梁鑫斌, 郭娜娜,季 翔,孟令冉

(1．中國礦業(yè)大學 力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116；2.安徽科技學院 建筑學院，安徽 蚌埠 233000；3.江蘇建筑節(jié)能與建造技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 徐州 221116；4.中國礦業(yè)大學 環(huán)境與測繪學院，江蘇 徐州 221116)

熱島效應是指城市中的空氣溫度比城市周圍的環(huán)境空氣溫度高的現(xiàn)象[1]。熱島效應會影響城市降水分布與頻率、城市空氣質(zhì)量,進一步威脅市民健康,嚴重破壞城市人居環(huán)境，熱島效應是城市化進程中最為突出的問題，與城市化發(fā)展成正相關[2]。國家城市化轉(zhuǎn)型發(fā)展以來，徐州市綜合城市化水平一直不斷上升，先后經(jīng)歷了恢復性增長期(1978-1993年)、波浪式進展期(1994-2003年)、直線上升期(2004-)三個階段[3]。伴隨著城市化水平的提升、城市規(guī)模的擴張，熱島效應越發(fā)明顯，熱島的強度也逐漸增強。在不同的城市化階段，城市的熱島效應強度、空間分布和時間變化也會體現(xiàn)出不同的特征。

城市熱島研究的主要方法有地面氣象資料觀測法、邊界層值模式模擬法和遙感測定分析法3種。遙感測定分析法應用的遙感影像具有覆蓋范圍廣、時間高度同步、影像直觀、分辨率相對較高且光譜信息豐富等特點，已成為城市熱島效應監(jiān)測常用且有效的手段[4]。本文采用遙感測定分析法，采用Landsat TM/ETM+/TIRS數(shù)據(jù)，對徐州市城市化恢復增長后的不同階段(1995年、2003年和2014年)的地表溫度進行反演，并結(jié)合主城區(qū)熱島效應的空間分布和時間變化特征進行定性、定量的分析，以期為城市化快速推進過程中創(chuàng)造宜人的城市物理環(huán)境提供理論及技術(shù)支撐，引導城市化健康發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究范圍

徐州市地處江蘇省西北，位于北緯33°43′～34°58′、東經(jīng)116°22′～118°40′，市域面積11258平方公里，市區(qū)面積3037平方公里，2018年城市總?cè)丝?80.2萬。徐州屬暖溫帶半濕潤季風氣候，四季分明，年平均氣溫14℃，年均降水量800～930 mm，主城區(qū)平均海拔為35.1 m。近年來，隨著徐州市城市化的快速推進，城市熱島效應明顯[5]。研究區(qū)域為《徐州市城市總體規(guī)劃(2007-2020年)(2017年修訂)》確定的主城區(qū)范圍，即西至泉山區(qū)邊界，東含大廟鎮(zhèn)，南到連霍高速公路以南(含銅山城區(qū))和云龍區(qū)邊界，北抵云龍區(qū)和鼓樓區(qū)邊界，面積約573平方公里(見圖1)。

圖1 研究區(qū)地理位置及高程圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

結(jié)合中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺的Landsat數(shù)據(jù)，根據(jù)國家氣象信息中心地面國際交換站(臺站：[58027]徐州)氣候資料日值氣溫數(shù)據(jù)，選取研究區(qū)內(nèi)云量相對較小、日平均氣溫接近的1995年9月18日(日平均氣溫21.8℃、大氣透過率0.55、平均水汽壓15.2 hPa、平均相對濕度61%)、2003年4月16日(日平均氣溫22.3℃、大氣透過率0.79、平均水汽壓16.1 hPa、平均相對濕度6%)和2014年5月1日(日平均氣溫22.9℃、大氣透過率0.77、平均水汽壓15.5 hPa、平均相對濕度57%)三期遙感影像作為數(shù)據(jù)源，采用熱紅外波段為主進行地表熱輻射和地面溫度的分析和反演。其他資料包括主城區(qū)DEM高程數(shù)據(jù)、土地利用現(xiàn)狀圖和行政區(qū)劃圖等。

2 研究方法

2.1 地表溫度反演

采用地表溫度反演數(shù)值與地表面實測溫度的一致性較高的單窗算法對遙感影像數(shù)據(jù)的地表溫度進行反演，公式如下：

Ts={a*(1-C-D)+[b*(1-C-D)+C+D]*Tsensor-D*Ta}/C

(1)

其中：

C=τ*ε

(2)

D=(1-τ)*[1+(1-ε)*τ]

(3)

式中:Ts為地表實際溫度，單位為K；a、b為系數(shù)；τ是大氣透射率；ε是地表輻射率；Tsensor是地表輻射亮溫值；Ta為大氣平均作用溫度，單位為K；C、D為中間參數(shù)。根據(jù)研究區(qū)所處的位置、季節(jié)及溫度等確定相關參數(shù)[6]。

2.2 熱島強度

2.2.1地表溫度正規(guī)化處理

為了對研究區(qū)內(nèi)的溫度空間分布進行直觀地分析，采用基于穩(wěn)健統(tǒng)計的分類方法對地表溫度進行正規(guī)化處理，將地表溫度分布統(tǒng)一到0-1的范圍區(qū)間內(nèi)，公式如下：

