蘇 嫄，包 玉

(貴州大學 林學院，貴州 貴陽 550025)

城市熱島是指城區(qū)地表及大氣溫度高于周邊郊區(qū)環(huán)境的現(xiàn)象，在溫度空間分布上，城市猶如一個溫暖的島嶼[1-2]。1883年，Howard首次發(fā)現(xiàn)城市熱島現(xiàn)象，1958年，Manley首次將這種現(xiàn)象命名為城市熱島(urban heat island，UHI)[2-4]。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化進程的加速，導致城市人口密集，工商業(yè)發(fā)達，人為熱排放較多，城市熱力狀況遠較郊區(qū)復雜，城區(qū)溫度普遍高于郊區(qū)，形成熱島，由此引起了一系列生態(tài)環(huán)境問題[5]，并在一定程度上改變了城市氣候，影響市民生活，增加能源消耗[6-8]。因此，開展城市熱島效應研究，一直是學界廣泛關注的熱點問題之一。

早期關于城市熱島效應的研究主要是根據(jù)各站點氣象觀測資料通過數(shù)學和統(tǒng)計學方法對城市熱島進行分析[5,9-11]，難以反映熱島的空間分布特征。隨著遙感技術的快速發(fā)展，衛(wèi)星遙感以其資料的同步性、密集性和均勻性克服了常規(guī)方法的弱點和不足，在城市熱島研究中得到廣泛應用[8]。1972年，Rao最先將遙感技術應用于城市熱島效應研究[12]。之后隨著遙感衛(wèi)星時空和光譜分辨率的提高，更多學者用遙感數(shù)據(jù)對不同地區(qū)的地表溫度分布[13-15]、城市熱島空間格局[8,16]、城市熱島與土地利用類型和植被覆蓋的關系[17-18]、城市熱島時空變化特征[5,8]等方面進行了深入研究?？傮w上國內(nèi)的相關研究區(qū)域和成果主要集中在北京、上海、廣州等大城市[2,19-20]，而中小城市，尤其是西部地區(qū)中小城市熱島效應研究相對較少。目前，隨著中小城市城市化進程加速，城市擴張速度日益加快，為避免出現(xiàn)與大型城市相同的熱島加劇問題，需要依據(jù)中小型城市的發(fā)展特點對城市熱島效應特征進行研究，提出可以在城市發(fā)展規(guī)劃的基礎上得以實施的科學舉措。

漢中市位于陜西省漢中盆地中心，地處成渝、關中-天水和江漢3大經(jīng)濟區(qū)的交匯地帶，是西安、成都、重慶“西三角”經(jīng)濟區(qū)和中國中西部地區(qū)極具發(fā)展?jié)摿Φ牡貐^(qū)[21]。近年來該地區(qū)大規(guī)模的城市建設、城鎮(zhèn)企業(yè)發(fā)展、人口密度增加等導致城市熱容量增加，下墊面溫度增高，城鄉(xiāng)(郊)溫度差異增大，加之其特殊的地理區(qū)位，漢中市的城市熱島效應對其周邊地區(qū)的社會經(jīng)濟和秦巴山區(qū)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要影響。然而，漢中市的城市熱島效應是否明顯，其時空分布特征狀況如何，對漢中市社會經(jīng)濟發(fā)展將產(chǎn)生怎樣的影響，諸如此類的科學問題尚未有相應的研究?；诖?，以陜西省漢中市為研究對象，以1994年、2000年、2004年、2009年和2015年近20 a的Landsat TM遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，通過單窗算法反演漢中市地表溫度，分析漢中市近20 a城市熱島效應時空變化特征，并結合各時期漢中市植被覆蓋與土地利用結構，揭示漢中市城市熱島效應的驅動機制，以探明漢中市城市熱島效應的變化過程與形成原因，為漢中市今后城市規(guī)劃與建設、區(qū)域協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設提供必要的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

