徐慶安 ,賀 偉

(中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京 100083)

1 引言

城市“熱島”是指城市地區(qū)整體或局部溫度高于周圍地區(qū),溫度較高的城市地區(qū)被溫度較低的郊區(qū)所包圍或部分被包圍的現(xiàn)象。有研究表明城市熱島是由特殊的城市下墊面、大量人為熱源和局地大氣環(huán)流條件造成的,是城市熱環(huán)境效應(yīng)的最突出表現(xiàn)。在全球增暖和高速城市化的背景下,城市熱環(huán)境及其熱效應(yīng)已成為主導(dǎo)城市氣候與環(huán)境的基本因素之一。因此研究并治理城市熱島效應(yīng),對改善城市生態(tài)環(huán)境和城市居民的居住環(huán)境有重要意義。

北京中心位于北緯 39°54′20″,東經(jīng) 116°25′29″。處于華北平原西北邊緣,毗鄰渤海灣,上靠遼東半島,下臨山東半島。北京與天津相鄰,并與天津一起被河北省環(huán)繞。西部是太行山山脈余脈的西山,北部是燕山山脈的軍都山。北京的氣候為典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥,春、秋短促。以2007年為例,全年平均氣溫14.0℃,1月平均氣溫-7～-4℃,7月平均氣溫,25～26℃,極端最低氣溫-27.4℃,極端最高氣溫42℃以上。全年無霜期180～200d,西部山區(qū)較短。2007年平均降雨量483.9mm,為華北地區(qū)降雨最多的地區(qū)之一。降水季節(jié)分配很不均勻,全年降水的80%集中在夏季的6、7、8月,7、8月有大雨。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

試驗所用遙感數(shù)據(jù)為2007年5月7日和2009年4月26日獲取的北京市 Land Sat7 TM影像。TM共有7個波段,空間分辨率為30m。圖1、圖2是以3、2、1真彩色合成影像圖。在Arcgis中根據(jù)北京市行政區(qū)劃圖進(jìn)行幾何配準(zhǔn),見圖1、圖2。

圖1 2007.5.7TM影像

圖2 2009.4.26 TM影像

2.2 研究方法和工作流程

2.2.1 亮度溫度計算

地表亮溫又稱地面輻射溫度,是遙感器在衛(wèi)星高度所觀測到的熱輻射強度相對應(yīng)的溫度。Landsat TM 6波段(10.4～12.5μm)接收的是與地表溫度高低相對應(yīng)的熱紅外輻射強度,因此可以用Landsat衛(wèi)星的第6波段來反演地表溫度。Landsat影像的像元所對應(yīng)的數(shù)據(jù)是以灰度值(DN值)來表示的,對于 TM6 DN值越大,表示地表熱輻射強度越大,溫度越高。從ETM+/TM 6求算亮度溫度的過程需要將DN值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的熱輻射強度值,然后根據(jù)熱輻射強度推算對應(yīng)的亮度溫度。對于 TM影像,各像元的輻射強度與其DN值有如下的關(guān)系：

其中Lλ表示 TM 傳感器接收到的輻射強度;DN表示TM影像的像元灰度值;Gain和Bias分別為TM6的增益和偏置。研究表明,利用 TM熱紅外亮溫計算模式,可得到TM 6圖像數(shù)值和下墊面像元亮度溫度定量關(guān)系：

其中L為下墊面輻射值(mw?cm-2? sr-1?μm-1),將熱輻射強度轉(zhuǎn)換為像元亮度溫度的公式為：

其中 T表示像元亮度溫度,單位為K;K1、K 2表示衛(wèi)星發(fā)射前預(yù)設(shè)的常量,對于Landsat 5衛(wèi)星,K1=607.76W/(m2? s r? μm) 、K 2=1 260.56K。

2.2.2 地表溫度計算

輻射亮溫值是假設(shè)地物均為黑體的情況下求得的,并不反映地表真實溫度,研究表明可以根據(jù)地物的比輻射率將亮度溫度轉(zhuǎn)化為地表真實溫度,公式為：

其中：S t為地表溫度(K);T為輻射亮溫;λ為熱紅外波段的中心波長,取值為 11.5μm;ρ=0.014 38m?K;ε為地物比輻射率。由于城市下墊面非常復(fù)雜,根據(jù)Van和Ow en等的研究表明,比輻射率ε與歸一化植被指數(shù)(NDVI)之間具有良好的相關(guān)性,其相關(guān)系數(shù)為0.94,并提出公式：

NDVI反映地表植被的覆蓋狀況,根據(jù) TM 第3和第4波段的地表反射率來計算：

比輻射率與歸一化植被關(guān)系式為根據(jù)自然地表總結(jié)出來的經(jīng)驗公式,當(dāng) 0.157＜NDVI＜0.727時適用。如果NDVI超過了這個范圍,比輻射率很難滿足此公式。NDVI＜0的部分主要是水體,根據(jù)覃志豪等的研究結(jié)果,這部分比輻射率賦值0.995,0＜NDVI＜0.157的地表主要為建筑用地和裸地,其比輻射率分別賦值0.970 0和0.972 1。在ENVI軟件中進(jìn)行波段運算,得出地表溫度分布圖;再根據(jù)北京行政區(qū)矢量生成MASK。最終導(dǎo)入Arcgis成圖(圖3、圖 4)。

圖3 2007年北京地表溫度分布圖

2.3 結(jié)果與分析

總體來看,2007年4月底5月初地表溫度躥升,城市熱島效應(yīng)顯著;而2009年同期相比,地表溫度略微緩和,可能是北京市堅持節(jié)能環(huán)保、低碳政策的緣故,因而城區(qū)熱島效應(yīng)不明顯。

2007年至2009年,懷柔和延慶區(qū)地表溫度變化不大,2009年春夏之交相比2007年,除懷柔和延慶的其他區(qū)域的熱島效應(yīng)減弱。

表1 2007年北京市熱多效應(yīng)分析

表2 2009年北京市熱島效應(yīng)分析

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