合肥市热岛效应时空演变分析.docx

合肥市热岛效应时空演变分析 罗小瑞+沈非+王正+王甜甜+聂兵摘 要：研究城市热岛效应的时空演变特征是缓解热岛效应的基础，已成为当前科学研究的热点问题合肥市是安徽省省会城市，自改革开放以来，城市热岛效应日趋显著定量分析合肥市热岛效应的时空演变特征，可以为合理规划城市建设，进一步缓解和控制城市热岛提供科学依据该文基于landset遥感数据，运用覃志豪单窗算法，反演合肥市地表温度，利用均值-标准差方法进行地表温度区划分热岛区，定性地描述热岛区的扩展方向和程度结果表明：合肥市存在城市热岛效应，1995—2010年间城市热岛效应不断增强，城市热岛主要集中在老城区以及各辖区中心人口、工业集聚的地区关键词：合肥市；热岛效应；时空演变TP79 A 1007-7731（2016）23-0091-05Analysis on the Evolvement of Urban Heat Island of HefeiLuo Xiaorui1 et al.（1College of Territorial Resources and Tourism，Anhui Normal University，Wuhu 241003，China）Abstract：Evolvement of urban heat island is the basis of relieving heat island effect and is the hotspot issues of ptrsent scientific research.As the capital in Anhui Province，Hefei development rapidly since the reform and opening policy in late 1970s.Quantitatively analysis of the trend of Hefei heat island effect can provide scientific basis for rational planning of urban construction，mitigation and control of urban heat island. The study is based on the remote sense data，retrieve land surface temperature of research area through Qin Zhihaos mono-window algorithm.Then，using the mean-standard deviation method to divide the urban heat island，qualitatively describe the direction and degree of heat island region.Research has concluded that urban heat island effect surely exist in Hefei City，mainly concentrated in the center of the old city and the jurisdiction of population，industrial agglomeration area.The heat island effect of Hefei had grown stronger from 1995 to 2010.Key words：Hefei City；Thermal environment；Evolvement城市是人類从事生产、生活活动的空间载体[1]，伴随着社会经济的快速发展，城市化进程的大幅加快，城市建筑面积不断扩张，地表下垫面类型也发生了巨大的变化，城市热岛效应越来越越显著，对人类的生产、生活产生了重大影响。

城市热岛效应是指城市化进程引起的地表和大气特性改变导致城市区域气候要比周围非城市化区域温暖的现象[2]自1958年学者Manley首次提出城市热岛[3]的概念以来，各国学者在不同区域相继也发现了城市热岛现象国外学者Rao[4]、Price[5]、Mastson[6]、Balling[7]、Hawkins[8]等运用遥感数据对美国部分地区地表温度进行了反演分析国内学者吴学伟[9]、张兆明[10]、李鹍[11]和戴晓燕[12]等基于TM和ETM+热红外遥感数据分别反演了哈尔滨、北京、武汉、上海等城市地表温度，分析研究了其热岛响应机制徐涵秋[13]、孔达[14]、欧立业[15]、赵小艳[16]和盛辉[3]对不同年代时相的热红外遥感数据进行地面温度反演、等级划分等处理，分别分析了哈尔滨、南昌、南京和东营城市热岛的时空变化规律和空间分布规律随着信息技术的发展，国内外学者基于遥感数据运用遥感法研究城市地表热环境已成为主流趋势1 研究区概况合肥市位于安徽省中部，长江淮河之间、巢湖之滨，是安徽省省会，全省政治、经济、文化、信息、金融和商贸中心，也是全国重要的科研教育基地，现下辖瑶海、包河、蜀山、庐阳4区，城区面积838.52km2。

地处中纬度地带（北纬32、东经117），属于暖温带向亚热带的过渡带气候类型，为亚热带湿润季风气候全市年平均气温15.7℃，降雨量约1 000mm，日照约2 100h作为紧邻长三角的中部地区新生大城市，合肥市对中部地区的崛起正发挥着越来越重要的作用2 数据来源与处理2.1 数据来源与预处理 以合肥市瑶海、包河、蜀山和庐阳4区（合肥市主城区）为研究对象遥感数据选取分辨率较高，容易获取的美国陆地资源卫星Landset5 TM三幅和Landset7 ETM影像1幅，获取的影像成像时间分别为1995年9月18日01：45：07，2002年7月11日02：31：43和2005年8月12日02：31：20，2010年1月14日02：34：25，轨道号为121/384幅影像质量均好，清晰无云对遥感影像进行几何精校正、影像剪裁和大气校正然后对处理后的热红外波段（TM6）进行亮温提取，获取影响当日大气温度以及空气湿度数据大气数据收集了合肥市气象局在上述四幅影像日期的气温和空气湿度值，分别用以大气平均作用温度和大气透射率的求算基础地理数据选取了1∶5万合肥市地形图和1∶5万合肥市行政区划图，通过配准、校正，然后对行政区划图进行矢量数字化，提取边界。