漢中市(106°51′-107°10′E， 33°02′-33°22′N)位于陜西省南部漢中盆地中部，南依漢江，北依秦嶺余脈天臺山。至2012年，漢中市城區(qū)總面積為556 km2，占陜西省總面積的0.021%，占漢中市域總面積的1.9%[22]。人口約為56.29萬人，其中非農(nóng)業(yè)人口27.03萬人[23]。氣候類型屬北亞熱帶濕潤季風氣候，雨量充沛，氣候溫暖濕潤，四季分明，年平均氣溫為14.5℃，1月平均氣溫為2.4℃，7月平均氣溫為25.7℃，年均降水量為855.3 mm[24]。區(qū)內(nèi)地形呈現(xiàn)由南向北階梯狀升高特征，海拔最高處2 038 m，最低處478 m。

1.2 數(shù)據(jù)來源與數(shù)據(jù)預處理

研究所采用的主要數(shù)據(jù)源為Landsat TM遙感影像，數(shù)據(jù)來源均由地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn)下載，為保證數(shù)據(jù)分析結果的一致性和可比性，遙感圖像采用同一季相(夏季)的相應數(shù)據(jù)，圖像時間分別為1994年7月14日、2000年7月30日、2004年6月7日、2009年6月5日和2015年7月24日共5期，空間分辨率為30 m×30 m，坐標系統(tǒng)為 WGS_1984_UTM_Zone_49N，每景圖像的含云量<10%，研究區(qū)域范圍內(nèi)無云層遮蓋，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。在此基礎上，基于ENVI 5.3軟件平臺，對所有遙感影像依據(jù)研究區(qū)1∶1萬地形圖和矢量邊界進行配準、校正和裁剪等預處理。其中：遙感圖像幾何校正采用二次多項式校正方法，校正誤差<0.5個像元。

1.3 研究方法

1.3.1 地表溫度反演 參照覃志豪[25]的單窗算法，使用大氣透射率τ、地表反射率ε和大氣平均作用溫度Ta，利用單窗算法推導公式基于ENVI5.3軟件平臺反演出實際地表溫度，相關計算公式如下：

Ts={a6(1-C-D)+[b6(1-C-D)+C+D)T+DTa]}/C

(1)

C=τ×ε

(2)

D=(1-ε)[1+(1-ε)×τ]

(3)

式中，Ts為地表溫度，單位為K；a6、b6為常量，一般情況下(地表溫度在0-70℃范圍內(nèi))，取值a6=-67.355 351，b6=0.458 606；T是亮度溫度，當T在0～30℃時，a=-60.326 3，b=0.434 36，誤差REE=0.08%，當T在20～50℃時，a=-67.954 2，b=0.459 87，誤差REE=0.12%；Ta為大氣平均作用溫度，單位為K；C和D是中間變量，τ為大氣透射率，ε為地表比輻射率。

1)亮度溫度T的計算

本文根據(jù)Landsat數(shù)據(jù)給出的不同的參數(shù)，采用兩種方法計算輻射強度[25-26]。若遙感數(shù)據(jù)可給出最大最小可探測輻射值，輻射強度計算公式為：

L=Lmin+(Lmax-Lmin)×Qdn/Qmax

(4)

式中，L為計算出衛(wèi)星接收到的輻射強度，Qdn是熱紅外波段的已知灰度值，Qmax為其衛(wèi)星數(shù)據(jù)最大的灰度值為225，定標常數(shù)Lmin和Lmax為衛(wèi)星接收到影像的可探測最大最小輻射強度。

若影像數(shù)據(jù)可給出增益系數(shù)(gain)和偏移系數(shù)(bias)，則所接收到的輻射強度計算公式為：

L=M×Qcal+A

(5)

式中，M和A分別為該數(shù)據(jù)的增益與偏移值，Qcal為該數(shù)據(jù)的象元灰度值。

計算得到輻射亮度后，根據(jù)普朗克函數(shù)來計算亮度溫度[29]：

T=K2/ln(1+K1/L)

(6)

