基于輻射傳輸模型的綿陽市城市熱島效應時序演變分析

摘 要：【目的】探究2017—2021年綿陽市地表溫度變化及發展趨勢。【方法】以綿陽市為例，利用2017年、2019年、2021年landsat8遙感數據，采用大氣輻射傳輸模型反演綿陽市地表溫度。【結果】①綿陽市城市熱島效應特征明顯，各等級主要呈聚集狀，以強熱島和強綠島分布最為明顯。②2017—2021年，地表溫度呈上升趨勢，強熱島區、熱島區主要分布在城中心地區，并沿河流擴張；綠島區主要分布在安州西北、北部高山叢林及涪江、安昌河、仙海湖等區域。③2017—2021年，由中間區、熱島、強熱島區重心遷移可知，綿陽市城市沿涪江和安昌河往東南和西北方向迅速發展。【結論】研究結果能夠為綿陽市城市建設發展和生態規劃提供參考依據。

關鍵詞：綿陽市；地表溫度；輻射傳輸模型；熱島效應

中圖分類號：X16" " "文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）02-0107-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.02.020

Time Series Evolution Analysis of Urban Heat Island Effect in

Mianyang City Based on Radiation Transmission Model

LIN Ling1 DENG Yuntao2 WANG Chengxia1 RAN Maoying1

（1.Mianyang City College， Mianyang 621000， China; 2. Neijiang Geological Environment Monitoring Station， Neijiang 641000， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to explore the changes and development trend of surface temperature in Mianyang City from 2017 to 2021. [Methods] Taking Mianyang City as an example， the surface temperature of Mianyang City was inverted by using the 2017， 2019 and 2021 LandsSAT8 remote sensing data. [Findings] The results show that： ① The characteristics of urban heat island effect in Mianyang City are obvious， and each grade is mainly clustered， with the most obvious distribution of strong heat island and strong green island. ② From 2017 to 2021， the surface temperature showed an upward trend， and the strong heat island area and heat island area were mainly distributed in the central area of the city， and expanded along the river; Green Island District is mainly distributed in the northwest of Anzhou， the northern alpine jungle， Fujiang River， Anchang River， Xianhai Lake and other areas. ③From 2017 to 2021， from the migration of gravity center of the middle district， heat island and strong heat island area， it was found that the city of Mianyang City developed rapidly along the Fujiang River and the Anchang River to the southeast and northwest. [Conclusions] The research results can provide a reference for urban construction development and ecological planning in Mianyang City.

Keywords： Mianyang City; surface temperature; radiation transmission model; heat island effect

0 引言

隨著城市快速發展和人口激增，建筑物規模不斷擴張，地表大量被鋼筋、水泥等不透水面所取代，地表的“吸熱”“保溫”“散熱”等功能發生巨大變化，從而導致以城市建筑為中心，氣溫向周圍輻射，形成了城區溫度高于郊區溫度的氣溫環帶，即“城市熱島效應”［1-2］。城市擴張加劇了地表熱效應，對人類生存環境、身心健康都造成了嚴重的影響［3］。關于熱島效應相關研究不斷取得進展。早期，林學椿、鄧紅等［4-5］通過氣象觀測、溫度模擬等方式來監測、分析某城市的熱島效應變化情況，探究氣溫和城市熱效應之間的關系。隨著遙感技術的不斷發展，開始借助遙感熱紅外影像來反演城市的地表溫度，進而研究城市的熱效應變化時空動態問題［6］。例如，徐暢、沈中健等［7-8］結合城市綠地、植被覆蓋等因素，分析其與城市熱效應之間的相關性，研究結果表明綠地和高植被覆蓋區域與地表溫度顯著負相關；柳鑫昕等［9］從城市擴張的角度出發，探究了太原市城市擴張與熱效應之間的聯系機制，對城市的發展和規劃具有一定的借鑒。隨著中小城市的不斷發展，熱島效應對中小城市的影響越發明顯。本研究以綿陽市為例，利用綿陽市2017年、2019年、2021年Landsat8遙感數據反演地表溫度，探究綿陽市城市熱島效應的演變趨勢。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

綿陽市（北緯 30°42′～33°03′，東經103°45′～105°43′）位于四川盆地西北區域，涪江的中上游，主要城區以涪江、安昌河為畔快速發展，大量城市建筑和人口密集地分布在河流流經兩岸。綿陽市涪城區、游仙區作為其主要經濟發展中心，城市建設快速推進。自2016年5月，原安縣正式更名為綿陽市安州區，其城市建設和經濟快速發展，逐漸與涪城區、游仙區形成三角發展趨勢。本研究以涪城、游仙、安州區為研究區，探究城市發展中地表溫度變化趨勢。

