莫玉琴，沈瑤，史俊國，吳鵬海，張振威，沈煥鋒

(1.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，武漢 430079；2.安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，合肥 230601)

近15年天津市城市熱島時(shí)空演變分析

莫玉琴1，沈瑤1，史俊國1，吳鵬海2，張振威1，沈煥鋒1

(1.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，武漢 430079；2.安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，合肥 230601)

鑒于研究城市熱島效應(yīng)對(duì)監(jiān)測(cè)氣候變化、城市擴(kuò)張等的重要指導(dǎo)作用，該文借助天津市夏季Landsat-5/7/8衛(wèi)星熱紅外遙感數(shù)據(jù)，使用影像拼接技術(shù)獲取幾乎覆蓋整個(gè)天津市的影像，并運(yùn)用基于發(fā)射率校正的陸面溫度反演模型得到1999年、2001年、2006年、2009年和2013年的近似地表溫度分布圖，以進(jìn)行天津市近15年城市熱島演變分析研究；采用溫度穩(wěn)定比例的相對(duì)分級(jí)策略與首次提出的相對(duì)離散度指標(biāo)，對(duì)天津市城市熱島進(jìn)行整體分析，并對(duì)特殊局部和重點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行了細(xì)致分析，同時(shí)分析了中心城區(qū)-濱海新區(qū)沿線的溫度變化情況。研究表明：天津市城區(qū)熱島分布呈現(xiàn)“由分化總，由總化分”的趨勢(shì)，濱海新區(qū)熱島現(xiàn)象先增強(qiáng)后減弱，天津市北部近年來熱島現(xiàn)象加強(qiáng)，中心城區(qū)、濱海新區(qū)“雙熱島”向中心城區(qū)-濱海新區(qū)沿海河線“熱島群”轉(zhuǎn)變。

熱島效應(yīng)；相對(duì)離散度；時(shí)空演變；天津市；Landsat

0 引 言

城市化進(jìn)程不斷加快，隨之產(chǎn)生的城市熱島效應(yīng)(Urban Heat Island，UHI)[1]越來越不容忽視。城市熱島是城市氣候的典型特征，是一種由于城市建筑和人們?nèi)粘；顒?dòng)導(dǎo)致城區(qū)相對(duì)郊區(qū)溫度更高的現(xiàn)象。該現(xiàn)象已經(jīng)嚴(yán)重影響人們的生活和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[2-3]。研究城市熱島對(duì)于監(jiān)測(cè)氣候變化[4]、土地利用情況[5]與城市擴(kuò)張[6]等具有戰(zhàn)略性指導(dǎo)意義。

對(duì)城市熱島的研究一直是學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。在早期，學(xué)者多以氣溫作為載體研究城市熱島[7]，但氣溫?cái)?shù)據(jù)一般從氣象臺(tái)站觀測(cè)，不能反應(yīng)整個(gè)城市的空間分布情況；而通過遙感手段反演的地表溫度數(shù)據(jù)具有一定的時(shí)空連續(xù)性、周期性，在城市熱島研究中具有巨大的潛力。Rao等人首次使用ITOS-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)制作了美國大西洋中部沿海城市的城市熱場(chǎng)分布圖，對(duì)城市熱島效應(yīng)進(jìn)行了初步研究[8]。Gallo等利用AVHRR數(shù)據(jù)開創(chuàng)了對(duì)熱島效應(yīng)影響因子(植被指數(shù))的研究[9]。Streutker等獲取了休斯敦地區(qū)1985年～1987年間和1999年～2001年間的數(shù)百景夜間NOAA 影像，并制作了地表溫度圖，系統(tǒng)地分析了這兩個(gè)時(shí)期的城市熱島特征[10]，是國際上較早的對(duì)熱島效應(yīng)不同時(shí)間序列的研究。Liu等分析了印第安納的景觀模式與地表溫度的關(guān)系隨季節(jié)的變化情況[11]。Ma等結(jié)合城市化過程分析了城市熱環(huán)境與生態(tài)環(huán)境之間的相互作用[12]。Xu等以瀘州為例對(duì)城市熱島的評(píng)估和監(jiān)控方法等進(jìn)行了探討，而如何利用多時(shí)相的遙感數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)和評(píng)估城市熱島效應(yīng)已成為研究的熱點(diǎn)[13]。

