南昌市热岛效应研究及分析

唐 豪，夏丽红

（1.江西师范大学，南昌 330022；2.邹岗中学，湖北 孝感 432917）

城市热岛效应是指当城市发展到一定规模时，由于城市下垫面的改变、大气污染以及人工废热的排放等原因使城市温度明显高于郊区的温度，形成类似高温孤岛的现象[1-3]。城市热岛是一种城市公害，尤其是在中纬度地区的夏季，它使原来就较高的气温又有所提高。城市热岛效应加剧了城市高温出现的频率和高温灾害，恶化了人类生存环境，容易引起一系列城市病和多发流行病[4-7]。

本文选择南昌市作为研究区，通过使用Landsat影像数据，利用ENVI5.3，建立一系列模型进行地表温度的反演，从而对南昌市热岛情况进行分析，以期为南昌市的生态建设提供理论建议。

1 研究区概况

南昌市地处江西中部偏北，位于赣江、抚河下游，鄱阳湖西南岸，属于亚热带湿润季风气候，气温变幅大，气候特征明显。

本文主要研究南昌市主城区的热岛效应强度及其十年内的时空变化情况，并以东湖区、青山湖区、青云谱区、西湖区四区为基础分析热岛效应的影响因素，其研究区范围如图1所示。

图1 研究区范围

2 资料与方法

2.1 数据来源与预处理

本研究选用的是1989年7月15日、2004年10月12日的遥感影像，其中1989年使用的是Landsat5TM 数据，使用的波段为1～7 波段，其中第6 波段分辨率为120 m，1～5、7 波段分辨率为30 m。2003年使用的是Landsat7ETM+数据。使用的波段为1～7 波段，其中第6 波段分辨率为60 m，1～5、7波段分辨率为30 m。两景影像轨道号均为121/040，影像覆盖了整个南昌市地区。本文主要研究区域为南昌市主城区，在数据预处理中进行了几何校正、配准以及图像裁剪等预处理。

2.2 地表亮度温度

利用TM6 波段波段热红外波段反演地表温度。由于不同地物间的发射率差别不大，而热岛研究中关注的是温度的相对高低，因此可以用亮度温度近似代替真实温度进行热岛研究[8-11]。本文使用单窗算法，结合Landsat5 TM 第6 波段进行地表温度反演。

首先将影像DN 值转换为星上辐射亮度值，对于Landsat8 与Landsat5 影像分别用以下公式计算：

式中，Lλ为波段λ的大气顶部光谱辐射值；Qcal为影像像元DN 值；ML和AL是波段λ的调整因子；Lmax与Lmin分别为Landsat5 TMλ波段的最大与最小辐射值，在影像数据头文件中可以获取。

然后，将星上辐射亮度转换成星上亮度温度：

式中，Tλ为传感器第λ波段的星上亮度温度（℃）；Lλ为第λ波段的辐射亮度值，K1、K2都为常量，可分别从Landsat8 的MTL 文件和Landsat5 影像头文件中获取。

2.3 地表温度归一化

由于所用影像的成像时间不同，用反演的温度直接进行比较显然不合理。为了消除时间的影响，本文利用式（4）对得到的地表温度进行归一化处理，将两个不同时期的地表温度值范围统一到0～1之间：

式中，Ni为第i个像元归一化后的值；Ti为第i个像元的地表温度值；Tmax为遥感影像中地表温度最大值；Tmin为遥感影像中地表温度最小值。

2.4 监督分类

采用ENVI5.3 中支持向量机的方法监督分类把地表覆盖类型分成了水体、自然表面、城市三类，如图2所示。

图2 南昌市土地利用分类

3 结果分析

3.1 空间分布分析

图3（a）为南昌市1989年7月15日的地表温度反演热岛强度图，图3（b）为南昌市2004年10月12日的热岛强度图。

图3 南昌市热岛强度

对比图3（a）和图3（b），笔者发现，南昌市主城区地面温度场从西北到东南方向有一个温度较高区，特别是东城区靠近赣江处和青云谱区中部和东北部区域地面温度明显高于其他地区。西湖区、青云谱区和青山湖区三区交界处也形成了一个温度较高区，这些温度较高区一起构成了南昌市主城区西北—东南地面温度较高区的分布格局。

从年际变化来看，南昌市的城市热岛空间分布范围明显扩大。城市热岛效应强度也不断增强，市区和郊区的温差增大，市区的热环境变差[12-13]。

3.2 分区地表温度分析

利用分区统计将南昌市主城区分为东湖区、西湖区、青山湖区、青云谱区四个部分，分别统计其地表温度得到以下结果，如表1所示。

表1 南昌市主城区各区温度值

从表1可以看出，同一时期，不同区域差异明显，1989年青云谱区的温度最高，2004年青山湖区温度最高。就区内同时期地面温度的差异而言，青山湖区的差异最大。不同时期最低温均出现在青山湖区。

3.3 地表温度与水体面积分析

图4 南昌市主城区各区地表温度与水体面积的关系

由图4对比分析各区的水体面积比例与地表温度之间的关系可发现，各区地面温度与水体面积比例呈负相关关系，水体面积比例上升0.2%，地面温度下降0.1 K 左右。可见，水体也是影响城市热岛效应的一大因素。同时，通过对比发现，青云谱区和青山湖区的水体面积比例较小，其温度差异却相对较大；东湖区和西湖区的水体面积比例较大，其温度差异却较小。由此可得出，水体面积比率较低对地面温度的影响要比较高的大。

4 结论

本文采用单窗算法得到的地表温度并用其分析城市热岛效应的状况。通过实例分析，笔者发现南昌市城市热岛效应的范围明显扩大，并且南昌市的热岛效应强度逐渐加强。同时，通过建立南昌市各区地表温度与水体面积比例的关系，笔者发现，水体面积与热岛强度呈负相关。