北京通州地表溫度的時(shí)空分布特征與綠化作用

謝軍飛

叢日晨

王月容*

段敏杰

城市熱島(Urban Heat Island，UHI)效應(yīng)是指城市氣溫或地表溫度高于郊區(qū)等非城市區(qū)域的一種溫度差別現(xiàn)象[1-2]。隨著城市的持續(xù)發(fā)展，大量水泥路面等不透水表面取代了原有的自然地表[3-4]，城市居民生活熱排放激增，也造成了城市熱排放量的日益增加[5-6]，導(dǎo)致目前城市熱島效應(yīng)比較突出[7-11]。

目前城市熱島效應(yīng)的研究范圍主要涉及城市地表層、城市冠層和城市邊界層3個(gè)層次[12]。其中，城市冠層和城市邊界層的熱島效應(yīng)研究主要基于地面氣象觀測和數(shù)值模擬進(jìn)行[13-16]。有別于城市大氣冠層和大氣邊界層溫度，城市地表層溫度與人居感受密切相關(guān)，不僅可以反映城市熱島效應(yīng)狀況，也是當(dāng)前城市熱島效應(yīng)研究的核心內(nèi)容之一[17]。傳統(tǒng)通過氣象站獲取的空氣溫度等數(shù)據(jù)，雖然能實(shí)現(xiàn)高時(shí)間分辨率的測定，但受經(jīng)濟(jì)等因素的制約，難以實(shí)現(xiàn)空間上的全覆蓋。基于少量的氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過空間內(nèi)插的方法擴(kuò)展到面上的誤差通常較大，而通過遙感衛(wèi)星傳感器獲取的城市地表熱輻射信息，具有間隔周期短、空間覆蓋范圍廣、獲取成本低的優(yōu)點(diǎn)，目前已成為研究城市地表溫度時(shí)空特征的重要途徑。另外，相對(duì)于氣溫，地表溫度受大尺度氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)的影響較小，比較適合評(píng)估人為活動(dòng)對(duì)城市熱島效應(yīng)的貢獻(xiàn)[18-19]。

通常，利用遙感衛(wèi)星熱紅外波段數(shù)據(jù)反演地表溫度分2種情況：需通過大氣校正的地表溫度反演和不需要經(jīng)過大氣校正的星上亮溫。當(dāng)研究區(qū)域的水汽條件基本一致時(shí)，可以忽略大氣影響而用亮溫代表；當(dāng)研究區(qū)域的大氣水汽條件差異較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致遙感衛(wèi)星傳感器接收到的熱輻射強(qiáng)度與真實(shí)的地表熱輻射強(qiáng)度之間存在較大差異。為獲取真實(shí)的地表溫度，需經(jīng)過含大氣校正的算法反演地表溫度[20]。

本研究基于Landsat 8衛(wèi)星的熱紅外波段，在氣象要素的實(shí)地觀測支持下，通過劈窗反演算法獲取了2015、2016、2017和2019年的北京通州區(qū)(含北京城市副中心)地表溫度，并分析了北京通州區(qū)(含北京城市副中心)地表的熱島效應(yīng)時(shí)空變化規(guī)律與影響因素，從而為緩解北京通州區(qū)及城市副中心地表的熱島效應(yīng)提供科學(xué)建議。

1 研究區(qū)概況與遙感影像的選取

通州區(qū)(北緯39°36′～40°02′，東經(jīng)116°32′～116°56′)位于北京的東南方向，東西寬約36.5km，南北長約48km，總面積達(dá)906km2。通州區(qū)地勢相對(duì)平坦，土質(zhì)多為潮黃土、兩合土、沙壤土，屬于大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫約為11.3℃，年降水量620mm左右。而北京城市副中心為原通州新城范圍，東至規(guī)劃東部發(fā)展帶聯(lián)絡(luò)線，西至朝陽區(qū)的規(guī)劃綠化隔離帶，南至京哈高速公路，北至潞苑北大街，東西寬約12km，南北長約13km，總面積為155km2(圖1)。

