福建省基礎(chǔ)地理信息中心 林悅瑜

1 引言

近年來，城市熱島效應(yīng)越來越受到人們的關(guān)注，國(guó)內(nèi)外的許多專家和學(xué)者也都對(duì)城市熱島效應(yīng)進(jìn)行了大量的研究，從城市熱島的產(chǎn)生原因、危害和防止等方面入手，取得了很大的進(jìn)展。隨著遙感技術(shù)等現(xiàn)代科技的廣泛應(yīng)用，在新技術(shù)的支持下，城市熱島效應(yīng)的研究也進(jìn)入了一個(gè)新階段。

2 城市熱島效應(yīng)概述

2.1 城市熱島效應(yīng)的概念

城市熱島通常是指在氣溫上，城區(qū)氣溫高、郊區(qū)氣溫低的現(xiàn)象，在溫度空間分布上，城市猶如一個(gè)溫暖的島嶼。城市熱島是一種城市公害，尤其是在中低緯度地區(qū)的夏季，它使原來就比較高的氣溫更高了。城市熱島效應(yīng)加劇了城市高溫出現(xiàn)的頻率和高溫災(zāi)害，并因此帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

2.2 城市熱島效應(yīng)產(chǎn)生的原因及其危害

2.2.1 城市熱島效應(yīng)產(chǎn)生的原因

產(chǎn)生城市熱島效應(yīng)的主要因素有：（1）市區(qū)人口密度、建筑物密度高。(2)人為排熱和大氣污染嚴(yán)重。(3)城區(qū)內(nèi)綠地面積少，而裸露地表和反射率較高的人工建筑物和地表較多。(4)有集中的人工熱源。

2.2.2 城市熱島效應(yīng)的危害

城市熱島效應(yīng)的危害主要包括：（1）市區(qū)高溫對(duì)人的影響。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，人口死亡率與溫度密切相關(guān)，氣溫高于34攝氏度，死亡率明顯增加。（2）促使光化學(xué)煙霧的形成。高溫季節(jié)，汽車尾氣和工廠排放廢氣中的氮氧化物和碳?xì)浠?，?jīng)光化學(xué)反應(yīng)形成一種藍(lán)色的煙霧，在熱島的影響下，形成二次污染物。熱島的強(qiáng)度越大，這種光化學(xué)煙霧就越大，危害就越強(qiáng)。（3）熱島效應(yīng)加重了城區(qū)的污染，增加對(duì)能源的需求。由于熱島的存在，增強(qiáng)了逆流效應(yīng)，使原本擴(kuò)散到郊區(qū)的污染氣體又重新地被吹回市區(qū)，增強(qiáng)了市區(qū)空氣的污染。

3 遙感技術(shù)與城市熱島效應(yīng)

3.1 城市熱島效應(yīng)的監(jiān)測(cè)方法

目前，對(duì)城市熱島效應(yīng)的監(jiān)測(cè)方法主要有以下幾種：

3.1.1 氣象站法。傳統(tǒng)的熱島效應(yīng)運(yùn)用氣象站歷史數(shù)據(jù)，選取若干個(gè)溫度指標(biāo)，分析一個(gè)城市或區(qū)域在不同發(fā)展階段熱島特征變化情況。氣象站數(shù)據(jù)可以描述城市熱島的歷史演變過程。

3.1.2 定點(diǎn)觀測(cè)法。根據(jù)城市熱島空間分布狀況，定點(diǎn)觀測(cè)可以從水平和垂直方向 2 個(gè)方面考慮。其中，城市熱島水平分布特征一般是選用城郊若干個(gè)典型的位置，進(jìn)行數(shù)項(xiàng)溫度氣候指標(biāo)的測(cè)定比較；或者是利用橫穿城市剖線進(jìn)行觀測(cè)研究。

3.1.3 運(yùn)動(dòng)樣帶法。運(yùn)動(dòng)樣帶法通常是在車輛上安裝氣溫測(cè)定傳感器，并連接著一個(gè)便攜式的數(shù)據(jù)采集器。一般數(shù)據(jù)每16s采集一次，車速保持在 20～30km/h，傳感器安裝在距車頂0.6m，距地面1.45m 高處，以避免發(fā)動(dòng)機(jī)和尾氣熱量的影響。

3.1.4 遙感測(cè)定法。根據(jù)地物在不同波段輻射值的差異，利用熱紅外傳感器對(duì)城市地表溫度進(jìn)行大面積觀測(cè)，通過計(jì)算得到地物熱量空間分布。

