赤峰市城區地表溫度變化特征分析
——基于2014—2021年的Landsat遙感數據

盧赫宇，李鑫楊

1.敖漢旗氣象局，內蒙古赤峰 024300；2.赤峰市氣象局，內蒙古赤峰 024000

地表溫度是地球與大氣系統相互作用過程的重要參數，是地—氣能量與物質交換的綜合反映[1]。在全球溫度明顯升高和快速城市化綜合驅動下，城市熱環境已成為影響城市生態環境的要素之一[2]。近年來，隨著赤峰市經濟的快速發展，人為熱源大量增加。目前，赤峰市的地表水面積呈現縮減趨勢，氣候的暖干化導致極端降水和階段性高溫干旱事件頻繁發生。從分析地表溫度的角度出發，數據源選擇Landsat遙感影像，對赤峰市城區范圍的地表溫度時空變化特征進行分析并探討其產生的原因，為有效緩解赤峰市熱島效應和城市多層次規劃提供決策依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

赤峰市地處于內蒙古自治區東南部，介于41°17′N～45°24′N，116°21′E～120°58′E之間，介于蒙冀遼三省區接壤處，地處環渤海經濟區和東北經濟區的腹地，屬于京津冀協同發展輻射區、蒙東遼西冀北地區經濟中心、區域中心城市（圖1）。赤峰市屬于中溫帶半干旱大陸性季風氣候，年平均氣溫和年平均降水量分別為6.2℃、391 mm。近年來，隨著赤峰市經濟的快速發展，城市建設不斷加快，導致城市下墊面隨之發生改變，人口增長導致人為熱量大量增加，使地表溫度發生了改變。

圖1 研究區

1.2 數據來源

項目數據為美國Landsat 8衛星搭載的OLI/TIRS傳感器掃描的遙感影像，空間分辨率為30 m。考慮到冬季影像云量較少且熱島效應較為明顯，選取的影響拍攝時間分別為：2014年12月2日、2015年12月5日、2016年12月7日、2017年12月26日、2018年12月13日、2019年12月1日、2020年12月18日、2021年1月19日。

1.3 研究方法

用大氣校正法反演地表溫度，將一級數據進行二次處理后計算出大氣剖面參數和地表比輻射率，求解黑體輻射亮度，最終計算出地表溫度，再對地表溫度進行分類，用以分析地表溫度時空動態變化特征，具體流程如圖2所示。

圖2 大氣校正法技術流程圖

1.3.1 植被覆蓋度計算通過計算植被覆蓋度將整景影像分為水體、植被及建筑3個部分，計算公式如下[3]：

式（1）中，NDVI為歸一化植被指數，NDVIV=0.7和NDVIS=0.0。當 某 像元NDVI＞0.7時，FV取值為1；當某像元NDVI＜0.0時，FV取值為0。

1.3.2 地表比輻射率計算將遙感影像分為水體、城鎮及自然表面3種類型后，使用覃志豪等[4]提出的地表比輻射率算法計算地表比輻射率，將水體像元的比輻射率賦值為0.995，自然表面和城鎮的像元比輻射率則分別根據下式計算：

式（2）、（3）中，εsurface和εbuilding分別代表自然表面像元和城鎮像元的比輻射率。

1.3.3 黑體輻射亮度計算根據熱紅外輻射傳輸方程可知，傳感器接收到的能量由大氣上行輻射、下行輻射及地物自身的熱輻射三部分能量組成。黑體輻射亮度的計算由普朗克定律反解得出，其計算公式如下：

式（3）、（4）中，B（Ts）為黑體等效輻亮度(單位為W·m-2)，Rsensor為輻射定標后輻亮度，R↑表示大氣上行輻射，R↓表示大氣下行輻射（大氣上行、下行輻射由 Modtran法大氣校正獲取）。ε為地表發射率，τ為大氣透過率，K1、K2為熱紅外波段的定標常數，K1=774.89、K2=1321.08。

2 結果與分析

對赤峰市地表溫度進行定量反演，得到如圖3所示的赤峰城區2014—2021年8個年份的地表溫度反演結果。由圖3可見，隨著城市不斷開拓發展，工業建設逐步完善，大片耕地被占用開墾，赤峰城區地表溫度逐漸升高，出現明顯的城市溫度高于郊區溫度的情況。由于氣候變化、數據云蓋條件等因素，選取具有代表性的2014年和2021年地表反演圖像進行赤峰市地表溫度時空分布格局變化分析。

