拉薩市主城區(qū)地表溫度動態(tài)變化分析

馮成玉，孟令斌，劉 瑞，陳 揚

西藏大學，西藏拉薩 850000

1 概述

伴隨著城市化的發(fā)展，受到人類活動、下墊面改變等因素的影響，城市生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展受到制約。其中，較為明顯的是城市熱環(huán)境的變化和城市熱島效應(yīng)的形成，會破壞城市生態(tài)系統(tǒng)平衡，對城市的大氣環(huán)境、居民健康等產(chǎn)生惡劣影響，不利于城市社會、經(jīng)濟的發(fā)展[1]。地表溫度作為城市熱島的關(guān)鍵因子及地表熱環(huán)境和熱島效應(yīng)研究的基礎(chǔ)，在城市熱生態(tài)領(lǐng)域的研究中備受關(guān)注[2]。

西部發(fā)展戰(zhàn)略的背景下, 拉薩市城區(qū)迅速發(fā)展，城市環(huán)境的變化及其生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展備受各界關(guān)注。研究拉薩市地表溫度的動態(tài)變化對探索城市生態(tài)環(huán)境的變化與城市的可持續(xù)變化具有指導(dǎo)意義。

2 研究區(qū)概括與實驗數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)概括

城關(guān)區(qū)隸屬于西藏自治區(qū)拉薩市，位于拉薩河中游河谷沖積平原區(qū)域，城市區(qū)域面積占10%左右。作為拉薩市的中心轄區(qū)，城關(guān)區(qū)是拉薩市城市化最高的區(qū)域，是拉薩市和西藏自治區(qū)的經(jīng)濟、政治等活動中心。由于本次研究基于城市層面，所以將城關(guān)區(qū)的城市建成區(qū)（拉薩市主城區(qū)）作為本次研究區(qū)域。

2.2 實驗數(shù)據(jù)

本次實驗數(shù)據(jù)采用分辨率高，適合研究城市區(qū)域的Landsat遙感影像數(shù)據(jù)，共獲取2006、2013、2020年3期同時空不同時相的遙感影像。

3 地表溫度反演

（1）采用大氣校正法實現(xiàn)地表溫度反演。大氣校正法的原理是以衛(wèi)星傳感器接收到的輻射總量為基礎(chǔ)的，減去因受到大氣影響的熱輻射量，得到真實的地表輻射總量，根據(jù)普朗克公式將地表輻射總量反演為地表溫度[3]。大氣校正法的優(yōu)點是該反演算法操作簡單、精確。大氣校正法對只有一個熱紅外波段的傳感器所獲取的影像反演精度高，并在反演過程中對熱紅外波段沒有任何限制[4]。

（2）在ENVI 5.3中對已預(yù)處理的影像進行參數(shù)的計算，反演得出真實的地表溫度。

NDVI和植被覆蓋度的計算：NDVI為歸一化植被指數(shù)，由公式（1）計算得出，NDVI良好地反映了植被的生長狀況和覆蓋度狀況，可將植被與其他地表物體區(qū)分開來。NDVI也是城市下墊面伴隨著城市化發(fā)生改變的明顯反應(yīng)指標之一，能夠反映出城市熱環(huán)境的變化。

得到歸一化植被指數(shù)后，進一步反演得到植被覆蓋度。

分別取累計百分比最接近5%和95%時的NDVI值作為NDVIS的值和NDVIV的 值。當NDVI大 于NDVIV時，P(V)=1，當NDVI小于NDVIS時，P(V)=0。

比輻射率的計算：地表比輻射率是物體的輻射強度與相同溫度、波長的黑體輻射強度的比值，是地表溫度反演的關(guān)鍵參數(shù)。

黑體輻射亮度值的計算：由衛(wèi)星傳感器接收到的輻射亮度值總和公式推導(dǎo)而成。

I為傳感器接收的輻射總亮度，ε為比輻射率，TS為地物真實溫度，τ為大氣透過率，L↑為大氣上行輻射亮度，L↓為大氣下行輻射亮度，B(TS)為黑體輻射亮溫。

地表溫度反演：真實的地表溫度可由普朗克公式求得。

4 結(jié)果與分析

4.1 2006—2020年地表溫度動態(tài)變化

將反演出的3年地表溫度結(jié)果進行歸一化處理，并采用均值標準差法對研究區(qū)的地表溫度進行等級劃分，結(jié)果見圖1。

圖1 2006—2020年拉薩市主城區(qū)地表溫度圖

各溫度等級區(qū)域的面積及變化情 況統(tǒng)計見表1

表1 拉薩市主城區(qū)各地表溫度等級面積統(tǒng)計 m2

由表1可知，主城區(qū)的次中溫區(qū)、中溫區(qū)呈減少趨勢，次中溫區(qū)面積2006—2020年的變化率為-51.03%，為5個溫度等級區(qū)域面積變化率最高的區(qū)域，主要升溫為次高溫區(qū)、高溫區(qū)。中溫區(qū)在15年間變化趨于平穩(wěn)，在3年間都為面積最大的區(qū)域。低溫區(qū)、次高溫區(qū)、高溫區(qū)面積都呈增加趨勢。