3.1.5 模擬預(yù)測(cè)。城市熱島效應(yīng)常用研究模型有統(tǒng)計(jì)模型、能量平衡模型、數(shù)值模型、解析模型和物理模型等。

3.2 城市熱島效應(yīng)的遙感調(diào)查

最早利用遙感手段進(jìn)行的熱島效應(yīng)研究可以追溯到1972年，Rao首次將遙感技術(shù)應(yīng)用于城市熱島效應(yīng)的研究[1]。從那以后，遙感技術(shù)就被廣泛用于城市熱島的研究中。其數(shù)據(jù)源主要包括航天、航空和地面的數(shù)據(jù)。目前，城市熱島效應(yīng)的遙感監(jiān)測(cè)方法主要有：基于溫度的熱島監(jiān)測(cè)方法、基于植被指數(shù)的熱島監(jiān)測(cè)方法、基于“熱力景觀”的熱島監(jiān)測(cè)方法等。

3.2.1 基于溫度的熱島監(jiān)測(cè)方法

由于熱紅外遙感記錄的是地表物體的發(fā)射輻射、環(huán)境及大氣的輻射之和，可方便地?fù)Q成衛(wèi)星亮溫。衛(wèi)星亮溫、地溫和氣溫三者之間關(guān)系密切，因而基于溫度的城市熱島監(jiān)測(cè)方法便成為進(jìn)行城市熱島研究最常用、最直觀的方法[2]。根據(jù)處理溫度手段的不同溫度監(jiān)測(cè)方法又可以分為兩小類：基于亮度溫度的監(jiān)測(cè)方法和基于地表溫度的監(jiān)測(cè)方法。基于亮溫進(jìn)行城市熱島研究一般都假設(shè)由于城市區(qū)域范圍有限，可以認(rèn)為研究區(qū)水汽狀況近似一致，因而大氣對(duì)輻射亮溫的影響可以忽略。但是，由于地表熱輻射在其傳導(dǎo)過程中受到大氣和輻射面的多重影響，衛(wèi)星遙感所觀測(cè)到的熱輻射強(qiáng)度已不再是單純的地表熱輻射強(qiáng)度，亮溫同地表真實(shí)溫度往往相差很大，有時(shí)達(dá)到5～6K，因而使用亮溫直接進(jìn)行城市熱島研究有著很大的局限性[3]。

3.2.2 基于植被指數(shù)的熱島監(jiān)測(cè)方法

目前，植被指數(shù)作為反映地表植被信息的最重要信息源，已被廣泛用來定性和定量評(píng)價(jià)植被覆蓋及其活力。1993年，GALLO等首次運(yùn)用由 AVHRR數(shù)據(jù)獲得的植被指數(shù)估測(cè)了城市熱島效應(yīng)在引起城鄉(xiāng)氣溫差異方面的作用。結(jié)果表明，同地表輻射溫度一樣，植被指數(shù)和城鄉(xiāng)氣溫之間也存在明顯的線性關(guān)系，而且在解釋平均最低氣溫的空間變化方面更為有利。進(jìn)一步研究表明，在地表特征基本未變的情況下，城鄉(xiāng)之間的NDVI差異同城鄉(xiāng)之間最低氣溫差異的關(guān)系比之同期的城鄉(xiāng)地表溫度與城鄉(xiāng)最低氣溫差異的關(guān)系要緊密且更穩(wěn)定。城鄉(xiāng)間NDVI的差別可能成為導(dǎo)致城鄉(xiāng)兩種不同環(huán)境下最低氣溫差異的地表物質(zhì)屬性標(biāo)志[4]。

3.2.3 基于“熱力景觀”的熱島監(jiān)測(cè)方法

基于“熱力景觀”的監(jiān)測(cè)方法系，胡華浪、陳云浩等借鑒景觀生態(tài)學(xué)的研究方法引入了“熱力景觀”概念，在遙感技術(shù)的支持下用景觀的觀點(diǎn)來研究GIS ，城市熱環(huán)境建立了一套熱環(huán)境空間格局與過程研究方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[5]。該方法的評(píng)價(jià)指標(biāo)由分維數(shù)、形狀指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度、破碎度、分離度及多樣性等組成，使用該方法對(duì)上海市熱環(huán)境的空間格局和動(dòng)態(tài)演變特征進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，熱力景觀隨城市發(fā)展而日趨破碎、細(xì)化，人類活動(dòng)對(duì)熱力綴塊有著巨大的影響。