圖3 2014—2021年地表溫度反演效果圖

為了更好地比較不同年份地表溫度變化的差異，將反演所得的地表溫度數據用均值μ-標準差std法進行歸一化處理并進行溫區分級，分級規則如表1所示。

表1 均值—標準差溫度分級

由表2可知：與2014年相比，2021年赤峰城區的高溫區面積占比無變化，次高溫區減少3%，中溫區和次中溫區分別增加了6%和1%，低溫區域面積減少了4%。

表2 2014年、2021年各溫區面積占比

結合圖4分析可知，中溫區在赤峰城區的分布較廣。2014年，赤峰高溫區和次高溫地區主要集中分布在高速路、城市主干道及工業園區處，尤其是東郊工業園區處高溫十分顯著且分布密集；次中溫區和低溫區主要集中在新城區、橋北以及紅山區與松山區交界處等2014年還未開發的地區。2021年，高溫區和次高溫區的占比與2014年相比，雖然變化較小，但在空間分布上由城市邊緣逐漸向內發展，集中于建筑物密集、人口活動集中地區及工業園區；中溫區、次中溫區范圍大幅增加；低溫地區的范圍減少，低溫區集中于水體和有植被覆蓋的區域。

圖4 赤峰市地表溫度分級空間分布圖

3 原因探討

根據赤峰市地表溫度變化特征分析，探討3個造成該變化的可能原因：首先是城市下墊面，城市下墊面多為磚塊、水泥、混凝土、瀝青路面等防滲水覆蓋物，自2014年以來，土地利用狀況發生了顯著變化，由于房地產業的不斷開發，新建大量人工建筑，城市不斷建設，修建鋪設瀝青路面，打造各類商圈，建設商場等，城市建成區域面積不斷增加，導致原有的自然地表屬性發生改變，地表對太陽輻射的反射率減少，吸收率增高，顯熱交換頻繁，地表熱量逐漸增加。以圖5為例，赤峰市橋北新區2014—2019年的5年時間內建設范圍增長迅速，2014年橋北新區范圍內主要分布的是低溫區，2021年大部分轉為中溫區。然后是植被覆蓋度，水體和植被組成的“藍綠空間”可以有效減緩地表溫度的增長。低溫區和次中溫區也多集中于此。利用遙感手段提取2021年赤峰市城區植被綠化，得出赤峰市城市綠地率為36%，新城區等新建設地區的綠地率優于老城區，郊區綠地率整體優于城區（圖6）。最后是人類活動的密度和強度，城市的人為熱主要由汽車、工廠、居民炊事、空調外機和建筑儲熱等組成，人為熱以及氣體的排放匯集在城市上空，將大氣中長波輻射能量吸收，包圍了城市上空的隔熱層，阻止了長波輻射的散射，增加大氣輻射，導致地表溫度的增強[6]。在工業區對地表溫度結果圖進行局部放大得到圖7，可以看出工廠等區域的地表溫度明顯高于與周邊區域。

圖5 2014年、2019年橋北建設圖

圖6 2021年赤峰市城區植被綠化提取圖

圖7 赤峰市部分工廠地表溫度反演圖

4 結論

（1）溫區面積占比的數量變化：與2014年相比，2021年赤峰城區的高溫區面積占比無變化，次高溫區減少3個百分點，中溫區和次中溫區分別增加了6個百分點和1個百分點，低溫區域面積減少了4%。

（2）溫區空間變化的趨勢總結：高溫區和次高溫區在空間分布上由城市邊緣逐漸向內發展，集中于建筑物密集、人口活動集中地區及工業園區；中溫區、次中溫區范圍大幅增加；低溫地區的范圍減少，主要集中于水體和有植被覆蓋的區域。

（3）原因簡述：首先，城市下墊面的改變使顯熱交換頻繁，地表熱量逐漸增加；其次，植被覆蓋度密集的地方可以有效減緩地表溫度的增長；最后，人類活動的密度和強度增加，導致地表溫度的增強。