作為中國北方重要的集經(jīng)濟(jì)、文化、國際交往于一體的重要城市之一的天津市，對(duì)其城市熱島效應(yīng)的研究自然引起眾多學(xué)者的興趣。早在1988年，邊海等[14]利用數(shù)值模擬的方法結(jié)合少量氣象站點(diǎn)對(duì)天津市夜間的城市熱島進(jìn)行了研究；孫奕敏等[15]1998年利用地面氣溫資料分析了天津市的熱島強(qiáng)度、高度、臨界風(fēng)速和熱島模式；黃利萍等[16]運(yùn)用14個(gè)氣象站資料分析了2008年天津市城市熱島效應(yīng)的時(shí)空特征。近年來學(xué)者們廣泛利用Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，如韓素芹等[17]、程晨等[18]運(yùn)用Landsat TM/ETM+亮溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)天津市部分地區(qū)進(jìn)行了城市熱島的分析；司敏等利用Landsat數(shù)據(jù)，對(duì)天津市濱海新區(qū)溫度分布以及對(duì)城市熱島分布變化進(jìn)行分析[19]；趙全勇等利用 Landsat TM/ETM+亮溫?cái)?shù)據(jù)及景觀格局指數(shù)分析城市熱島在天津城市化進(jìn)程中的演變特征[20]。然而，現(xiàn)有研究多集中于天津市中心城區(qū)或其他部分城區(qū)，對(duì)天津市進(jìn)行整體研究的工作還不多見；另一方面，現(xiàn)有研究所用的數(shù)據(jù)都在2010年之前[21]，而近幾年天津市城市發(fā)展迅速，利用現(xiàn)勢(shì)性的數(shù)據(jù)進(jìn)行熱島演變分析顯得尤為必要。

本文收集1999年、2001年、2006年、2009年、2013年天津市夏季[22]的Landsat衛(wèi)星遙感影像，結(jié)合Landsat-5、Landsat-7和Landsat-8的TM/ETM+/TIRS 3種傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行近15年長時(shí)序的城市熱島研究，將相對(duì)離散度的概念引入熱島研究中，并圖示中心城區(qū)-濱海新區(qū)沿線的變化，以分析天津市城市熱島時(shí)空演變情況及局部地區(qū)發(fā)展對(duì)整個(gè)天津市熱島分布的影響。

1 研究區(qū)域與研究數(shù)據(jù)

天津市城區(qū)位于中國華北平原的東部(38°34′N至40°15′N，東經(jīng)116°43′E至118°04′E)，太平洋西岸環(huán)渤海灣邊，屬暖溫帶半濕潤大陸季風(fēng)氣候區(qū)。

Landsat數(shù)據(jù)因其較高的空間分辨率和較好的時(shí)間連續(xù)性，被認(rèn)為是現(xiàn)階段進(jìn)行城市熱島研究的最佳遙感數(shù)據(jù)[23]。根據(jù)天津市地理范圍，理論上需要下載4個(gè)條帶號(hào)(122/32、122/33、123/32、123/33)的Landsat數(shù)據(jù)；但條帶號(hào)為122/33和122/32的Landsat就能覆蓋除少數(shù)西部地區(qū)外的99.5%以上的天津市地區(qū)，故本文采用這兩個(gè)行列號(hào)的Landsat數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集的時(shí)間與對(duì)應(yīng)Landsat傳感器及熱紅外波段的空間分辨率，如表1所示。

表1 Landsat 遙感數(shù)據(jù)

