劉盼盼 王 璠 汪 靜 楊 玉

(安徽新華學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，安徽 合肥 230000)

1 概述

城市熱島效應(yīng)[1](Urban Heat Island)的廣泛定義是指由于我國(guó)部分城市郊區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展已初步達(dá)到一定城市郊區(qū)規(guī)模,由于部分大型城市的地下凝土墊層表面層和建筑結(jié)構(gòu)性質(zhì)的主體結(jié)構(gòu)形式改變、大氣污染以及部分城市郊區(qū)人工綜合利用廢熱的大量向外排放等多種因素從而使得我國(guó)城市郊區(qū)平均溫度明顯遠(yuǎn)遠(yuǎn)地要高于地處高溫區(qū)的郊區(qū),形成類似我國(guó)城市處于高溫區(qū)的郊區(qū)城市孤島的一種城市熱島現(xiàn)象。形成整個(gè)城市熱島效應(yīng)的主要影響因素包括有整個(gè)城市的地下墊面、人工使用熱源、水氣變化影響、空氣污染、綠地面積減少、人口快速遷徙等各種多方面的影響因素。尤其在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，對(duì)于周邊環(huán)境來說，城市就像是平靜海平面上，一個(gè)溫暖的島嶼。熱島效應(yīng)如何減緩的問題，正在受到越來越多的重視。近年來，城市環(huán)境問題越來越引發(fā)社會(huì)關(guān)注，一些城市地區(qū)的高溫影響著城市居民的健康，經(jīng)濟(jì)，休閑活動(dòng)和福祉。特別是，老年人和窮人等弱勢(shì)人群的健康受到變暖造成的熱應(yīng)激的嚴(yán)重影響。大量的研究證實(shí)，城市變暖還可能加劇空氣污染，例如通過增加地表臭氧濃度而對(duì)人類健康產(chǎn)生若干負(fù)面影響；大量的城市氣候研究表明，城市表面的熱、光學(xué)和幾何特性會(huì)影響吸熱和輻射特性，并導(dǎo)致所謂的城市熱島效應(yīng)。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

2.1 測(cè)區(qū)概況

合肥作為安徽省的省會(huì)，是全省政治、經(jīng)濟(jì)、文化、信息、金融、商貿(mào)的中心。處于中國(guó)東部區(qū)域、長(zhǎng)江下流域、巢湖之濱[2]。屬于丘陵地帶，地勢(shì)由西北向東南傾斜。地理位置最高峰為蜀山區(qū)的大蜀山，海拔282 m?？偯娣e達(dá)到11 445.1 km2。氣候溫和，雨量適中，屬于暖溫帶向亞熱帶的過渡帶氣候型。該氣候具有以下特點(diǎn)：季風(fēng)明顯，氣候溫和，雨量適中；春溫多變，秋高氣爽；年平均氣溫15.5 ℃～17.0 ℃，年極端最低氣溫-20.6 ℃(1955年1月)，曾有極端溫度達(dá)到41 ℃(1959年8月)。高溫多出現(xiàn)在梅雨后的7月下旬～8月上旬。年平均降水近995.3 mm，最大1 541.0 mm(1954年)，最小為572.9(1978年)，呈現(xiàn)南多北少的分布情況，夏季5月～8月降水偏多，約占整年降水總量60%[3]。年平均日照時(shí)數(shù)為1 902.0 h。全市下轄有4個(gè)區(qū)，包括瑤海區(qū)、廬陽區(qū)、蜀山區(qū)、包河區(qū)；4個(gè)縣為肥東縣、肥西縣、長(zhǎng)豐縣、廬江縣；1個(gè)縣級(jí)市：巢湖市，并設(shè)有4個(gè)開發(fā)區(qū)，分別是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、新站綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)、巢湖經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)。

2.2 數(shù)據(jù)的預(yù)處理

本文的研究區(qū)域?yàn)楹戏适校磮D像數(shù)據(jù)已經(jīng)過幾何糾正，故幾何糾正步驟省略。首先，需要對(duì)獲取的遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯裁剪，生成合肥市的區(qū)域影像圖。ENVI中有的圖像裁剪包括兩種：1)規(guī)則裁剪；2)不規(guī)則裁剪。

本文研究過程中采用的是不規(guī)則裁剪中的感興趣區(qū)裁剪，利用已有的合肥市矢量地圖文件，作為感興趣區(qū)邊界，進(jìn)行影像的裁剪。影像裁剪前后對(duì)比效果如圖1所示。

