曹張馳,胡順起,朱義青,毛國榮,王慶華
(臨沂市氣象局,山東 臨沂276004)
城市化是人類社會發(fā)展的標志,在促進經(jīng)濟發(fā)展和提高人們的生活水平時,也帶來城市熱島、高溫?zé)崂撕统鞘袧釐u等生態(tài)環(huán)境問題。城市熱島效應(yīng)是城市人類活動對氣溫影響的突出表征,它對全球變暖的貢獻已經(jīng)引起廣泛關(guān)注,對城市熱島效應(yīng)的研究已成為當今氣候、生態(tài)、環(huán)境問題研究中的新熱點[1]。城市氣候環(huán)境變化在很大程度上嚴重威脅城市的生態(tài)環(huán)境及人們的生存條件,也制約著地區(qū)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[2]。
Howard[3]在討論英國城市氣候時,最先提出“城市熱島效應(yīng)”的概念。T R Oke[4]利用動力學(xué)理論基礎(chǔ),分析城市熱島效應(yīng)與城市大小之間的關(guān)系。早期的城市熱島效應(yīng)研究多采用以氣象站資料為基礎(chǔ)的城郊溫差法[5-6]。魯小榮等[7]通過對昌吉市和呼圖壁縣的氣溫資料統(tǒng)計分析,得到昌吉市隨著城市發(fā)展而產(chǎn)生的熱島效應(yīng)變化過程。而隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)快速發(fā)展,突破了傳統(tǒng)站點觀測地表溫度的局限性,遙感反演地表溫度的方法可提供一定時空精度的區(qū)域性監(jiān)測[8-12]。金麗娜等[13]基于FY-3氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)利用改進的貝克爾“分裂窗”算法計算地表溫度,分析了西安市春、夏、秋三季的城市熱島總面積、強熱島面積和熱島比例指數(shù)。裴歡等[14]利用南京市7月的LandsatTM熱紅外數(shù)據(jù),根據(jù)單窗算法反演得到南京市地表溫度,討論了南京市的熱島特征。應(yīng)用遙感技術(shù)監(jiān)測城市熱島效應(yīng),并分析城市熱島成因和影響因子,是近年來城市生態(tài)環(huán)境研究的熱點和難點之一。大城市的熱島效應(yīng)顯而易見,但是新發(fā)展的中、小城市的熱島效應(yīng)強度、變化特征及其影響卻鮮見研究分析。近年來中小城市化進程的快速崛起,主城區(qū)和縣區(qū)的面積不斷擴大,原以植被為主的下墊面逐漸被高儲熱性的建筑物所取代,大量周邊人口向城市聚集也造成人為排放溫室氣體的增加,目前臨沂市政府對城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)越來越關(guān)注。鑒于此,研究城市熱環(huán)境及其變化規(guī)律,對臨沂市經(jīng)濟社會和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有現(xiàn)實意義。
本文利用Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演了兩景地表溫度和不透水層指數(shù),對比分析城市發(fā)展帶來下墊面變化對城市熱島強度變化的影響。結(jié)合2005—2014年地面氣象站觀測資料,分析了臨沂市城市熱島強度變化的特征,討論經(jīng)濟、人口、用電量等城市化因子對其影響。
