中小城市地表温度变化与下垫面关系

魏雪梅，马卫春，孔丽

(1.安徽省基础测绘信息中心，合肥 230031；2.安徽省智慧城市与地理国情监测重点实验室，合肥 230031)

0 引言

地表温度(land surface temperature，LST)在城市的热环境变化、景观格局与生态特征分析等领域都具有十分重要的研究意义[1-3]，是研究地气间物质和能量交换的重要参量。近年来，学者们基于遥感技术围绕地表温度，开展了从地表温度反演[4-7]到成果分析和应用等众多方面的研究工作。其中围绕城市地表温度变化及其与下垫面(气候形成的重要因素，是指在热量、动量和水汽交换过程中与大气相互作用的地球表面)关系的定量分析就是热点之一[8-10]。但此类研究多数都局限于大型城市，针对中小型城市的较为少见。相较大城市，中小型城市在发展的过程中往往会遇到由于局部人类活动增速过快，出现城市规划和管理不符合实际需要，进而产生中小型城市特有的环境问题，其中就包括城市热岛问题。这类区域的地表温度变化有何规律？地表温度的变化与其下垫面的构成有哪些关系？这些问题对研究区自然资源生态环境评价和城市规划，具有重要的辅助决策作用。

本文以安徽省合肥市城区与六安市金安区为例，以Landsat-8 TIRS影像数据为基础，对其中心城区的夏末秋初地表温度进行反演，并结合研究区的地理国情数据，开展地表温度与下垫面关系的定量分析，以期为中小型城市的自然资源生态环境评价和城市规划提供科学参考。

1 研究区概况和数据源

1.1 研究区概况

合肥市城区包含直辖的庐阳、包河、蜀山、瑶海四区，气候较温和，四季分明，雨量适中，梅雨显著，经济发展速度较快；金安区为六安市的主城区，四季分明，季风明显，雨量充沛，无霜期较长，2个地区均为发展中的中小型城市典型，且地理位置相邻。

1.2 数据源与预处理

本研究使用的数据源主要包括：地理国情矢量和Landsat-8遥感卫星影像数据。其中，地理国情矢量数据主要为2015年地理国情普查和2017年地理国情监测成果中的地表覆盖数据；Landsat-8遥感卫星影像数据包括2015年10月11日和2017年9月14日的2景热红外卫星影像数据。

安徽省自6月起气温持续上升，7—9月处于高温期，城市热岛效应明显，选用数据源时优先考虑6—9月影像数据，但由于2015年6—9影像数据云量较多，严重影响温度反演结果，故选取了日期最为接近且天气晴朗的10月11日影像作为数据源。

2 研究方法

2.1 地表温度反演

选用大气校正法反演研究区的地表温度，该方法的基本原理：首先估计大气对地表热辐射的影响，然后从卫星传感器所观测到的总热辐射量中减去这部分影响，即得到地表热辐射强度，再把热辐射强度转换为地表温度[11-12]。

卫星传感器接收到的热红外辐射亮度值Lλ由3个部分组成：大气向上辐射亮度、地面的真实辐射亮度经过大气层之后到达卫星传感器的能量、大气向下辐射到达地面后反射的能量。

卫星传感器接收到的热红外辐射亮度值Lλ的表达式可写为(辐射传输方程)：

Lλ=L↑+[εB(TS)+(1-ε)L↓]τ

(1)

式中：ε为地表比辐射率；TS为地表真实温度(K)；B(TS)为黑体热辐射亮度；τ为大气在热红外波段的透过率。

温度为T的黑体在热红外波段的辐射亮度B(TS)为：

B(TS)=[Lλ-L↑-τ(1-ε)L↓]/τε

(2)

TS可以用普朗克公式的函数获取：

TS=K2/ln(K1/B(TS)+1)

(3)

对于TIRS Band10，K1、K2为常数，K1=774.89 W/(m2·μm·sr)，K2=1 321.08 K。大气剖面参数：τ、L↑以及L↓，通过在NASA提供的网站(http：∥atmcorr.gsfc.nasa.gov/)中输入影像拍摄时间以及中心经纬度的方式获取。

2.2 地表温度变化与下垫面关系的定量化分析

基于地理国情数据中的地表覆盖成果，在研究区内，开展地表温度变化与下垫面关系的定量化分析，主要包括：城市热岛比例指数以及下垫面与地表温度变化关系分析。

其中，城市热岛比例指数(urban-heat-island ratio index，URI)是针对不同时相的城市热岛效应难以进行定量比较的问题提出的新观点，即不同时相之间的城市热岛效应的对比，不能仅考虑温度本身的高低，还要考虑构成城市热岛的不同温度等级占城市建成区的面积比例大小，以及它们的温度强度对形成热岛效应的贡献程度。

金安区耕地级别整体较高，主要是因为其属于六安市市辖区，交通发达，路网密布，城镇化较高，地区基础建设完备。全区80%为中壤，土壤黏性不强，耕性较好，可耕种时间长，对肥力与水分的保持功能较好。但是其自然地力等级不高，有机质、氮磷钾、锌铜硼铁等大中微量元素含量不丰。但此次耕地定级综合考虑自然、社会经济与区位因素。根据特尔斐法专家打分，社会经济因素与区位因素所占的比例远大于自然因素。而这两项正是金安区的优势所在。

城市热岛比例指数分析。基于反演得到的地表温度，分别获得2个研究区的最高温、最低温、均温等信息，同时分析各研究区地表温度的空间分布特征；采用密度分级技术，对地表温度的绝对值进行温度分级，计算并分析城市热岛比例指数。

