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探讨城市热岛效应与现代遥感技术的结合
摘要：城市热岛效应不仅普遍存在于人们的生活中，还呈现出逐年递增的趋势，并带来如热浪、大气污染、山体滑坡、道路塌陷等不容忽视的危害。随着现代遥感技术的发展，其在城市热岛效应研究工作中与其他方法相比，具备全天候观测、时序性强、空间分辨率高、覆盖区域广、成本低、动态性好等优势。文章总结了20世纪80年代至今遥感技术在城市热岛效应研究中的发展，主要表现在：星载传感器获取遥感数据的多样化；遥感数据地表温度的反演算法经过多年研究后，逐步趋向于成熟；遥感技术在城市热岛效应中的综合研究越来越深入。在此基础上，针对遥感技术在城市热岛效应研究中的应用，提出了几点认识及展望。
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1、城市热岛效应特点
1818年英国气候学家LukeHoward发现伦敦市中心区的温度明显高于市郊区的现象。1958年，Manley首次将这种城区气温高于郊区的现象命名为“城市热岛效应”。系统监测表明，城市热岛中心的气温一般比周围郊区高1℃左右，最高可达6℃以上。近年来，城市热岛效应问题引起世界各国学者的普遍关注，已经成为城市规划及相关领域一个热点课题。尤其在当前全球变暖的气候背景下，城市热岛效应的研究更显重要。
1.1城市热岛效应存在的普遍性
城市热岛效应的内在原因是城市规模的扩张以及下垫面性质的改变[1]。城市热岛效应已经影响到城市居民生产、生活等。由于城市热岛效应的存在，使得城市区域内的夏季更加酷热。如兰州城区地表平均温度高于郊区3℃[2]；绵阳城市平均热岛强度为0.64℃[3]；南宁市热岛效应年变率达1.64%[4]。北京、上海、广州等发达城市的热岛效应则更为明显，如上海市城市热岛全年出现概率为87.8%，月平均热岛强度值大于0.8℃[5]。换言之，城市的发展必然带来不同程度的热岛效应现象。
1.2城市热岛效应的增强性
城市化进程的加速使得城市热岛效应正在逐年增强，城市热岛效应以每年0.01℃增长，如我国珠江三角洲等城市工业发达地区近10年平均每年温度增高0.04℃以上[6]。而从采暖度日与制冷度日看，21世纪初的前7年与1960年代相比，华东地区的年均采暖度日减少了7.1%，制冷度日增加了16.7%[7]，在一定程度上间接反映了城市热岛效应的增强。
1.3城市热岛效应的危害性
城市热岛效应的危害性主要表现在以下几方面：
1）异常高温会加大人类患上心血管方面疾病的几率，如果一个人在极端的热浪中生存，并受到永久性的器官损害，他们就会有更大早期死亡的风险。如2003年夏季的欧洲热浪造成约70000人死亡。2010年莫斯科和俄罗斯西部经历了史无前例的热浪，约55000人死亡。
2）城市空气中的污染气体以风为载体，由城市热岛效应的热循环不断地聚集和扩散，加剧了市区空气的污染。
3）城市热岛效应产生的热气流与外界冷气流相遇形成积雨云带来暴雨，会增加某些区域山体滑坡及道路塌陷等自然灾害的发生几率。
2、遥感技术方法研究热岛效应的优势
按照基础数据的来源不同，城市热岛效应的研究方法大致可以分成为气象数据资料观测法、布点数值观测法、数据数值化模拟法、遥感数据法等。对此，本文不再做详细描述。相比较前3类方法，遥感技术方法具有全天候观测、高空间分辨率、观测范围大、动态性好、成本低、速度快等优势，使得遥感技术在开展城市热岛效应的研究应用中成为一种主要手段。
2.1时序性强
现代遥感已经由一个传感器到多类型传感器，并且能够在多种平台上获得不同时间分辨率和空间分辨率的海量遥数据，为城市热岛效应的研究提供了更多的可利用信息。如AVHRR、MODIS等静止卫星具有较高的时间分辨率，有利于对研究区域进行大时间跨度的研究，从而更准确地把握城市热岛效应在时间上的演变。根据多时相遥感影像研究，南京市自1985年以来热岛效应面积增加7.88km2，武汉市2004—2015年热岛效应面积增长260.92km2，杭州市自1984—2010年热岛效应面积增加了8.66倍。
2.2空间分辨率高
相对于静止卫星，ASTER、TM/ETM+/TIRL等极轨卫星具有较高的空间分辨率，在一定程度上使反演温度更加接近真实值。另外，高空间分辨率对地物的识别也有较大的帮助，这对分析城市热岛效应影响因素方面有较大的帮助。如2019年，乐通等利用LandsatTIRL数据，通过辐射传导方程法和普适性单通道算法对研究区进行地表温度反演；同年，郭倾城等利用LandsatTM数据和ASTER数据对香港的地表温度进行研究。