臨沂市(117°24′~119°11′E,34°22′~36°22′N)位于山東省東南部,地處魯南低山丘陵東南部,地勢西北高東南低,地近黃海,南臨江蘇,為“沂蒙山區(qū)”。臨沂屬于暖溫帶季風(fēng)區(qū)大陸性氣候,四季分明、光照充足、雨量充沛。全市總面積17 191.2 km2,總?cè)丝? 124萬人。其中市區(qū)建成區(qū)面積約為1 759 km2,人口數(shù)量為260萬人,是山東省面積最大和人口最多的地級市。2010年以來,臨沂市經(jīng)濟和城市建設(shè)快速發(fā)展,尤其是新城區(qū)的建設(shè),改變了原來的農(nóng)田和林地等,具有不透水性質(zhì)的混凝土、柏油等城市地表迅速代替了原來的土壤,也加劇了城市熱島效應(yīng)的特征。
在選擇衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)時主要考慮研究區(qū)和研究內(nèi)容這兩個方面的需求,研究城市熱島效應(yīng),需要用到對地溫?zé)崃枯椛涿舾械臒峒t外波段。Landsat陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)的空間分辨率為30 m,衛(wèi)星過境時間一般在北京時間11時左右,訪問周期為16 d,更適合城市和小區(qū)域的地表熱量空間差異分析。選取天氣晴朗,云量小于20%,數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的Landsat5-TM和Landsat8-OLI衛(wèi)星數(shù)據(jù)。為了更好地對比下墊面變化對熱島效應(yīng)的影響,選取2005和2014年兩幅影像,這兩個年份在全球變暖的長期變化中是處于正常狀態(tài)的,時間分別為2005年8月12日和2014年8月3日。應(yīng)用遙感軟件ENVI對衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行輻射定標,采取暗目標法進行大氣校正、利用1∶50 000地形圖對圖像進行配準,選取50個地面控制點,對衛(wèi)星影像進行幾何校正配準。對兩條軌道數(shù)據(jù)進行影像融合,再按臨沂市行政區(qū)劃進行區(qū)域預(yù)處理。
選取2005—2014年臨沂市及下轄區(qū)10個國家地面氣象觀測站的歷史資料數(shù)據(jù)。包含夏季氣溫、降水及各站點的經(jīng)緯度信息和海拔等要素。對疑誤數(shù)據(jù)進行刪除,并排除搬遷臺站或改造帶來的影響。對疑誤數(shù)據(jù)進行刪除后,整理成列,添加經(jīng)緯度數(shù)據(jù),載入ENVI軟件中賦予等經(jīng)緯度投影和坐標,并作為感興趣點保存,用以提取反演結(jié)果進行精度驗證。此外,還使用了臨沂市行政區(qū)劃圖、臨沂市高精度地形圖、臨沂市氣候統(tǒng)計資料及臨沂市的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)等參考數(shù)據(jù)。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所(RADI)地理數(shù)據(jù)云平臺。地區(qū)生產(chǎn)總值、人口密度、用電消耗、房屋竣工面積等數(shù)據(jù)來自2018年臨沂市統(tǒng)計年鑒。
相比站點觀測方法,利用衛(wèi)星遙感資料監(jiān)測地表溫度,具有良好的空間覆蓋度、時效性和動態(tài)監(jiān)測的優(yōu)勢。目前針對Landsat衛(wèi)星攜帶的TM和OLI傳感器,單通道算法是最通用最常見的算法。覃志豪等[15]以地表熱輻射傳導(dǎo)方程為基礎(chǔ),通過近似假設(shè),建立了適用于TM6反演地表溫度的單通道算法,該算法需要的參數(shù)包含地表發(fā)射率、大氣平均作用溫度和大氣透過率3個參數(shù)。即在大氣實時資料缺乏的情況下,可以從一個熱紅外波段的遙感數(shù)據(jù)中反演出平均的地表溫度。主要有熱紅外波段轉(zhuǎn)換為光譜輻射亮度、光譜輻射亮度轉(zhuǎn)換為地表亮溫、以及地表亮溫轉(zhuǎn)換為地表溫度3個步驟。因此,本文主要采用單通道算法。