2 近似地表溫度數(shù)據(jù)反演

很多城市熱島研究考慮亮度溫度，而亮度溫度是傳感器在衛(wèi)星高度所觀測(cè)到的熱輻射強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的溫度，受大氣和地表對(duì)熱輻射傳導(dǎo)的影響，其分布規(guī)律可能與實(shí)際存在較大誤差，故本文嘗試?yán)媒频乇頊囟葋磉M(jìn)行研究。較成熟的Landsat地表溫度反演方法包括單窗算法[24]、普適性單通道算法[25]、基于發(fā)射率校正的陸面溫度反演模型[26]等。由于城市熱島年際研究對(duì)地表絕對(duì)溫度的精度要求不高，主要關(guān)注不同區(qū)域之間的相對(duì)溫差，加之在溫度反演時(shí)所需的大氣水汽含量等參數(shù)獲取較為困難，因此，本文采用相對(duì)簡單的發(fā)射率校正模型來反演近似地表溫度。盡管該方法未進(jìn)行大氣校正，忽略了大氣輻射因素對(duì)地表溫度反演的影響[27]，卻仍被廣泛應(yīng)用于年際的城市熱島研究[28-29]。本文進(jìn)行的是天津市近15年的分析，涉及到Landsat-5、Landsat-7和Landsat-8數(shù)據(jù)，因此需要對(duì)LandsatTM/ETM+/TIRS這三種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行地表溫度反演。根據(jù)發(fā)射率校正的陸面溫度反演模型，地表溫度反演一般分為三步：輻射強(qiáng)度計(jì)算、亮度溫度計(jì)算、近似地表溫度計(jì)算。需要注意的是，Landsat TIRS有兩個(gè)熱紅外波段(波段10和波段11)，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的結(jié)論[30]，本文采用波段11進(jìn)行溫度反演。

2.1 DN值轉(zhuǎn)輻射強(qiáng)度

根據(jù)數(shù)據(jù)自帶的定標(biāo)系數(shù)將影像DN值轉(zhuǎn)化為相對(duì)應(yīng)的輻射強(qiáng)度，轉(zhuǎn)換公式為：

L(λ)=M(L)Q(cal)+A(L)

(1)

式中，L(λ)為傳感器所接收到的輻射強(qiáng)度(mW·cm-2·sr-1·μm-1)，Q(cal)為Landsat數(shù)據(jù)的像元灰度值，參數(shù)M(L)和A(L)可分別從Landsat數(shù)據(jù)頭文件中獲取。

2.2 輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)亮度溫度

由輻射強(qiáng)度求取相應(yīng)的亮度溫度可根據(jù)Planck函數(shù)計(jì)算，也可根據(jù)下式進(jìn)行近似計(jì)算：

Tsensor=K2/ln(1+K1/L(λ))

(2)

式中，Tsensor為像元的亮度溫度(K)，K1和K2為衛(wèi)星發(fā)射前的預(yù)設(shè)的常量。對(duì)于Landsat的3種不同傳感器，其K1、K2數(shù)值分別如下：

表2 Landsat不同傳感器的K1、K2參數(shù)值

2.3 亮度溫度轉(zhuǎn)近似地表溫度

Landsat的亮度溫度轉(zhuǎn)近似地表溫度的計(jì)算可分為兩步，首先通過植被覆蓋率運(yùn)用Van經(jīng)驗(yàn)公式求得自然地表的比輻射率，然后根據(jù)地表比輻射率和亮度溫度求出近似地表溫度。

①根據(jù)Van經(jīng)驗(yàn)公式[32]，利用植被指數(shù)求得地表比輻射率：

ε=1.0094+0.047ln(NDVI)

(3)

式中，ε為地表比輻射率，NDVI是植被指數(shù)，式(3)僅當(dāng)0.157

②根據(jù)地表比輻射率和亮度溫度求近似地表溫度，運(yùn)用下面的公式[36-37]：

(4)

式中，LST(LandSurfaceTemperature)為地表溫度，Tsensoer為亮度溫度，ε為地表比輻射率。λ為熱紅外波段的中心波長(11.45μm)，ρ=1.438×10-2mK。

3 分析方法及技術(shù)流程

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

前面已經(jīng)提到對(duì)條帶號(hào)為122/32和122/33的Landsat圖像進(jìn)行拼接，能得到覆蓋99.5%以上的天津市Landsat數(shù)據(jù)。但由于不同熱紅外傳感器分辨率不一致，無法準(zhǔn)確拼接，需要對(duì)不同分辨率的數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，故本文將數(shù)據(jù)的空間分辨率統(tǒng)一重采樣為60m。鑒于溫度反演、拼接、重采樣的順序可能會(huì)對(duì)最終反演的溫度有一定的影響，本文通過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)以拼接-重采樣-溫度反演的順序處理數(shù)據(jù)更為合理。

