盧赫宇，李鑫楊

1.敖漢旗氣象局，內(nèi)蒙古赤峰 024300；2.赤峰市氣象局，內(nèi)蒙古赤峰 024000

地表溫度是地球與大氣系統(tǒng)相互作用過(guò)程的重要參數(shù)，是地—?dú)饽芰颗c物質(zhì)交換的綜合反映[1]。在全球溫度明顯升高和快速城市化綜合驅(qū)動(dòng)下，城市熱環(huán)境已成為影響城市生態(tài)環(huán)境的要素之一[2]。近年來(lái)，隨著赤峰市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人為熱源大量增加。目前，赤峰市的地表水面積呈現(xiàn)縮減趨勢(shì)，氣候的暖干化導(dǎo)致極端降水和階段性高溫干旱事件頻繁發(fā)生。從分析地表溫度的角度出發(fā)，數(shù)據(jù)源選擇Landsat遙感影像，對(duì)赤峰市城區(qū)范圍的地表溫度時(shí)空變化特征進(jìn)行分析并探討其產(chǎn)生的原因，為有效緩解赤峰市熱島效應(yīng)和城市多層次規(guī)劃提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

赤峰市地處于內(nèi)蒙古自治區(qū)東南部，介于41°17′N(xiāo)～45°24′N(xiāo)，116°21′E～120°58′E之間，介于蒙冀遼三省區(qū)接壤處，地處環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)和東北經(jīng)濟(jì)區(qū)的腹地，屬于京津冀協(xié)同發(fā)展輻射區(qū)、蒙東遼西冀北地區(qū)經(jīng)濟(jì)中心、區(qū)域中心城市（圖1）。赤峰市屬于中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫和年平均降水量分別為6.2℃、391 mm。近年來(lái)，隨著赤峰市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市建設(shè)不斷加快，導(dǎo)致城市下墊面隨之發(fā)生改變，人口增長(zhǎng)導(dǎo)致人為熱量大量增加，使地表溫度發(fā)生了改變。

圖1 研究區(qū)

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

項(xiàng)目數(shù)據(jù)為美國(guó)Landsat 8衛(wèi)星搭載的OLI/TIRS傳感器掃描的遙感影像，空間分辨率為30 m?？紤]到冬季影像云量較少且熱島效應(yīng)較為明顯，選取的影響拍攝時(shí)間分別為：2014年12月2日、2015年12月5日、2016年12月7日、2017年12月26日、2018年12月13日、2019年12月1日、2020年12月18日、2021年1月19日。

1.3 研究方法

用大氣校正法反演地表溫度，將一級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理后計(jì)算出大氣剖面參數(shù)和地表比輻射率，求解黑體輻射亮度，最終計(jì)算出地表溫度，再對(duì)地表溫度進(jìn)行分類(lèi)，用以分析地表溫度時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征，具體流程如圖2所示。

圖2 大氣校正法技術(shù)流程圖

1.3.1 植被覆蓋度計(jì)算通過(guò)計(jì)算植被覆蓋度將整景影像分為水體、植被及建筑3個(gè)部分，計(jì)算公式如下[3]：

式（1）中，NDVI為歸一化植被指數(shù)，NDVIV=0.7和NDVIS=0.0。當(dāng) 某 像元NDVI＞0.7時(shí)，F(xiàn)V取值為1；當(dāng)某像元NDVI＜0.0時(shí)，F(xiàn)V取值為0。

1.3.2 地表比輻射率計(jì)算將遙感影像分為水體、城鎮(zhèn)及自然表面3種類(lèi)型后，使用覃志豪等[4]提出的地表比輻射率算法計(jì)算地表比輻射率，將水體像元的比輻射率賦值為0.995，自然表面和城鎮(zhèn)的像元比輻射率則分別根據(jù)下式計(jì)算：

式（2）、（3）中，εsurface和εbuilding分別代表自然表面像元和城鎮(zhèn)像元的比輻射率。

1.3.3 黑體輻射亮度計(jì)算根據(jù)熱紅外輻射傳輸方程可知，傳感器接收到的能量由大氣上行輻射、下行輻射及地物自身的熱輻射三部分能量組成。黑體輻射亮度的計(jì)算由普朗克定律反解得出，其計(jì)算公式如下：

式（3）、（4）中，B（Ts）為黑體等效輻亮度(單位為W·m-2)，Rsensor為輻射定標(biāo)后輻亮度，R↑表示大氣上行輻射，R↓表示大氣下行輻射（大氣上行、下行輻射由 Modtran法大氣校正獲?。?。ε為地表發(fā)射率，τ為大氣透過(guò)率，K1、K2為熱紅外波段的定標(biāo)常數(shù)，K1=774.89、K2=1321.08。

2 結(jié)果與分析

對(duì)赤峰市地表溫度進(jìn)行定量反演，得到如圖3所示的赤峰城區(qū)2014—2021年8個(gè)年份的地表溫度反演結(jié)果。由圖3可見(jiàn)，隨著城市不斷開(kāi)拓發(fā)展，工業(yè)建設(shè)逐步完善，大片耕地被占用開(kāi)墾，赤峰城區(qū)地表溫度逐漸升高，出現(xiàn)明顯的城市溫度高于郊區(qū)溫度的情況。由于氣候變化、數(shù)據(jù)云蓋條件等因素，選取具有代表性的2014年和2021年地表反演圖像進(jìn)行赤峰市地表溫度時(shí)空分布格局變化分析。