Ni=(Tsi-Ts min)/(Ts max-Ts min)

電力企業(yè)信息網(wǎng)的安全防護是一個系統(tǒng)工程。網(wǎng)絡的安全問題涉及身份認證、訪問控制、數(shù)據(jù)保密性、數(shù)據(jù)完整性、抗欺詐、審計、可用性和可靠性等多種基本的安全服務，涉及ISO/OSI所有的七個協(xié)議層次（物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層），覆蓋了企業(yè)信息網(wǎng)絡中物理環(huán)境、網(wǎng)絡平臺、主機平臺和應用平臺等幾個系統(tǒng)單元。因此，網(wǎng)絡安全是一個立體的、多方位、多層次的系統(tǒng)問題，在規(guī)劃、設計、實施電力企業(yè)信息網(wǎng)絡的安全系統(tǒng)時也必須用系統(tǒng)工程的方法論來考慮。為保證網(wǎng)絡的安全，我們可以采用以下一些防護體系。

(4)

其中，Ni為第i個像元正規(guī)化的值;Tsi為第i個像元的地表溫度;Ts min為地表溫度的最小值;Ts max為地表溫度的最大值。

2.2.2熱島強度分類

通過地表溫度正規(guī)化處理，取方差的倍數(shù)分別為0.5、1.5、2.5，可將研究區(qū)三期地表溫度按公式(4)計算的溫度閾值分成7個等級，即極低溫區(qū)、低溫區(qū)、較低溫區(qū)、中溫區(qū)、較高溫區(qū)、高溫區(qū)和極高溫區(qū)。

3 研究區(qū)地表溫度及熱島強度

通過單窗算法反演地表溫度，得到研究區(qū)三期數(shù)據(jù)的地表溫度空間分布，通過地表溫度正規(guī)化處理，得到七級熱島強度空間分布(見圖2)。

圖2 研究區(qū)地表溫度及七級熱島強度分區(qū)圖

對研究區(qū)地表溫度及七級熱島強度分區(qū)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，得到各期地表溫度的最高值、最低值、平均溫度和標準差以及極低溫區(qū)、低溫區(qū)、較低溫區(qū)、中溫區(qū)、較高溫區(qū)、高溫區(qū)、極高溫區(qū)的面積占比(見表1)。

表1 研究區(qū)地表溫度參數(shù)及各溫度等級區(qū)面積比例

4 討論

4.1 徐州市主城區(qū)城市熱島的空間分布特征

根據(jù)研究區(qū)地表溫度和熱島等級時空分布，可知徐州市主城區(qū)城市熱島的空間分布在1995年、2003年、2014年分別具有如下特點：

2003年，城市熱島區(qū)域分布相對分散，較高溫區(qū)、極高溫區(qū)主要在主城區(qū)的西部，熱島中心不明顯，熱島區(qū)域主要在城市中心區(qū)域的故黃河兩岸和主城區(qū)西南部，以交通樞紐(鐵路、機場、港口)站場及周邊工業(yè)、倉儲區(qū)域，散布的工業(yè)倉儲區(qū)、城市中心商業(yè)集中區(qū)及部分裸露山體等用地為主；城市冷島區(qū)域分布也呈現(xiàn)出分散布局的特點，較低溫區(qū)、極低溫區(qū)主要集中在主城區(qū)的西部云龍湖、西北部九里湖、東部大湖水庫、六堡水庫、大龍山水庫等區(qū)域，以面積較大的面狀水體為主。

2014年，城市熱島區(qū)域分布相對集中，高溫區(qū)、極高溫區(qū)主要在主城區(qū)的西南部和北部，形成北部交通樞紐區(qū)(含周邊工業(yè)、倉儲用地)和南部工業(yè)區(qū)兩個主要的熱島中心，同時主城區(qū)內(nèi)局部區(qū)域散布較小的熱島中心，熱島區(qū)域以交通(鐵路、港口)站場及周邊工業(yè)、倉儲和商業(yè)區(qū)、工業(yè)倉儲集中區(qū)、城市中心商業(yè)集中區(qū)及部分裸露山體等用地為主；城市冷島區(qū)域分布則相對分散，較低溫區(qū)、極低溫區(qū)主要集中在主城區(qū)的西部云龍湖和云龍山、東部大湖水庫和大龍湖(原大龍山水庫)等區(qū)域，以面積較大的面狀水體和綠化覆蓋較好的山體為主。

從三期熱島強度分布來看，交通場站及周邊工業(yè)倉儲區(qū)、城市/鎮(zhèn)中心區(qū)、部分無植被覆蓋的山體(含周邊裸地)等用地是城市熱島發(fā)生最強的區(qū)域，大面積的面狀水體及綠化覆蓋度較好的山體等用地是城市冷島的主要分布區(qū)域(見表2)。