輻射定標在ENVI軟件中完成,對于TM6波段,定標系數(shù)分別為1.24和15.30。對于OLI10波段,定標系數(shù)分別為0.10和22.00。求出輻射量度后,用Planck公式計算亮度溫度,也可利用公式(2)計算獲得:
式中,Tb為亮度溫度。對于TM,K1=607.76 W/(m2·sr·μm),K2=1 260.56 K;對于OLI,K1=774.89 W/(m2·sr·μm),K2=1 282.71 K。大氣在熱紅外波段的透過率τ:0.90,L↑和L↓為大氣向上輻射亮度和大氣向下輻射亮度。NASA公布的網(wǎng)站可以根據(jù)成影時間和中心經(jīng)緯度查詢,以及其他的相關(guān)參數(shù)。
得到亮溫后將其轉(zhuǎn)換為地表溫度:
式中,Ts為地表溫度,Tb為亮溫,ε6為地表比輻射率,τ6為大氣透過率,大氣透過率為大氣平均作用溫度,a6和b6為參數(shù)系數(shù)。
利用混合像元分解方法來計算比輻射率,地物類型大致可以分為水體、城鎮(zhèn)和裸土3種。首先排除水體的影響,利用改進的歸一化水體指數(shù)(MNDWI),可以將水體從地物中提取出。Sobrino等[16]假定地表是由裸土和植被構(gòu)成的,對于每個像元,計算歸一化植被指數(shù)(NDVI),當NDVI<0.2時,該像元被認為完全由裸土組成;NDVI>0.5時,該像元被認為完全由植被組成,當0.2≤NDVI≤0.5時,該像元被認為是由裸土和植被的混合像元,公式如下:
式中,ε為地表比輻射率;εv為植被的比輻射率;εm為建筑物的比輻射率;pv為植被覆蓋度,由NDVI計算得到;dε為地表幾何分布和內(nèi)部散射效應(yīng)。對于水平地表可以忽略,但對于非均質(zhì)和粗糙地表,該項必須考慮,由于臨沂地區(qū)存在丘陵山地,所以此項不可以忽略,其計算公式如下[8]:
不透水層主要是指水體不能通過其下滲至地表以下的物質(zhì),包括諸如屋頂、公共停車場等構(gòu)成的地表覆蓋[11]。通過城市中各種不透水層建筑材料所覆蓋的表面進行分析,可以監(jiān)測城市中生態(tài)環(huán)境變化以及城市擴展的狀況。
衛(wèi)星數(shù)據(jù)的像元一般為混合像元,因此常利用子像元的光譜混合分析模型來分化地表類型。根據(jù)研究區(qū)域的實際情況,將地表覆蓋分為水體,植被,不透水層這3種端元。通過改進的歸一化水體指數(shù)將水體成分去除,在歸一化光譜反射率的基礎(chǔ)上,利用線性光譜混合分析模型(LSMA),計算3種端元在各個像元內(nèi)的百分比。公式如下:
式中,Rb是波段b某一像元的標準化反射率;Ri,b是波段b在該像元中端元i的標準化反射率;eb是差值;fi是某端元比例,通過最小二乘法求得,各個端元的比例之和為1。
植被覆蓋度是單位面積內(nèi)植被的垂直投影面積,與不透水層指數(shù)呈負相關(guān)關(guān)系,可以根據(jù)三種端元的歸一化反射率來求解研究區(qū)的不透水層指數(shù)。根據(jù)植被覆蓋度Fr與NDVI的關(guān)系式:
式中,N為歸化植被指數(shù)NDVI,Nsoil為裸土或無植被覆蓋像元的NDVI,Nveg為純植被覆蓋像元的NDVI。
由于不透水面與植被覆蓋度呈負相關(guān)關(guān)系,因此引用不透水層率指數(shù)(即不透水層所占的比例ISA),來研究建筑物和硬化路面與城市熱島的關(guān)系。不透水層指數(shù)的計算如下:
2.5.1地面站點觀測的熱島強度
