基于遥感技术的城市热岛效应研究综述
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作者: 林悦瑜
[摘要] 该文对城市热岛效应的概念、产生原因及其危害进行了介绍，着重论述了遥感技术在城市热岛效应研究与监测过程中的作用，并综述了福州、北京、南京和武汉四个城市的热岛效应研究。
[关键词] 城市热岛效应 植被指数 城镇化 遥感技术
1 引言
近年来，城市热岛效应越来越受到人们的关注，国内外的许多专家和学者也都对城市热岛效应进行了大量的研究，从城市热岛的产生原因、危害和防止等方面入手，取得了很大的进展。随着遥感技术等现代科技的广泛应用，在新技术的支持下，城市热岛效应的研究也进入了一个新阶段。
2 城市热岛效应概述
2.1 城市热岛效应的概念
城市热岛通常是指在气温上，城区气温高、郊区气温低的现象，在温度空间分布上，城市犹如一个温暖的岛屿。城市热岛是一种城市公害，尤其是在中低纬度地区的夏季，它使原来就比较高的气温更高了。城市热岛效应加剧了城市高温出现的频率和高温灾害，并因此带来了巨大的经济损失。
2.2 城市热岛效应产生的原因及其危害
2.2.1城市热岛效应产生的原因
产生城市热岛效应的主要因素有:（1）市区人口密度、建筑物密度高。(2)人为排热和大气污染严重。(3)城区内绿地面积少，而裸露地表和反射率较高的人工建筑物和地表较多。(4)有集中的人工热源。
2.2.2城市热岛效应的危害
城市热岛效应的危害主要包括：（1）市区高温对人的影响。经研究发现，人口死亡率与温度密切相关，气温高于34摄氏度，死亡率明显增加。（2）促使光化学烟雾的形成。高温季节，汽车尾气和工厂排放废气中的氮氧化物和碳氢化物，经光化学反应形成一种蓝色的烟雾，在热岛的影响下，形成二次污染物。热岛的强度越大，这种光化学烟雾就越大，危害就越强。（3）热岛效应加重了城区的污染，增加对能源的需求。由于热岛的存在，增强了逆流效应，使原本扩散到郊区的污染气体又重新地被吹回市区，增强了市区空气的污染。
3 遥感技术与城市热岛效应
3.1 城市热岛效应的监测方法
目前，对城市热岛效应的监测方法主要有以下几种：
3.1.1 气象站法。传统的热岛效应运用气象站历史数据，选取若干个温度指标，分析一个城市或区域在不同发展阶段热岛特征变化情况。气象站数据可以描述城市热岛的历史演变过程。
3.1.2 定点观测法。根据城市热岛空间分布状况，定点观测可以从水平和垂直方向 2 个方面考虑。其中，城市热岛水平分布特征一般是选用城郊若干个典型的位置，进行数项温度气候指标的测定比较；或者是利用横穿城市剖线进行观测研究。
3.1.3 运动样带法。运动样带法通常是在车辆上安装气温测定传感器，并连接着一个便携式的数据采集器。一般数据每16s采集一次，车速保持在20～30km/h，传感器安装在距车顶0.6m，距地面1.45m 高处，以避免发动机和尾气热量的影响。
3.1.4 遥感测定法。根据地物在不同波段辐射值的差异，利用热红外传感器对城市地表温度进行大面积观测，通过计算得到地物热量空间分布。
3.1.5 模拟预测。城市热岛效应常用研究模型有统计模型、能量平衡模型、数值模型、解析模型和物理模型等。
3.2 城市热岛效应的遥感调查
最早利用遥感手段进行的热岛效应研究可以追溯到1972年，Rao首次将遥感技术应用于城市热岛效应的研究[1]。从那以后，遥感技术就被广泛用于城市热岛的研究中。其数据源主要包括航天、航空和地面的数据。目前，城市热岛效应的遥感监测方法主要有：基于温度的热岛监测方法、基于植被指数的热岛监测方法、基于“热力景观”的热岛监测方法等。
3.2.1基于温度的热岛监测方法
由于热红外遥感记录的是地表物体的发射辐射、环境及大气的辐射之和，可方便地换成卫星亮温。卫星亮温、地温和气温三者之间关系密切，因而基于温度的城市热岛监测方法便成为进行城市热岛研究最常用、最直观的方法[2]。根据处理温度手段的不同温度监测方法又可以分为两小类：基于亮度温度的监测方法和基于地表温度的监测方法。基于亮温进行城市热岛研究一般都假设由于城市区域范围有限，可以认为研究区水汽状况近似一致，因而大气对辐射亮温的影响可以忽略。但是，由于地表热辐射在其传导过程中受到大气和辐射面的多重影响，卫星遥感所观测到的热辐射强度已不再是单纯的地表热辐射强度，亮温同地表真实温度往往相差很大，有时达到5～6K，因而使用亮温直接进行城市热岛研究有着很大的局限性[3]。
3.2.2基于植被指数的热岛监测方法