圖3 2014—2021年地表溫度反演效果圖

為了更好地比較不同年份地表溫度變化的差異，將反演所得的地表溫度數(shù)據(jù)用均值μ-標(biāo)準(zhǔn)差std法進(jìn)行歸一化處理并進(jìn)行溫區(qū)分級(jí)，分級(jí)規(guī)則如表1所示。

表1 均值—標(biāo)準(zhǔn)差溫度分級(jí)

由表2可知：與2014年相比，2021年赤峰城區(qū)的高溫區(qū)面積占比無(wú)變化，次高溫區(qū)減少3%，中溫區(qū)和次中溫區(qū)分別增加了6%和1%，低溫區(qū)域面積減少了4%。

表2 2014年、2021年各溫區(qū)面積占比

結(jié)合圖4分析可知，中溫區(qū)在赤峰城區(qū)的分布較廣。2014年，赤峰高溫區(qū)和次高溫地區(qū)主要集中分布在高速路、城市主干道及工業(yè)園區(qū)處，尤其是東郊工業(yè)園區(qū)處高溫十分顯著且分布密集；次中溫區(qū)和低溫區(qū)主要集中在新城區(qū)、橋北以及紅山區(qū)與松山區(qū)交界處等2014年還未開(kāi)發(fā)的地區(qū)。2021年，高溫區(qū)和次高溫區(qū)的占比與2014年相比，雖然變化較小，但在空間分布上由城市邊緣逐漸向內(nèi)發(fā)展，集中于建筑物密集、人口活動(dòng)集中地區(qū)及工業(yè)園區(qū)；中溫區(qū)、次中溫區(qū)范圍大幅增加；低溫地區(qū)的范圍減少，低溫區(qū)集中于水體和有植被覆蓋的區(qū)域。

圖4 赤峰市地表溫度分級(jí)空間分布圖

3 原因探討

根據(jù)赤峰市地表溫度變化特征分析，探討3個(gè)造成該變化的可能原因：首先是城市下墊面，城市下墊面多為磚塊、水泥、混凝土、瀝青路面等防滲水覆蓋物，自2014年以來(lái)，土地利用狀況發(fā)生了顯著變化，由于房地產(chǎn)業(yè)的不斷開(kāi)發(fā)，新建大量人工建筑，城市不斷建設(shè)，修建鋪設(shè)瀝青路面，打造各類(lèi)商圈，建設(shè)商場(chǎng)等，城市建成區(qū)域面積不斷增加，導(dǎo)致原有的自然地表屬性發(fā)生改變，地表對(duì)太陽(yáng)輻射的反射率減少，吸收率增高，顯熱交換頻繁，地表熱量逐漸增加。以圖5為例，赤峰市橋北新區(qū)2014—2019年的5年時(shí)間內(nèi)建設(shè)范圍增長(zhǎng)迅速，2014年橋北新區(qū)范圍內(nèi)主要分布的是低溫區(qū)，2021年大部分轉(zhuǎn)為中溫區(qū)。然后是植被覆蓋度，水體和植被組成的“藍(lán)綠空間”可以有效減緩地表溫度的增長(zhǎng)。低溫區(qū)和次中溫區(qū)也多集中于此。利用遙感手段提取2021年赤峰市城區(qū)植被綠化，得出赤峰市城市綠地率為36%，新城區(qū)等新建設(shè)地區(qū)的綠地率優(yōu)于老城區(qū)，郊區(qū)綠地率整體優(yōu)于城區(qū)（圖6）。最后是人類(lèi)活動(dòng)的密度和強(qiáng)度，城市的人為熱主要由汽車(chē)、工廠、居民炊事、空調(diào)外機(jī)和建筑儲(chǔ)熱等組成，人為熱以及氣體的排放匯集在城市上空，將大氣中長(zhǎng)波輻射能量吸收，包圍了城市上空的隔熱層，阻止了長(zhǎng)波輻射的散射，增加大氣輻射，導(dǎo)致地表溫度的增強(qiáng)[6]。在工業(yè)區(qū)對(duì)地表溫度結(jié)果圖進(jìn)行局部放大得到圖7，可以看出工廠等區(qū)域的地表溫度明顯高于與周邊區(qū)域。

圖5 2014年、2019年橋北建設(shè)圖

圖6 2021年赤峰市城區(qū)植被綠化提取圖

圖7 赤峰市部分工廠地表溫度反演圖

4 結(jié)論

（1）溫區(qū)面積占比的數(shù)量變化：與2014年相比，2021年赤峰城區(qū)的高溫區(qū)面積占比無(wú)變化，次高溫區(qū)減少3個(gè)百分點(diǎn)，中溫區(qū)和次中溫區(qū)分別增加了6個(gè)百分點(diǎn)和1個(gè)百分點(diǎn)，低溫區(qū)域面積減少了4%。

（2）溫區(qū)空間變化的趨勢(shì)總結(jié)：高溫區(qū)和次高溫區(qū)在空間分布上由城市邊緣逐漸向內(nèi)發(fā)展，集中于建筑物密集、人口活動(dòng)集中地區(qū)及工業(yè)園區(qū)；中溫區(qū)、次中溫區(qū)范圍大幅增加；低溫地區(qū)的范圍減少，主要集中于水體和有植被覆蓋的區(qū)域。

（3）原因簡(jiǎn)述：首先，城市下墊面的改變使顯熱交換頻繁，地表熱量逐漸增加；其次，植被覆蓋度密集的地方可以有效減緩地表溫度的增長(zhǎng)；最后，人類(lèi)活動(dòng)的密度和強(qiáng)度增加，導(dǎo)致地表溫度的增強(qiáng)。