邯郸城市热空间遥感监测研究

张晓楠，宋宏利，张叶

(河北工程大学资源学院河北邯郸，056038)

英国气候学家Lake Howard于1833年第一次对伦敦城市中心的温度比郊区高的现象进行文字记载，把这种气候特征称为“热岛效应”。Manley于1958年首次提出城市热岛Urban Heat Island(UHI)的概念。近年来，我国在城市热岛效应方面进行了大量研究，并取得了许多成果。例如，王腾蛟等利用中尺度数值模式WRF耦合单层城市冠层模块UCM，引入2005年MODIS土地利用类型资料，在对兰州市热岛现象进行高分辨率数值模拟的基础上，设计了去除城市下垫面敏感性试验，探讨了城市下垫面对城市边界层的影响程度［1］;牟雪洁等人以LANDSET TM数据为基础，研究了珠三角地区城市发展对城市热岛效应造成的影响，分析了城市热岛的空间分布及地域性差异［2］;李红艳、邓莲堂、江学顶、骆杨、张立杰等先后利用自动站资料对城市热岛效应以及形成机制进行了多方面的研究［3－7］。已有研究多针对于大城市或省会城市，而对于中等城市特别是能源型城市的热岛效应研究较少，本文以邯郸市区及部分县区为研究对象，利用1988年至2010年间5景Landsat TM/ETM+热红外波段数据反演邯郸市地表亮温，从而揭示多年来邯郸地区的热岛效应空间分布规律，为改善邯郸地区人居环境提供科学合理依据。

1 数据来源

1.1 研究区概况

本文研究区域为邯郸市区(邯山区、丛台区、复兴区)以及周围7个县市，7个县市包括武安市、磁县、峰峰矿区、邯郸县、永年县、肥乡县和成安县(图1)。研究区地处太行山南段东麓和华北平原南部，介于东经 113°28'～115°28'，北纬 36°04'～37°01'之间，属暖温带半干旱半湿润季风区，四季分明，昼夜温差大。地势总体西高东低，自西向东阶梯状分布着山地、丘陵、盆地、高平原、低平原等类型。

1.2 数据来源

本文选用地理空间数据云及中国科学院遥感与数字地球研究所免费提供的1988年至2010年间5景邯郸地区Landsat TM/ETM+热红外波段数据为数据源，经过对原始数据进行几何校正、辐射校正、拼接、裁剪、重采样等数据预处理后进行地表温度反演。

2 研究方法

2.1 亮度温度反演方法

TM/ETM+6数据是用数字像元值(DN)来表示的，DN值介于0～255之间，数值越大，亮度越大。反演亮温需要将DN值转化为相应的热辐射强度值，然后再根据热辐射强度推算相应的亮度温度。本文在图像预处理中已经完成了辐射定标，现只需采用ENVI4.8中的Band Math工具根据公式1计算出像元对应的亮度温度值。

式中T－亮度温度(单位:°C);Ln－传感器的辐射亮度;273.15－水三相点热力学温度;K1，K2－常量，参见表1。

表1 K1、K2定量参数表Tab.1 The quantitative value of K1and K2

2.2 亮温归一化

由于本文所获取遥感数据的成像时间并不相同，时间的相异性会影响亮温反演结果的比较分析。因此，需采用归一化方法(公式2)将提取亮温后的遥感图像归一化到同一时期，并使其值位于0－1之间。

式中Ni－第i个像元归一化处理后的值;Ti－第i个像元的绝对亮温值;Tmin－地面绝对亮温的最小值;Tmax－地面绝对亮温的最大值。

3 结果分析

3.1 热岛效应空间特征分析

如图2所示，1998－2010年20年间，邯郸地区的城市热岛效应呈现出一定的空间变化，其中1988年研究区域热岛效应典型的区域主要存在于武安市西部、永年县、邯郸市区及邯郸县大部，武安市中南部和磁县还未出现热岛现象;1995年热岛区域有南移的迹象，在磁县出现了明显的热岛效应地区，而邯郸县及邯郸市区的热岛效应得到了明显改善;自2000年以后，热岛区域主要集中在武安市中南部。20年间低温地区基本远离工业区域，大致位于成安和肥乡县区域。

3.2 热岛面积对比分析

表2 1988－2010年间邯郸市地表亮度温度面积对比表Tab.2 The comparison of luminance temperature in Handan from 1988 to 2010

表2揭示了1988－2010年20年间邯郸地区城市热岛效应面积对比情况，从表中可以看出，20年间，低温区域面积呈现出增－减－增的变化趋势，其面积比例从1988年的0.77%增加到2010年的2.81%，总体上增加了2.04%;次低温区域则表现出与低温区域相反的变化特征，由1988年的19.23%减少为2010年的9.57%，面积比例减少了近50%;中温区面积比例呈现出递增趋势;次高温区面积变化趋势则呈现出交错变化特征，表现出减－增－减的趋势，20年间总体上呈减少趋势;高温区在2000年出现了最小面积比例，但总体上呈现出缓慢递增态势。

4 结论

1)高温区持续保持高温。武安市矿区的热岛主体地位保持明显，几处高温区多年来持续保持高温状态，如云驾岭矿区，峰峰矿区，从上世纪90年代开始出现高温，历经20多年，依旧保持着较高的温度。

2)新的高温区逐年增多。上世纪90年代，高温区基本呈点状或块状分布，本世纪初期，高温区明显增多，原来存在的低温与次低温区逐渐消失，成为新的次高温和高温区，呈西、南方向扩张分布，武安，磁县，峰峰矿区等地高温区增多现象明显。

［1］王腾蛟，张 镭，张博凯，等.城市下垫面对河谷城市兰州冬季热岛效应及边界层结构的影响［J］.气象学报，2013，71(6):1115 －1129.

［2］牟雪洁，赵昕奕.珠三角地区地表温度与土地利用类型关系［J］.地理研究，2012，31(9):1589 －1597.

［3］李艳红，李智才，周晋红，等.基于自动站资料的太原城市热岛研究［J］.干旱区资源与环境，2013，27(12):173－179.

［4］邓莲堂，束 炯，李朝颐.上海城市热岛的变化特征分析［J］.热带气象学报，2001，17(3):273 －280.

［5］江学顶，夏北成，郭 泺，等.广州城市热岛空间分布及时域－频域多尺度变化特征［J］.应用生态学报，2007，18(1):133－139.

［6］骆杨，周锁铨，孙善磊，等.杭州城市热岛空间分布及时域－频域多尺度变化特征［J］.生态环境学报，2009，18(6):2200－2205.

［7］张立杰，李磊，江崟，等.基于自动站观测资料的深圳城市热岛研究［J］.气候与环境研究，2011，16(4):479－486.