本研究選取了屬于2015、2016、2017和2019年共計(jì)7景Landsat 8衛(wèi)星影像(由地理空間數(shù)據(jù)云http://www.gscloud.cn提供，云量少于10%的L1級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，已經(jīng)過系統(tǒng)的輻射校正和幾何校正處理，基本可以代表晴空條件下北京時(shí)間10：00的地表情況)。Landsat 8是2013年2月11日發(fā)射的，攜帶有OLI陸地成像儀和TIRS熱紅外傳感器。Landsat 8衛(wèi)星在空間分辨率和波長范圍方面與Landsat 5保持了基本一致，但波段數(shù)量有明顯增加。該衛(wèi)星一共有11個(gè)波段，波段1～7和9的空間分辨率均為30m，波段8為15m分辨率的全色波段，波段10和11空間分辨率為100m，均屬于熱紅外波段，衛(wèi)星每16d可以實(shí)現(xiàn)一次全球覆蓋。

圖1 2015年研究區(qū)位置

2 地表溫度反演方法簡介

為了盡可能發(fā)揮Landsat 8衛(wèi)星的2個(gè)熱紅外波段(常被稱作通道)的優(yōu)勢，本研究選擇劈窗算法[21-22]來進(jìn)行地表溫度反演，該劈窗算法屬于雙通道非線性反演，重點(diǎn)考慮了水汽等因素。

式中，ε和Δε分別表示2個(gè)波段的發(fā)射率均值與差值，取決于地表分類與覆蓋度；Ti和Tj表示2個(gè)波段的觀測亮溫；bi(i＝0，1，…，7)表示各項(xiàng)系數(shù)，其可通過實(shí)驗(yàn)測定、大氣參數(shù)及大氣輻射傳輸方程的模擬數(shù)據(jù)集獲取。系數(shù)bi取決于大氣柱水汽含量。

另外，通過植被覆蓋度加權(quán)法，利用Landsat 8可見光、近紅外波段數(shù)據(jù)反演的NDVI與植被覆蓋度f估算像元發(fā)射率。

式中，植被發(fā)射率εv、背景發(fā)射率εg值來自相關(guān)的光譜數(shù)據(jù)庫；NDVIv和NDVIs分別為植被和裸土的NDVI值。為了使不同熱紅外波段間的NDVIs和NDVIv保持一致，取0.2作為NDVIs的固定值，取0.86作為NDVIv的固定值。當(dāng)像元NDVI大于NDVIv時(shí)，像元的植被覆蓋度為1.0，像元發(fā)射率為εv，當(dāng)像元NDVI小于NDVIs時(shí)，像元的植被覆蓋度為0.0，像元反射率即為εg。則是像元內(nèi)各組分間多次散射而形成的腔體效應(yīng)(Cavity Effect)參數(shù)，其大小與像元內(nèi)部冠層結(jié)構(gòu)與地表粗糙度有關(guān)。

為了減少不同數(shù)據(jù)源匹配導(dǎo)致的誤差，劈窗算法還從熱紅外波段本身數(shù)據(jù)去估算水汽。即首先利用MODTRAN和TIGR大氣廓線，建立2個(gè)劈窗通道的大氣透過率比值τj/τi與大氣水汽含量wv的經(jīng)驗(yàn)公式，然后通過滑動(dòng)窗口內(nèi)2個(gè)波段內(nèi)亮溫(Ti和Tj)之間的協(xié)方差與方差的比值來估算透過率比值。

為了驗(yàn)證劈窗算法反演的地表溫度精度，本研究還在2017年7月10日10：00(Landsat 8衛(wèi)星的北京過境時(shí)間)，使用Fluke Ti 32紅外熱像儀，對(duì)處于通州城市副中心的水體、不透水鋪裝、草坪的地表溫度進(jìn)行了測定，發(fā)現(xiàn)水體表面的平均溫度為30.3℃，不透水鋪裝的平均溫度為44.2℃，草坪的平均溫度為36.6℃，與劈窗算法反演的結(jié)果比較接近。