1.2 數據來源及預處理

本研究采用Landsat8系列遙感數據，均來源于地理空間數據云。選取質量較好、云量較少的影像，考慮到夏季植被生長較好、城市溫度明顯，主要選擇5月至9月影像。由于輻射能量傳輸過程受傳感器、大氣等因素影響，最終獲取的數據不是真實地表輻射率，需對影像進行校正，主要包括輻射校正、大氣校正、裁剪等。

2 地表溫度反演方法

2.1 植被覆蓋度估算

本研究基于歸一化植被指數NDVI估算植被覆蓋度FVC，采用像元二分法模型，其計算公式為式（1）。

式中：[NDVIS]表示無植被覆蓋區域NDVI值，[NDVIV]表示完全被植被覆蓋區域的NDVI值。

2.2 地表溫度反演模型

輻射傳輸方程法［2］反演地表溫度算法物理基礎明確，計算結果精度較高，但此方法需要獲取衛星過境時刻的實時大氣剖面數據（包括不同高度的氣溫、氣壓、水汽含量等）。其具體計算公式為式（2）。

式中：[ε]表示地表比輻射率；[τ]表示大氣在熱紅外波段的透過率；[L↓]表示大氣向上輻射亮度；[L↑]表示大氣向下輻射亮度；[BTs]表示黑體輻射亮度；[Ts]表示地表真實溫度。

[BTs]的計算公式為式（3）。

[Ts]可利用普朗克公式計算得到，計算公式為式（4）。

式中：[k1]=774.89W/（m2*[μm*sr）]，[k2] =1 321.08W/（m2*[μm*sr）]。

2.3 重心計算模型

重心變化可用于解釋城市空間形態變化特征，利用提取的成都市建成區面積計算其重心坐標（[Xi]，[Yi]），其公式分別為式（5）和式（6）［10］。

式中：n表示該類斑塊總數；[Sik]表示第[k]年該類斑塊第i個斑塊的面積；（[Xik]，[Yik]）表示第[k]年該類斑塊中第i個斑塊幾何中心坐標。

3 研究結果與分析

3.1 地表溫度反演結果與分析

為量化地表溫度變化，需要將地表溫度結果進行歸一化處理，通過均值-標準差分級規則［1］劃分地表溫度等級，共分為五個等級：強熱島區、熱島區、中間區、綠島區、強綠島區。 2017—2021年綿陽市熱島等級分布如圖1所示。由圖1可知，綿陽市城市熱島效應明顯，呈聚集狀、向外輻射特征，同時隨著城市發展、人類活動不斷擴張，整體形狀分布不規則。綿陽市中心城區熱島效應特征明顯，逐年遞增，是主要的高溫地區，主要分布在涪江、安昌河流經地帶。該地帶城市建筑分布較多，人口集聚。安州區西部、西北地區是主要的低溫地帶，主要分布高山樹林，生態環境較好，人類開發活動較少，熱島效應相較主城區較弱，但隨著近年來城市發展迅速，部分山區逐漸開發，如修建度假山莊等休閑場所，使得溫度也有所上升。該現象反映了城市建設迅速和人口聚集地導致熱島效應更加明顯。

3.2 熱島效應時序變化分析

2017—2021年不同熱島等級面積比例見表1。由表1可知，從2017—2021年地表溫度整體呈現上升趨勢，強熱島區、中間區、綠島區等有所增加，熱島區有一定下降，主要是由熱島區轉化為強熱島、中間區和綠島區。其中，強綠島區總體變化不大，呈現先降后增趨勢，2016年綿陽市安州區成立之后，城市大力發展，人類活動加劇，安州西北、西部地區的開發導致生態環境有一定的破壞，地表溫度上升，其中綠島區面積下降，強熱島區面積上升；2019—2021年，強綠島區域面積有所回升，和2017年基本持平，生態環境有所恢復，該地區地表溫度較低。2017年熱島區面積為677.90 km2，較2019年、2021年面積擴大約2倍，主要是由于2017年在新橋鎮、信義鎮、鹽泉鎮、忠興鎮、沉抗鎮仙海湖景區等地區還存在部分未開發的裸地和部分正在建設用地，地表溫度及分布范圍相較于2019年和2021年更高，但可以看出城中心的熱島區和強熱島區明顯低于2019年和2021年。在后期城市發展中應注重生態環境的保護、綠化等，安州西部等地區生態環境有所改善，熱島效應不太明顯，同時仙海水利風景區的建設和維護，仙海片區地表溫度也有所改善，但隨著景區的發展和人類活動增加，仙海片區地表溫度主要分布等級為中間區，同時熱島區面積也有一定增加。

