武汉城镇化与热岛效应的定量研究
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摘 要
针对目前城市化进程加快对城市增温和城市热岛效应的促进作用尚不十分明确的问题， 提出基于遥感技术的城镇化与热岛效应数量关系的构建。结果表明，１９８７－２０１３年间， 武汉市中城镇化水平（５０％ ～８０％ＩＳＡ）面积增加了１４．５倍，高城镇化水平（８０％～１００％ＩＳＡ）面积增加了２．８ 倍， 城镇化范围沿着武汉市主城区和主要干道不断扩张； 不透水面值与地表温度表现出明显正相关，不透水面值平均增加１％，可使地表温度增温０．０６ ℃ ～０．１９ ℃， 城镇化水平对武汉城市热岛效应作用明显。研究结果为探讨城市热岛效应的缓解对策提供了基础， 对合理规划和管理城市化意义重大。
引用格式：谢启姣，陈昆仑，金贵．武汉城镇化与热岛效应的定量研究［Ｊ］．测绘科学，２０１７，４２ （９）：７１-７６，８７．
正 文
城市化最直接的结果就是城市建设用地规模的不断扩大和城市人口的不断集中， 森林、耕地等自然地表逐步被混凝土、沥青、水泥等不透水地表所代替。这种城市下垫面覆盖特征的改变增加了城市地表的长波辐射、土壤热容量和热传导性，增加了城市的地表温度；城市建筑高度和密度的增加造成近地面风速下降， 降低了地面与大气之间热量和能量的交换， 促使地面向大气散热能量下降，从而造成地面温度升高；城市人口的聚集势必产生大量的生活、交通、工业废热等热排放，这些因素共同作用导致热量在城市范围内聚集，使得城市气温和地表温度明显高于郊区，即常说的“热岛效应”。城市局地温度的升高改变了动物的生理活动、植物的物候；城市热岛与城市污染、城市降水及城市云雾等其他气象现象相互作用、相互影响，从而促使“城市污岛” “城市雨岛”和“城市雾岛” 的形成，严重影响城市居民的健康、降低城市的宜居性， 导致城市生态系统的恶化； 城市的持续高温使城市能源消耗剧增， 反过来又加剧了城市污染和城市热岛效应。因此， 正确认识城市化对城市增温和城市热岛效应的影响机制有着重要意义。
大量研究表明，随着城市化进程的不断推进，城市人口增长、二三产业比例提高、基础设施建设加快、建成区范围扩张、能源消耗加大、社会经济发展等因素是城市平均气温升高、城郊气温差异化的重要原因， 主要是基于城市、郊区气象站点记录的气温比较， 参考统计年鉴选用相应的经济、城市发展等指标表征城市化水平， 揭示城市化进程与城市气温变化的关系。这些研究很好地印证了城市热岛效应的存在及城市化进程对城市热岛效应的正向推动作用， 但是： ① 忽略了城市空间特征的异质性， 不能很好地解释城市化水平的差异如何影响城市温度及城市热岛的时空变化；② 不同研究所选择城市化进程的表征指标都不一样， 结论缺乏可比性。近年来， 随着地理信息技术的发展， 使得遥感技术提取城市不透水面信息（ｉｍｐｅｒｖｉｏｕｓｓｕｒｆａｃｅａｒｅａｓ，ＩＳＡ）成为可能，而不透水面指数作为定量城市化水平和城市扩张的重要指标，也得到众多学者的认可。
武汉由于其炎热多湿的夏季气候特征， 城市热岛效应明显，随着城市规模的扩张和城市人口的增加，武汉市城区温度和热岛效应更是呈现出上升和扩张的趋势，但是武汉市城市化程度对城市增温及热岛效应的影响机制仍不明确。为更好地体现武汉市地表空间的异质性、凸显武汉市城郊温度的空间差异， 本文选择武汉市域范围为研究区域，选择不透水面指数表征武汉市城镇化发展水平，定量分析不透水面值对地表温度变化的影响，探讨城镇化水平对城市热岛效应的影响机制。
选择武汉市１９８７ 年９ 月２６ 日Ｌａｎｄｓａｔ５ 和２０１３年９月１７日的Ｌａｎｄｓａｔ８ 影像作为研究数据源，并以武汉市１：１０００００ 数字交通图为依据对１９８７年９月２６日Ｌａｎｄｓａｔ５ 影像数据进行几何校正和配准， 并对两期影像各波段进行辐射定标，对热红外波段（Ｌａｎｄｓａｔ５ 为６ 波段，Ｌａｎｄｓａｔ８ 为１０波段和１１波段）进行大气校正。研究所用Ｌａｎｄｓａｔ５数据只有一个热红外波段（ｂａｎｄ６），故采用单通道算法遥感反演武汉市１９８７年９月２６日的地表温度；Ｌａｎｄｓａｔ８影像热红外传感器有两个波段（ｂａｎｄ１０ 和ｂａｎｄ１１），本文采用劈窗算法进行武汉市２０１３年９月１７日的地表温度反演。
本文利用武汉市１９８７年和２０１３年的遥感影像进行地表温度反演， 分析武汉市城市热岛效应的时空特征，打破了传统城市热岛研究采用地面气象站点数据所受到的尺度及空间限制； 采用不透水面指数表征城镇化水平， 能从根本上避免不同研究选用经济、社会指标定量城市化带来的任意性和不可比性，也能较好地体现城市不同建设程度、地表覆盖等特征的空间差异。对两者的相互关系进行定量研究， 能较好地诠释城镇化对城市热岛效应的影响机制，研究主要结论如下：
１）对武汉市１９８７年和２０１３年的不透水面对比分析可知，２６年间武汉市中城镇化水平（５０～８０％ＩＳＡ）面积从１０９．９ｋｍ２增加到１６９９．９ｋｍ２，增加了１４．５倍，高城镇化水平（８０～１００％ＩＳＡ）面积从１７４ｋｍ２变化到６７０．４ｋｍ２，增加了２．８，主要是沿着武汉市主城区、郊区建成区及城市主要干道进行面状和线形扩张， 这符合武汉市相应时期的城镇化发展方向。
２）不同城镇化水平存在明显的热岛效应， 不透水面值分布与地表热岛分布有着良好的一致性，武汉市主城区、郊区建成区及研究范围内主要道路沿线城镇化程度较高的区域， 地表温度相对较高，热岛效应明显。１９８７ 年９ 月２６ 日， 武汉市高、中、低城镇化水平的热岛强度分别为８．７８℃、５．２７ ℃、２．９７ ℃；２０１３年９月１７日，武汉市高、中、低城镇化水平的热岛强度分别为４．７８ ℃、３．２５ ℃、２．０１ ℃。
３）城镇化程度较高（＞５０％ＩＳＡ）的区域，平均地表温度与不透水面值呈现明显的正相关性，Ｒ２分别为０．９８１（１９８７）和０．９４７（２０１３），不透水面指数能很好地解释城市地表温度的变化。城镇化水平的提高对城市地表温度的增加和城市热岛效应的加剧贡献明显，不透水面值平均每增加１％，可使地表增温０．０６～０．１９ ℃。
2017年（第42卷）第9期
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