太原市主城區(qū)地表溫度變化研究

賈 傳 衛(wèi)亞星

（遼寧師范大學地理科學學院，遼寧 大連116000）

近年來，城市熱島效應的影響不斷擴大，已然成為全球性的生態(tài)環(huán)境問題。利用遙感數據反演地表溫度，已成為研究熱島效應的主要方法[1]。岳輝等學者對比分析輻射傳導方程法、IB 算法、MW 算法及SC 算法反演精度，并驗證與MODIS 數據產品相關性[2]；謝啟嬌等學者基于Landsat 數據分析探討武漢市城市熱島效應的時空演變特征和城市熱島形成的主要影響因素[3]；偉正等學者利用單窗算法反演安慶市地表溫度，并精確分析出城市熱島與歸一化植被指數、裸土指數等四個指數的關系[4]。

目前，基于熱紅外數據的地表溫度反演算法主要有單通道算法、劈窗算法以及多通道算法等。Landsat 8 的11 波段不穩(wěn)定，故本文以太原市主城區(qū)為例，以Landsat 數據為基礎，采用單通道算法中精度較高的輻射校正法，反演2004 年、2010 年及2020 年地表溫度。這對正確認識太原市熱島效應空間分布特征及演變規(guī)律，推進城市的綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 研究數據與預處理

太原市(111°30′E～113°09′E，37°27′N～38°25′N)位于山西省中部，輪廓呈蝙蝠形，地勢北高南低，平均海拔約800 米，面積6909 平方公里。汾河由北向南縱貫全市，屬于暖溫帶大陸性季風氣候，冬季干冷漫長，夏季濕熱多雨，春秋短暫且溫度變化迅速。

本文選取太原市2004 年9 月22 日、2010 年9 月23 日Landsat 5 TM 影像及2020 年9 月18 日Landsat 8 TIRS 影像，數據來源于地理空間數據云。影像云量低于1%，地面特征清晰，質量較高。地理空間數據云下載的數據已經過幾何校正，數據預處理包括輻射定標、Flaash 大氣校正及矢量數據裁剪。

2 研究方法

3 結果與分析

根據太原市氣象數據資料，2020 年9 月18 日、2010 年9 月23 日和2004 年9 月22 日的最高和最低氣溫分別是26℃和8℃、22.7℃和6.3℃、24.5℃和6℃，統(tǒng)計反演結果得出，三次反演92%以上的像元溫度集中在此區(qū)間，基本可以反映研究區(qū)的地表溫度分布狀況。結合前人研究與地溫分布狀況，將其劃分為五級：高溫區(qū)（＞23℃）、次高溫區(qū)（20℃-23℃）、中溫區(qū)（18℃-20℃）、次中溫區(qū)（15℃-18℃）及低溫區(qū)（＜15℃）。

2004 年高溫區(qū)面積較小，絕大部分區(qū)域溫度低于23℃，中溫區(qū)主要分布在太原北城區(qū)和中部區(qū)域，北城區(qū)工廠較多，人口集中，使得地表溫度升高，主要是位于尖草坪區(qū)汾河東西兩岸的太鋼集團，汾河、晉源區(qū)及小店區(qū)大部分處于次中溫和低溫區(qū)；2010 年高溫區(qū)與次高溫區(qū)主要分布在尖草坪區(qū)太鋼工業(yè)園區(qū)附近, 萬柏林區(qū)下元和迎澤區(qū)迎澤大街附近，以及南部的小店區(qū)。城市建設向南發(fā)展,小店區(qū)工業(yè)快速發(fā)展，引進新型、大型企業(yè)和工廠，新建商業(yè)及城中村的改建使人口不斷集中，小店區(qū)溫度升高；低溫和次中溫區(qū)主要分布在萬柏林區(qū)西部及杏花嶺東部區(qū)域；2020 年低溫區(qū)和次中溫區(qū)較小，包括汾河兩岸和晉陽湖等水系，太原市大部分區(qū)域溫度高于18℃，中溫區(qū)向外擴張、高溫區(qū)域不斷向南移動，位于城北太鋼工業(yè)園區(qū)和城南小店區(qū)高新技術開發(fā)區(qū)附近（圖1）。

圖1 研究區(qū)2004 年(左)、2010 年（中）、2020 年(右)的地表溫度

表1 研究區(qū)地表溫度總體特征 單位(km2)

2004 年、2010 年和2020 年太原市主城區(qū)地表溫度變化如下 ： 高 溫 區(qū) 面 積 依 次 是 36.17km2、77.35km2和146.36km2，2004-2020 年高溫區(qū)面積增加110.19km2，高溫區(qū)面積快速增加的原因是太原市工業(yè)快速發(fā)展、新建商業(yè)、人口不斷集中，使得城區(qū)整體溫度升高，城區(qū)北部的太鋼工業(yè)園區(qū)持續(xù)發(fā)展的情況下，新建小店區(qū)高新開發(fā)區(qū)；次高溫區(qū)面積依次是335.03km2、403.78km2和511.79，2004-2020 年次高溫區(qū)面積增加176.49km2，源于萬柏林區(qū)下元商業(yè)中心和柳巷商圈的不斷擴大以及小店區(qū)商圈的逐步形成；中溫區(qū)面積依次是479.01km2、585.37km2和496.21km2，2004-2020 年中溫區(qū)面積增加17.2km2，分布范圍急劇向外擴張，主要分布在中心城區(qū)外圍的近郊區(qū)以及城鄉(xiāng)結合部；次中溫區(qū)面積依次是456.08km2、288.70km2和240.94km2，2004-2020 年次中溫區(qū)面積減少215.14km2，主要原因是大規(guī)模發(fā)展使得農用地轉化為非農用地，耕地覆蓋面積急劇減少，地表溫度上升；低溫區(qū)面積依次是109.71km2、60.80km2和20.70km2，2004-2020 年低溫區(qū)面積減少89.01km2，源于汾河兩側商圈的不斷發(fā)展，導致汾河水域附近溫度大幅度升高，低溫區(qū)僅存在于城市外圍的水域及植被覆蓋度高的山地附近。