3.2 溫度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)有城市熱島的研究大多采用絕對(duì)分級(jí)方式[38]，鑒于城市熱島效應(yīng)是指城區(qū)氣溫明顯高于郊區(qū)氣溫，而每年夏季的最高地溫或氣溫并不相同，對(duì)于多年份的研究考慮絕對(duì)分級(jí)并不適宜，故本研究中采用相對(duì)分級(jí)的方式來進(jìn)行討論。實(shí)驗(yàn)中根據(jù)排序百分比來進(jìn)行密度分割，先將可能存在的由于反演誤差等原因造成的奇異點(diǎn)去除，然后將剩下的像素按溫度升序排列，并根據(jù)下列百分比(經(jīng)多次試驗(yàn)確定)將溫度數(shù)值分成五級(jí)(表3)。本研究將每幅圖中極高溫、高溫、中溫、低溫、極低溫的百分比設(shè)置相同，便可在區(qū)域這個(gè)相對(duì)概念上來考慮熱島效應(yīng)，因而更易從全局的角度來分析熱島。

3.3 相對(duì)離散度分析方法

在天津市的相對(duì)分級(jí)分界表中，我們主要關(guān)心的是紅色極高溫區(qū)域。由于紅色區(qū)域在圖上的百分比相同(2.5%)，只是分布不同，而不同的分布情況中蘊(yùn)含著城市熱島的時(shí)空演變趨勢(shì)，因而為了使演變趨勢(shì)更直觀，并且能從量化的角度來進(jìn)行分析，故本文提出了相對(duì)離散度的概念，并用其對(duì)城市熱島進(jìn)行研究分析。本文中紅色聚集區(qū)是指行方向上連續(xù)的紅色像素點(diǎn)超過20個(gè)的區(qū)域，其中心是指滿足20這個(gè)閾值時(shí)的區(qū)域的中點(diǎn)，則一行上可能有多個(gè)中心。此時(shí)，相對(duì)離散度的定義為圖面上每個(gè)紅色聚集區(qū)中心與其他紅色聚集區(qū)中心連線長度的平均值，即指極高溫聚集區(qū)中心之間距離的平均值，具體見公式(5)。

表3 基于百分比的溫度分界線

(5)

其中，Discrete為相對(duì)離散度，n為聚集區(qū)的個(gè)數(shù)，x，y分別為第i個(gè)聚集區(qū)中心像素的行、列號(hào)。

3.4 技術(shù)流程

本文結(jié)合間隔5個(gè)年份、包含天津市的Landsat數(shù)據(jù)，研究該市的城市熱島效應(yīng)，具體步驟如下：

①采用基于發(fā)射率校正的陸面溫度反演模型，對(duì)Landsat衛(wèi)星的3種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行近似地表溫度反演，并選取最優(yōu)的處理順序，即先進(jìn)行拼接，然后重采樣，最后進(jìn)行溫度反演。

②采用相對(duì)分級(jí)方式對(duì)近似地表溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行密度分割得到空間分布圖，在此基礎(chǔ)上首次提出相對(duì)離散度的概念并繪制了極高溫區(qū)域的相對(duì)離散圖。

③基于天津市近15年年鑒資料和地圖資料，結(jié)合空間分布圖、相對(duì)離散度圖分析天津市熱島時(shí)空演變的情況，并對(duì)特殊局部和重點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行了詳細(xì)的討論，進(jìn)而研究了中心城區(qū)-濱海新區(qū)沿線溫度變化。

本研究的具體流程圖如圖1所示。

圖1 天津市熱島分析流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 熱島分布與演變的整體分析

根據(jù)上文提到的相對(duì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，得到天津市熱島空間分布圖(圖2)。

在圖2的基礎(chǔ)上，根據(jù)本文所提出的相對(duì)離散度的概念，可得到熱島相對(duì)離散圖，如圖3所示。(其中白線是指紅色聚集區(qū)間的連線)，同時(shí)計(jì)算各年份的相對(duì)離散度值，見表4。

