（福州大學環(huán)境與資源學院 福建福州 350108）

1 研究背景

城市化改善了人類生活條件，但從非城市土地利用到城市土地利用的變化可能會導致城市地區(qū)的氣候變化［1］。同時，城市化帶來的環(huán)境問題（如全球變暖，空氣污染，環(huán)境惡化）對城市生活質量和舒適度產生了負面影響［2］。通常，城市化水平、人口密度或建筑物密度上升，伴隨著更高的人為熱釋放，包括發(fā)電廠、車輛、建筑物的熱釋放，因此城市熱島（UHI）隨之增強［3］。當前研究聚焦于地表利用類別對UHI的影響，例如 Ridd［4］提出植被—不透水面—土壤模型 （Vegetable-Impervious-Soil model，簡稱V-I-S模型）用以研究城市生態(tài)。然而城市化以各種方式促成全球變暖［5］，簡單地比較城市土地與周邊農村之間的LST差異，并不是量化UHI強度的有效方法。

本文基于混合像元分級和地表溫度反演，劃分不同等級不透水面，定量分析不同時相條件下，不透水面、植被和土壤3種生態(tài)要素對城市熱島的影響，進一步獲得不同不透水面百分比區(qū)間對城市熱環(huán)境的貢獻率，探討各級不透水面對城市熱島的影響。

2 研究區(qū)數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)情況

福州具有典型的亞熱帶季風氣候特征，年平均氣溫在33～37℃之間，最高溫可達42.3℃，最低可至-2.5℃。福州城鎮(zhèn)化率高達70.3%，盆地地形，市中心氣溫明顯高于周邊的郊區(qū)地帶，因此常出現(xiàn)熱島現(xiàn)象。本研究采用的衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)分別為2001年Landsat 7 ETM+影像和2013年的Landsat 8 OIL_TRIS的影像。

2.2 地表溫度反演

地表溫度（LST，Land Surface Temperature）展現(xiàn)了地氣能量與物質交換的具體過程，是地面與空氣間界面的能量計數(shù)器［6］。主要的地表溫度反演方式有：大氣校正法、單窗算法、單通道法等，本文采取輻射傳輸法對兩時相數(shù)據(jù)進行LST處理。

2.3 混合像元分解

由于天然地球地表不會是由同一地物所構成，因此一個像素內同時出現(xiàn)含有差別波譜性質的地物，也即不同地物被同一像元內所包含，將發(fā)生波譜混合征象。假定具有相對穩(wěn)定的光譜特征的不同地物構成地域場景中，可以利用端元的光譜特征和像元面積比例（豐度）的函數(shù)來表示遙感圖像的像元反射率，即混合像元分解模型［7］。本研究所得波譜特征以幾何頂點的端元提取方法為基礎，采用Linear Spectral Unmixing的混合像元分解方法，獲得多光譜或高光譜影像中地物的豐度信息。

2.4 溫度貢獻率

為了更直接地表征各級不透水面對城市熱環(huán)境的影響，需要用到貢獻指數(shù)，從而計算得到貢獻率。研究對象對城市熱環(huán)境的貢獻被定義為平均地表溫度差異與其在該地區(qū)的比例之間的乘積（式1）［8］。由于LST和大氣條件對所選圖像收集日期的變化，研究采用功能區(qū)或景觀與整個區(qū)域之間的LST的平均差異，而不是絕對的LST變化。

