島區(qū)域變化率先增加后降低。其中，1987年～1998年，寧波市強(qiáng)熱島和極強(qiáng)熱島區(qū)域面積增加微弱，主要由各自主城區(qū)向外擴(kuò)展，增加速率為 0.94km2/a；1998年～2007年，強(qiáng)熱島和極強(qiáng)熱島區(qū)域面積變化率達(dá)到四個(gè)階段中的最高值，為 28.27km2/a，這一階段隨著寧波市城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，城市逐漸向高速沿線、北侖工業(yè)區(qū)和鄞州杭州灣開發(fā)區(qū)新城等擴(kuò)張，混凝土建筑和柏油路等不透水面增多，阻斷了地面水分增加，熱島效應(yīng)日漸凸顯；2007年～2015年，寧波市城市規(guī)劃逐漸轉(zhuǎn)型發(fā)展，強(qiáng)熱島和極強(qiáng)熱島區(qū)域面積雖有一定增加，但增長速率逐漸降低，為 10.91 km2/a。

5 結(jié) 論

本研究運(yùn)用1987年～2015年間的Landsat影像、單窗算法開展寧波市近30年LST的估算和熱島強(qiáng)度提取是可行的，結(jié)果是可靠的。

(1)近30年寧波市LST和強(qiáng)熱島分布面積逐年增加，夏季全市熱島效應(yīng)明顯，同時(shí)全市熱島具有較強(qiáng)的區(qū)域性，熱島強(qiáng)度空間分布趨勢與不透水面等下墊面空間分布趨勢類似，植被和水體等LST較低的區(qū)域多為綠島區(qū)，不透水面覆蓋較多的城鎮(zhèn)化發(fā)達(dá)區(qū)域多為強(qiáng)熱島區(qū)和極強(qiáng)熱島區(qū)。

(2)1998年以前寧波市各行政區(qū)熱島基本呈現(xiàn)單個(gè)熱島聚集的狀態(tài)，而隨著近些年寧波市對生態(tài)文明建設(shè)的重視，2007年以后各行政區(qū)城區(qū)內(nèi)熱島逐漸分散，形成多個(gè)小次級熱島。

(3)近30年寧波市強(qiáng)熱島和極強(qiáng)熱島區(qū)域面積逐年增加，近30年增加了 352.10 km2，強(qiáng)熱島和極強(qiáng)熱島區(qū)域變化率先增加后降低，在1997年～2007年間變化率達(dá)到最大，為 28.27 km2/a，后續(xù)增加速率逐漸降低。