城市热岛效应扩散背景下的城市生态脆弱性分析

随着全球城市化进程的加快，城市热岛效应因其对城市环境和城市生态系统的影响，近年来，被世界各国广泛关注。传统研究城市热岛效应的优点是借助气象数据时间上的连续不间断的特点，能够掌握城市热岛变化规律；最大的缺点是，由于气象站点密度低、分布不均，获得相关气象数据无法反映整个区域热环境变化特征。随着遥感技术的发展，通过遥感探测到的遥感数据，具有直观、不被人为干扰、多时相、覆盖范围比较广、能长期连续观测等优点，基本上克服了传统观测方法的不足。

由于城市地表地物覆盖的多样性，以及地形的不同，需要考虑的因素较多，使得利用热红外遥感数据反演城市地表温度时存在着较大的难度。覃志豪的单窗算法是针对陆地卫星的TM遥感影像的热红外波段提出的，参数较少，但是由于在地表温度反演过程中，缺乏实时的大气轮廓数据而不得不采用标准大气轮廓线，从而降低了反演地表温度的精准度。Artist&Camahan单窗算法是一种排除大气影响的地表温度反演方法，该方法首先对遥感影像进行亮温反演，然后将地表不同地物的辐射率引入实际地温的计算中，该方法的使用能够简化考虑大气的作用。因此本文选择Artist&Camahan单窗算法对研究区域陆面温度进行反演，进而分析路面温度的分布差异、变化，同时通过客观的建立城市热岛与土地利用类型之间相关性，利用归一化植被指数NDVI，定量分析热岛强度与植被覆盖度之间的关系，以期为改善天津市滨海新区人居环境和减弱城市热岛效应提供科学依据。

研究区域概况与研究数据来源

1 区域概况

天津滨海新区地处华北平原北部，位于中纬度欧亚大陆东岸，滨海新区属于大陆性季风气候，并具有海洋性气候特点。全年平均气温13.0℃。年平均降水量566.0毫米，降水随季节变化显著，冬、春季少，夏季集中。滨海新区成陆时间较短，主要为第四纪以来的河积海积物，土壤为草甸盐土和盐化草甸土，一般特征是土壤质地粘紧，通气、透水不良，瘠薄，土壤含盐量较高。

2 数据来源

本研究遥感数据来源为美国地质调查局（简称USGS）所提供的天津市滨海新区1992年7月30日LandsatTM、1998年5月28日LandsatTM、2006年7月21日LandsatETM+及2009年8月30日的LandsatETM+四个时相的数据，其他辅助数据：天津市从1951-2012年有关气象数据，另外还收集了研究地区的行政界限图及滨海新区1：5万地形图等。

地表温度的反演

本文通过运用Artist&Camahan单窗算法对研究区域陆面温度进行反演。对于TM数据的热红外波段来说，像元的亮度值与陆面温度成正比例关系，像元亮度值越大，陆面的温度越高，反之，像元的亮度值越小，陆面温度越低。通过图像的灰度值（DN）先转化成相应的热辐射强度值，进一步推算出相应的亮温值。

结果与分析

1 滨海新区地表温度反演结果

通过对天津市滨海新区1992年7月30日TM、1998年5月28日TM、2006年7月21日的ETM+及2009年8月30日ETM+图像进行计算和处理，最终反演出天津市滨海新区的地表温度，天津市滨海新区的地表温度分布不规则，高温分布面积相对较小，最高地表温度均超过37度，与最低温度相差15度以上，热岛现象比较明显，与天津市气象局所提供的气象数据基本上一致，说明本文采用的地表温度反演方法的选取和得到的结果均是合理的，因此可以根据反演的地表温度进行进一步的研究和分析。

2 城市热岛的界定

利用地表温度来研究城市热岛，首先需要对城市热岛进行界定。本文通过通过均值—标准差法，将研究区域城市地表温度划分为4级、5级、6级，将研究区域分为4级，代表热岛范围的高温区和次高温区面积过大，与实际不符，分为五级，热岛范围虽然有所缩小，但是整个研究区域被低温区所覆盖，中温区和次中温区面积较小，与实际不符，同时各温区之间的过渡不理想。经过比较后，将地表温度划分为6级，代表城市热岛的面积相对较小，低、中温区域面积较为合适，比较符合实际情况，且不同地物温度差异较明显，符合本文对城市热岛定量研究的要求。