目前，植被指数作为反映地表植被信息的最重要信息源，已被广泛用来定性和定量评价植被覆盖及其活力。1993年，GALLO等首次运用由AVHRR数据获得的植被指数估测了城市热岛效应在引起城乡气温差异方面的作用。结果表明，同地表辐射温度一样，植被指数和城乡气温之间也存在明显的线性关系，而且在解释平均最低气温的空间变化方面更为有利。进一步研究表明，在地表特征基本未变的情况下，城乡之间的NDVI差异同城乡之间最低气温差异的关系比之同期的城乡地表温度与城乡最低气温差异的关系要紧密且更稳定。城乡间NDVI的差别可能成为导致城乡两种不同环境下最低气温差异的地表物质属性标志[4]。
3.2.3基于“热力景观”的热岛监测方法
基于“热力景观”的监测方法系，胡华浪、陈云浩等借鉴景观生态学的研究方法引入了“热力景观”概念，在遥感技术的支持下用景观的观点来研究GIS ，城市热环境建立了一套热环境空间格局与过程研究方法和评价指标体系[5]。该方法的评价指标由分维数、形状指数、优势度、破碎度、分离度及多样性等组成，使用该方法对上海市热环境的空间格局和动态演变特征进行了分析。结果表明，热力景观随城市发展而日趋破碎、细化，人类活动对热力缀块有着巨大的影响。
4 城市热岛效应研究实例
福州市位于我国东南沿海，福建省东部，闽江下游。地貌属典型的河口盆地，城区位于盆区中央。盆地四周被群山峻岭所环抱，其海拔多在600～1000米之间。东有鼓山，西有旗山，南有五虎山，北有莲花峰。境内地势自西向东倾斜。由于地形的闭塞，不利于气流流动，造成热岛的加剧，夏季中午气温高达36℃以上。近几年，福州成为全国新三大火炉之一，除了气候变化的原因外，城市热岛效应也是高温的重要原因之一。福建师范大学的林志垒应用1998年和1992年福州市卫星影像数据，对福州市热岛效应进行动态研究，结果表明：随着城市建设的发展，原热岛范围内高温区增加，热岛范围明显扩大，尤其是市区东部发展最快，同时热岛外围小热岛也不断涌现[6]。究其原因主要有如下几点：（1）城市“水泥化”，不透水面增多。（2）城市建筑物密度大。高楼林立，建筑物密集，使得地表风速通风不良，不利于热量向外扩散。（3）大量人为热释放。工业、交通、人民生活中使用能源释放大量热能。
季崇萍等利用1971年～2000年北京20个气象观测站逐日4个时次的温度资料，选取具有代表性的城区和郊区多个站点的平均值，对北京城市化进程对城市热岛效应的影响、城市热岛强度的日变化和长期变化进行了研究。李俊杰等利用两个时相的MODIS 31 波段数据，生成南京城市亮温场，分析了南京热场的分布、大小，利用亮温场均值、方差和相对温度评价城市热岛强度，并对两个时相城市热场的范围及强度变化进行了分析。张穗等利用武汉市地区的LANDSAT7、TM图像对于热红外波段遥感图像灰度值和地面温度之间的关系进行了定量的解译，并且采用IHS图像复合增强的方法得到了武汉市地面热场分布图，取得了很好的模拟效果[7]。
5 结语
本文结合城市热岛效应研究实例，对城市热岛效应的概念、产生原因及危害等进行了概括性的介绍，着重论述了“3S”技术在城市热岛效应研究过程中的作用,以福州、北京、武汉等地为例介绍了城市热岛效应的研究进展。温度及土地利用类型是影响城市热岛效应最关键的两类指标，因此，遥感技术及城镇化进程在热岛效应研究过程中起到了重要的作用。对于城市热岛现象的研究，目前的监测方法尚无法解决或降低热岛效应的危害，要改善城市热岛效应的影响，就必须综合考虑各方因素，有的放矢，才能从根本上解决问题。
参考文献：
[1] Rao P k. Remote sensing of urban heat islands from an environmen2tal satellite[J].Bulletin of the American Meteorological Society,1972,53:647-648.
[2] 赵英时.遥感应用分析原理与方法[M].北京:科学出版社,2003.
[3] Weng Qihao.Fractal analysis of Satellite - detected Urban Heat Is land Effect[J]. Photogram metric Engineering & Remote Sensing, 2003, 69(5): 555-566.
[4] 周淑贞,束炯.城市气候学[M].北京:气象出版社, 1994.
[5] 胡华浪,陈云浩,宫阿都等.城市热岛的遥感研究进展[J].国土资源遥感,2005, 65(3):5-9.
[6] 林志垒.福州市热岛效应动态分析研究[J].四川测绘,2001,24(3):140-143.
[7] 张穗,何报寅,杜耘.武汉市城区热岛效应的遥感研究[J].长江流域资源与环境,2003,12(5):445-449.
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