2000—2017年上海市城市熱島效應時空變化分析

張 菊，劉漢胡

(成都理工大學地球科學學院，四川 成都 610059)

0 引言

城市熱島效應[1](Urban Heat Island, UHI)是指城市中心溫度明顯高于城市周邊溫度的城市熱環境現象，是城市空間結構變化和人為活動因素造成的城市與郊區存在的熱量平衡差異。近年來，城市化進程的迅速發展在帶來經濟效益的同時也伴隨著一系列城市生態環境問題。城區的迅速擴張、城市硬化表面積的增加造成了下墊面性質的改變，使得其在太陽輻射下地表溫度迅速增加，城市高溫出現的頻率和強度加大，城市熱島效應日漸嚴重。王美雅等[2]對中國的13個大城市進行研究，均發現存在不同程度的熱島效應。雷金睿等[3]利用Landsat數據研究發現1989—2015年海口市地表溫度逐步上升，城市熱島區域面積擴展明顯。陳迪等[4]對珠三角地區進行研究發現在快速城市化過程中，受城市熱島效應影響，珠三角地區夏季高溫熱浪日數不斷增加、強度大幅度增強，在2004年高溫熱浪的強度高達9.21℃·d-1。侯浩然等[5]利用空間降尺度HUT算法研究發現近20年間福州市城區高溫面積顯著增加，溫度等級明顯升高，城市熱島效應明顯加強。喬治等[6]采用分裂窗算法反演分析發現北京城市熱島足跡和熱島容量呈階段性增長，并根據熱島足跡及容量時空動態變化特征提出改善城市熱島的措施。

人們對于城市熱島效應研究日益重視和關注，通過對城市熱環境變化現象進行相關研究，制定合理的城市空間發展規劃，有效緩解城市熱平衡差異具有非常重要的意義。目前，對于城市熱島的監測方法主要有借助氣象資料或實地觀測資料的地面觀測法與利用遙感影像進行地表溫度反演的遙感監測法[7]。前者由于氣象站點的限制，獲得的數據不適于做大范圍高精度的分析，具有空間微觀連續性差的缺點。利用遙感影像可以較好地實時反映研究區域連續完整的溫度分布狀態。

自改革開放以來，上海進入了城市化高速發展階段，城市面積、人口規模不斷擴大，現已是我國城市化水平最高、經濟最發達的地區之一。然而隨著經濟建設的迅速發展，上海市的城鄉溫度差異不斷擴大，熱島強度、面積不斷增大，夏季高溫現象持續加強，高溫災害頻繁出現，城市熱環境問題愈發突出。基于以上研究背景，本文利用3期上海市Landsat衛星影像為數據源對上海市城市熱島效應進行研究，分析上海市2000—2017年地表溫度空間分布特征，為改善上海市城市環境和減緩城市熱島效應提供參考。

1 研究區概況與數據獲取

上海市位于平均海拔高度4m左右的長江三角洲沖積平原東南部前緣，地理位置為東經120°51′～122°12′，北緯30°40′～31°53′，東臨東海，北近長江入海口，南臨杭州灣，西與浙江、江蘇兩省相接壤，南北長約130km，東西寬約100km，總面積約為6340.5km2。屬于北亞熱帶季風氣候，氣候溫和濕潤，年均氣溫17.6℃，日照充足，降雨量充沛。本文數據選取研究區2000、2009和2017年3期晴朗少云成像質量良好時的Landsat數據，所用遙感影像數據以及行政區劃矢量數據在地理空間數據云網站(http://www. gscloud.cn)下載。

1.1 反演方法

目前遙感反演地表溫度的方法主要有輻射傳輸方程法、單窗算法、單通道算法[8-10]。輻射傳輸方程法(Radiative Transfer Equation,又稱大氣校正法)將計算出的大氣對地表熱輻射的影響因子從衛星傳感器觀測到的熱輻射總量中減去，得到地表熱輻射強度，再根據地表熱輻射強度與地表溫度關系函數將地表熱輻射強度轉換為地表溫度。單窗算法(Mono-window Algorithm)根據輻射傳輸方程得出，將大氣和地表影響直接包括在演算公式中，去除了大氣模擬誤差的影響，適用于只有一個熱波段的遙感數據。單通道算法(Single-channel Method)假定地表比輻射率確定，通過校正單個熱紅外通道輻射亮度值來計算地表溫度，同樣適用于只有一個熱波段的遙感數據。當大氣水分含量較高時，單窗算法與單通道算法對近地面氣溫估算的誤差較大[11]，而上海市屬于沿海城市，夏季大氣水汽含量大，故本文選擇使用輻射傳輸方程法進行地表溫度反演。

1.2 關鍵參數計算

1.2.1 植被覆蓋度計算

在做植被覆蓋度計算之前，先要完成研究區域的NDVI(歸一化植被指數)值提取，其表達式如下：

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

(1)

式中：NIR為可見光紅光波段，MIR為近紅外波段。當NDVI<0表示地物對可見光高反射，主要為水體、云等；NDVI≈0表示地物為裸地；NDVI>0表示有植被覆蓋，NDVI越大，植被覆蓋度越高。

植被覆蓋度估算采用像元二分模型，像元二分模型假設傳感器所接收到的信息包括植被信息和下墊面信息，假設像元只由植被與非植被覆蓋地表，光譜信息也只由這兩個組分線性組成，各自所占比例即為各因子的權重。基于NDVI的像元二分模型可表達為：

fvc=((NDVIveg-NDVIsoil))/((NDVIveg-NDVIsoil))