利用地面氣象站點觀測的氣溫研究城市熱島效應(yīng)是經(jīng)典方法,城市熱島強度由城市氣象站與郊區(qū)氣象站氣溫的差值(城郊溫差法)來確定。公式為:
式中,ΔTUHI為城市熱島強度;Tu為城區(qū)氣溫;Tr為郊區(qū)氣溫。
2.5.2遙感反演的熱島強度分級
熱島強度分級是根據(jù)公式(2)反演的地表溫度計算相對亮溫值R,再對R進行閾值分割,劃分城市熱島等級(表1)。
表1 熱島等級劃分閾值
式中,Troi為研究區(qū)感興趣區(qū)像元平均值,感興趣區(qū)像元共50個,根據(jù)10個地面觀測站點經(jīng)緯度選取前10個,并選取該臺站周邊相近的一些站點,均勻分布。Ta為區(qū)域平均亮溫。
由2005年8月12日和2014年8月3日衛(wèi)星資料的反演結(jié)果得出,81%區(qū)域的溫度分別集中在18~38℃和18~42℃。根據(jù)分布特征劃分溫度等級,得到(圖1a)。>38℃的紅色區(qū)域主要分布于中心城區(qū)和各縣城中心,30~38℃分布在西北部和東南部,分布比較廣泛。25~30℃分布也相對比較廣泛,<25℃分布在西北部山林區(qū)、水庫和北部被云層遮擋的區(qū)域。圖1b中42℃以上的區(qū)域主要分布于中心城區(qū)以及中心向西北、西南方向擴散,另外各縣城附近也有較多零散分布。30~42℃區(qū)域主要附著在42℃區(qū)域附近。地表溫度25~30℃的分布比較廣泛,沒有聚集的現(xiàn)象。
圖1 2005和2014年臨沂市地表溫度衛(wèi)星反演圖
對比兩幅遙感影像的反演結(jié)果可以看出,從2005—2014年,臨沂市>35℃高溫范圍是明顯增加的。2005年30~42℃區(qū)域主要分布在西北山區(qū)和東南農(nóng)田區(qū),受農(nóng)作物植被覆蓋度較低影響,呈現(xiàn)弱熱島強度。而2014年,植被覆蓋度增加,未表現(xiàn)出弱熱島區(qū)。而弱熱島區(qū)主要集中在強熱島區(qū)附近,以及縣城以外的區(qū)域,尤其是向中心城區(qū)發(fā)展的道路沿線,呈現(xiàn)出較多零星分布的弱熱島區(qū)。到2014年臨沂熱島強度明顯擴大,中心熱島區(qū)的最高溫度高出4℃。分別對兩期地表溫度反演結(jié)果取多個ROI感興趣區(qū)域像素點,求平均得到2005年Troi為26.2℃,2014年Troi為31.5℃。2005年Ta為24.3℃,2014年Ta為26.5℃。根據(jù)閾值劃分結(jié)果,2005年總體呈現(xiàn)為中等強度熱島,2014年總體呈現(xiàn)為強熱島。
選擇與衛(wèi)星成像時間同期的站點氣溫資料與反演后所得區(qū)域結(jié)果進行對比(表2),評估研究區(qū)地表溫度反演的有效性。根據(jù)站點經(jīng)緯度,提取地表溫度遙感反演結(jié)果的像元值,總相關(guān)系數(shù)分別為0.60和0.55,均通過0.01的顯著性水平檢驗。2005年8月12日各站點平均氣溫為31.6℃,2014年8月3日各站點平均氣溫為31.3℃。兩期反演結(jié)果平均溫度距平分別為0.9、2.5℃。站點監(jiān)測結(jié)果和衛(wèi)星監(jiān)測結(jié)果是一致的,站點監(jiān)測統(tǒng)計結(jié)果反應(yīng)了2005—2014年臨沂市熱島特征隨時間的變化,兩幅衛(wèi)星資料主要從空間上進行對比,體現(xiàn)了熱島特征在空間上的變化,從不同的角度說明熱島的變化情況,兩種資料互為補充。因此認為兩次反演的地表溫度均滿足研究需求。
表2 站點氣溫和反演溫度對比 ℃
臨沂市的中心城區(qū),各縣城建成區(qū),條帶狀的公路以及零散分布的農(nóng)村居民點,不透水層指數(shù)最大。不透水層指數(shù)與植被覆蓋度呈負相關(guān),因此部分植被覆蓋度低的裸土較多的區(qū)域呈現(xiàn)為橙色(圖2)。