式中，T為像元亮度溫度，單位為K，L為輻射亮度值，K1、K2分別為衛(wèi)星發(fā)射前預設常量，取值為Landsat5數(shù)據(jù)中K1為60.776，K2為1 260.56，Landsat8數(shù)據(jù)中K10.1為774.89，K11.1為480.89，K10.2為1 321.08，K11.2為1 201.14，單位為mW·cm-2·sr-1·μm-1。

2)大氣透射率τ的計算

大氣透射率τ的計算公式[27]:

τ=0.974 290-0.080 07w

(7)

w=0.098 1e+0.169 7

(8)

(9)

式中，w為大氣水分含量，單位為g/cm2，e為絕對水汽壓，T0為平均氣溫，RH為相對濕度。已知漢中市多年平均氣溫T0為14.5℃，多年相對濕度為78%[24]，代入最終可求出τ=0.951。

3)地表比輻射率ε的計算

根據(jù)不同地物比輻射率的差異，利用NDVI進行計算地表比輻射率[28]：

ε=0.985×pv+0.960×(1-pv)+0.06×pv×(1-pv)

(10)

pv=((NDVIi-NDVIs)/(NDVIv-NDVIs))^2

(11)

(12)

式中，pv為植被覆蓋度；NDVIi為第i個像元的NDVI值，NDVIv和NDVIs分別為研究區(qū)內(nèi)植被和裸土的NDVI值，一般使用研究區(qū)NDVI的最大值作為NDVIv值，最小值作為NDVIs的值；ρn表示近紅外波段灰度值，ρr表示紅波段的灰度值。

4)大氣平均作用溫度Ta的計算

根據(jù)譚志豪等[28]對大氣平均作用溫度的研究，中緯度夏季的大氣平均作用溫度計算公式為：

Ta=25.939 6+0.880 45×T0

(13)

式中，T0與Ta單位為K，T0可以為研究區(qū)年平均溫度。

1.3.2 熱島強度分級 對反演出的地表溫度進行歸一化處理，使得歸一化值在0～1之間[29]，計算公式為：

N=(T-Tmin)/(Tmax-Tmin)

(14)

式中，T為反演的地表溫度值，Tmax和Tmin分別為反演地表溫度的最大值和最小值。

參照張曉莉等對熱島強度的劃分方法[29-30]，將歸一化后的地表溫度按等間距法劃分為：強綠島區(qū)(0～0.2)、綠島區(qū)(0.2～0.4)、正常區(qū)(0.4～0.6)、熱島區(qū)(0.6～0.8)和強熱島區(qū)(0.8～1.0)。

1.3.3 土地利用類型分級 依據(jù)我國土地利用分類標準(GB/T21010-2007)，結合漢中市實際情況，將土地利用類型分為建筑用地、水體、耕地、草地與林地5個類型，采用最大似然法監(jiān)督分類得到漢中市土地利用分類圖(圖4)，并運用類間科分離性和Kappa系數(shù)2個指標對分類結果進行精度驗證(表1)。分類結果驗證精度顯示各時期土地利用分類結果Kappa系數(shù)均>0.8，分類結果滿足本研究的數(shù)據(jù)分析精度要求。

表1 1994-2015年土地利用監(jiān)督分類結果精度Table 1 Supervision classification accuracy of land use in 1994-2015

2 結果與分析

2.1 地表溫度特征

為了與氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)一，將式(1)～式(13)中的溫度轉化為攝氏溫度[31]，通過計算得到漢中市5個不同時期地表溫度反演結果(圖1)。然后疊加分析1994-2015年漢中市地表溫度反演結果圖，獲得1994-2015年近20年漢中市多年地表溫度(表2)，由此可以看出：1994-2004年，漢中市最低溫度下降了4.02℃，最高地溫上升約3.38℃，平均地溫上升了1.12℃，說明研究區(qū)在1994-2004年的城市熱島效應有加劇趨勢，城市溫度逐年上升，且溫差逐年增大。2004年之后，表現(xiàn)出平均地溫逐年降低，最低地溫波動降低，最高地溫明顯降低的變化特征。至2015年平均地溫較2004年降低2.70℃，最低地溫升高2.14℃，最高地溫降低3.69℃?？梢?，2004-2015年漢中市城市熱島效應有減緩趨勢，城市總體氣溫開始下降，溫差減小，這反映出漢中市近10年間，城市綠化建設取得顯著效果，城市氣候自我調(diào)節(jié)能力增強，城市氣候逐漸穩(wěn)定。