2.2 技术路线 基于覃志豪单窗算法，结合地表比辐射率、大气透射率、大气平均作用温度3个参数，反演合肥市地表温度在研究区影像监督分类的基础上，利用NDVI计算比辐射率大气透射率根据水分含量选择相应的估算方程求出大气平均作用温度根据覃志豪单窗算法公式求出最后采用均值-标准差法对城市热岛进行界定，经过统计分析揭示合肥市城市热岛时空演变规律2.3 反演模型的选择 利用卫星遥感数据反演地表温度已是当今各国学者求算地温的主流方法，覃志豪根据地表热辐射传输方程，在一系列假设的基础上，建立了反演地表温度单窗算法模型[17，18]，由以下3个公式组成：[Ts=[a6（1-C6-D6）+（b6（1-C6-D6）+C6+D6）T6-DTa]/C] （1）[C=ετ] （2）[D6=（1-τ6）+[1+（1-ε6）τ6]] （3）式中，Ts是所求地区地表温度（K）；a6和b6是系数，温度范围不同，其取值也不同在本文试验中，合肥温度在0～70℃，a6 取值-67.355 351，b6 取值0.458 606；τ6为大气透射率；ε6是地表比辐射率；Ta是大气平均作用温度（K）；T6则是亮温温度（K）2.4 反演参数提取2.4.1 亮温提取 亮温是卫星传感器所在高度可以探测到的热辐射强度的温度。

计算出亮温是反演出地表温度的前提条件由于灰度值（DN值）表示热红外波段，并且其与地表热辐射强度呈正相关关系，因此热辐射强度可用下式表示：[Lb=Lmin+（（Lmax-Lmin）/255）DN]（4） 式中，Lb（TM6）为6波段的入射的辐射亮度，Lmax和Lmin分别为传感器可探测到的最大辐射和最小辐射度，即对应于DN=255和DN=0时的最大和最小辐射强度，可在影像的头文件中查到，DN为6波段的图像灰度值根据DN值跟辐射亮度值关系，先计算出辐射亮度，再求算出亮温，具体公式如下[3]：[Lsensor=GainDN+Bias] （5）[Tsensor=K2ln（K1/Lsensor+1）] （6）式中：Lsensor是陸地资源卫星传感器所接收的热辐射强度；Gain和Bias是卫星预设参数，分别是影像的增益值和偏移值，可从卫星影像的头文件中直接读取；Tsensor是辐射亮温（K）；K1和K2是卫星预设常数，对于陆地资源卫星Landset 5而言，波段6的K1和K2分别是60.776 W/m2sterμm和1 260.56 K；而对于landset ETM，K1=66.609W/m2sterμm，K2=1 282.7K。

代入公式求得研究区亮温（图1），温度单位采用绝对温度（K）2.4.2 大气平均作用温度 大气状态与大气剖面气温决定了大气平均作用温度覃志豪[19]等通过对标准大气廓线的模拟研究发现，大气平均作用温度（Ta）与近地面2m左右的大气温度（T0）存在相关关系，二者在不同纬度地区，不同季节，其线性关系存在差异所研究的合肥市地区正处于中纬度地区，由于采用的4幅遥感影像时间均为北半球，故选用中纬度夏季和冬季大气公式计算大气平均作用温度此外，对合肥市气象局监测的近地面大气温度进行处理，得出最接近影像成像时的温度作为T0估算出大气平均作用温度2.4.3 大气透射率 作为单窗算法的关键参数之一——大气透射率，其与大气水分含量关系尤为密切由合肥市气象局观测数据可以得出合肥市大气相对湿度，经计算，合肥市大气水分含量均在0.4～1.6g/cm2，由于研究区选取的影像时间在夏半年和冬半年，因此分别采用低气温和高气温大气剖面且水分含量在0.4～1.6g/cm2的大气透射率估计方程（表4），公式如下[20]：[τ=0.974290-0.08007ω]/[τ=0.982007-0.09611ω] （7）[ω=0.189p+0.342] （8）[p=0.6108exp[17.27（T0-273）237.3+T0-273]RH] （9）上式中，[τ]为大气透射率；[ω]为大气水分含量（g/cm2）；[p]为绝对水汽压；RH为相对湿度；[τ]、[ω]、RH的具体取值见表3。

2.4.4 地表比辐射率 比辐射率是反演地表温度的关键，由于研究区包括自然地表与人工性质的地表，需要将二者分开考虑，因此选取覃志豪改进的典型地物及混合模型估算法，考虑到水体结构类型比较简单，直接赋予其比辐射率为0.995地表结构相对来说比较复杂的人工性质和自然地表，可以分别视为建筑物与植被叶冠的组合、裸土与植被叶冠的组合，二者比辐射率计算公式为：[εsurface=PvRvεv+（1-Pv）Rsεs+dε] （10）[εbuilt—up=PvRvεv+（1-Pv）Rmεm+dε] （11）式中：Pv是植被覆盖度；Rv、Rm、和Rs分别为植被叶冠、建筑物和裸土的温度比率，Rv =0.9332+0.0585Pv，Rs=0.9902+0.1068 Pv，Rm =0.9886+0.1287 Pv；εv、εs和εm植被叶冠、裸土和建筑物的地表比辐射率，εv =0.986，εs=0.972，εm=0.970当地表较为平坦时，dε可忽略不计，合肥坐落于平原地带，地表比较平坦，因而公式10、11可化简为：[εbuilt—up=0.9589+0.086P。