基于遥感的南京市冬季热岛效应研究

    梁芮涵

    摘要：工業的发展往往伴随着严重的热污染问题，城市热岛效应对城市空气质量及人类健康状况有极大的影响。为大范围整体监测分析，采用先进的遥感手段，可以及时监控地面热场的分布状况。本文利用南京地区2013年至2014年冬季Landsat 8影像，通过大气校正法对热红外波段影像进行了地表温度反演和定量解译。结合南京市当日历史气象数据，显示温度反演结果具有较高可信度。反演结果显示南京市冬季城市热岛效应并不明显，但工业区热岛现象相当显著，与其他部分地区温差高达6℃。初步分析，南京市城区冬季城市热岛效应不明显与冬季日照较弱，以及南方城市没有集中供暖等因素有关，工业区强热岛效应与工业热排放相关。本研究可给热岛效应的治理及市政建设、环境保护、人居环境优化等方面提供信息参考。

    关键词：热岛效应；南京市；遥感温度反演；Landsat 8

    1 引言：城市建设造成了城市下垫面性质变化、城市人工热源增加和城市建筑规模膨胀，这些因素均会导致城市热岛效应的发生和加剧[1]。热岛效应也称“大气热污染现象”，是指一个地区的气温高于周围地区的现象，中心的高温区就像突出海面的岛屿，所以就被形象地称为热岛。热岛效应会影响城市空气对流，不利于污染物的扩散，给居民的身体健康造成危害。同时夏季时热岛效应会加剧高温，危害室外工作者的身体健康[2]。遥感是指应用探测仪器，不与探测目标相接触，从远处把目标的电磁波特性记录下来，通过分析，揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术。搭载在卫星平台的遥感传感器，可以对地球表面进行大范围的连续动态观测，为研究带来了便利[3]。本文利用遥感手段反演南京市地表温度，进行南京市热岛效应研究。

    2 数据

    本文选用美国陆地卫星Landsat 8遥感数据对南京城市热岛效应进行地表温度反演和定量解译。数据选取了2013年11月5日、2013年12月1日、2014年1月2日、2014年11月8日、2014年12月4日等五个日期，成像时间为当地时间上午10：40左右。数据行列号为120行、38列[4]。

    Landsat 8数据的共有11个波段，其中1- 7波段为可见光近红外短波红外波段，空间分辨率30米；第8波段是全色波段，空间分辨率15米；第9波段是卷云波段，空间分辨率30米；第11和12波段是热红外波段，波段分辨率100米，卫星每16 天可以实现一次全球覆盖。

    3. 方法

    本文采用方法基于大气校正法[5]对Landsat 8 第10波段进行大气校正。大气校正法首先估计大气对地表热辐射的影响， 然后把这部分大气影响从卫星传感器所观测到的热辐射总量中减去， 从而得到地表热辐射强度， 再把这一热辐射强度转化为相应的地表温度。

    4. 温度反演结果与验证

    使用上述遥感数据与反演方法对南京市进行地表温度反演，反演结果如下图所示：

    *注：图1右下中的红点为南京市酒店分布图，可粗略代表南京市城区分布。

    为了验证南京市地表温度反演结果的正确性，本文选取了南京市的历史气象数据，来进行对比。见下表：

    在天气晴朗的情况下，一般每天的最低温出现在凌晨1：00左右，最高温出现在午后14：00左右[7]。考虑到遥感影像的成像时间为当地时间上午10：30左右，通过上表对照可知，遥感影像反演的可信度较高。

    5. 结论与讨论

    通过分析温度反演结果，可以明显发现南京市冬季热场的分布区域有较强的规律性。比如图像左侧中上部有一条狭长的低温带（经考证为自然风景区），图像中下部及右侧上部都有固定的高温区域（经考证为工业区）。

    通过结合南京市酒店分布图（酒店分布可大致反应城区分布）与反演结果地面资料可知：南京市冬季城市热岛效应较弱，但工业区热岛效应显著，与其他部分区域温差最高达6℃，工业区形成岛屿状的高温区域，界线清晰可辨。

    关于为何冬季城市区域热岛效应较弱而工业区热岛效应较强，初步分析有以下几点原因：

    1.冬季日照较弱，柏油路面等人工地面没有与树冠草地等自然地表有明显温差；

    2.南京市属于南方城市，没有城市集中供暖，导致城市与郊区没有明显热源差异；

    3.随着城市的发展，工业区外迁到城市周边区域，而工业区域的热排放使得在同一张影像中城市热岛效应更不明显；

    虽然南京市城市区域的热岛效应并不明显，但工业区的热岛效应显著，生活在工业区的居民需要注意由于热岛效应带来的空气污染不易消散、夏季加剧高温等问题。

    参考文献

    [1]彭少麟， 周凯， 叶有华，等. 城市热岛效应研究进展[J]. 生态环境学报， 2005， 14（4）：574-579.

    [2] 曾侠， 钱光明， 潘蔚娟. 珠江三角洲都市群城市热岛效应初步研究[J]. 气象， 2004， 30（10）：12-16.

    [3]李小文. 遥感科学与定量遥感[J]. 科学观察， 2006（5）：1-1.

    [4]初庆伟， 张洪群， 吴业炜，等. Landsat-8卫星数据应用探讨[J]. 遥感信息， 2013， 28（4）：110-114.

    [5]郑伟， 曾志远. 遥感图像大气校正方法综述[J]. 遥感信息， 2004（4）：66-70.

    [6]徐希孺. 遥感物理[J]. 北京： 北京大学出版社， 2005.

    [7]黄良美， 黄海霞， 项东云， 等. 南京市四种下垫面气温日变化规律及城市热岛效应[J]. 生态环境， 2007， 16（5）： 1411-1420.