圖1 1994-2015年漢中市地表溫度反演結果Fig.1 Land surface temperature map of Hanzhoung in 1994-2015

表2 1994-2015年漢中市多年地表溫度Table 2 Land surface temperature of Hanzhong in 1994-2015

2.2 城市熱島效應時空變化總體特征

由1994-2015年漢中市城市熱島效應強度分級圖(圖2)和不同強度熱島效應變化圖(圖3)分析可知，1994-2015年漢中市城市熱島效應以2004年為界，隨時間變化整體分為2個階段：第1個階段是1994-2004年，平均溫度增加，強綠島區(qū)與綠島區(qū)范圍逐年減少，正常區(qū)、熱島區(qū)與強熱島區(qū)面積增加，且增幅整體表現(xiàn)出正常區(qū)>熱島區(qū)>強熱島區(qū)；第2階段是2004-2015年，平均氣溫降低，強綠島區(qū)與綠島區(qū)面積不斷增加，至2015年綠島區(qū)面積達到最大，而正常區(qū)、熱島區(qū)與強熱島區(qū)面積不斷減小， 2015年正常區(qū)與強熱島區(qū)面積與1994年基本接近。這同樣反映出漢中市在1994-2004年城市溫度普遍上升，熱島效應明顯，2004-2015年熱島效應開始向良好方向轉變。

不同熱島強度的空間分布特征差異明顯。1994-2005年漢中市強綠島區(qū)和綠島區(qū)主要分布在漢中市北部的山林地區(qū)；強熱島區(qū)和熱島區(qū)，在1994年和2015年集中分布在西南部的主城區(qū)，2000年、2004年和2009年主要分布在西南部和中部地區(qū)的主城區(qū)以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口分布較密集的地區(qū)(圖3)。

圖2 1994-2015年漢中市城市熱島效應強度分布Fig.2 Distribution map of urban heat island effect of Hanzhong in 1994-2015

圖3 不同強度熱島強度變化Fig.3 Variaiton of different heat island intensities

2.3 城市熱島效應與土地利用類型的關系

疊加分析1994-2015年各時期漢中市不同熱島強度(圖2)和土地利用類型數(shù)據(jù)(圖4)，可以看出(表3)，1994年和2000年不同強度熱島效應所占面積比例表現(xiàn)為綠島區(qū)>正常區(qū)>強綠島區(qū)>熱島區(qū)>強熱島區(qū)。其中強熱島區(qū)和熱島區(qū)面積主要分布在建筑用地，其面積比例為64.71%～99.08%，其次是草地(<34.98%)，其他3種類型所占面積均<0.1 km2；正常區(qū)的草地所占面積比例為64.80%～73.77%，其次是建筑用地和耕地(5.86%～15.09%)，水體和林地所占面積相對較少；綠島區(qū)主要分布在耕地，其面積比例分別為56.44%和59.63%，其次是林地和草地(7.96%～29.77%)，水體和建筑用地僅占1.18%～2.46%；強綠島區(qū)的林地所占面積比例高達98.71%和99.32%，其他4種土地利用類型面積均<0.1 km2。

2004年和2009年不同強度熱島效應所占面積整體表現(xiàn)為正常區(qū)>綠島區(qū)>強綠島區(qū)/熱島區(qū)>強熱島區(qū)。其中強熱島區(qū)的建筑用地面積比例分別高達93.38%和68.47%，其次是草地，面積比例分別為6.62%和31.83%；熱島區(qū)主要分布在草地和建筑用地，二者占熱島區(qū)總面積比例分別為98.76%和99.82%，水體、耕地和林地面積均<0.10 km2；正常區(qū)主要分布在耕地和草地，二者面積比例之和分別達到89.97%和82.74%，其他3種類型依次為建筑用地>林地>水體；綠島區(qū)，2004年在5種不同土地利用類型的分布面積依次為林地>草地>水體>耕地>建筑用地，其中林地所占面積比例高達75.70%，建筑用地僅占0.44%，2009年依次表現(xiàn)為林地>耕地>草地>建筑用地>水體，其中林地和耕地所占面積比例分別為41.28%和36.68%，水體僅占3.38%；強綠島區(qū)的林地面積分別高達96.74%和94.42%，其他4種不同土地利用類型面積均較小(<3.0 km2)。