從圖2可以看出，2015年通州不同季節(jié)的地表溫度呈現(xiàn)出不同的空間分布特征：夏季和秋季，西北部和東南部的建成區(qū)地表溫度明顯高于周邊林地和農(nóng)田區(qū)域。其中，最大熱島區(qū)域位于通州老城區(qū)，總體呈現(xiàn)出片狀和零星熱島共存的空間分布特征。而冬季的通州老城區(qū)地表溫度則顯著低于郊區(qū)林地與農(nóng)田地表溫度，出現(xiàn)了明顯的“地表冷島效應(yīng)”。

3 北京城市副中心不同季節(jié)地表溫度的空間分布特征

通過對(duì)2015年通州地表溫度反演圖的剪切處理，獲得了城市副中心不同季節(jié)地表溫度分布特征：夏季，通州大運(yùn)河西南側(cè)的老城區(qū)出現(xiàn)了大面積的高溫區(qū)，并沿西南方向延伸至姚辛莊(主要由不透水地面和建筑組成)，北部的宋家莊地區(qū)也有一定的高溫區(qū)域分布，總體呈現(xiàn)多中心的熱島分布特征，而位于南部郊區(qū)的林地農(nóng)田地表溫度相對(duì)較低。冬季，位于老城區(qū)的地表溫度則低于南部郊區(qū)的植被覆蓋區(qū)域，“地表冷島效應(yīng)”也比較明顯(圖3)。

圖2 2015年通州不同季節(jié)的地表溫度分布

圖3 2015年城市副中心不同季節(jié)的地表溫度分布

為了判斷城市副中心冬季老城區(qū)的“地表冷島效應(yīng)”是否為偶然現(xiàn)象，還進(jìn)一步隨機(jī)選擇了2016年12月14日、2017年11月15日的Landsat 8衛(wèi)星遙感影像，并反演其地表溫度。從圖4可以合理推測，城市副中心的老城區(qū)冬季“地表冷島效應(yīng)”的出現(xiàn)并不是偶然現(xiàn)象。

王建凱等也發(fā)現(xiàn)了類似的冬季“地表冷島效應(yīng)”，并認(rèn)為一方面因?yàn)榻紖^(qū)地面的裸露土壤較為干燥，蒸發(fā)量較小，導(dǎo)致其升溫速度高于城區(qū)下墊面(如水泥路面)；另一方面原因是城區(qū)大氣污染物對(duì)太陽輻射有吸收和散射作用，在很大程度上削弱了到達(dá)地表的太陽輻射強(qiáng)度[23]。

對(duì)于上述解釋，在城市副中心地區(qū)還值得進(jìn)一步探討：即使在干燥的情況下，裸露土壤的比熱容應(yīng)該大于水泥路面等城市下墊面，在熱量輸入大于輸出的條件下，其升溫速度應(yīng)該會(huì)低于城市地表。另外，關(guān)于城區(qū)污染物引發(fā)的“地表冷島效應(yīng)”也值得商榷，區(qū)域污染物濃度不僅與污染源有關(guān)，還易受氣象條件與區(qū)域傳輸?shù)挠绊懀嫉孛娣e僅為155km2的城市副中心空氣污染物濃度空間分布會(huì)存在較大差異的可能性較小。如何解釋城市副中心冬季老城區(qū)“地表冷島效應(yīng)”呢？是否有這么一種可能，即冬季上午時(shí)段，因空氣污染物的影響，導(dǎo)致老城區(qū)與郊區(qū)的太陽輻射強(qiáng)度均較弱，下墊面能量輸出大于輸入，在傳遞熱量至大氣的過程中，郊區(qū)的裸露土壤因比熱容較大，降溫速度較慢，從而導(dǎo)致其地表溫度高于水泥路面等城市下墊面占主要面積比例的老城區(qū)。

同時(shí)也應(yīng)該了解到，同一區(qū)域相同時(shí)刻的地表溫度與氣溫值存在差異。雖然二者的差異在夜間較小，但是白天城市地表溫度與其上空的氣溫差異較大。根據(jù)2015年通州自動(dòng)氣象站的觀測數(shù)據(jù)，晴朗的夏季中午城市地表溫度與氣溫的最大差異可以達(dá)到25℃；在冬季，城市地表溫度也會(huì)高過氣溫約13℃。