2005年8月12日臨沂市的不透水層指數(shù)呈中心聚集狀(圖2a),市中心建筑物較多,為城市的密集地帶,不透水層指數(shù)總體較大。隨中心城區(qū)向西南方向延伸,臨沂市城西,沿國道和京滬高速公路的不透水層指數(shù)也較高,部分地區(qū)如臨沂市羅莊區(qū)甚至有更高的趨勢。另外各縣城中心也表現(xiàn)出呈中心聚狀的高不透水層指數(shù)。臨沂市城區(qū)在沂河以東和沂河以北區(qū)域,有遞減的變化,伴隨著植被的增多,周圍水體的出現(xiàn),不透水層率逐漸減少。2014年8月3日臨沂市不透水層指數(shù)高值區(qū)的區(qū)域明顯增多(圖2b),從中心城區(qū)向各個方向延伸,面積幾乎擴大一倍。原來河?xùn)|和城北區(qū)也表現(xiàn)出了聚集狀的高不透水層指數(shù)。各縣城中心表現(xiàn)高不透水層指數(shù),在原來植被覆蓋度較高的郊區(qū),表現(xiàn)出分散的高不透水層指數(shù),沿主要交通要道周圍也增加了很多高不透水層指數(shù)的分布。這些地區(qū)由于大量土地的開發(fā),造成了不透水層大面積的增加。
圖2 2005和2014年臨沂市不透水層指數(shù)分布
對比圖2a和2b,可以看到當不透水層指數(shù)>0.8時,幾乎覆蓋了所有已開發(fā)的城市土地,包括低密度居住區(qū)、中密度居住區(qū)、高密度居住區(qū)以及商業(yè)中心區(qū)。因此,對ISA>0.4區(qū)域進行分類,ISA>0.8區(qū)域定義為城市用地,其中0.6~0.8區(qū)域定義為中密度區(qū),0.4~0.6區(qū)域定義為低密度區(qū)[18],并對這4種區(qū)域像元數(shù)量進行了統(tǒng)計(圖3)。
圖3 2005和2014年臨沂市不透水層指數(shù)變化
2014年臨沂地區(qū)不透水層指數(shù)>0.6的區(qū)域明顯增多,約占據(jù)了區(qū)域的另一半,這表明臨沂市建筑群的數(shù)量已占據(jù)了相當大的比例。對比臨沂行政地圖,主要集中在北城新區(qū)、河?xùn)|區(qū)、羅莊區(qū)、沂水縣和莒南縣這5個區(qū)域。在5個區(qū)域內(nèi),不透水指數(shù)都比較高,一般都在0.5以上。此外,在一些郊區(qū)中也存在較高的不透水層指數(shù),這些地區(qū)由于城鄉(xiāng)結(jié)合區(qū)域的土地的開發(fā),大量工程、建筑群替代了原有的農(nóng)田荒地,造成了不透水層指數(shù)的增加。
對于不同類別計算其對應(yīng)的地表平均溫度,地表溫度因不透水層指數(shù)的變化而有較大差異(表3),且地表溫度隨著不透水層指數(shù)的增高而增高。2014年遙感反演的臨沂地區(qū)高密度城市用地的地表溫度比郊區(qū)要高16.3℃,考慮到成像時間為夏季早上,這一結(jié)果較有參考性。而低密度區(qū)到中密度區(qū)的地表溫度平均值的增量較大,這是因為隨著城鎮(zhèn)建筑用地區(qū)地表密度的加大,使得平均地表溫度的變幅增大。伴隨著臨沂經(jīng)濟的迅速發(fā)展,加快了城市化進程的擴張,導(dǎo)致了不透水層指數(shù)面積明顯增多,這也使得原本一些郊區(qū)的溫度也急劇增加,如臨沂的北城新區(qū)、蘭山區(qū)、羅莊區(qū)、河?xùn)|區(qū)及周邊的大片區(qū)域,基本為新開發(fā)的經(jīng)濟區(qū),下墊面幾乎都成為不透水層指數(shù)。這些不透水層指數(shù)的增加和植被覆蓋的減少,對城市的地表氣溫產(chǎn)生了很大的影響。
表3 2005和2014年臨沂市地表溫度與不透水層指數(shù)關(guān)系 ℃