下垫面与地表温度变化关系分析。分别对2个研究区2015与2017年地表温度进行分析，统计各级地表温度的面积及占比；结合地理国情地表覆盖数据，统计各级温度内不同类型下垫面的面积及占比；根据统计结果，定量分析地表温度变化与下垫面的关系。

3 结果分析

本次研究的下垫面共分为3类：水体、植被以及不透水面，其中不透水面指的是由各种不透水建筑材料所覆盖的表面，如由瓦片、沥青、水泥混凝土等材料构成的建筑物、路面和停车场等[13]。

3.1 城市热岛比例指数分析

合肥市城区较六安市金安区，人类活动更为频繁，据安徽省地理国情普查与监测数据统计，如表1所示，合肥城区不透水面、水体、植被的面积占比分别约为金安区的3.5倍、2倍及0.6倍。2015至2017年期间，合肥城区和金安区不透水面与水体面积占比均有小幅度提升，植被面积占比有小幅度降低。

表1 2个研究区2015和2017年不同下垫面面积占比

反演出的地表温度情况如表2所示，合肥市城区日最高温、均温均高于金安区，日最低温小于金安区，温度的标准差大于金安区，即温度分布的离散度较大。

表2 2个研究区2015和2017年2个时相的地表温度统计特征 ℃

由于各个时相的地表温度差异较大，直接对各个时相的地表温度进行比较不可行。因此，采用归一化和密度分割技术，对2个时相的地表温度进行等级划分，通过计算城市热岛比例指数，研究不同区域、不同时相间地表温度的变化趋势[14-15]。

具体步骤为：首先，对反演后的地表温度，按照公式(4)进行归一化处理，将地表温度统一到0至1之间；然后利用密度分割技术，将归一化后的地表温度，采用均分的方式，划分为极高温、高温、较高温、中温、较低温、低温、极低温7个等级，对应的等级值为7至1；最后，统计这些等级占建成区的比例，并据此依据公式(5)计算URI。

(4)

(5)

基于上述方法，得到如表3、图2所示的计算和图件成果。2015年，合肥市城区的中温区面积占全区面积比例最大，为57.223%；2017年占全区面积比例最大的区域是次高温区，为46.046%，热岛比例指数URI由2015年的0.306 8升为了0.392 5。对于金安区而言，2015年占全区面积比例最大的区域同样为中温区，为80.005%；2017年占全区面积比例最大的区域是次低温区，为43.417%，热岛比例指数由2015年的0.118降至了0.067。

合肥城区，2017年和2015年相比，极高温、高温与次高温区占比的总和提升了10.804%，金安区则降低了7.244%，从而导致合肥市城区热岛比例指数升高了0.086，金安区降低了0.051。如图1所示，自2015至2017年期间，合肥市城区的地表呈现增温，金安区则呈现降温。由图1(a)、图1(b)看出，合肥城区的极高温、高温及次高温范围小幅度增大，而金安区的极高温、高温及次高温范围则呈现为显著减小，如图1(c)、图1(d)所示。

表3 研究区热岛比例指数及各温度等级占本区面积比例表

图1 研究区地表温度分级图

3.2 下垫面与地表温度变化关系分析

从下垫面的角度分析，如图2、图3、图4及图5所示，合肥市城区和金安区，2015年与2017年相比，极高温和高温区的下垫面、不透水面的占比变化不大，稳定在95%以上。这说明城市的高温区主要集中在建筑物、公路、铁路以及无植被和水体覆盖的其他不透区域。

图2 合肥市城区2015年各温度区间下垫面分布图

图3 合肥市城区2017年各温度区间下垫面分布图

图4 金安区2015年各温度区间下垫面分布图

图5 金安区2017年各温度区间下垫面分布图

次高温区，合肥市城区的不透水面的占比下降了25.17%，而植被的占比上升了14.77%，水体占比变化不大。金安区的不透水层和植被的占比基本保持稳定。

中温区，合肥市城区和金安区的植被占比和不透水面的占比均分别出现下降和上升的趋势，但变化后植被占比与不透水面占比的差值，合肥市城区为7.27%，金安区为59.67%，前者显著小于后者，水体占比变化不大。

次低温、低温以和极低温区，合肥市城区和金安区，水体占比较变化不大，植被占比均小幅度降低，不透水层小幅度上升。变化后植被占比与不透水面占比的差值，合肥市城区为41.61%，金安区为90.57%，与中温区类似，前者显著小于后者。

4 结束语

2015年至2017年期间，合肥城区和金安区不透水面与水体面积占比均有小幅度提升，植被面积占比有小幅度降低，但2个地区的城市热岛强度变化却不一样，合肥市的城市热岛比例指数增大了，而六安市金安区却减小了。

仔细对比分析2年下垫面面积占比后，发现六安市金安区下垫面中的植被面积占比较为稳定，保持在80%以上，远高于合肥市城区(2015年为52.62%，2017年为48.97%)；水体面积占比约为6%，低于合肥市城区(2015年为13.20%，2017年为13.52%)。由此得出，对于中小城市而言，植被对于缓解城市热岛效应的作用高于水体。也就是说，对于中小城市而言，在城市发展的进程中，若能保持住区域内植被覆盖面积高占比，即使不透水面的面积占比有所增加，人类活动区域加大，也不一定会导致城市热岛现象的加剧。

本研究在数据上仅选取了2期影像，不足以研究热岛变化趋势，下一步计划充分利用地理国情数据，细化下垫面地类，开展研究区四季的地表温度变化与下垫面关系的定量分析，以期为城市的发展规划提供有益的参考依据；在技术上，本文地表温度反演使用的是传统的大气校正法，精度有待提升，下一步计划从物理模拟和数学统计分析角度入手，优化反演算法，使结果更加接近于现实。