2.3覆盖区域广
遥感数据因覆盖区域广，有利于开展大、中、小城市大尺度热岛效应的研究工作。如ASTER、TM/ETM+/TIRL传感器的扫幅宽度分别是60km和185km，可见遥感数据覆盖区域广的优势使得数据本身具有海量信息，为城市热岛效应研究区域变化分析及预测提供了可行性。近几年，学者们主要是开展多个城市热岛效应的研究对比分析工作。如2000年，纪瑞鹏等对我国6个城市的热岛效应进行长期监测分析，得出不同地区热岛效应的强弱有很大差异，且最高值和最低值的差异也很大的结论；2019年，林立中等对4个城市近20年的热岛效应进行定量估算和对比分析。此外，对于城市群热岛效应空间距离测算也有独特的优势，如北京和天津强热岛区之间的最短空间距离从94km(1994年）逐步缩减到52km(2014年）[8]。
2.4数据获取易
随着现代遥感技术的不断进步，遥感数据愈来愈丰富。相比于气象数据资料法与布点数值观测法的数据获取方式单一，遥感数据可以通过多种渠道获取且数据量巨大。如MODIS数据可从LAADS网站获取，ASTER、AVHRR数据可从USUSEarthExplorer网站获取，而TM/ETM+/TIRL数据除USUSEarthExplorer网站外还可从地理空间数据云获取。这些获取途径都为遥感技术方法提供了便利。遥感技术可以使用不同传感器获取的数据，发挥各自传感器的优势，增加时间与空间的信息量。
3、遥感技术在城市热岛效应应用中的研究进展
自LukeHoward在《TheClimateofLondon》中把城市气温高于郊区气温，且恰似热岛的现象称为“城市热岛效应”（UrbanHeatIsland）之后，除遥感数据本身变得多样化外，地表温度反演算法及城市热岛效应研究策略上都取得了一定的进展。
3.1星载传感器获取遥感数据趋向多样化
常见的遥感数据传感器主要有ASTER、TM/ETM+/TIRL、MODIS、AVHRR等[9]。
1)ASTER传感器获取数据的时间分辨率为15天，空间分辨率为90m，在蒸散、地表温度有独特的优势。
2)TM/ETM+/TIRL是Landsat系列卫星搭载的传感器获取数据的时间分辨率为16天，热红外波段空间分辨率为120m、60m、100m，适合于城市地表温度与下垫面关系等方面的研究。
3)MODIS是Terra和Aqua卫星上搭载的主要传感器之一，时间分辨率1-2天，空间分辨率为250m、500m、1000m，具有全球免费、光谱范围广、重访周期短的优势，可对城市热岛效应进行全天候观测。
4)AVHRR是NOAA系列气象卫星上搭载的传感器，时间分辨率为6天，星下点分辨率为1.1km，该传感器获取的数据具有覆盖面积广的优势。
除此之外，近期许多卫星发射成功，其所携带传感器捕获的地表影像可提供海量信息。如我国作为对地观测系统国家科技重大专项安排的微波遥感卫星——高分十二号，其传感器地面像元分辨率最高可达亚米级。美国陆地卫星计划的下一颗Landsat9卫星将携带二代热红外传感器TIRS-2于2020年12月发射，其可提供2个谱带，最大地面采样距离均为100m。此外，TIRS-2还提供了一个内部黑体校准源以及空间视图功能。
3.2遥感数据地表温度反演算法不断完善
遥感技术通常是利用不同方法反演地表温度，来确定城市热岛效应强度。常见的研究方法有分裂窗算法、劈窗算法、辐射传输方程、单窗算法等。根据研究区域特点选择适合的反演算法有助于地表温度反演精度的提高。
地表温度反演算法从80年代末开始在学者们的研究中不断完善。1989年，Roth等[10]发现地表温度分布形式和反演得到的温度值与观测点的气温值误差较小，证明了热红外遥感数据的准确性；2001年，覃志豪等首次对遥感数据运用单窗算法对地表温度进行反演，以及推算出地表温度反演所需的相关大气参数和反演公式；2006年，黄妙芬等对LandsatTM影像使用3种方法对地表温度进行反演，发现单窗算法的反演数值最为接近实测数值；2010年，盛辉等基于LandsatTM影像数据运用马尔科夫数值化模型对城市热岛效应未来几十年的发展和变化趋势进行预测剖析；2011年，刘春国等对LandsatEMT+的热红外波段进行反演分析，返现通常情况下，波段6和波段2比较适合城市热岛效应的研究；2015年，宋廷等对地表温度反演的2种单窗算法和2种劈窗算法进行比较分析，发现劈窗算法反演的数值精度略高于单窗算法；2018年，史新等[11]基于Landsat8数据的3种地表温度反演算法进行对比分析，3种算法计算LST的像元值线性拟合程度类似，空间分布一致，其中辐射传输方程法与单通道算法精度接近一致差值在0-0.05K区间范围内，单窗算法算法的LST偏高于其他2种算法差值在0-1.27K区间范围内。
