近30年宁波市热环境时空变化分析

包颖，申佩佩，陈海珍

(1.宁波市测绘设计研究院，浙江 宁波 315041； 2.宁波市遥感应用中心，浙江 宁波 315041；3.宁波市阿拉图数字科技中心，浙江 宁波 315041)

1 引 言

在全国城市建设飞速发展的背景下，城市热环境已成为城市生态环境领域关注的热点和焦点问题之一[1]。热岛效应是城市热环境特征的集中体现，是指城市地表大气温度高于周边区域温度的现象[2，3]。城市热岛效应的加剧，不仅会对城市和周边生态环境带来负面影响，还会对人体健康产生威胁[4]。因此，客观全面掌握城市热岛效应的历史规律和现状，并根据发展规律提出有效措施，对于城市生态环境可持续发展、创建高效城市运营机制、创建和谐健康的人居环境有着重要的意义。

近几十年，遥感技术因其覆盖范围广、成本低和动态监测等特点被广泛应用于城市热岛效应的研究[1，5，6]。城市热岛效应的遥感监测，是在热红外遥感数据获取城市地表温度(Land Surface Temperature，LST)的基础上实现的，Landsat、MODIS、ASTER和HJ-1 IRS等数据均为常用的数据源[7～9]。在实际应用中，Landsat数据因其较高的空间分辨率和成熟的理论方法被广泛地应用于城市和小区域的城市热岛效应研究：如朱文娟等[10]基于ETM+影像，分别利用单窗算法和单通道算法实现了南京市地表温度反演；聂芹等[11]基于TM/ETM+影像和单通道算法，实现了上海市1997年～2010年的热岛效应分析；李军等[12]利用Landsat 8OLI/TIR影像和劈窗算法研究了重庆市主城的热岛效应。

宁波市地处我国海岸线中段，是我国东南沿海重要的港口城市，在城镇化发展迅速的同时城市环境问题也日渐突出。目前，针对宁波市的长时间序列的热岛效应研究较少，且研究内容和深度也有待深化。因此，本研究以宁波市为研究区，采用多时相的Landsat数据实现宁波市LST反演，获取城市热岛强度，并在此基础上分析1987年～2015年间宁波市热岛强度空间格局变化，为宁波市海绵城市和生态文明建设提供数据基础和决策依据。

2 研究区与数据源

2.1 研究区概况

宁波市地处东经120°55′～122°16′，北纬28°51′～30°33′之间，属亚热带季风气候，地势西南高东北低。全市包括海曙区、江北区、镇海区、北仑区、鄞州区、奉化区、余姚市、慈溪市、宁海县和象山县六区两市两县(如图1所示)。随着城镇化的发展，宁波市呈现“一核两翼，两带三湾”的多节点市域空间格局。

图1 研究区示意图

2.2 数据源

根据《宁波市城市规划史》当代宁波规划的各阶段，结合USGS(http：//glovis.usgs.gov/)实际数据获取情况，分别选取包括1987年、1998年、2007年和2015年的夏季Landsat影像数据作为热环境监测的数据源，其中1987年～2010年使用的是Landsat5数据，2015年使用的是Landsat8数据，各年份使用数据的条带号均为118/39和118/40；同时，获取2015年宁波全市 0.5 m空间分辨率的航飞DOM影像和宁波市行政区划分别作为几何校正和裁剪数据源；此外，从中国气象官方网站下载当日的气象数据作为LST反演的辅助数据。

3 研究方法

3.1 遥感影像预处理

对于Landsat光学影像，进行校正(辐射校正、几何校正和大气校正)、拼接、裁剪等。其中，辐射校正根据影像中对应的辐射校正参数实现；几何校正通过2015年DOM影像实现，且误差控制在1个像元内；大气校正则是基于ENVI中FLAASH大气校正模型实现。而针对Landsat热红外影像，首先根据头文件将原始影像的DN值转化为相应的热辐射强度，随后将辐射强度值转化为辐射亮温，获取影像的亮度温度。

3.2 热岛强度提取

热岛强度的获取是在估算LST的基础上实现的。由于Landsat 5只有单个热红外波段，因此为了增强结果的可比性，本研究选取单窗算法不同年份LST的反演[13]。

在预处理获取不同年份亮温和反射率影像基础上，根据单窗算法，求得大气透射率、大气平均作用温度和地表比辐射率，就可实现LST反演，具体公式为[13]：

(1)

其中，Ts为地表温度(K)；a6和b6为回归系数，当地表温度在0℃～70℃时，a6=67.3551，b6=0.458606；T6为辐射亮温(K)；Ta为大气平均作用温度(K)；C6和D6为中间变量，可通过以下公式求得：

C6=ε6τ6

(2)

D6=(1-τ6)[1+(1-ε6)τ6]

(3)

其中ε为地表比辐射率，τ为大气透射率；ε与植被覆盖度相关，根据不同地表类型可分别计算获取；τ在对应温度和水汽含量范围内，与大气水汽含量呈线性关系，可通过线性公式计算[13，14]。