2015年不同強度熱島效應所占面積整體表現(xiàn)為綠島區(qū)>強綠島區(qū)>正常區(qū)>熱島區(qū)>強熱島區(qū)。其中強熱島區(qū)和熱島區(qū)主要分布在建筑用地(67.21%和61.43%)和草地(32.79%)，其次是熱島區(qū)的耕地所占面積為0.02 km2，其他類型均為0；正常區(qū)主要分布在草地和建筑用地，其所占面積比例分別為67.26%和23.55%；綠島區(qū)耕地面積較大，所占比例為48.87%，其次是草地和林地，二者面積比例之和為44.57%，建筑用地和水體面積均較小(9.16 km2和10.00 km2)；強綠島區(qū)的林地面積比例高達91.66%，其他4種不同土地利用類型面積均較小(0.50～7.35 km2)。

綜上可知，研究區(qū)強綠島區(qū)和綠島區(qū)主要分布在林地和耕地2種土地利用類型上，正常區(qū)主要分布在耕地和草地，同時也包含部分城區(qū)周邊的零散村鎮(zhèn)居民地，而熱島區(qū)和強熱島區(qū)主要與建筑用地有關。

圖4 1994-2015年漢中市土地利用類型分級Fig.4 Land use type map of Hanzhong in 1994-2015

2.4 城市熱島效應與植被覆蓋度的關系

為了進一步探討研究區(qū)城市熱島效應和植被覆蓋度的關系，運用ArcGIS的Fishnet工具，按500 m的采樣間隔提取漢中市5個時期的植被覆蓋度(式11計算結果)和遙感反演地表溫度值(圖1)，每一期共提取2 187組數(shù)據(jù)，然后，運用SPSS20軟件的相關分析和回歸分析方法，分析1994-2015年漢中市植被覆蓋度和城市地表溫度關系(圖5)。結果表明：漢中市1994-2015年5期數(shù)據(jù)均反映出，城市地表溫度與植被覆蓋度呈顯著負相關關系(P<0.05)，回歸擬合統(tǒng)計顯示5個時期回歸函數(shù)的截距分別為-10.433、-7.784、-12.936、-14.692和-9.045，即植被覆蓋度增加10%，地表溫度平均下降約1.1℃。由此可見，提高城市植被覆蓋度對城市熱島效應具有明顯抑制作用。

表3 1994-2015年不同熱島強度在不同土地類型的分布面積Table 3 Area of different heat island in different land use types in 1994-2005 km2

3 結論與討論

本研究利用單窗算法對漢中市1994年、2000年、2004年、2009年和2015年5個不同時期地表溫度進行反演，進而分析漢中市近20 a城市熱島效應時間變化特征及城市熱島效應與植被覆蓋和土地利用結構的關系，得到如下主要結論：

1) 1994-2004年研究區(qū)城市溫度逐年上升，且溫差逐年增大，2004-2015年漢中市總體氣溫開始下降，溫差減小，說明2014年之后城市自身氣候調(diào)節(jié)能力增強，城市氣候逐漸穩(wěn)定。

