近30年寧波市熱環境時空變化分析

包穎，申佩佩，陳海珍

(1.寧波市測繪設計研究院，浙江 寧波 315041； 2.寧波市遙感應用中心，浙江 寧波 315041；3.寧波市阿拉圖數字科技中心，浙江 寧波 315041)

1 引 言

在全國城市建設飛速發展的背景下，城市熱環境已成為城市生態環境領域關注的熱點和焦點問題之一[1]。熱島效應是城市熱環境特征的集中體現，是指城市地表大氣溫度高于周邊區域溫度的現象[2，3]。城市熱島效應的加劇，不僅會對城市和周邊生態環境帶來負面影響，還會對人體健康產生威脅[4]。因此，客觀全面掌握城市熱島效應的歷史規律和現狀，并根據發展規律提出有效措施，對于城市生態環境可持續發展、創建高效城市運營機制、創建和諧健康的人居環境有著重要的意義。

近幾十年，遙感技術因其覆蓋范圍廣、成本低和動態監測等特點被廣泛應用于城市熱島效應的研究[1，5，6]。城市熱島效應的遙感監測，是在熱紅外遙感數據獲取城市地表溫度(Land Surface Temperature，LST)的基礎上實現的，Landsat、MODIS、ASTER和HJ-1 IRS等數據均為常用的數據源[7～9]。在實際應用中，Landsat數據因其較高的空間分辨率和成熟的理論方法被廣泛地應用于城市和小區域的城市熱島效應研究：如朱文娟等[10]基于ETM+影像，分別利用單窗算法和單通道算法實現了南京市地表溫度反演；聶芹等[11]基于TM/ETM+影像和單通道算法，實現了上海市1997年～2010年的熱島效應分析；李軍等[12]利用Landsat 8OLI/TIR影像和劈窗算法研究了重慶市主城的熱島效應。

寧波市地處我國海岸線中段，是我國東南沿海重要的港口城市，在城鎮化發展迅速的同時城市環境問題也日漸突出。目前，針對寧波市的長時間序列的熱島效應研究較少，且研究內容和深度也有待深化。因此，本研究以寧波市為研究區，采用多時相的Landsat數據實現寧波市LST反演，獲取城市熱島強度，并在此基礎上分析1987年～2015年間寧波市熱島強度空間格局變化，為寧波市海綿城市和生態文明建設提供數據基礎和決策依據。

2 研究區與數據源

2.1 研究區概況

寧波市地處東經120°55′～122°16′，北緯28°51′～30°33′之間，屬亞熱帶季風氣候，地勢西南高東北低。全市包括海曙區、江北區、鎮海區、北侖區、鄞州區、奉化區、余姚市、慈溪市、寧海縣和象山縣六區兩市兩縣(如圖1所示)。隨著城鎮化的發展，寧波市呈現“一核兩翼，兩帶三灣”的多節點市域空間格局。

圖1 研究區示意圖

2.2 數據源

根據《寧波市城市規劃史》當代寧波規劃的各階段，結合USGS(http：//glovis.usgs.gov/)實際數據獲取情況，分別選取包括1987年、1998年、2007年和2015年的夏季Landsat影像數據作為熱環境監測的數據源，其中1987年～2010年使用的是Landsat5數據，2015年使用的是Landsat8數據，各年份使用數據的條帶號均為118/39和118/40；同時，獲取2015年寧波全市 0.5 m空間分辨率的航飛DOM影像和寧波市行政區劃分別作為幾何校正和裁剪數據源；此外，從中國氣象官方網站下載當日的氣象數據作為LST反演的輔助數據。

3 研究方法

3.1 遙感影像預處理

對于Landsat光學影像，進行校正(輻射校正、幾何校正和大氣校正)、拼接、裁剪等。其中，輻射校正根據影像中對應的輻射校正參數實現；幾何校正通過2015年DOM影像實現，且誤差控制在1個像元內；大氣校正則是基于ENVI中FLAASH大氣校正模型實現。而針對Landsat熱紅外影像，首先根據頭文件將原始影像的DN值轉化為相應的熱輻射強度，隨后將輻射強度值轉化為輻射亮溫，獲取影像的亮度溫度。

3.2 熱島強度提取

熱島強度的獲取是在估算LST的基礎上實現的。由于Landsat 5只有單個熱紅外波段，因此為了增強結果的可比性，本研究選取單窗算法不同年份LST的反演[13]。

在預處理獲取不同年份亮溫和反射率影像基礎上，根據單窗算法，求得大氣透射率、大氣平均作用溫度和地表比輻射率，就可實現LST反演，具體公式為[13]：

(1)

其中，Ts為地表溫度(K)；a6和b6為回歸系數，當地表溫度在0℃～70℃時，a6=67.3551，b6=0.458606；T6為輻射亮溫(K)；Ta為大氣平均作用溫度(K)；C6和D6為中間變量，可通過以下公式求得：

C6=ε6τ6

(2)

D6=(1-τ6)[1+(1-ε6)τ6]

(3)

其中ε為地表比輻射率，τ為大氣透射率；ε與植被覆蓋度相關，根據不同地表類型可分別計算獲??；τ在對應溫度和水汽含量范圍內，與大氣水汽含量呈線性關系，可通過線性公式計算[13，14]。