采用2005—2014年站點資料,統(tǒng)計分析臨沂城市熱島強度季節(jié)變化特征。以臨沂站代表城區(qū)溫度,其余9個縣區(qū)地面氣象站代表郊區(qū)溫度,城市熱島強度(Urban Heat island Intensity,UHI)為城區(qū)與郊區(qū)代表溫度的差值,為了排除站點溫度波段的差異,溫度均取02時整點溫度,對每個季度進行算術(shù)平均,按照四季和年平均氣溫來表示不同時間尺度的熱島強度。
結(jié)果表明,熱島強度隨時間總體呈現(xiàn)波動增加趨勢,2008年以前有輕微減弱趨勢,2008年以后呈增加趨勢。2005—2014年的平均熱島強度為0.61℃,2014年的熱島強度最強,達0.79℃,2007年最低,為0.48℃,此后在2009年又上升到0.64℃,2010年后臨沂熱島強度持續(xù)增高。四季的熱島強度變化,冬季最強,春、秋季次之,夏季較弱。
城市熱島與城市經(jīng)濟規(guī)模、人類活動和能源消耗等方面密切相關(guān)。工業(yè)化、房地產(chǎn)開發(fā)、人口增長對城市熱島強度具有較大的影響,土地利用和城市發(fā)展模式的差異導(dǎo)致了城市熱島效應(yīng)的空間差異[21-22]。臨沂城市擴展的主要表現(xiàn)方式是居住空間的增長,并伴隨著相關(guān)建筑用地的不斷增加,人口集聚和能源消耗。比熱容較小的沙地、人口密度大的城區(qū)和植被覆蓋較低的裸地是溫度值較高的土地類型[23-24]。因此,從地區(qū)生產(chǎn)總值、用電消耗、人口密度和房屋竣工增量面積這幾個城市化因子與城市熱島強度的相關(guān)性進行分析討論。
以2005—2014年人均生產(chǎn)總值作為經(jīng)濟規(guī)模的代表參數(shù),人均生產(chǎn)總值代表臨沂經(jīng)濟密度,并考慮用電消耗和房屋竣工增量面積的影響,將這4個城市化因子與熱島強度進行多項式擬合。結(jié)果表明,城市熱島強度與這4個城市化因子的增量均呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.86、0.67、0.52和0.81。前期增速緩慢,后期增速較快(圖4)。其中建筑物面積增加與熱島強度增強密切相關(guān),這與不透水層率面積的增加對城市熱島效應(yīng)的影響是相對應(yīng)的。2010年以前城市建設(shè)緩慢,2010年以后臨沂市新區(qū)快速建設(shè),而縣區(qū)的城市擴張速度相對減緩,導(dǎo)致2010年以后熱島強度的一個快速上升。
圖4 2005—2014年臨沂市年平均及四季熱島強度變化
利用衛(wèi)星資料和地面氣象站點資料,結(jié)合地區(qū)經(jīng)濟數(shù)據(jù)。研究臨沂市在2005—2014年城市下墊面熱環(huán)境和不透水層的變化,分析城市化進程對城市熱島效應(yīng)的影響,得到以下結(jié)論:
(1)從衛(wèi)星監(jiān)測地表溫度的結(jié)果可知,2005年總體呈現(xiàn)為中等強度熱島,2014年呈現(xiàn)為強熱島。這兩年的結(jié)果均存在城區(qū)總體溫度高于郊區(qū),熱量向中心聚集的現(xiàn)象,但2014年城區(qū)熱島的范圍更大,強度更強。從不透水層分布圖來看,城鎮(zhèn)建筑和硬化的路面有所增加,這與衛(wèi)星遙感監(jiān)測的地表溫度變化是一致的。
(2)2005—2014年臨沂市年平均城市熱島強度變化呈波動增長,四季熱島效應(yīng)的變化,冬季最強,春、秋季次之,夏季較弱。
(3)臨沂市城市熱島強度的相關(guān)因子包含經(jīng)濟發(fā)展因素和人口增長因素,城市發(fā)展、人口增加所帶來的土地利用增加,土地覆蓋類型的變化和人類活動導(dǎo)致的能源消耗熱量增加是臨沂城市熱島強度增強的重要原因。