表4 各年份相對(duì)離散度

下面將結(jié)合圖3的相對(duì)離散圖和對(duì)應(yīng)年份的年鑒資料對(duì)天津市熱島分布的時(shí)空特征進(jìn)行總體分析。

圖2 天津市熱島空間分布圖

從1999年的天津市熱島相對(duì)離散圖(圖3(a))可以看出，熱島主要分布在天津市西側(cè)，且呈縱向分布，各熱島間相距較遠(yuǎn)，聚集程度較低，因而計(jì)算得到的相對(duì)離散度較大。從圖3(a)中可看出中心城區(qū)與濱海新區(qū)并沒有非常明顯的熱島現(xiàn)象，高溫區(qū)域主要集中在中心城區(qū)、靜海縣、大港區(qū)和北部部分地區(qū)，漢沽區(qū)和塘沽區(qū)多處在低溫區(qū)域，但河流入?？谔帨囟容^周邊地區(qū)略高。這是由于中心城區(qū)大部分地區(qū)為老城區(qū)，人口密度較大，尤其是中心偏西北地區(qū)，如紅橋區(qū)、河北區(qū)、和平區(qū)、河?xùn)|區(qū)、南開區(qū)等。

在2001年的天津市熱島相對(duì)離散圖上(圖3(b))，可看出熱島有明顯的從北部和南部向中心聚攏的趨勢(shì)，主要集中在中南部，且熱島趨于密集，因而相對(duì)離散度驟減。其中，中心城區(qū)和濱海新區(qū)附近連線較為密集，說明熱島向此兩處移動(dòng)。即濱海新區(qū)在1999年到2001年間發(fā)展較為迅速，且中心城區(qū)作為主要發(fā)展對(duì)象，其向周圍的輻射發(fā)展較為強(qiáng)烈，其中尤以北辰區(qū)熱島效應(yīng)最為顯著。

在2006年相對(duì)離散圖上(圖3(c))可看出，熱島幾乎全部分布于中部地區(qū)，熱島的高度集中使相對(duì)離散度急劇下降到376.04。圖上可明顯地看到武清區(qū)、中心城區(qū)、河海中游地區(qū)和濱海新區(qū)核心區(qū)這條極高溫聚集帶，即“京濱綜合發(fā)展軸”[39]。此時(shí)的極高溫區(qū)域多位于中心城區(qū)，其次是塘沽區(qū)的入?？谔?。查看該年年鑒[40]，中心城區(qū)與塘沽區(qū)的年平均溫度分別居第一、二位，這兩處作為重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象，形成高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)密集帶，因而高溫區(qū)域首先在此處聚集。

在2009年的相對(duì)離散圖上(圖3(d))可直觀地看出中心城區(qū)和濱海新區(qū)這兩個(gè)具有絕對(duì)熱島優(yōu)勢(shì)的熱島中心，且此兩處相向拓展，中心城區(qū)沿海河向下游區(qū)域主動(dòng)對(duì)接，濱海新區(qū)核心區(qū)沿海河向上游區(qū)域擴(kuò)展，多年來極高溫與高溫區(qū)域的變化體現(xiàn)了兩者間連通度的高度增強(qiáng)。但由于中心城區(qū)與濱海新區(qū)本身所處地理位置的距離問題，此時(shí)的相對(duì)離散度并不是5年中最小的。與2006年圖比較，中溫區(qū)域向中部和東部聚集，兩者間的連通度大大增加，中心城區(qū)和濱海新區(qū)的熱島效應(yīng)向四周輻射強(qiáng)烈，其中尤以向東顯著，形成“東部濱海發(fā)展帶”[39]，貫穿寧河、漢沽、濱海新區(qū)核心區(qū)、大港等區(qū)縣。

在2013年圖上(圖3(e))可看出，熱島分布又開始重新擴(kuò)散開來，有向西北部和北部發(fā)展趨勢(shì)，因而熱島相對(duì)離散度大大增加。中心城區(qū)與濱海新區(qū)的絕對(duì)熱島地位開始改變，濱海新區(qū)的極高溫區(qū)域急劇減少，而中心城區(qū)的熱島效應(yīng)也開始向北轉(zhuǎn)移，寶坻區(qū)和薊縣高溫區(qū)域增加，熱島效應(yīng)增強(qiáng)，形成貫穿薊縣、寶坻、中心城區(qū)、西青和靜海的“西部城鎮(zhèn)發(fā)展帶”[39]。寶坻區(qū)與武清區(qū)間的高溫區(qū)域通過津薊線鐵路延伸，而武清區(qū)與中心城區(qū)沿北運(yùn)河形成熱島帶，從而構(gòu)成了漢沽區(qū)-塘沽區(qū)-中心城區(qū)-武清區(qū)-寶坻區(qū)-薊縣這六點(diǎn)一線的格局。