此外，根據不同季節模擬研究獲得大氣平均作用溫度Ta，計算公式分別為：

中緯度夏季平均大氣：

Ta=16.011+0.92621T0

(4)

中緯度冬季平均大氣：

Ta=19.2704+0.91118T0

(5)

其中T0為近地溫度，從中國氣象官方網資料中獲取。

對不同年份LST進行歸一化處理計算熱島強度，并利用武鵬飛等[15]提出的熱島等級劃分，來獲取寧波市的熱島強度分布情況。

(6)

4 結果與分析

4.1 寧波市LST時空分布特征

利用IDL語言實現單窗算法LST計算，得到1987年～2015年間LST空間分布如圖2所示。

從溫差來看，寧波市夏季LST空間差異明顯，各年份夏季最高值均分布于40℃以上，最低值分布在14℃～17℃之間，從LST較高的城市建成區到溫度較低的水體LST差異可達30℃以上。從下墊面類型來看，寧波市各年份高LST主要集中分布于三江片和其他區縣(市)主城區，其次是周邊農村區域，林地LST較種植作物的農田區域低，水體LST最低，LST的空間差異主要是各下墊面類型的熱特性差異所致。從空間分布來看，對于高LST區，1998年以前基本集中在各區縣(市)主城區，1998年以后，隨著寧波市不透水面的增加，高LST區域范圍不斷沿著寧波市城市發展向外擴展。增加最迅速的為三江口片、各區縣(市)主城區、大榭開發區、杭州灣新區、鎮海煉化和慈溪-余姚高速沿線等區域；并且隨著時間變化，上述地區高溫范圍逐年向外擴展，城區的高溫地區主要呈現出片狀發散的空間分布特征，余姚和慈溪區域呈現出沿高速公路的“帶狀”發展模式，到2015年，寧波市地表溫度高值區的空間發展趨勢基本符合寧波市提出以三江口片寧波市區為核心的“一核兩翼，兩帶三灣”的多節點市域空間格局。

圖21987年～2015年寧波市地表溫度空間分布圖

4.2 寧波市熱島強度時空分布特征

結合圖2和圖3可知，寧波市熱島具有較強的區域性，熱島強度空間分布趨勢與LST空間分布趨勢類似，植被和水體等LST較低的區域多為綠島區，不透水面覆蓋較多的城鎮化發達區域多為強熱島區和極強熱島區。1987年和1998年，寧波市熱島分布集中于三江口片和其他區縣(市)主城區，熱島呈連片分布且集中，呈現聚集狀；而2007年以后，由于寧波市明確提出走可持續發展的新型城市化道路，城鎮化體系更為完備，城市內部景觀綠化增多，城區熱島相較于1987年以前較為分散，大多集中在建筑密度高、開發密度高或工業區等區域，城市內部老城區和其他區域熱島等級相對較低。

圖31987年～2015年寧波市熱島空間分布圖

圖4 1987年～2015年寧波市強熱島疊加分布圖

統計寧波市近30年強熱島和極強熱島區域面積，如圖4和表1所示，并分別計算各階段面積年變化率。1987年～2015年間，寧波市強熱島區域面積逐年增加，從1987年的 125.87 km2增加到了2015年的 477.97 km2，強熱島和極強熱島區域變化率先增加后降低。其中，1987年～1998年，寧波市強熱島和極強熱島區域面積增加微弱，主要由各自主城區向外擴展，增加速率為 0.94km2/a；1998年～2007年，強熱島和極強熱島區域面積變化率達到四個階段中的最高值，為 28.27km2/a，這一階段隨著寧波市城鎮化快速發展，城市逐漸向高速沿線、北侖工業區和鄞州杭州灣開發區新城等擴張，混凝土建筑和柏油路等不透水面增多，阻斷了地面水分增加，熱島效應日漸凸顯；2007年～2015年，寧波市城市規劃逐漸轉型發展，強熱島和極強熱島區域面積雖有一定增加，但增長速率逐漸降低，為 10.91 km2/a。

5 結 論

本研究運用1987年～2015年間的Landsat影像、單窗算法開展寧波市近30年LST的估算和熱島強度提取是可行的，結果是可靠的。

(1)近30年寧波市LST和強熱島分布面積逐年增加，夏季全市熱島效應明顯，同時全市熱島具有較強的區域性，熱島強度空間分布趨勢與不透水面等下墊面空間分布趨勢類似，植被和水體等LST較低的區域多為綠島區，不透水面覆蓋較多的城鎮化發達區域多為強熱島區和極強熱島區。

(2)1998年以前寧波市各行政區熱島基本呈現單個熱島聚集的狀態，而隨著近些年寧波市對生態文明建設的重視，2007年以后各行政區城區內熱島逐漸分散，形成多個小次級熱島。

(3)近30年寧波市強熱島和極強熱島區域面積逐年增加，近30年增加了 352.10 km2，強熱島和極強熱島區域變化率先增加后降低，在1997年～2007年間變化率達到最大，為 28.27 km2/a，后續增加速率逐漸降低。