此外，根据不同季节模拟研究获得大气平均作用温度Ta，计算公式分别为：

中纬度夏季平均大气：

Ta=16.011+0.92621T0

(4)

中纬度冬季平均大气：

Ta=19.2704+0.91118T0

(5)

其中T0为近地温度，从中国气象官方网资料中获取。

对不同年份LST进行归一化处理计算热岛强度，并利用武鹏飞等[15]提出的热岛等级划分，来获取宁波市的热岛强度分布情况。

(6)

4 结果与分析

4.1 宁波市LST时空分布特征

利用IDL语言实现单窗算法LST计算，得到1987年～2015年间LST空间分布如图2所示。

从温差来看，宁波市夏季LST空间差异明显，各年份夏季最高值均分布于40℃以上，最低值分布在14℃～17℃之间，从LST较高的城市建成区到温度较低的水体LST差异可达30℃以上。从下垫面类型来看，宁波市各年份高LST主要集中分布于三江片和其他区县(市)主城区，其次是周边农村区域，林地LST较种植作物的农田区域低，水体LST最低，LST的空间差异主要是各下垫面类型的热特性差异所致。从空间分布来看，对于高LST区，1998年以前基本集中在各区县(市)主城区，1998年以后，随着宁波市不透水面的增加，高LST区域范围不断沿着宁波市城市发展向外扩展。增加最迅速的为三江口片、各区县(市)主城区、大榭开发区、杭州湾新区、镇海炼化和慈溪-余姚高速沿线等区域；并且随着时间变化，上述地区高温范围逐年向外扩展，城区的高温地区主要呈现出片状发散的空间分布特征，余姚和慈溪区域呈现出沿高速公路的“带状”发展模式，到2015年，宁波市地表温度高值区的空间发展趋势基本符合宁波市提出以三江口片宁波市区为核心的“一核两翼，两带三湾”的多节点市域空间格局。

图21987年～2015年宁波市地表温度空间分布图

4.2 宁波市热岛强度时空分布特征

结合图2和图3可知，宁波市热岛具有较强的区域性，热岛强度空间分布趋势与LST空间分布趋势类似，植被和水体等LST较低的区域多为绿岛区，不透水面覆盖较多的城镇化发达区域多为强热岛区和极强热岛区。1987年和1998年，宁波市热岛分布集中于三江口片和其他区县(市)主城区，热岛呈连片分布且集中，呈现聚集状；而2007年以后，由于宁波市明确提出走可持续发展的新型城市化道路，城镇化体系更为完备，城市内部景观绿化增多，城区热岛相较于1987年以前较为分散，大多集中在建筑密度高、开发密度高或工业区等区域，城市内部老城区和其他区域热岛等级相对较低。

图31987年～2015年宁波市热岛空间分布图

图4 1987年～2015年宁波市强热岛叠加分布图

统计宁波市近30年强热岛和极强热岛区域面积，如图4和表1所示，并分别计算各阶段面积年变化率。1987年～2015年间，宁波市强热岛区域面积逐年增加，从1987年的 125.87 km2增加到了2015年的 477.97 km2，强热岛和极强热岛区域变化率先增加后降低。其中，1987年～1998年，宁波市强热岛和极强热岛区域面积增加微弱，主要由各自主城区向外扩展，增加速率为 0.94km2/a；1998年～2007年，强热岛和极强热岛区域面积变化率达到四个阶段中的最高值，为 28.27km2/a，这一阶段随着宁波市城镇化快速发展，城市逐渐向高速沿线、北仑工业区和鄞州杭州湾开发区新城等扩张，混凝土建筑和柏油路等不透水面增多，阻断了地面水分增加，热岛效应日渐凸显；2007年～2015年，宁波市城市规划逐渐转型发展，强热岛和极强热岛区域面积虽有一定增加，但增长速率逐渐降低，为 10.91 km2/a。

5 结 论

本研究运用1987年～2015年间的Landsat影像、单窗算法开展宁波市近30年LST的估算和热岛强度提取是可行的，结果是可靠的。

(1)近30年宁波市LST和强热岛分布面积逐年增加，夏季全市热岛效应明显，同时全市热岛具有较强的区域性，热岛强度空间分布趋势与不透水面等下垫面空间分布趋势类似，植被和水体等LST较低的区域多为绿岛区，不透水面覆盖较多的城镇化发达区域多为强热岛区和极强热岛区。

(2)1998年以前宁波市各行政区热岛基本呈现单个热岛聚集的状态，而随着近些年宁波市对生态文明建设的重视，2007年以后各行政区城区内热岛逐渐分散，形成多个小次级热岛。

(3)近30年宁波市强热岛和极强热岛区域面积逐年增加，近30年增加了 352.10 km2，强热岛和极强热岛区域变化率先增加后降低，在1997年～2007年间变化率达到最大，为 28.27 km2/a，后续增加速率逐渐降低。