3 热岛空间分布分析

通过均值一标准差法对研究区域不同时间的地表温度进行级别划分，按照特高温和高温区为城市热岛，确定研究区域的热岛范围，进而可以城市热岛的空间格局进行分析。

有分析结果看出，城市热岛主要分布在人口密集、经济发达的区域，而周边主要是次高温和中温区，有较少的低温散布在其中，较少部分特高温和高温区分散于滨海新区的西南地区，研究区域低温区和次中温区占较大面积，其范围主要以沿海地区、植被茂密和有水体的区域为主。从1992年到2009年城市热岛特高温区和高温区的面积有所增加，并呈现出由西南向东北和中部方向扩张的趋势，城市热岛范围在滨海新区开发区和开发区西区内迅速扩大，且较为集中，1992年的低温区和次中温区被2009年的特高温和高温区所替代，这与该地区城市化的快速发展是相一致的，而位于滨海新区西南部的中塘镇、小王庄镇、太平镇及大港区热岛范围缩小明显，大部分面积由次高温区和高温区转为次中温区和中温区，滨海新区开发区大部分面积为热岛所覆盖，热岛效应强度加剧，热环境恶化。

为了更直观地说明自1992年至2009年天津滨海新区城市各温区变化情况，本文同时利用Arcgis空间分析模块中的栅格计算器将1992年和2009年的亮温值进行差值计算，将2009年的亮温数据减去1992年的亮温数据，得到差值影响（图1。图例中正数为暖色表示2009年亮温级别上升的区块，数值越大，温度级别增加的越多，反之亦然。例如，图例中数值为5，说明该区域由1992年的低温区变为2009年的特高温区，负数为亮温级别下降的区域，绝对值越大说明亮温降低的越明显；过渡色表示亮温级别没有变化或者变化不明显。

从图中，我们依然能够看到1992到2009年天津市滨海新区，在温度上变化明显的区域主要集中在滨海新区的开发区及开发区西区，温度上升较明显，所占整个滨海新区整个面积较大且较为集中，而位于滨海新区西南部的中塘镇、小王庄镇、太平镇及大港区温度级别下降明显；17年间，北大港水库的温度变化不大。这说明滨海新区开说明城市化进程在滨海新区的中东部发展较为迅速，热岛分布随城市化的扩张而扩张。

4 城市热岛驱动力分析

影响城市热岛效应的驱动力因素有多种，其主要因素与下垫面的类型有关，也就是地表地物覆盖类型，本文研究的区域为滨海新区，地表地物可以认为是由建筑物、水体、以及植被所组成。由于滨海新区的水体所覆盖的面积相对于其他地物覆盖面积来说，比例相对较小，对城市热岛效应的影响不大，而主要影响城市热岛效应的地表地物是城市建筑物和植被。本文通过引用归一化植被指数（NDVI）和归一化建筑指数（NBVI）来反映城市建筑和植被覆盖密度，通过建立NDVI和NDBI与地表温度的相关关系，采用回归分析的数学方法作进一步分析。

NDVI地表温度的相关性最大可达到-0.634，可以看出热岛的分布和下垫面有关，NDVI值越高，地表温度越低，相反，NDVI低，地表温度越高，表明城市热岛主要分布在植被覆盖度较低的区域，同时也说明地表植被覆盖对城市热岛起到抑制的作用。图中1992年和1998年NDVI的值多分布在零值右侧，说明滨海新区的植被覆盖密度较高，从2006年开始，多数NDVI值由开始向零值靠近，到2009年多数NDVI值开始趋于负值，滨海新区的植被覆盖度明显降低。可以看到，自1992年以来，随着滨海新区城市化进程的迅速发展，对于土地的使用需求，导致大量的自然景观变为民用和工业用地，绿地面积急剧缩小，城市生态系统受到较大的影响，缓解城市热岛的能力也相应的被削弱。

主要结论

基于Landsat影像对城市热岛的研究结果符合研究区域的实际情况，通过运用遥感技术对城市热岛的检测较为全面和详细的反映了城市热岛分布和变化特征；自1992年起，17年间滨海新区城市热岛分布由新区西南向开发区转移，热岛分布面积有增加的趋势，因此要将滨海新区开发区作为缓解滨海新区城市热岛效应的重点区域；通过建立植被覆盖度与地表温度的相关性，得出植被覆盖度与地表温度负相关，说明地表覆盖植被对城市热岛效应有抑制的作用，不过，随着城市的发展，绿地面积急剧缩小，削弱了缓解城市热岛效应的能力。

在未来的新区建设发展中，为了最大限度的缓解城市热岛效应，城市规划、设计应与生态保护相结合，扩大绿地面积，提高生态环境质量，通过打造城市绿色空间来缓解城市热岛效应的影响。