需要補(bǔ)充的是，隨著城市副中心環(huán)境改善與綠化建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，2019年北京城市副中心的局部區(qū)域夏季地表溫度有所下降，尤其是北京市政府所在的行政辦公區(qū)的地表高溫范圍有明顯減少，姚辛莊地區(qū)的地表溫度也有一定程度的下降(圖5)。

概括上述多個(gè)小節(jié)的分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，通州(含北京城市副中心)城區(qū)夏秋兩季熱島效應(yīng)顯著，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因應(yīng)該與城區(qū)下墊面類型等因素有關(guān)[24]。1)城市下墊面吸收更多的熱量。城市中大量的人工構(gòu)筑物，如鋪裝地面、水泥路面、建筑物等，顏色較深，其反射率比自然下墊面小，導(dǎo)熱率也要比郊區(qū)自然界下墊面大，所以在相同的太陽輻射條件下，城市下墊面能吸收更多的熱量。再加上城市建筑物密集，街道和庭院中的“天穹可見度”較小，太陽輻射在高大建筑物之間的多次反射和吸收，能夠比郊區(qū)農(nóng)村開闊地吸收更多的太陽能。2)城市下墊面的蒸散耗熱量小。與郊區(qū)相比，由于蒸騰作用散失的熱量較小，城市中植被覆蓋率較低。3)城市下墊面通常比熱容小，吸收相同熱量升溫更快。4)城市中建筑物密集，使下墊面的粗糙度增加，減弱了風(fēng)速，不利于熱量向外擴(kuò)散。

在通州地區(qū)，鄭曉瑩等基于網(wǎng)格法的定量研究發(fā)現(xiàn)，地表溫度與植被覆蓋度之間具有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系[24]。本項(xiàng)目通過Arcmap的Spatial Analyst Tools-Multivariate，選擇band collection statistics工具，在出現(xiàn)的對(duì)話框中，選中圖6中2個(gè)柵格圖，并且勾選Covariance Matrix和Correlation Matrix進(jìn)行相關(guān)分析，也發(fā)現(xiàn)北京城市副中心植被覆蓋度與地表溫度之間的相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.57，具有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

基于上述負(fù)相關(guān)關(guān)系，很顯然，城市綠化能夠有效發(fā)揮緩解城市熱島的作用。城市綠化緩解熱島效應(yīng)主要是通過園林植物生理活動(dòng)中產(chǎn)生的生態(tài)效益，即植物通過葉片進(jìn)行光合與蒸騰作用，吸收太陽輻射與環(huán)境中的熱量，從而實(shí)現(xiàn)地表降溫效應(yīng)。

需要注意的是，城市熱島作為一種小尺度的氣象現(xiàn)象，必然受到大尺度天氣形勢的影響。當(dāng)氣壓梯度小、微風(fēng)或無風(fēng)，或有下沉逆溫時(shí)，有利于熱島的形成。而如果處于不穩(wěn)定的天氣形勢下，熱島的強(qiáng)度則會(huì)降低。有研究表明風(fēng)速大于11m/s時(shí)，熱交換強(qiáng)烈，城市熱島效應(yīng)不明顯。

圖4 城市副中心的冬季地表溫度分布

圖5 2019年8月17日北京城市副中心地表溫度分布

圖6 2015年7月5日城市副中心植被覆蓋度與地表溫度分布

4 小結(jié)與討論

本研究基于Landsat 8衛(wèi)星的熱紅外波段，在氣象要素的實(shí)地觀測支持下，通過劈窗反演算法獲取了2015、2016、2017和2019年的北京通州區(qū)(含北京城市副中心)地表溫度，并分析了北京通州區(qū)(含北京城市副中心)地表的熱島效應(yīng)時(shí)空變化規(guī)律與影響因素。主要研究結(jié)論如下。

1)2015年的夏季和秋季，西北部和東南部的建成區(qū)地表溫度明顯高于周邊林地和農(nóng)田區(qū)域。其中，最大熱島區(qū)域位于通州老城區(qū)，總體呈現(xiàn)出片狀和零星熱島共存的空間分布特征。而冬季的通州老城區(qū)地表溫度則顯著低于郊區(qū)林地與農(nóng)田地表溫度，出現(xiàn)了明顯的“地表冷島效應(yīng)”。北京城市副中心也具有類似通州的規(guī)律，但熱島分布格局呈明顯的多中心，不僅在老城區(qū)，位于郊區(qū)的宋莊、姚辛莊因建筑面積較大，也出現(xiàn)了明顯的高溫區(qū)域。