從不同年份的5景天津市空間離散圖組中可明顯地看到天津市“由分化總，由總化分”的發(fā)展趨勢(shì)。在20世紀(jì)末和21世紀(jì)初，主要加大中心城區(qū)與濱海新區(qū)的發(fā)展力度，將“分”化“總”，從而熱島向此兩處聚集；而近年來，加大周邊地區(qū)與北部的發(fā)展，將“總”化“分”，熱島又重新分散開來。上述研究分析很好地證實(shí)了天津市的空間布局已從“單核增長”轉(zhuǎn)為沿海河道路“軸線鋪開”，“東部濱海發(fā)展帶”與“西部城鎮(zhèn)發(fā)展帶”通過“雙城相向拓展”形成了現(xiàn)今“一條扁擔(dān)挑兩頭”的格局[39]。

4.2 熱島分布的局部分析

上文中已經(jīng)分析了1999年～2013年天津市熱島分布的總體趨勢(shì)，然而圖2上有某些特殊的局部出現(xiàn)低溫或高溫，因而在此對(duì)這些特殊區(qū)域進(jìn)行分析。

在1999年的圖上(圖2(a))，天津市北部出現(xiàn)兩個(gè)極高溫區(qū)，這年天津夏季十分酷熱，其極端最高溫達(dá)41.7℃，就出現(xiàn)在北部的薊縣。此外，1999年該市西南部(即靜?？h內(nèi))和大港區(qū)部分地區(qū)出現(xiàn)了極高溫區(qū)域，以農(nóng)業(yè)用地為主且水資源較為豐富的郊區(qū)溫度本應(yīng)較低，卻出現(xiàn)了極高溫的熱島現(xiàn)象。這是因?yàn)?999年天津市氣候明顯異常，冬夏兩季降水偏少，全市范圍內(nèi)干旱嚴(yán)重，尤其是大港區(qū)降雨量只有292.5mm，導(dǎo)致地表含水較少，且主要作物冬小麥和玉米都已收割，地表多裸露。

在2001圖上(圖2(b))可看出市內(nèi)六區(qū)中的南開區(qū)和河西區(qū)溫度較其他四區(qū)明顯較低，因?yàn)榇藚^(qū)域植被覆蓋率高，多為公園綠地等，而其他四區(qū)的建筑工業(yè)面積較大。濱海新區(qū)極高溫與高溫區(qū)域說明其先行發(fā)展的主要對(duì)象集中在塘沽區(qū)和漢沽區(qū)，其中尤以塘沽區(qū)的河流入?？谔幍钠瑺顓^(qū)域熱島效應(yīng)明顯。武清區(qū)作為天津與北京的紐帶，其高溫區(qū)域也明顯增加，與中心城區(qū)沿河沿京津唐高速公路加強(qiáng)連接。

在2006圖上(圖2(c))，寧河縣與周邊地區(qū)多呈現(xiàn)極低溫與低溫，與2001年情況相差較大，通過年鑒可知該年寧河縣的年平均氣溫是全市最低，為12.1℃，且降水量是全市最高，為563mm，因而此時(shí)寧河縣相對(duì)于全市而言多為低溫區(qū)域。北大港水庫多為中溫區(qū)域，源于2006年為植被長勢(shì)最佳時(shí)期[41]，而植被與地表溫度關(guān)系密切[42]，因而此區(qū)域與多數(shù)植被區(qū)相近，相對(duì)于總體為中溫。

在2009圖上(圖2(d))，薊運(yùn)河附近有極高溫和高溫區(qū)域，其中以寧河與漢沽區(qū)的行政中心為熱島中心，且通過薊運(yùn)河與塘沽區(qū)連接一起，呈現(xiàn)以條帶狀分布的熱島。另外，潮白河?xùn)|側(cè)即寶坻區(qū)南部多為極低溫，這是因?yàn)閷氎鎱^(qū)南部為洼區(qū)，發(fā)展以水為龍頭的農(nóng)業(yè)綜合發(fā)展示范區(qū)，該區(qū)域內(nèi)的黃莊鄉(xiāng)是天津市三大濕地之一，大面積種植水稻，故該區(qū)域溫度相對(duì)全市較低。