將次高溫區(qū)和高溫區(qū)作為熱島區(qū)。2006—2020年，熱島區(qū)面積增加了7 967 700 m2，增長率為24.97%，直觀表明15年拉薩主城區(qū)的地表升溫現(xiàn)象。由表1可知，2006年的熱島主要分布在東郊和城區(qū)四周的山地。東郊及其周圍山地多無植被覆蓋的裸地。裸地對熱輻射的吸收和裸地地表溫度的上升速率不亞于城市下墊面，裸地也是導(dǎo)致城市升溫、熱島效應(yīng)的下墊面之一[6]。在陽光直射且地表裸露的條件下，2006年土地利用程度小的東郊及其周圍山地溫度高于草地、林地等自然下墊面較多的中心城區(qū)和西郊。2013年與2006年相比，主城區(qū)中心熱島區(qū)域大幅度增加且西郊也有一定程度的熱島區(qū)域。2020年與2013年相比，主城區(qū)中心熱島程度加深，次高溫區(qū)和高溫區(qū)區(qū)域集中分布，并且向四周擴散，西郊和東郊熱島面積擴大。進一步表明主城區(qū)城市化區(qū)域隨著城市的發(fā)展逐步擴大。

2006—2020年，低 溫 區(qū) 增 加 了2 524 500 m2，增長率為17.86%，3年的低溫區(qū)主要分布在拉魯濕地和拉薩河流域，低溫區(qū)面積的增加反映出拉魯濕地和拉薩河流域面積增加的趨勢。拉魯濕地在早年受人為活動的干預(yù)，生態(tài)環(huán)境被破壞，區(qū)域面積減少，2005年拉魯濕地被設(shè)立為國家級自然保護區(qū)，政府及相關(guān)部門加強對拉魯濕地的生態(tài)修復(fù)和保護，在研究結(jié)果中拉魯濕地區(qū)域低溫面積的增加一定程度上反映出拉魯濕地生態(tài)的修復(fù)和保護效果。

4.2 拉薩市地表溫度變化與城市熱島效應(yīng)形成的原因和危害

4.2.1 地表溫度變化與熱島效應(yīng)形成原因（1）城市快速擴張，主城區(qū)下墊面的變化。作為西藏自治區(qū)的首府，拉薩市城市化的進程迅速。基于城市經(jīng)濟等各方面的發(fā)展需求，主城區(qū)規(guī)模日益擴大，人工建筑物在城市區(qū)域中占比增加，土地利用類型向城市用地類型轉(zhuǎn)變。人工下墊面與自然下墊面的性質(zhì)差異明顯，瀝青等材料組成的下墊面對輻射的吸收率高，反射率低，當其受到熱輻射時，地表會蓄積更多熱量，并且不易散發(fā)，使城區(qū)地表溫度升高，形成城市熱島效應(yīng)。同時，主城區(qū)日益增多的高層建筑使城市建筑密度增加，導(dǎo)致城市風速受阻，城市產(chǎn)生的熱量不易向四周散發(fā)，城市溫度無論晝夜溫度下降速度都較緩慢。

（2）主城區(qū)人口聚集與人為熱的釋放。城市人口密集與大量人為熱的釋放是造成城市熱量集中的重要原因[7]。城市化發(fā)展的主要標志之一就是人口密度的增加。拉薩市的常住人口數(shù)量快速增加且居民的生活質(zhì)量日益提高，人們?nèi)粘Ｉ睢⒙糜巍⒆诮痰然顒拥倪^程中會產(chǎn)生大量的熱量，如拉薩市冬季的大規(guī)模取暖等。人類活動產(chǎn)生的大量人為熱量聚集在城區(qū)，使城區(qū)溫度上升，導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)強度增強。

（3）城市化過程中的空氣污染。在城市快速發(fā)展的過程中，人類活動還會排放大量的污染氣體。拉薩市工業(yè)產(chǎn)業(yè)形成初步規(guī)模，生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生粉塵等工業(yè)污染物；拉薩市人均擁有汽車數(shù)量居全國前位，汽車的尾氣排放成為拉薩市區(qū)主要的空氣污染源，同時拉薩全年天氣多晴朗，在大氣溫度結(jié)層穩(wěn)定、靜風、晴朗的天氣情況下，空氣污染物不易擴散，并懸浮在城區(qū)上空的低空層[8]。聚集在城市上空的污染氣體能阻礙城市熱能向外輻射，使城市中產(chǎn)生的熱量停留在城市區(qū)域，增強城市熱島效應(yīng)。

