張曉楠，宋宏利，張葉

(河北工程大學資源學院河北邯鄲，056038)

英國氣候?qū)W家Lake Howard于1833年第一次對倫敦城市中心的溫度比郊區(qū)高的現(xiàn)象進行文字記載，把這種氣候特征稱為“熱島效應”。Manley于1958年首次提出城市熱島Urban Heat Island(UHI)的概念。近年來，我國在城市熱島效應方面進行了大量研究，并取得了許多成果。例如，王騰蛟等利用中尺度數(shù)值模式WRF耦合單層城市冠層模塊UCM，引入2005年MODIS土地利用類型資料，在對蘭州市熱島現(xiàn)象進行高分辨率數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，設(shè)計了去除城市下墊面敏感性試驗，探討了城市下墊面對城市邊界層的影響程度［1］;牟雪潔等人以LANDSET TM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究了珠三角地區(qū)城市發(fā)展對城市熱島效應造成的影響，分析了城市熱島的空間分布及地域性差異［2］;李紅艷、鄧蓮堂、江學頂、駱楊、張立杰等先后利用自動站資料對城市熱島效應以及形成機制進行了多方面的研究［3－7］。已有研究多針對于大城市或省會城市，而對于中等城市特別是能源型城市的熱島效應研究較少，本文以邯鄲市區(qū)及部分縣區(qū)為研究對象，利用1988年至2010年間5景Landsat TM/ETM+熱紅外波段數(shù)據(jù)反演邯鄲市地表亮溫，從而揭示多年來邯鄲地區(qū)的熱島效應空間分布規(guī)律，為改善邯鄲地區(qū)人居環(huán)境提供科學合理依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)域為邯鄲市區(qū)(邯山區(qū)、叢臺區(qū)、復興區(qū))以及周圍7個縣市，7個縣市包括武安市、磁縣、峰峰礦區(qū)、邯鄲縣、永年縣、肥鄉(xiāng)縣和成安縣(圖1)。研究區(qū)地處太行山南段東麓和華北平原南部，介于東經(jīng) 113°28'～115°28'，北緯 36°04'～37°01'之間，屬暖溫帶半干旱半濕潤季風區(qū)，四季分明，晝夜溫差大。地勢總體西高東低，自西向東階梯狀分布著山地、丘陵、盆地、高平原、低平原等類型。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文選用地理空間數(shù)據(jù)云及中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所免費提供的1988年至2010年間5景邯鄲地區(qū)Landsat TM/ETM+熱紅外波段數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，經(jīng)過對原始數(shù)據(jù)進行幾何校正、輻射校正、拼接、裁剪、重采樣等數(shù)據(jù)預處理后進行地表溫度反演。

2 研究方法

2.1 亮度溫度反演方法

TM/ETM+6數(shù)據(jù)是用數(shù)字像元值(DN)來表示的，DN值介于0～255之間，數(shù)值越大，亮度越大。反演亮溫需要將DN值轉(zhuǎn)化為相應的熱輻射強度值，然后再根據(jù)熱輻射強度推算相應的亮度溫度。本文在圖像預處理中已經(jīng)完成了輻射定標，現(xiàn)只需采用ENVI4.8中的Band Math工具根據(jù)公式1計算出像元對應的亮度溫度值。

式中T－亮度溫度(單位:°C);Ln－傳感器的輻射亮度;273.15－水三相點熱力學溫度;K1，K2－常量，參見表1。

表1 K1、K2定量參數(shù)表Tab.1 The quantitative value of K1and K2

2.2 亮溫歸一化

由于本文所獲取遙感數(shù)據(jù)的成像時間并不相同，時間的相異性會影響亮溫反演結(jié)果的比較分析。因此，需采用歸一化方法(公式2)將提取亮溫后的遙感圖像歸一化到同一時期，并使其值位于0－1之間。