2)近20 a漢中市城市熱島效應隨時間變化呈“先升后降”的變化趨勢，1994-2004年為熱島效應的加速期，2004-2015年為減緩期。說明1994-2004年隨著漢中市城市化進程的不斷加快，城市人口密度增加，工業(yè)發(fā)展迅速等對研究區(qū)的溫度、氣候和環(huán)境均有著重要影響。特別是，人類活動的加強對漢中市城市熱島效應的增強有至關重要的作用[2]。而2004-2015年，受“西部大開發(fā)”、“南水北調(diào)中線工程”等工程項目影響，漢中市在發(fā)展經(jīng)濟的同時，更加重視生態(tài)環(huán)境建設，市內(nèi)植被覆蓋日益好轉，研究顯示：漢中市2005-2015年植被覆蓋是以V級高植被覆蓋度(>75%)為主,且隨時間推移V級高植被覆蓋度面積不斷增加，其他4級植被覆蓋度面積不斷減少[32]，而植被在改善城市的熱環(huán)境方面發(fā)揮著重要的作用[31]，因此該時間段研究區(qū)熱島效應得到明顯減緩。在空間分布上，1994-2005年漢中市熱島效應整體呈現(xiàn)：強綠島區(qū)和綠島區(qū)主要分布在漢中市北部的山林地區(qū)；強熱島區(qū)和熱島區(qū)主要分布在西南部的中心城區(qū)。這與植被覆蓋度和建筑物密度關系密切[5,31]。

圖5 1994-2015年漢中市植被覆蓋度與地表溫度(Ts)關系Fig.5 Relationship of vegetation coverage with land surface temperature of Hanzhong during 1994-2005

3)漢中市熱島效應在不同土地利用類型上的分布特征差異明顯。強綠島區(qū)和綠島區(qū)主要分布在漢中市北部山區(qū)的林地和耕地。正常區(qū)主要集中在漢中市近郊的農(nóng)用地與草地，同時也包含市區(qū)周邊的零散村鎮(zhèn)居民地。熱島區(qū)和強熱島區(qū)主要分布在市區(qū)的建筑物密度較高以及有公路建設的區(qū)域，而建筑物密度與熱島效應的關系已經(jīng)得到證明[5]。這主要是因為建筑物和瀝青路面增加會引起地表反照率減小，導致地面吸收更多的熱量，從而致使增溫和熱島效應更顯著[8,33]。而植被覆蓋的增加會將到達地表的太陽輻射更多的地截獲用于植被的蒸發(fā)和蒸騰作用[33]，從而使地表溫度和熱島強度降低，故而強綠島區(qū)和綠島區(qū)集中分布在林地和耕地。

4)城市地表溫度與植被覆蓋度呈顯著負相關關系，植被覆蓋度每增加10%，地表溫度平均下降約1.1℃?？梢?，提高城市植被覆蓋度對城市熱島效應具有明顯抑制作用[31]。這與張順謙[8]等對成都市熱島效應的研究結果一致。這是因為良好的植被覆蓋對城市下墊面會起到一定保護作用，從而對城市地表溫度的升高起到減弱作用，另一方面，綠色植物自身具有呼吸作用，對城市上空的大氣交換起到重要的作用，同時，植被可以通過蒸騰作用從環(huán)境中吸收大量熱量，使周邊區(qū)域升溫速率減慢[8,28]。

影響城市熱島效應的原因眾多，有氣候變化(降水)、植被覆蓋、水體覆蓋、建筑物密度、公路建設以及人類活動產(chǎn)生的人工熱源等[5,8,34]。本研究對植被覆蓋和土地利用類型與城市熱島效應的關系的分析結果表明，植被覆蓋和土地利用類型(水體、植被覆蓋、建筑用地等)對城市熱島效應空間演變起決定性作用。在城市熱島效應發(fā)展時期，建筑用地的擴張造成了城市熱島區(qū)沿其擴張方向面積增加，中心城區(qū)的強熱島區(qū)快速擴張。而在城市熱島效應的減緩時期，高植被覆蓋度面積的不斷增加對其起到明顯的抑制作用。對于中小型城市來說，經(jīng)濟發(fā)展所造成的土地格局變化是必然過程，所以在對于城市規(guī)劃上可以制約建筑區(qū)擴張的同時增加城市綠地建設，并提高人民環(huán)保意識，實時監(jiān)測熱島效應動向，確保中小型城市的生態(tài)穩(wěn)定性。