(2)

式中：fvc表示植被覆蓋度，NDVI為歸一化植被指數，NDVIsoil和NDVIveg為NDVI統計結果中的最小值與最大值，通常NDVIsoil選擇累計達到所有像元總數2%的像元值，NDVIveg選擇累計達到所有像元總數98%的像元值。

1.2.2 地表比輻射率計算

地表比輻射率是物體的輻射出射度與相同溫度相同波長下絕對黑體的輻射出射度的比值，表征了實際物體的熱輻射與黑體熱輻射的接近程度。本文采用NDVI閾值法估算地表比輻射率，將遙感影像簡化為水面，道路、各種建筑和房屋組成的城鎮，各種天然陸地表面、林地和農田組成的自然表面3種類型。其中水體像元比輻射率為0.995，城鎮和自然表面像元比輻射率由下式計算得到:

εbuilding=0.9589+0.086fvc-0.0671fvc2

(3)

εsurface=0.9625+0.0614fvc-0.0461fvc2

(4)

1.2.3 輻射亮度值計算

由于地表熱輻射強度并不是由衛星傳感器觀測得到的熱輻射強度，所以直接使用原數值(DN值或輻射亮溫)進行分析存在較大的偏差。衛星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值Lλ由大氣向上熱輻射亮度L↑，地面的真實輻射亮度經過大氣衰減后到達衛星傳感器的能量和大氣向下輻射到達地面后反射的能量衛L_↓組成，其表達式可寫為(大氣輻射傳輸方程)：

Lλ=[ε·B(TS)+(1-ε)L↓]·τ+L↑

(5)

則溫度為T的黑體在熱紅外波段的輻射亮度B(TS)為：

B(TS)=([Lλ-L↑-τ·(1-ε)L↓])/(τ·ε)

(6)

式中：TS為地表真實溫度，ε為地表輻射率，τ為大氣在熱紅外波段的透過率。

大氣在熱紅外波段的透過率τ，大氣向上熱輻射亮度L↑，大氣向下輻射亮輻射亮度L↓等輻射參數信息在NASA大氣校正的官網(http://atmcorr. gsfc.nasa.gov/)中輸入研究區遙感影像成影時間以及遙感影像中心點經緯度獲得。

1.2.4 地表溫度計算

在計算溫度T的黑體在熱紅外波段的輻射亮度后，地表溫度TS根據普朗克公式反函數可得：

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

(7)

對于TIRS Band10，K1= 774.89W/(m2*μm*sr)，K2=1321.08K，最后將地表溫度單位轉化為攝氏度，得到真實地表溫度值。

2 城市熱島分級與分析

2.1 城市熱島效應分級

本文采用UHIER指數法對地表溫度進行歸一化處理，在一定程度上反應城市熱島強度，其計算方法如下式：

UHIERk=(Ti-Tmin)/(Tmax-Tmin)

(8)

式中：UHIERk為第k個像元的城市熱島強度，Ti為第i個像元地表溫度，Tmin為地表溫度最小值，Tmax為地表溫度最大值。采用密度分割法將上海市地表熱場劃分為低溫區、較低溫區、中溫區、較高溫區、高溫區5個等級，劃分標準如表1所示。其中，中溫區可視為上海市平均地表溫度，高溫區和較高溫區定義為城市熱島區域。

表1 地表溫度等級劃分

注：UHIERk為標準化值，UHIERmean為UHIER平均值，S為標準差。

2.2 上海市城市熱島時空格局分析

根據上述方法得到2000—2017年上海市城市熱島空間分布特征(圖1)，各地表溫度等級變化如表2所示。上海市2000—2017年城市高溫區域面積不斷擴大，2000年高溫區主要分布在城市中心區域、黃浦江沿岸和寶山區的重工業區等浦西地區，城市熱島面積為9.47%，這部分區域開發強度和開發密度大，建筑物密集,地表植被覆蓋度較低，熱島區域連接成片；到2009年時，城市熱島范圍向周邊明顯擴大，城市中心區域、黃浦江沿岸和寶山區內的熱島面積占比不斷增加，嘉定區、閔行區等區域開始出現明顯的城市熱島現象，中、低溫區面積明顯減少，城市熱島面積較2000年增加11.01%；到2017年，高溫、較高溫區面積仍在繼續擴大，低溫區和中溫區面積比例逐漸減少，低、中溫區主要分布在水域和城市邊緣，松江區、金山區、奉賢區等區域內部開始存在明顯的熱島點，僅有崇明縣無明顯熱島，但該區域也有些許熱島點分布，研究結果表示上海市城市熱島存在持續擴張的趨勢，城市熱島現象十分嚴重。

表2 上海市2000—2017年地表溫度等級面積比例 (%)

3 結論與討論

本文應用大氣輻射傳輸方程法對2000—2017年上海市夏季Landsat數據進行地表溫度反演，分析得出上海市城市地表溫度的空間格局特征。上海市城市熱島現象十分突出且熱島面積存在持續增加的趨勢，由此引發的城市生態環境問題將更加嚴重。應采取優化城市功能區空間配置格局、合理安排城市土地利用類型的比重、增加城市藍綠空間建設等措施減緩城市熱島發展趨勢，改善城市生態環境，為居民提供更好的生活環境。