3.3 熱島效應遷移變化分析

結合各熱島等級分布，計算各熱島等級重心，得到各等級重心轉移空間分布，如圖2所示。

由圖2可知，綿陽市整體熱島等級重心分布特征明顯，發展趨勢與熱島等級分布相關。強綠島和綠島區重心主要分布在安州區中部偏西北區域，不同年份遷移范圍大致位于西北區域，主要與安州西北、西部區域主要分布高山樹林相關。強熱島、熱島及中間區重心主要分布在綿陽市區中心區域，且遷移特征較為集中，主要為城市建成區和人類活動頻繁區域。從2017—2021年強綠島重心分布可知，強綠島重心先向東北遷移，后往西北遷移，主要是由于2017—2019年強綠島分布在安州區西北地區下降，2019—2021年回升所致，但重心總體但變化不大，說明強綠島在該段時間內變化不大。綠島區重心主要分布在安州中部地區，先向東南方向遷移再向西部方向遷移，與2019年綠島主要分布在東部和西南地區相關，2021年綠島大部分于西南地區，故重心受到西部方向的拉力而遷移。東部大部分地區溫度有所上升，主要分布著中間區，故中間區重心最終往東部區域遷移。熱島和強熱島重心分布特征比較類似，是由于熱島和強熱島主要分布在沿河的城市中心區域，并沿河流、已有建成區向外擴展。由空間分布情況可知，2017—2019年主要向西部區域遷移，這與安州區的快速發展和城市建設相關；2019—2021年遷移趨勢往東偏南方向發展，可以發現該階段東南方向地表溫度明顯有所上升，沿涪江往東南城市發展迅速，同時也受到仙海湖區域發展的影響。

4 結論

本研究結合遙感影像反演綿陽市地表溫度，探討了2017—2021年綿陽市城市地表溫度演變趨勢，得出以下結論。

①綿陽市城市熱島整體特征明顯，以涪江、安昌河河畔為主要高溫聚集地帶，逐漸擴張，向外輻射，各熱島等級整體形狀分布不規則。綿陽市城市地表溫度整體呈上升趨勢，強熱島區、中間區、綠島區面積整體上有所增加，熱島區則有一定下降，主要是由于熱島區轉化為強熱島、中間區和綠島區。強熱島區、熱島區主要分布在中心城區，城市建成區和人類活動較多，溫度較高；綠島、強綠島區主要分布在安州區西部、西北地區，主要為高山森林地帶，生態環境質量較好，地表溫度較低。

②由重心遷移分布可知，綿陽市綠島、強綠島出現向東部、東北部遷移趨勢，后由于生態環境改善，又向西部地區遷移；中間區整體發展趨勢向東部方向遷移；熱島、強熱島區主要向西北和東南方向遷移，說明綿陽市西北方向和東南方向發展明顯。

參考文獻：

［1］岳攀. 基于RS的北京市海淀區城市熱島效應及驅動力研究［D］北京：北京林業大學，2017.

［2］張琪. 基于RS的石家莊市城市熱島效應研究［D］.石家莊：河北師范大學，2021.

［3］聶敬娣，張俊華，黃波.城市熱島效應對人體健康影響研究綜述［J］.生態科學，2021，40（1）：200-208.

［4］林學椿，于淑秋.北京地區氣溫的年代際變化和熱島效應［J］.地球物理學報，2005（1）：39-45.

［5］鄧紅，張回園.1978—2017年呼和浩特市夏季城市熱島效應分析［J］.內蒙古科技與經濟，2020（20）：65，69.

［6］邢孔勝.基于Landsat影像數據的城市熱島效應研究［J］.測繪與空間地理信息，2022，45（2）：177-180.

［7］徐暢，高榮.基于Landsat數據熱島效應與植被的關系研究：以開封市為例［J］.湖北農業科學，2021，60（5）：48-52.

［8］沈中健，劉駿陽.漳州市景觀格局的熱環境效應研究［J］.城市建筑，2023，20（11）：6-9.

［9］柳鑫昕，陳卓，梁季月，等.太原市城市擴張與熱島效應關系研究［J］.河南科技，2021，40（33）：126-129.

［10］峰一.呼和浩特市城區熱島效應及其緩解措施研究［D］.呼和浩特：內蒙古師范大學，2019.