3 地表溫度反演與結(jié)果分析

3.1 地表溫度反演

結(jié)合熱力學(xué)的基本概念，任何物體只要高于物理學(xué)上的絕對(duì)零度(-273 ℃)，都會(huì)向周圍發(fā)射電磁波，同樣的也會(huì)吸收電磁波。其輻照能量的強(qiáng)弱程度和波譜的遍布位置以及物質(zhì)的外表狀況聯(lián)系緊密，而輻射能量的取值高低則是關(guān)于物質(zhì)里面組成和其自身熱度的因變量。

本文中我們需要研究的地表輻照熱度又被稱為地表明亮溫,它就是一種與遙感器在衛(wèi)星高程所需要觀測(cè)到的熱輻射強(qiáng)度相適應(yīng)的溫度。這一熱度量并非真實(shí)意義上的地表溫度,它既包含了大氣層和其他地表物體之間對(duì)于熱輻射的干擾,也可以直接反映物體的光照亮度和溫度。地面亮溫，雖然與地面的真實(shí)溫度有著一定的差距，但兩者具有一定的數(shù)據(jù)相關(guān)性，是反演真實(shí)溫度的數(shù)據(jù)依據(jù)，所以說，亮溫也能夠體現(xiàn)所研究區(qū)域地面的熱場(chǎng)分布狀況，為研究分析提供有效的數(shù)據(jù)支撐。目前我們使用Landsat TM(ETM+)數(shù)據(jù)，進(jìn)行地表溫度反演的方法主要有4種，分別為:輻射傳導(dǎo)方程法、基于影像的反演算法、單通道算法和單窗算法[6]。以上算法都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，比如輻射傳導(dǎo)方程法，缺點(diǎn)包括計(jì)算過程比較復(fù)雜，實(shí)際操作相對(duì)困難，使用頻率低。而基于影像的反演算法，反演結(jié)果偏低，但相對(duì)來說過程易操作。而對(duì)于單窗算法和單通道算法來說，兩者均考慮到了大氣輻射，但在應(yīng)用歷史存檔數(shù)據(jù)時(shí)，影像成像時(shí)的大氣參數(shù)無法實(shí)測(cè)獲得，會(huì)對(duì)結(jié)果精確度產(chǎn)生一定的影響。

綜合以上算法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用情況，結(jié)合本次研究區(qū)域概況，本文對(duì)地表溫度進(jìn)行反演的方法是單窗算法，其主要分為兩步：首先是利用影像中的信息計(jì)算絕對(duì)輻射亮度值，然后利用絕對(duì)輻射亮度值計(jì)算得出絕對(duì)亮溫，并通過計(jì)算得出遙感影像區(qū)域的亮溫值，再利用ARCGIS軟件進(jìn)行專題圖的制作。

3.1.1 計(jì)算絕對(duì)輻射亮度值

在彈出的窗口主菜單上選擇File-Open Image File打開預(yù)處理過的影像地圖之后，選擇Basic tools-Band Math，在彈出窗口Enter an expression一欄中輸入絕對(duì)輻射亮度值的計(jì)算公式：float(b4)/255×(1.896-0.153 4)+0.153 4。

3.1.2 計(jì)算光譜在單位電磁波輻射范圍內(nèi)的最大亮度值

單位光譜范圍的輻射亮度等于絕對(duì)輻射亮度與其有效光譜范圍之比[7]：

(1)

其中，b為有效光譜范圍，μm。有效光譜范圍以使傳感器反應(yīng)大于50%的部分計(jì)，取b=1.239 μm。同上步驟中，利用Band Math功能，輸入計(jì)算公式為：b1/1.239，其中b1為上一步驟計(jì)算得出的絕對(duì)輻射亮度值。

3.1.3 計(jì)算絕對(duì)亮溫T

單位輻射亮度值與絕對(duì)亮溫T的關(guān)系為[8]：

(2)

其中：K1，K2均為校正系數(shù)。

3.1.4 將絕對(duì)亮溫轉(zhuǎn)化為亮溫值

為便于研究將從之前步驟得出的絕對(duì)溫度轉(zhuǎn)化為攝氏溫度，絕對(duì)亮溫T與亮溫值之間的關(guān)系為：

T亮=T-273.15 ℃

(3)

3.2 利用ARCGIS進(jìn)行專題圖制作與分析

為更直觀具體地對(duì)合肥市的熱島效應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行結(jié)果顯示與分析，將ENVI中的結(jié)果導(dǎo)出至ARCGIS中，并將合肥市的縣區(qū)界線圖與亮溫值圖進(jìn)行疊加，添加圖例，并制作出合肥市熱島效應(yīng)的專題圖。處理后的圖像如圖2所示。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 城市熱場(chǎng)分布特征與主要分布區(qū)

