南昌市熱島效應研究及分析

唐 豪，夏麗紅

（1.江西師范大學，南昌 330022；2.鄒崗中學，湖北 孝感 432917）

城市熱島效應是指當城市發(fā)展到一定規(guī)模時，由于城市下墊面的改變、大氣污染以及人工廢熱的排放等原因使城市溫度明顯高于郊區(qū)的溫度，形成類似高溫孤島的現(xiàn)象[1-3]。城市熱島是一種城市公害，尤其是在中緯度地區(qū)的夏季，它使原來就較高的氣溫又有所提高。城市熱島效應加劇了城市高溫出現(xiàn)的頻率和高溫災害，惡化了人類生存環(huán)境，容易引起一系列城市病和多發(fā)流行病[4-7]。

本文選擇南昌市作為研究區(qū)，通過使用Landsat影像數(shù)據(jù)，利用ENVI5.3，建立一系列模型進行地表溫度的反演，從而對南昌市熱島情況進行分析，以期為南昌市的生態(tài)建設(shè)提供理論建議。

1 研究區(qū)概況

南昌市地處江西中部偏北，位于贛江、撫河下游，鄱陽湖西南岸，屬于亞熱帶濕潤季風氣候，氣溫變幅大，氣候特征明顯。

本文主要研究南昌市主城區(qū)的熱島效應強度及其十年內(nèi)的時空變化情況，并以東湖區(qū)、青山湖區(qū)、青云譜區(qū)、西湖區(qū)四區(qū)為基礎(chǔ)分析熱島效應的影響因素，其研究區(qū)范圍如圖1所示。

圖1 研究區(qū)范圍

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預處理

本研究選用的是1989年7月15日、2004年10月12日的遙感影像，其中1989年使用的是Landsat5TM 數(shù)據(jù)，使用的波段為1～7 波段，其中第6 波段分辨率為120 m，1～5、7 波段分辨率為30 m。2003年使用的是Landsat7ETM+數(shù)據(jù)。使用的波段為1～7 波段，其中第6 波段分辨率為60 m，1～5、7波段分辨率為30 m。兩景影像軌道號均為121/040，影像覆蓋了整個南昌市地區(qū)。本文主要研究區(qū)域為南昌市主城區(qū)，在數(shù)據(jù)預處理中進行了幾何校正、配準以及圖像裁剪等預處理。

2.2 地表亮度溫度

利用TM6 波段波段熱紅外波段反演地表溫度。由于不同地物間的發(fā)射率差別不大，而熱島研究中關(guān)注的是溫度的相對高低，因此可以用亮度溫度近似代替真實溫度進行熱島研究[8-11]。本文使用單窗算法，結(jié)合Landsat5 TM 第6 波段進行地表溫度反演。

首先將影像DN 值轉(zhuǎn)換為星上輻射亮度值，對于Landsat8 與Landsat5 影像分別用以下公式計算：

式中，Lλ為波段λ的大氣頂部光譜輻射值；Qcal為影像像元DN 值；ML和AL是波段λ的調(diào)整因子；Lmax與Lmin分別為Landsat5 TMλ波段的最大與最小輻射值，在影像數(shù)據(jù)頭文件中可以獲取。

然后，將星上輻射亮度轉(zhuǎn)換成星上亮度溫度：

式中，Tλ為傳感器第λ波段的星上亮度溫度（℃）；Lλ為第λ波段的輻射亮度值，K1、K2都為常量，可分別從Landsat8 的MTL 文件和Landsat5 影像頭文件中獲取。

2.3 地表溫度歸一化

由于所用影像的成像時間不同，用反演的溫度直接進行比較顯然不合理。為了消除時間的影響，本文利用式（4）對得到的地表溫度進行歸一化處理，將兩個不同時期的地表溫度值范圍統(tǒng)一到0～1之間：

式中，Ni為第i個像元歸一化后的值；Ti為第i個像元的地表溫度值；Tmax為遙感影像中地表溫度最大值；Tmin為遙感影像中地表溫度最小值。

2.4 監(jiān)督分類

采用ENVI5.3 中支持向量機的方法監(jiān)督分類把地表覆蓋類型分成了水體、自然表面、城市三類，如圖2所示。

圖2 南昌市土地利用分類

3 結(jié)果分析

3.1 空間分布分析

圖3（a）為南昌市1989年7月15日的地表溫度反演熱島強度圖，圖3（b）為南昌市2004年10月12日的熱島強度圖。

圖3 南昌市熱島強度

對比圖3（a）和圖3（b），筆者發(fā)現(xiàn)，南昌市主城區(qū)地面溫度場從西北到東南方向有一個溫度較高區(qū)，特別是東城區(qū)靠近贛江處和青云譜區(qū)中部和東北部區(qū)域地面溫度明顯高于其他地區(qū)。西湖區(qū)、青云譜區(qū)和青山湖區(qū)三區(qū)交界處也形成了一個溫度較高區(qū)，這些溫度較高區(qū)一起構(gòu)成了南昌市主城區(qū)西北—東南地面溫度較高區(qū)的分布格局。

從年際變化來看，南昌市的城市熱島空間分布范圍明顯擴大。城市熱島效應強度也不斷增強，市區(qū)和郊區(qū)的溫差增大，市區(qū)的熱環(huán)境變差[12-13]。

3.2 分區(qū)地表溫度分析

利用分區(qū)統(tǒng)計將南昌市主城區(qū)分為東湖區(qū)、西湖區(qū)、青山湖區(qū)、青云譜區(qū)四個部分，分別統(tǒng)計其地表溫度得到以下結(jié)果，如表1所示。

表1 南昌市主城區(qū)各區(qū)溫度值

從表1可以看出，同一時期，不同區(qū)域差異明顯，1989年青云譜區(qū)的溫度最高，2004年青山湖區(qū)溫度最高。就區(qū)內(nèi)同時期地面溫度的差異而言，青山湖區(qū)的差異最大。不同時期最低溫均出現(xiàn)在青山湖區(qū)。

3.3 地表溫度與水體面積分析

圖4 南昌市主城區(qū)各區(qū)地表溫度與水體面積的關(guān)系

由圖4對比分析各區(qū)的水體面積比例與地表溫度之間的關(guān)系可發(fā)現(xiàn)，各區(qū)地面溫度與水體面積比例呈負相關(guān)關(guān)系，水體面積比例上升0.2%，地面溫度下降0.1 K 左右?？梢?，水體也是影響城市熱島效應的一大因素。同時，通過對比發(fā)現(xiàn)，青云譜區(qū)和青山湖區(qū)的水體面積比例較小，其溫度差異卻相對較大；東湖區(qū)和西湖區(qū)的水體面積比例較大，其溫度差異卻較小。由此可得出，水體面積比率較低對地面溫度的影響要比較高的大。

4 結(jié)論

本文采用單窗算法得到的地表溫度并用其分析城市熱島效應的狀況。通過實例分析，筆者發(fā)現(xiàn)南昌市城市熱島效應的范圍明顯擴大，并且南昌市的熱島效應強度逐漸加強。同時，通過建立南昌市各區(qū)地表溫度與水體面積比例的關(guān)系，筆者發(fā)現(xiàn)，水體面積與熱島強度呈負相關(guān)。