4.2.2 城市地表溫度增高與熱島效應(yīng)的危害熱島效應(yīng)會對城市的生態(tài)、居民健康等方面產(chǎn)生不同程度的危害。地表溫度的升高和熱島效應(yīng)的形成，使城市長期處于高溫狀態(tài)，易造成城市極端天氣的發(fā)生。城市熱島效應(yīng)阻礙城市大氣流動循環(huán)，使城市活動過程中產(chǎn)生的大氣污染物上升流動，聚集在城市上空。熱島效應(yīng)會直接或間接地對城市居民的健康產(chǎn)生危害，大量的醫(yī)學臨床試驗證明, 人類所處環(huán)境溫度影響人體的機能、生理活動[9]。高于人體最佳適應(yīng)環(huán)境溫度時，人類的身體和心理都會遭到損害，也會引起人體調(diào)節(jié)系統(tǒng)的失衡，出現(xiàn)各方面的疾病。熱島效應(yīng)的加劇還會對城市的能源消耗、經(jīng)濟等產(chǎn)生消極影響，不利于城市可持續(xù)、健康發(fā)展[10]。

4.3 拉薩市城市熱島效應(yīng)的緩解措施

4.3.1 加強城區(qū)冷島區(qū)域的生態(tài)建設(shè)、防護本研究表明拉薩主城區(qū)的冷島區(qū)域集中在拉薩河流域和拉魯濕地。拉薩河和拉魯濕地區(qū)域及周邊的地表溫度低于城市建筑密集區(qū)。濕地、水的熱容量比人工下墊面大，水在蒸發(fā)過程中也可以吸收大量的周圍熱量[11]。由此可見，加強對拉薩河和拉魯濕地的生態(tài)建設(shè)是調(diào)節(jié)城市熱環(huán)境的重要舉措。在此基礎(chǔ)上，可以開發(fā)新的人工河、人工湖等，構(gòu)建拉薩城區(qū)河網(wǎng)系統(tǒng)，擴大水體面積，以達到城市降溫效果。

4.3.2 強化城市綠化綠色植物的蒸騰等作用能高效吸收環(huán)境的熱量，每公頃綠地每天從周圍環(huán)境中吸收熱量的作用相當于189臺空調(diào)的制冷作用。強化城市綠化是降低地表溫度，減緩城市熱島效應(yīng)的有效措施之一。基于拉薩的地貌地形及土地利用程度，強化綠化有以下幾種辦法。首先，可以在城區(qū)周圍的山地開展植樹造林活動，形成環(huán)城綠色屏障。其次，擴大城區(qū)的綠化面積，打通拉薩市的綠色廊道，豐富綠色植物的垂直結(jié)構(gòu)。考慮城市建筑密集，還可以引進綠色屋頂先進的城市綠化技術(shù)，在建筑屋頂進行綠化，可以減少建筑物對熱輻射的吸收，降低建筑物溫度，一定程度上擴大城區(qū)綠化面積，減少拉薩市陽光直射的影響。

4.3.3 倡導(dǎo)綠色出行隨著拉薩經(jīng)濟的發(fā)展和居民生活質(zhì)量的提高，拉薩市人均車輛位居全國前列，私家車成為拉薩市居民主要的出行交通方式，產(chǎn)生的尾氣等加劇城市熱島效應(yīng)。因此，應(yīng)提倡綠色的出行方式、建立發(fā)達便捷的共享系統(tǒng)、公共交通系統(tǒng)、建設(shè)新能源汽車配套設(shè)施。

5 結(jié)束語

本研究表明2006—2020年，主城區(qū)次高溫區(qū)和高溫區(qū)面積增加25%左右，在空間上，城市建成區(qū)的次高溫區(qū)和高溫區(qū)由城區(qū)中心的零散分布演變?yōu)槌菂^(qū)中心的集中分布并向城郊擴散。城區(qū)熱島效應(yīng)的增強和地表溫度的上升主要受人口增加、城區(qū)下墊面的改變、大氣污染的影響。對于裸地的升溫效應(yīng)和城市熱環(huán)境的影響未進行深入分析，未來將對山地城市的裸地升溫效應(yīng)進行進一步探討。關(guān)于主城區(qū)地表溫度動態(tài)變化的分析對拉薩市城市熱島效應(yīng)的緩解和城市的可持續(xù)發(fā)展具有一定的參考意義。