太原市主城區(qū)地表溫度變化研究

賈 傳 衛(wèi)亞星

（遼寧師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連116000）

近年來，城市熱島效應(yīng)的影響不斷擴(kuò)大，已然成為全球性的生態(tài)環(huán)境問題。利用遙感數(shù)據(jù)反演地表溫度，已成為研究熱島效應(yīng)的主要方法[1]。岳輝等學(xué)者對(duì)比分析輻射傳導(dǎo)方程法、IB 算法、MW 算法及SC 算法反演精度，并驗(yàn)證與MODIS 數(shù)據(jù)產(chǎn)品相關(guān)性[2]；謝啟嬌等學(xué)者基于Landsat 數(shù)據(jù)分析探討武漢市城市熱島效應(yīng)的時(shí)空演變特征和城市熱島形成的主要影響因素[3]；偉正等學(xué)者利用單窗算法反演安慶市地表溫度，并精確分析出城市熱島與歸一化植被指數(shù)、裸土指數(shù)等四個(gè)指數(shù)的關(guān)系[4]。

目前，基于熱紅外數(shù)據(jù)的地表溫度反演算法主要有單通道算法、劈窗算法以及多通道算法等。Landsat 8 的11 波段不穩(wěn)定，故本文以太原市主城區(qū)為例，以Landsat 數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用單通道算法中精度較高的輻射校正法，反演2004 年、2010 年及2020 年地表溫度。這對(duì)正確認(rèn)識(shí)太原市熱島效應(yīng)空間分布特征及演變規(guī)律，推進(jìn)城市的綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 研究數(shù)據(jù)與預(yù)處理

太原市(111°30′E～113°09′E，37°27′N～38°25′N)位于山西省中部，輪廓呈蝙蝠形，地勢(shì)北高南低，平均海拔約800 米，面積6909 平方公里。汾河由北向南縱貫全市，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季干冷漫長(zhǎng)，夏季濕熱多雨，春秋短暫且溫度變化迅速。

本文選取太原市2004 年9 月22 日、2010 年9 月23 日Landsat 5 TM 影像及2020 年9 月18 日Landsat 8 TIRS 影像，數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云。影像云量低于1%，地面特征清晰，質(zhì)量較高。地理空間數(shù)據(jù)云下載的數(shù)據(jù)已經(jīng)過幾何校正，數(shù)據(jù)預(yù)處理包括輻射定標(biāo)、Flaash 大氣校正及矢量數(shù)據(jù)裁剪。

2 研究方法

3 結(jié)果與分析

根據(jù)太原市氣象數(shù)據(jù)資料，2020 年9 月18 日、2010 年9 月23 日和2004 年9 月22 日的最高和最低氣溫分別是26℃和8℃、22.7℃和6.3℃、24.5℃和6℃，統(tǒng)計(jì)反演結(jié)果得出，三次反演92%以上的像元溫度集中在此區(qū)間，基本可以反映研究區(qū)的地表溫度分布狀況。結(jié)合前人研究與地溫分布狀況，將其劃分為五級(jí)：高溫區(qū)（＞23℃）、次高溫區(qū)（20℃-23℃）、中溫區(qū)（18℃-20℃）、次中溫區(qū)（15℃-18℃）及低溫區(qū)（＜15℃）。

2004 年高溫區(qū)面積較小，絕大部分區(qū)域溫度低于23℃，中溫區(qū)主要分布在太原北城區(qū)和中部區(qū)域，北城區(qū)工廠較多，人口集中，使得地表溫度升高，主要是位于尖草坪區(qū)汾河?xùn)|西兩岸的太鋼集團(tuán)，汾河、晉源區(qū)及小店區(qū)大部分處于次中溫和低溫區(qū)；2010 年高溫區(qū)與次高溫區(qū)主要分布在尖草坪區(qū)太鋼工業(yè)園區(qū)附近, 萬柏林區(qū)下元和迎澤區(qū)迎澤大街附近，以及南部的小店區(qū)。城市建設(shè)向南發(fā)展,小店區(qū)工業(yè)快速發(fā)展，引進(jìn)新型、大型企業(yè)和工廠，新建商業(yè)及城中村的改建使人口不斷集中，小店區(qū)溫度升高；低溫和次中溫區(qū)主要分布在萬柏林區(qū)西部及杏花嶺東部區(qū)域；2020 年低溫區(qū)和次中溫區(qū)較小，包括汾河兩岸和晉陽湖等水系，太原市大部分區(qū)域溫度高于18℃，中溫區(qū)向外擴(kuò)張、高溫區(qū)域不斷向南移動(dòng)，位于城北太鋼工業(yè)園區(qū)和城南小店區(qū)高新技術(shù)開發(fā)區(qū)附近（圖1）。

圖1 研究區(qū)2004 年(左)、2010 年（中）、2020 年(右)的地表溫度

表1 研究區(qū)地表溫度總體特征 單位(km2)

2004 年、2010 年和2020 年太原市主城區(qū)地表溫度變化如下 ： 高 溫 區(qū) 面 積 依 次 是 36.17km2、77.35km2和146.36km2，2004-2020 年高溫區(qū)面積增加110.19km2，高溫區(qū)面積快速增加的原因是太原市工業(yè)快速發(fā)展、新建商業(yè)、人口不斷集中，使得城區(qū)整體溫度升高，城區(qū)北部的太鋼工業(yè)園區(qū)持續(xù)發(fā)展的情況下，新建小店區(qū)高新開發(fā)區(qū)；次高溫區(qū)面積依次是335.03km2、403.78km2和511.79，2004-2020 年次高溫區(qū)面積增加176.49km2，源于萬柏林區(qū)下元商業(yè)中心和柳巷商圈的不斷擴(kuò)大以及小店區(qū)商圈的逐步形成；中溫區(qū)面積依次是479.01km2、585.37km2和496.21km2，2004-2020 年中溫區(qū)面積增加17.2km2，分布范圍急劇向外擴(kuò)張，主要分布在中心城區(qū)外圍的近郊區(qū)以及城鄉(xiāng)結(jié)合部；次中溫區(qū)面積依次是456.08km2、288.70km2和240.94km2，2004-2020 年次中溫區(qū)面積減少215.14km2，主要原因是大規(guī)模發(fā)展使得農(nóng)用地轉(zhuǎn)化為非農(nóng)用地，耕地覆蓋面積急劇減少，地表溫度上升；低溫區(qū)面積依次是109.71km2、60.80km2和20.70km2，2004-2020 年低溫區(qū)面積減少89.01km2，源于汾河兩側(cè)商圈的不斷發(fā)展，導(dǎo)致汾河水域附近溫度大幅度升高，低溫區(qū)僅存在于城市外圍的水域及植被覆蓋度高的山地附近。