总的来看，经过多年研究，地表温度反演算法逐步趋于成熟。
3.3遥感技术在城市热岛效应中的综合研究
通过多种遥感数据可以提取相应的地理信息，进而开展城市热岛效应的综合研究。影响城市热岛效应的因素有很多，大致分为自然因素与人为因素。为了有效抑制城市热岛效应的加剧，从80年代至今，学者们从不同角度研究城市热岛效应的影响因素，使得城市热岛效应的研究工作一步步深入。
自然因素的研究工作开展较多，其包括植被、水体、气候、风速、大气痕量气体等，如1977年，Carlson等发现城市区域中的商业和工业区昼夜温差显著高于植被覆盖度较高的市郊区后，发现热岛效应受植被影响且通过提升植被覆盖度可以有效预防热岛效应的加剧；1993年，Gallo等对城市某一区域进行地表温度与归一化植被指数NDVI研究，得出两者之间成反比关系；1991年，王芝生等通过研究分析反演得出的地表温度图像以及相关的参考数据，发现城市热岛效应的强弱与城市绿化率以及绿化面积呈负相关；1998年，Owen等发现植被的覆盖程度和地表水可以有效降低或缓解城市热岛效应的作用；2010年，AkbariH等统计分析下垫面材料的性质得出其与城市热岛效应强度有相对应的关系；2017年，冯华梅等在昆明城市热岛效应的研究中发现植被指数和水体指数与城区热岛效应均呈线性负相关，即植被和水体可以缓解热岛效应；建筑用地指数与热岛效应呈线性正相关，城市建设用地对热岛效应有较大的贡献；1989年，钱妙芬等发现春季城市热岛效应最强，而在秋季处于最弱，且春季发生城市热岛效应的几率最高；2019年，冯章献等巧妙地引入风环境中的迎风面指数，迎风面指数与地表温度在一定程度上相关，昼夜相关系数分别为0.371和0.355;1998年，吴万友等从空间平面上发现城市热岛效应的变化趋势与城市规划扩张的方向具有相似性，城市上空SO2的含量在很大程度上决定了城市热岛的强弱；2003年，David.R等发现城市热岛效应对城市上空对流层中的臭氧含量有较大的影响。
人为因素包括城市人口数量、城市发展规模、城市区域功能等。1981年，Bornstein等通过AVHRR热红外发现热岛效应与城市区域以及人口增长相关；1982年，周淑贞等以上海市为例，发现城市热岛效应随着城市的扩展越发明显，市中心的年平均最低温度升高明显；2003年，张穗等将同一城市的不同地区进行划分，将热岛强度值进行了排序：旧工业区>新工业区>老城区>新城区>市郊区。
4、认识与展望
1）在城市热岛效应的研究工作中，与其他方法相比，遥感技术具有时序性强、空间分辨率高、覆盖区域广、获取数据源较易等优势。
2）星载传感器的发展有利于通过不同传感器热红外波段进行城市热岛效应研究工作。多种类型传感器可提供研究工作人员不同时间、空间分辨率的遥感数据产品。随着高分十二号等新卫星的发射成功，在将来会有越来越多的遥感数据供学者使用，遥感技术发展进入“轨道”，更多的系列性产品也会随之出现。
3）地表温度的反演算法在不断完善，而通过遥感建模、算法优化等方式可以减小地表温度反演误差，对城市热岛效应研究有较大的推动作用。
4）基于遥感技术对城市热岛效应影响因素方面的研究是需要整合多方面地理信息进行系统的分析，在实际应用会涉及到研究区域的气象学、地理学、地质学、生态学、人口学、城市规划学等[12]多门学科以及当地政府的政策方针，所以，要想对城市热岛效应进行细致而全面的研究分析，需要在前期做好准备工作。
根据相关资料可知，减少空调的使用，提高能源的利用率，优化城市土地利用，构建环城水系等措施均有利于抑制城市热岛效应的加剧。
参考文献：
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基金:国家自然科学基金项目(41561095);中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室开放基金项目(SKLEG8009).
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2020-06-05
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