4 城市熱島效應(yīng)研究實(shí)例

福州市位于我國(guó)東南沿海，福建省東部，閩江下游。地貌屬典型的河口盆地，城區(qū)位于盆區(qū)中央。盆地四周被群山峻嶺所環(huán)抱，其海拔多在600～1000米之間。東有鼓山，西有旗山，南有五虎山，北有蓮花峰。境內(nèi)地勢(shì)自西向東傾斜。由于地形的閉塞，不利于氣流流動(dòng)，造成熱島的加劇，夏季中午氣溫高達(dá)36℃以上。近幾年，福州成為全國(guó)新三大火爐之一，除了氣候變化的原因外，城市熱島效應(yīng)也是高溫的重要原因之一。福建師范大學(xué)的林志壘應(yīng)用1998年和1992年福州市衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，對(duì)福州市熱島效應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究，結(jié)果表明：隨著城市建設(shè)的發(fā)展，原熱島范圍內(nèi)高溫區(qū)增加，熱島范圍明顯擴(kuò)大，尤其是市區(qū)東部發(fā)展最快，同時(shí)熱島外圍小熱島也不斷涌現(xiàn)[6]。究其原因主要有如下幾點(diǎn)：（1）城市“水泥化”，不透水面增多。（2）城市建筑物密度大。高樓林立，建筑物密集，使得地表風(fēng)速通風(fēng)不良，不利于熱量向外擴(kuò)散。（3）大量人為熱釋放。工業(yè)、交通、人民生活中使用能源釋放大量熱能。

季崇萍等利用1971年～2000年北京20個(gè)氣象觀測(cè)站逐日4個(gè)時(shí)次的溫度資料，選取具有代表性的城區(qū)和郊區(qū)多個(gè)站點(diǎn)的平均值，對(duì)北京城市化進(jìn)程對(duì)城市熱島效應(yīng)的影響、城市熱島強(qiáng)度的日變化和長(zhǎng)期變化進(jìn)行了研究。李俊杰等利用兩個(gè)時(shí)相的MODIS 31 波段數(shù)據(jù)，生成南京城市亮溫場(chǎng)，分析了南京熱場(chǎng)的分布、大小，利用亮溫場(chǎng)均值、方差和相對(duì)溫度評(píng)價(jià)城市熱島強(qiáng)度，并對(duì)兩個(gè)時(shí)相城市熱場(chǎng)的范圍及強(qiáng)度變化進(jìn)行了分析。張穗等利用武漢市地區(qū)的LANDSAT7、TM圖像對(duì)于熱紅外波段遙感圖像灰度值和地面溫度之間的關(guān)系進(jìn)行了定量的解譯，并且采用IHS圖像復(fù)合增強(qiáng)的方法得到了武漢市地面熱場(chǎng)分布圖，取得了很好的模擬效果[7]。

5 結(jié)語

本文結(jié)合城市熱島效應(yīng)研究實(shí)例，對(duì)城市熱島效應(yīng)的概念、產(chǎn)生原因及危害等進(jìn)行了概括性的介紹，著重論述了“3S”技術(shù)在城市熱島效應(yīng)研究過程中的作用,以福州、北京、武漢等地為例介紹了城市熱島效應(yīng)的研究進(jìn)展。溫度及土地利用類型是影響城市熱島效應(yīng)最關(guān)鍵的兩類指標(biāo)，因此，遙感技術(shù)及城鎮(zhèn)化進(jìn)程在熱島效應(yīng)研究過程中起到了重要的作用。對(duì)于城市熱島現(xiàn)象的研究，目前的監(jiān)測(cè)方法尚無法解決或降低熱島效應(yīng)的危害，要改善城市熱島效應(yīng)的影響，就必須綜合考慮各方因素，有的放矢，才能從根本上解決問題。

[1]Rao P k. Remote sensing of urban heat islands from an environmen2tal satellite[J].Bulletin of the American Meteorological Society,1972,53：647-648.

[2]趙英時(shí).遙感應(yīng)用分析原理與方法[M].北京：科學(xué)出版社,2003.

[3]Weng Qihao.Fractal analysis of Satellite - detected Urban Heat Is land Effect[J]. Photogram metric Engineering & Remote Sensing, 2003, 69(5)：555-566.

[4]周淑貞,束炯.城市氣候?qū)W[M].北京：氣象出版社, 1994.

[5]胡華浪,陳云浩,宮阿都等.城市熱島的遙感研究進(jìn)展[J].國(guó)土資源遙感,2005,65(3)：5-9.

[6]林志壘.福州市熱島效應(yīng)動(dòng)態(tài)分析研究[J].四川測(cè)繪,2001,24(3)：140-143.

[7]張穗,何報(bào)寅,杜耘.武漢市城區(qū)熱島效應(yīng)的遙感研究[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境,2003,12(5)：445-449.