式中：CI是功能區(qū)或景觀對區(qū)域LST的貢獻，Dt是功能區(qū)或景觀與整個區(qū)域之間的平均LST差異，S是功能區(qū)或景觀所占比例。

3 結果與分析

3.1 不透水面提取與區(qū)間分級

本研究由混合像元分解算法 （LSMA）對2001年和2013年影像數(shù)據(jù)分解得出不透水面、土壤、植被，最終提取城市不透水面，并分級分區(qū)：0≤FLSA<10%為低密度區(qū)，10%≤FLSA<30%為中低密度區(qū)，30%≤FLSA<50%為中密度區(qū)，50%≤FLSA<70%為中高密度區(qū)，70%≤FLSA≤1為高密度區(qū)。根據(jù)圖1可得：不透水面呈擴大趨勢，其中低密度區(qū)和中低密度區(qū)的面積分別減少了86 km2和54 km2；中高密度區(qū)有進一步擴大的趨勢，整體區(qū)域呈現(xiàn)向高密度區(qū)轉化的趨勢，面積增大近1倍。在擴張的方向上，大致呈現(xiàn)由市中心向周邊擴張，且在市區(qū)南邊的倉山區(qū)、臺江區(qū)變化更快更顯著，東西方向的馬尾尤其顯著。景觀的復雜和分散程度以及地表的破碎程度隨著城市化的加速而進一步加深［9］。

3.2 地表溫度反演及分區(qū)

福州中心城區(qū)地表溫度明顯高于周邊的地區(qū)，在溫度空間上，城市猶如一個溫暖的島嶼［10］，出現(xiàn)“熱島”現(xiàn)象。根據(jù)地表溫度反演結果（圖2）可得，2001年高溫區(qū)分布范圍較小，主要分布在沙地、裸土，以及零星散布在建筑物特別密集的地域內，城區(qū)大部分被次高溫區(qū)所掩蓋，低溫區(qū)大部分分布在山體陰影和水體當中；2013年高溫區(qū)連片范圍顯著增大，鼓樓區(qū)甚至已呈現(xiàn)連片化，臺江區(qū)也出現(xiàn)了中心熱島區(qū)域現(xiàn)象，低溫區(qū)仍然是散布在河流和陰影地區(qū)。熱島增加區(qū)域與建成區(qū)域基本一致，這些區(qū)域人口聚集，不透水面積也增大，人類活動更活躍，使得溫度明顯升高，出現(xiàn)了熱島中心現(xiàn)象，表明城市的向外擴張自然演化為地類的轉型［11］。

3.3 各級不透水面（ISA）對城市熱島的貢獻

如表1所示，2001年和2013年的低密度區(qū)（主要為植被）對城市熱環(huán)境起負貢獻，且貢獻絕對值最大，主要由于面積較大且植被能夠通過蒸騰作用，從而吸收空氣熱量達到降低溫度的目的；中高密度區(qū)主要為居民區(qū)以及河流邊緣的裸地，裸地和建筑物本就是地表的主要增溫因素，而本研究區(qū)裸地的范圍較少，因此可以認為建筑物為主要增溫的因素。兩時相影像中高密度區(qū)面積均占了將近20%，因此熱環(huán)境貢獻率較高；2001年和2013年的高密度區(qū)均對城市熱環(huán)境起正貢獻，2001年高密度區(qū)所占面積比重低，貢獻率只有0.57；2013年高溫區(qū)面積增加了1倍多，主要土地利用類型為建筑，建筑十分密集且植被少，建筑的熱傳導性強，并受到陽光的直接照射，增加大地與大氣間的熱交換，且不滲透的城市表面蒸發(fā)潛熱，能量損失較少，從而導致城市地面存在較大的蓄熱量，貢獻值達到了1.4，功能區(qū)面積大大影響了貢獻指數(shù)的大小。

表1 各級不透水面貢獻率

4 結論

本研究通過分析2001年和2013年兩時相影像，分析探討研究城市化導致的土地利用類型改變，對城市熱環(huán)境的影響，結果表明：福州不透水面擴大的區(qū)域和城市化所帶來的城市擴張區(qū)域基本保持一致，熱力場集中程度和連片現(xiàn)象更為顯著，福州城市熱島有擴散惡化趨勢。城市熱島效應明顯的地區(qū)主要位于城區(qū)中心的臺江、鼓樓一帶。各級不透水面對城市熱環(huán)境的貢獻不盡相同，貢獻指數(shù)受面積占比影響較大。由于占比在0～10%的低密度區(qū)面積范圍大，且多為水體和植被，因此負貢獻最大；城市區(qū)域地表溫度上升主要由中高密度區(qū)和高密度區(qū)不透水面所致；2013年中高密度區(qū)和高密度區(qū)貢獻率進一步提高了大約1.4。因此往后治理城市熱環(huán)境應該從關鍵處下手。