邯鄲城市熱空間遙感監(jiān)測(cè)研究

張曉楠，宋宏利，張葉

(河北工程大學(xué)資源學(xué)院河北邯鄲，056038)

英國(guó)氣候?qū)W家Lake Howard于1833年第一次對(duì)倫敦城市中心的溫度比郊區(qū)高的現(xiàn)象進(jìn)行文字記載，把這種氣候特征稱(chēng)為“熱島效應(yīng)”。Manley于1958年首次提出城市熱島Urban Heat Island(UHI)的概念。近年來(lái)，我國(guó)在城市熱島效應(yīng)方面進(jìn)行了大量研究，并取得了許多成果。例如，王騰蛟等利用中尺度數(shù)值模式WRF耦合單層城市冠層模塊UCM，引入2005年MODIS土地利用類(lèi)型資料，在對(duì)蘭州市熱島現(xiàn)象進(jìn)行高分辨率數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了去除城市下墊面敏感性試驗(yàn)，探討了城市下墊面對(duì)城市邊界層的影響程度［1］;牟雪潔等人以LANDSET TM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究了珠三角地區(qū)城市發(fā)展對(duì)城市熱島效應(yīng)造成的影響，分析了城市熱島的空間分布及地域性差異［2］;李紅艷、鄧蓮堂、江學(xué)頂、駱楊、張立杰等先后利用自動(dòng)站資料對(duì)城市熱島效應(yīng)以及形成機(jī)制進(jìn)行了多方面的研究［3－7］。已有研究多針對(duì)于大城市或省會(huì)城市，而對(duì)于中等城市特別是能源型城市的熱島效應(yīng)研究較少，本文以邯鄲市區(qū)及部分縣區(qū)為研究對(duì)象，利用1988年至2010年間5景Landsat TM/ETM+熱紅外波段數(shù)據(jù)反演邯鄲市地表亮溫，從而揭示多年來(lái)邯鄲地區(qū)的熱島效應(yīng)空間分布規(guī)律，為改善邯鄲地區(qū)人居環(huán)境提供科學(xué)合理依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)域?yàn)楹愂袇^(qū)(邯山區(qū)、叢臺(tái)區(qū)、復(fù)興區(qū))以及周?chē)?個(gè)縣市，7個(gè)縣市包括武安市、磁縣、峰峰礦區(qū)、邯鄲縣、永年縣、肥鄉(xiāng)縣和成安縣(圖1)。研究區(qū)地處太行山南段東麓和華北平原南部，介于東經(jīng) 113°28'～115°28'，北緯 36°04'～37°01'之間，屬暖溫帶半干旱半濕潤(rùn)季風(fēng)區(qū)，四季分明，晝夜溫差大。地勢(shì)總體西高東低，自西向東階梯狀分布著山地、丘陵、盆地、高平原、低平原等類(lèi)型。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文選用地理空間數(shù)據(jù)云及中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所免費(fèi)提供的1988年至2010年間5景邯鄲地區(qū)Landsat TM/ETM+熱紅外波段數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，經(jīng)過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正、輻射校正、拼接、裁剪、重采樣等數(shù)據(jù)預(yù)處理后進(jìn)行地表溫度反演。

2 研究方法

2.1 亮度溫度反演方法

TM/ETM+6數(shù)據(jù)是用數(shù)字像元值(DN)來(lái)表示的，DN值介于0～255之間，數(shù)值越大，亮度越大。反演亮溫需要將DN值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的熱輻射強(qiáng)度值，然后再根據(jù)熱輻射強(qiáng)度推算相應(yīng)的亮度溫度。本文在圖像預(yù)處理中已經(jīng)完成了輻射定標(biāo)，現(xiàn)只需采用ENVI4.8中的Band Math工具根據(jù)公式1計(jì)算出像元對(duì)應(yīng)的亮度溫度值。

式中T－亮度溫度(單位:°C);Ln－傳感器的輻射亮度;273.15－水三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度;K1，K2－常量，參見(jiàn)表1。

表1 K1、K2定量參數(shù)表Tab.1 The quantitative value of K1and K2

2.2 亮溫歸一化

由于本文所獲取遙感數(shù)據(jù)的成像時(shí)間并不相同，時(shí)間的相異性會(huì)影響亮溫反演結(jié)果的比較分析。因此，需采用歸一化方法(公式2)將提取亮溫后的遙感圖像歸一化到同一時(shí)期，并使其值位于0－1之間。