在2013年圖上(圖2(e))，薊縣和寶坻區(qū)分別出現(xiàn)極高溫現(xiàn)象，主要是由于寶坻經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、九園工業(yè)園區(qū)等的高速發(fā)展，并且又有津薊鐵路、津薊高速公路等的依托，使寶坻區(qū)和薊縣近幾年來發(fā)展尤為迅速。

本文對(duì)城市熱島的研究是基于穩(wěn)定百分比的，因而局部的發(fā)展能夠影響整體的熱島分布，而整個(gè)天津市熱島的分布格局又反映局部的發(fā)展情況。受局部的農(nóng)業(yè)、工業(yè)、經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、降水、道路等的影響，特殊高溫區(qū)從西南部和北部到濱海新區(qū)再到北部薊縣和寶坻區(qū)，與特殊低溫區(qū)的呼應(yīng)，進(jìn)一步說明了天津市“由分化總，由總化分”的發(fā)展趨勢(shì)。

4.3 中心城區(qū)—濱海新區(qū)沿線溫度變化分析

從上述熱島分布圖的結(jié)果可以看出，天津市中心城區(qū)與濱海新區(qū)的熱島效應(yīng)現(xiàn)象變化明顯，尤有討論價(jià)值，故重點(diǎn)分析。現(xiàn)將中心城區(qū)與濱海新區(qū)連線，沿線選取20個(gè)樣本點(diǎn)，將其溫度減去該年樣本點(diǎn)溫度的平均值，得到中心城區(qū)——濱海新區(qū)沿線溫差變化圖(圖4)。

上述總體溫度變化折線大致成兩頭高、中間低的“U”形曲線，即中心城區(qū)和濱海新區(qū)的熱島效應(yīng)顯著。由1999年的折線可知，最高溫差出現(xiàn)在中心城區(qū)處，差值近12℃，此時(shí)中心城區(qū)具有絕對(duì)的熱島地位，濱海新區(qū)溫差較中心城區(qū)低了近5℃，熱島現(xiàn)象并不明顯。2001年中心城區(qū)和濱海新區(qū)的溫差大致相等，說明濱海新區(qū)在此期間發(fā)展力度加大，熱島現(xiàn)象大大增強(qiáng)。從1999年與2001年的變化折線上可看出，除了中心城區(qū)和濱海新區(qū)這兩個(gè)熱島中心外，連線中部地區(qū)出現(xiàn)了一個(gè)溫度峰值，地處于京哈線與京津高速的交匯處，說明此時(shí)這三處的熱島地位較為相近，同時(shí)也表明熱島強(qiáng)度總體較弱。在2006折線上，只有中心城區(qū)和濱海新區(qū)這兩個(gè)絕對(duì)峰值的存在，此時(shí)呈現(xiàn)“雙熱島”局面。然而此時(shí)最高溫差下降到5℃左右，熱島間差別減弱，且折線整體與1999年、2001年的折線相比，中部較為平緩，表明熱島向周圍輻射擴(kuò)展，中心城區(qū)-濱海新區(qū)沿河、京濱高速發(fā)展迅速，熱島強(qiáng)度大大增強(qiáng)。且2009年折線濱海新區(qū)的溫差比中心城區(qū)低近5℃，意味著濱海新區(qū)熱島地位開始下降，熱島開始向其他區(qū)域轉(zhuǎn)移。從2013年的折線可明顯看到折線起伏不集中，即高溫差較為分散，有多個(gè)峰值出現(xiàn)，意味著沿線出現(xiàn)多熱島中心，呈現(xiàn)中心城區(qū)-濱海新區(qū)沿線熱島群局面。