式中Ni－第i個像元歸一化處理后的值;Ti－第i個像元的絕對亮溫值;Tmin－地面絕對亮溫的最小值;Tmax－地面絕對亮溫的最大值。

3 結(jié)果分析

3.1 熱島效應空間特征分析

如圖2所示，1998－2010年20年間，邯鄲地區(qū)的城市熱島效應呈現(xiàn)出一定的空間變化，其中1988年研究區(qū)域熱島效應典型的區(qū)域主要存在于武安市西部、永年縣、邯鄲市區(qū)及邯鄲縣大部，武安市中南部和磁縣還未出現(xiàn)熱島現(xiàn)象;1995年熱島區(qū)域有南移的跡象，在磁縣出現(xiàn)了明顯的熱島效應地區(qū)，而邯鄲縣及邯鄲市區(qū)的熱島效應得到了明顯改善;自2000年以后，熱島區(qū)域主要集中在武安市中南部。20年間低溫地區(qū)基本遠離工業(yè)區(qū)域，大致位于成安和肥鄉(xiāng)縣區(qū)域。

3.2 熱島面積對比分析

表2 1988－2010年間邯鄲市地表亮度溫度面積對比表Tab.2 The comparison of luminance temperature in Handan from 1988 to 2010

表2揭示了1988－2010年20年間邯鄲地區(qū)城市熱島效應面積對比情況，從表中可以看出，20年間，低溫區(qū)域面積呈現(xiàn)出增－減－增的變化趨勢，其面積比例從1988年的0.77%增加到2010年的2.81%，總體上增加了2.04%;次低溫區(qū)域則表現(xiàn)出與低溫區(qū)域相反的變化特征，由1988年的19.23%減少為2010年的9.57%，面積比例減少了近50%;中溫區(qū)面積比例呈現(xiàn)出遞增趨勢;次高溫區(qū)面積變化趨勢則呈現(xiàn)出交錯變化特征，表現(xiàn)出減－增－減的趨勢，20年間總體上呈減少趨勢;高溫區(qū)在2000年出現(xiàn)了最小面積比例，但總體上呈現(xiàn)出緩慢遞增態(tài)勢。

4 結(jié)論

1)高溫區(qū)持續(xù)保持高溫。武安市礦區(qū)的熱島主體地位保持明顯，幾處高溫區(qū)多年來持續(xù)保持高溫狀態(tài)，如云駕嶺礦區(qū)，峰峰礦區(qū)，從上世紀90年代開始出現(xiàn)高溫，歷經(jīng)20多年，依舊保持著較高的溫度。

2)新的高溫區(qū)逐年增多。上世紀90年代，高溫區(qū)基本呈點狀或塊狀分布，本世紀初期，高溫區(qū)明顯增多，原來存在的低溫與次低溫區(qū)逐漸消失，成為新的次高溫和高溫區(qū)，呈西、南方向擴張分布，武安，磁縣，峰峰礦區(qū)等地高溫區(qū)增多現(xiàn)象明顯。

［1］王騰蛟，張 鐳，張博凱，等.城市下墊面對河谷城市蘭州冬季熱島效應及邊界層結(jié)構(gòu)的影響［J］.氣象學報，2013，71(6):1115 －1129.

［2］牟雪潔，趙昕奕.珠三角地區(qū)地表溫度與土地利用類型關(guān)系［J］.地理研究，2012，31(9):1589 －1597.

［3］李艷紅，李智才，周晉紅，等.基于自動站資料的太原城市熱島研究［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2013，27(12):173－179.

［4］鄧蓮堂，束 炯，李朝頤.上海城市熱島的變化特征分析［J］.熱帶氣象學報，2001，17(3):273 －280.

［5］江學頂，夏北成，郭 濼，等.廣州城市熱島空間分布及時域－頻域多尺度變化特征［J］.應用生態(tài)學報，2007，18(1):133－139.

［6］駱楊，周鎖銓，孫善磊，等.杭州城市熱島空間分布及時域－頻域多尺度變化特征［J］.生態(tài)環(huán)境學報，2009，18(6):2200－2205.

［7］張立杰，李磊，江崟，等.基于自動站觀測資料的深圳城市熱島研究［J］.氣候與環(huán)境研究，2011，16(4):479－486.