式中Ni－第i個(gè)像元?dú)w一化處理后的值;Ti－第i個(gè)像元的絕對(duì)亮溫值;Tmin－地面絕對(duì)亮溫的最小值;Tmax－地面絕對(duì)亮溫的最大值。

3 結(jié)果分析

3.1 熱島效應(yīng)空間特征分析

如圖2所示，1998－2010年20年間，邯鄲地區(qū)的城市熱島效應(yīng)呈現(xiàn)出一定的空間變化，其中1988年研究區(qū)域熱島效應(yīng)典型的區(qū)域主要存在于武安市西部、永年縣、邯鄲市區(qū)及邯鄲縣大部，武安市中南部和磁縣還未出現(xiàn)熱島現(xiàn)象;1995年熱島區(qū)域有南移的跡象，在磁縣出現(xiàn)了明顯的熱島效應(yīng)地區(qū)，而邯鄲縣及邯鄲市區(qū)的熱島效應(yīng)得到了明顯改善;自2000年以后，熱島區(qū)域主要集中在武安市中南部。20年間低溫地區(qū)基本遠(yuǎn)離工業(yè)區(qū)域，大致位于成安和肥鄉(xiāng)縣區(qū)域。

3.2 熱島面積對(duì)比分析

表2 1988－2010年間邯鄲市地表亮度溫度面積對(duì)比表Tab.2 The comparison of luminance temperature in Handan from 1988 to 2010

表2揭示了1988－2010年20年間邯鄲地區(qū)城市熱島效應(yīng)面積對(duì)比情況，從表中可以看出，20年間，低溫區(qū)域面積呈現(xiàn)出增－減－增的變化趨勢(shì)，其面積比例從1988年的0.77%增加到2010年的2.81%，總體上增加了2.04%;次低溫區(qū)域則表現(xiàn)出與低溫區(qū)域相反的變化特征，由1988年的19.23%減少為2010年的9.57%，面積比例減少了近50%;中溫區(qū)面積比例呈現(xiàn)出遞增趨勢(shì);次高溫區(qū)面積變化趨勢(shì)則呈現(xiàn)出交錯(cuò)變化特征，表現(xiàn)出減－增－減的趨勢(shì)，20年間總體上呈減少趨勢(shì);高溫區(qū)在2000年出現(xiàn)了最小面積比例，但總體上呈現(xiàn)出緩慢遞增態(tài)勢(shì)。

4 結(jié)論

1)高溫區(qū)持續(xù)保持高溫。武安市礦區(qū)的熱島主體地位保持明顯，幾處高溫區(qū)多年來(lái)持續(xù)保持高溫狀態(tài)，如云駕嶺礦區(qū)，峰峰礦區(qū)，從上世紀(jì)90年代開(kāi)始出現(xiàn)高溫，歷經(jīng)20多年，依舊保持著較高的溫度。

2)新的高溫區(qū)逐年增多。上世紀(jì)90年代，高溫區(qū)基本呈點(diǎn)狀或塊狀分布，本世紀(jì)初期，高溫區(qū)明顯增多，原來(lái)存在的低溫與次低溫區(qū)逐漸消失，成為新的次高溫和高溫區(qū)，呈西、南方向擴(kuò)張分布，武安，磁縣，峰峰礦區(qū)等地高溫區(qū)增多現(xiàn)象明顯。

［1］王騰蛟，張 鐳，張博凱，等.城市下墊面對(duì)河谷城市蘭州冬季熱島效應(yīng)及邊界層結(jié)構(gòu)的影響［J］.氣象學(xué)報(bào)，2013，71(6):1115 －1129.

［2］牟雪潔，趙昕奕.珠三角地區(qū)地表溫度與土地利用類(lèi)型關(guān)系［J］.地理研究，2012，31(9):1589 －1597.

［3］李艷紅，李智才，周晉紅，等.基于自動(dòng)站資料的太原城市熱島研究［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2013，27(12):173－179.

［4］鄧蓮堂，束 炯，李朝頤.上海城市熱島的變化特征分析［J］.熱帶氣象學(xué)報(bào)，2001，17(3):273 －280.

［5］江學(xué)頂，夏北成，郭 濼，等.廣州城市熱島空間分布及時(shí)域－頻域多尺度變化特征［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，18(1):133－139.

［6］駱楊，周鎖銓?zhuān)瑢O善磊，等.杭州城市熱島空間分布及時(shí)域－頻域多尺度變化特征［J］.生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2009，18(6):2200－2205.

［7］張立杰，李磊，江崟，等.基于自動(dòng)站觀測(cè)資料的深圳城市熱島研究［J］.氣候與環(huán)境研究，2011，16(4):479－486.