中心城區(qū)-濱海新區(qū)沿線的變化既是局部中變化最顯著的區(qū)域，又能反映總體的變化情況。中心城區(qū)和濱海新區(qū)城市熱島現(xiàn)象的加強(qiáng)表明了熱島正向此兩處集中，則是“由分化總”；濱海新區(qū)熱島地位的下降，以及沿線多熱島中心的出現(xiàn)，又意味著“由總化分”的趨勢(shì)。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合5個(gè)間隔年份Landsat近似地表溫度數(shù)據(jù)，利用相對(duì)分級(jí)策略和本文首次提出的相對(duì)離散度的計(jì)算方法定量分析近15年天津市的城市熱島時(shí)空演變情況。結(jié)果表明：近15年來天津市熱島效應(yīng)明顯；2009年之前，天津市熱島中心呈現(xiàn)從分散的多熱島向中心城區(qū)、濱海新區(qū)雙熱島轉(zhuǎn)變，且聚集的程度越來越高；2009之后，中心城區(qū)與濱海新區(qū)由絕對(duì)熱島重新擴(kuò)散形成多熱島格局。因而，天津市的熱島分布整體上呈現(xiàn)“由分化總，由總化分”的變化趨勢(shì)，即由中心城區(qū)、濱海新區(qū)“雙熱島”的“單核增長”模式向中心城區(qū)-濱海新區(qū)沿海河道路“軸線增長”的熱島群和“多熱島中心”轉(zhuǎn)變。

雖然本文已研究了天津市15年來的城市熱島的變化情況，但由于數(shù)據(jù)質(zhì)量問題本文只利用了5個(gè)間斷年份的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致無法進(jìn)一步對(duì)連續(xù)年份之間的熱島演變格局進(jìn)行分析。而且，本文未對(duì)引起城市熱島的影響因子進(jìn)行深入定性、定量的研究分析，尤其是城市擴(kuò)張過程中不透水層面積等對(duì)城市熱島的影響。此外，盡管基于發(fā)射率校正的地表溫度反演模型仍廣泛用于多時(shí)相遙感城市熱島研究，但由于其忽略了大氣輻射因素，只能近似為地表溫度，目前已經(jīng)有一些溫度反演新算法用于城市熱島研究，研究反演算法對(duì)熱島分析的影響也將是后續(xù)的工作重點(diǎn)。

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Temporal and Spatial Evolution of Tianjin Urban Heat Islands in Recent 15 Years

MO Yu-qin1，SHEN Yao1，SHI Jun-guo1，WU Peng-hai2，ZHANG Zhen-wei1，SHEN Huan-feng1

(1.SchoolofResourceandEnvironmentalSciences，WuhanUniversity，Wuhan430079；
2.SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering，AnhuiUniversity，Hefei230601)

With the acceleration of urbanization，the urban heat island effect is becoming more and more obvious，which has played an important role in climate change monitoring，urban expansion and so on.Series of Landsat satellite data were used to analyze the temporal and spatial evolution of Tianjin urban heat islands in recent 15 years.The summer Landsat images which covered Tianjin in 1999，2001，2006，2009 and 2013 are used in this paper.Image mosaic technology and the emissivity-corrected land surface temperature (LST) inversion model are conducted to obtain approximate LST data of almost the entire Tianjin.Then，the spatiotemporal evolution of UHI is examined and analyzed quantitatively by adopting the relative proportions and the relative dispersion respectively，and it is the first time the latter is proposed in this field.In addition，the specific areas and the key regions are contended intensively.Moreover，the UHI phenomenon within the central city and the Binhai New Area is also analyzed in this article.The results demonstrate that the UHI phenomenon in Tianjin is obvious，and it also shows a pattern of becoming striking at first and then less notable in Binhai New Area，while the phenomenon becomes remarkable in the northern part in recent years.Moreover，there is a considerable tendency that the UHI phenomenon in Tianjin is from centralized to scattered and then in turn.According to the illustrating temperature difference variation along central city and Binhai New Area，it can be seen that the UHI phenomenon along the two areas has gradually grown stronger gradually in recent years，and has transformed from two islands to island group along the line.

urban heat island；relative dispersion；temporal and spatial evolution；Tianjin city；Landsat

2014―06―19

2014―12―01

國家863計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA12A301)；武漢大學(xué)國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201310486037)；國家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金《武漢大學(xué)地理科學(xué)理科基地》(J1103409)。

莫玉琴(1993—)，女，在讀本科生，研究方向?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)與遙感。

E-mail：moyuqindoliy@163.com

10.3969/j.issn.1000-3177.2015.05.016

X16

A

1000-3177(2015)141-0102-09