2)北京城市副中心的老城區(qū)冬季“地表冷島效應(yīng)”的出現(xiàn)并不是偶然現(xiàn)象，其可能原因是冬季上午時(shí)段，因空氣污染物的影響，導(dǎo)致老城區(qū)與郊區(qū)的太陽輻射強(qiáng)度均較弱，下墊面能量輸出大于輸入，在傳遞熱量至大氣的過程中，郊區(qū)的裸露土壤因比熱容較大，降溫速度較慢，從而導(dǎo)致其地表溫度高于水泥路面等城市下墊面占主要比例的老城區(qū)。

3)2019年北京城市副中心的局部區(qū)域夏季地表溫度有所下降，尤其是北京市政府所在的行政辦公區(qū)的地表高溫范圍有明顯減少，姚辛莊地區(qū)的地表溫度也有一定程度的下降。

4)城市地表熱島效應(yīng)產(chǎn)生的主要驅(qū)動(dòng)力來自城市內(nèi)部的自然因素(土地利用)和社會(huì)因素(人口密度、生產(chǎn)活動(dòng))。北京城市副中心植被覆蓋度與地表溫度之間的相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.57，具有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

此外，李延明等對(duì)北京城區(qū)的綠化覆蓋率和熱島強(qiáng)度進(jìn)行了回歸分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)綠化覆蓋率與熱島強(qiáng)度之間呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，綠化覆蓋率越高，則熱島強(qiáng)度越低[25]。并且對(duì)比發(fā)現(xiàn)綠化覆蓋率達(dá)到30%的區(qū)域，其熱島強(qiáng)度出現(xiàn)較明顯的減弱；而當(dāng)綠化覆蓋率大于50%時(shí)，熱島強(qiáng)度的緩解現(xiàn)象極其明顯。

城市綠地系統(tǒng)的布局也會(huì)影響城市熱島，王美雅等通過對(duì)比廣州和深圳2個(gè)城市發(fā)現(xiàn)，它們雖然地理位置相鄰，但深圳的建設(shè)用地呈多區(qū)域分布，而廣州的建設(shè)用地卻集中連片發(fā)展，導(dǎo)致廣州熱島強(qiáng)度(3.07℃)高于深圳(2.43℃)[26]。因此，建議在城市建設(shè)過程中，多采用多中心布局的方式，有計(jì)劃地疏散主城區(qū)高聚集度的居住區(qū)或工業(yè)設(shè)施，從而降低城市整體地表熱島強(qiáng)度。

苗世光等通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在面積相同的情況下，對(duì)比集中型綠地布局，分散型綠地布局對(duì)環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速的影響范圍更大，影響程度更深[27]。臧亭等認(rèn)為在城市高密度中心區(qū)，在綠化面積一定的情況下，宜選擇多點(diǎn)布局方式，即增加綠地小斑塊數(shù)量，從而更好地發(fā)揮整體降溫效應(yīng)[28]。薛濱夏等也從整體協(xié)同、均勻配置的角度，提出了應(yīng)對(duì)城市熱島效應(yīng)的3種綠地格局優(yōu)化模式[29]。

需要補(bǔ)充的是，提高城市綠化覆蓋率是優(yōu)化綠地系統(tǒng)布局的重要前提。尤其是對(duì)于城市建設(shè)用地緊張的區(qū)域，充分開展屋頂綠化將在提高綠化覆蓋率的同時(shí)緩解夏季熱島效應(yīng)，姜之點(diǎn)等基于三維小氣候模型ENVI-met，在南京市開展了傳統(tǒng)光屋頂、簡易型綠化、復(fù)合型綠化的微氣候模擬與分析，其結(jié)果表明，街區(qū)尺度的屋頂綠化會(huì)產(chǎn)生“冷島效應(yīng)”，并從屋面擴(kuò)散到地面，從而會(huì)間接降低地表溫度[30]。

注：文中圖片均由作者繪制。