由圖2可以看出，衛(wèi)星過境時(shí)的合肥市陸地最高地表溫度為26.2 ℃，最低地表溫度為19.3 ℃，溫差為7 ℃。

從這張溫度圖中我們不僅可以清楚地明顯看出，合肥市城區(qū)熱場(chǎng)的具體分布地理特點(diǎn)是因?yàn)槌鞘兄行暮痛蟪菂^(qū)的城市地表平均溫度顯著地高于中心郊區(qū)的城市地表平均溫度,且城區(qū)植被和城市水體對(duì)有效冷卻城市環(huán)境、緩解城市熱島效應(yīng)等諸多方面也都起著重要的調(diào)節(jié)作用。低溫區(qū)主要位于合肥市巢湖市、廬江縣一帶及山體和水體周圍。熱島效應(yīng)等級(jí)最高的分布區(qū)有廬陽區(qū)、瑤海區(qū)、包河區(qū)。其次包括蜀山區(qū)、肥西縣、肥東縣。長(zhǎng)豐縣熱島效應(yīng)等級(jí)較蜀山區(qū)稍低。而巢湖市及廬江縣熱島效應(yīng)等級(jí)相對(duì)最低。在合肥全市共計(jì)劃設(shè)有的四個(gè)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)(包括合肥高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)、合肥新站經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、合肥新站巢湖綜合技術(shù)實(shí)驗(yàn)區(qū)、巢湖新站經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū))中,經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的土地?zé)釐u效應(yīng)作用等級(jí)最高,其次高的是合肥高新技術(shù)開發(fā)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)和合肥新站巢湖綜合技術(shù)實(shí)驗(yàn)區(qū),而合肥巢湖新站經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的土地?zé)釐u效應(yīng)作用等級(jí)相對(duì)最低。而巢湖經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的熱島效應(yīng)等級(jí)相對(duì)最低。

3.3.2 改善熱島效應(yīng)的措施與建議

通過對(duì)合肥市熱島效應(yīng)分布特征及主要分布區(qū)的研究，結(jié)合對(duì)合肥市熱環(huán)境空間布局的動(dòng)態(tài)研究，可以看出合肥市近幾年熱島情況已經(jīng)有了一定程度地改善，但是在城市建設(shè)的過程中，熱島效應(yīng)未必不會(huì)出現(xiàn)增強(qiáng)的趨勢(shì)，所以實(shí)施熱島效應(yīng)緩解措施迫在眉睫。結(jié)合合肥城市整體布局的具體特征，提出以下幾點(diǎn)相應(yīng)改善措施：

1)改善合肥市綠地系統(tǒng)[10]的整體布局。2)提高綠化范圍所占比例，同時(shí)加快發(fā)展立體綠化[12]。3)減少人為熱排放量，發(fā)展公共交通。4)科學(xué)合理的城市布局,降低建筑物密度[13]。5)提倡使用新能源、新材料。6)建設(shè)生態(tài)建筑[14]。

4 結(jié)論

城市的生態(tài)建設(shè)與熱島效應(yīng)有著密切的聯(lián)系，對(duì)全球溫度升高有著一定的影響，在遙感技術(shù)進(jìn)一步成熟的基礎(chǔ)上，本文的研究主要借助遙感影響資料，運(yùn)用地理信息系統(tǒng)技術(shù)，進(jìn)行合肥市的熱島效應(yīng)分析，主要研究成果總結(jié)如下：1)合肥市熱島效應(yīng)空間分布呈放射狀擴(kuò)散,并與其他城市建設(shè)地區(qū)的空間結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出一定的輪廓,地表溫度由城市向郊區(qū)逐漸下降變低,衛(wèi)星經(jīng)常過境時(shí)刻,城區(qū)與郊區(qū)之間的空氣溫差就達(dá)到7 ℃。2)在利用ARCGIS進(jìn)行合肥市熱島效應(yīng)專題圖制作的過程中，研究證明：通過專題圖與區(qū)域界線矢量圖的對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，熱島效應(yīng)的分布特征與土地利用情況有著很大的聯(lián)系。熱量中心主要包括建筑物密集的主城區(qū)、人口密度較大的中心商業(yè)區(qū)以及居民的居住集中地區(qū)，此類區(qū)域地表溫度較其他地區(qū)偏高，熱島效應(yīng)等級(jí)也較強(qiáng)。其次為局部綠地覆蓋區(qū)域，地表溫度稍降，熱島效應(yīng)有所減輕，而在臨近水體及山體周圍的熱島效應(yīng)明顯低于周圍的熱島強(qiáng)度，地表溫度最低，熱島效應(yīng)強(qiáng)度最低。