表2 1995年、2003、2014年徐州市主城區(qū)城市熱島、冷島分布

續(xù)表2

分布區(qū)域熱島冷島199520032014199520032014工業(yè)倉儲集中區(qū)云龍湖北岸故黃河以南工業(yè)集中區(qū)√翠屏山工業(yè)區(qū)√萬寨工業(yè)片區(qū)√下淀工業(yè)區(qū)√大黃山北部工業(yè)用地√銅山區(qū)政府東/南片區(qū)工業(yè)區(qū)√臥牛山北工業(yè)區(qū)√金山橋片區(qū)工業(yè)區(qū)√大廟鎮(zhèn)工業(yè)區(qū)√潘塘(工業(yè))√三堡鎮(zhèn)東側(cè)工業(yè)用地√壩山片區(qū)爬山南工業(yè)區(qū)√團山南倉儲用地√雞山東北√原九里片區(qū)西南東趙莊工業(yè)區(qū)√西南倉儲用地√工礦用地大黃山煤礦√夾河煤礦(工業(yè))√山體拖龍山周邊裸地√大廟鎮(zhèn)大廟山√大黃山鎮(zhèn)大黃山周邊裸地√銅山區(qū)虎山裸地(含吳樓村)√淮海戰(zhàn)役烈士紀念塔園林√泉山√泰山√九里山√云龍山√√水體云龍湖√√√大龍湖(原大龍山水庫)√√夾河漁場√√孤山水庫√√六堡水庫√√九里湖九里湖(含部分塌陷區(qū))√√九里湖濕地√京杭大運河大黃山鎮(zhèn)北段√大湖水庫√故黃河沿岸大彭鎮(zhèn)段√大湖水庫√

4.2 徐州市主城區(qū)城市熱島的變化特征

隨著徐州市城市化進程的不斷推進，主城區(qū)范圍內(nèi)的城市熱島發(fā)生了明顯的變化。通過地表溫度和熱島等級的空間分布演化，可以看出徐州市城市熱島的擴展與城市空間發(fā)展建設的擴張基本一致。

1995-2003年,在全天平均氣溫接近(1995年9月18日平均氣溫為21.8℃，2003年4月16日平均氣溫為22.3℃)的情況下，主城區(qū)范圍內(nèi)的溫差變化不大(1995年9月18日10時左右主城區(qū)最高氣溫41.6℃，2003年4月16日10時左右主城區(qū)最高氣溫為40.8℃)。徐州市主城區(qū)熱島范圍隨著城市的開發(fā)建設逐步擴大至云龍湖周邊、故黃河兩岸；自2000年來,徐州市積極創(chuàng)建并于2005年建成國家園林城市，在此期間城市綠地面積保持20%以上的年均增長率[7]，同時部分煤礦(如大黃山煤礦)關閉，從而導致熱島效應有了較為明顯的改善，主城區(qū)范圍內(nèi)無較明顯的熱島中心，云龍湖、大龍山水庫、六堡水庫、大湖水庫的冷島效應明顯。

2003-2014年,在全天平均氣溫接近(2003年4月16日平均氣溫為22.3℃，2014年5月1日平均氣溫為22.9℃)的情況下，主城區(qū)范圍內(nèi)的溫差變化較大(2003年4月16日10時左右主城區(qū)最高氣溫為40.8℃，2014年5月1日10時左右徐州市主城區(qū)最高氣溫為47.8℃)。徐州市主城區(qū)熱島范圍逐步向東部新城區(qū)擴展，主要是徐州市于2004年啟動新城區(qū)建設，新城區(qū)內(nèi)的農(nóng)用地大量轉(zhuǎn)化為城市建設用地，城市熱島也隨之增強，并形成集中的城市熱島中心；大龍湖、六堡水庫和大湖水庫周邊的城市建設熱島效應較弱，尤其是六堡水庫，說明大面積水面能夠?qū)χ苓吔ㄔO用地的熱島效應緩解起到一定作用。

自1995-2014年，徐州市主城區(qū)整體溫度逐年升高，1995年主城區(qū)范圍內(nèi)平均溫度為25.3℃，2003年為28.6℃，至2014年則達到30.3℃。主城區(qū)熱島區(qū)域規(guī)模整體呈現(xiàn)波動式增長趨勢，且整體的熱島強度從極端化向均質(zhì)化過渡。

5 結(jié)論

城市化進程與城市熱島效應息息相關，本文利用徐州市主城區(qū)不同城市化階段的城市Landsat數(shù)據(jù)反演城市地表溫度，進一步分析主城區(qū)熱島強度的時空分異。研究發(fā)現(xiàn)，徐州市主城區(qū)地表溫度隨著城市化進程的推進逐年提升，且在城市化進程中的各個階段都存在一定程度的熱島效應。伴隨著徐州市城市化進程的推進，熱島效應整體呈增強趨勢且與城市建設擴張呈較好的一致性；大面積的面狀水體是主要的冷島分布區(qū)域，對周邊建設用地的熱島效應有一定的緩解作用；城市交通站場、工業(yè)集中區(qū)、商業(yè)集中區(qū)、工礦區(qū)是主城區(qū)城市熱島中心的主要分布范圍；主城區(qū)城市綠化面積的增大會有效減緩城市熱島效應。