（气象学专业论文）基于rs与gis北京城市热岛效应时空变化特征的研究.pdf

摘要 热岛效应是城市气候显著特征之一，利用遥感手段可以方便动态得到大范嗣研究对象热场空 间分布信息便丁- 对其进行城市热岛效应研究。本文在详细分析近年来国内外研究进展基础上，以 北京为研究区，利用n o a a - a v h r r 、l a n d s a t 5t m 、l a n d s a t 7e 1 、m + 和m o d i s 的不同平台遥感 数据获得北京市热场信息进而研究其城市热岛效应。 分别选取1 9 9 2 年4 月1 3 日0 3 时和2 0 0 1 年8 月9 日0 5 时的夜间n o a a 夜景影像，对比分 析北京城市热岛的时空变化特征。另外，还选用了1 9 8 7 年7 月8 日、1 9 9 9 年7 月1 日、2 0 0 2 年 5 月2 2 日和2 0 0 5 年5 月6 日l a n d s a t 卫星影像研究北京规划区地表城市热岛( s u h i ) 。利用热红 外通道计算地表辐射亮渝，采用决策树分类法对影像进行城区土地利用覆盖分类，在土地利用? 覆盖分类基础上进行比辐射率纠正后基t - a r t i s c a m a h a n 算法计算出地表温度，进而分析北京 市规划区1 9 8 7 - 2 0 0 5 年间的地表城市热岛空间分布特征。本文还利用2 0 0 5 年6 月2 9 日0 2 时、 2 0 0 5 年6 月3 0 日1 2 时、2 0 0 5 年7 月5 日1 2 时、2 0 0 5 年7 月5 日2 1 时、2 0 0 5 年l o 月9 日1 0 时和2 0 0 5 年l o 月9 日2 1 时的m o d i s 卫星数据研究北京市的热岛效应( u h i ) 时空分布规律。 此外，还分析了2 0 0 5 年7 月5 日1 0 时和2 l 时3 0 个自动气象站的气温数据和同步辐射亮温的关 系，并探讨了归一化植被指数( n d v i ) 和辐射亮温的关系。 研究表明：士地利用土地覆盖类型与地表城市热岛相应对应关系；辐射亮温、地表温度分 别与n d v i 旱负相关；日间的辐射亮温与气温相关性较夜间明显，亮温与气温的变幅一致；热岛 强度昼夜变化特征明显，夜间城市热岛现象较日问强烈：出现城市热岛现象面积比例逐年增加， 地表城市热岛变化趋势与城市化进程一致，城市化是城市热岛效应增强的主要的因素。 关键词：城市热岛，时空变化，北京，n o a a a v h r r ，l a n d s a t 。m o d i s a b s t r a c t u r b a nh e a ti s l a n d ( u h di st h em o s tr e m a r k a b l ec h a r a c t e r i s t i co ft h eu r b a ne l i m a t e ，t e m p o r a la n d s p a t i a ld i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h es u r f a c et e m p e r a t u r ep a t t e r nc a nb em e a s u r e db yt h er e m o t e s e n s i n g ( r s ) a n du s e dt or e s e a r c hu h i w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h er st e c h n o l o g ym o r ea n dm o r e o v e r s e a sa n dd o m e s t i cs c h o l a r sh a v es t u d i e du h lb a s e do nr s b a s e do nt 1 1 ea n a l y s i so ft h ee v o l v e m e n to fu h i ，t h er sd a t a si n c l u d i n gn o a a ，l a n d s a ta n d m o d i sw e r eu s e dt os t u d yu h ii nb e i j i n g l e a s t - c l o u d e dn i g h t - s c a l e so fn o a a - a v h r ra c q u i r e d b e t w e e n1 9 9 1a n d2 0 0 1w e r es e l e c t e dt og e n e r a t el a n d - s u r f a c et e m p e r a t u r e ( l s t ) m a p st oa n a l y s e t e m p o r a la n ds p a t i a lp a t t e r n so fu h if o re a c hn o a ai m a g e l a n d s a ts a t e l l i t ei m a g e so fb e i j i n g a c q u i r e do nj u l8 ，1 9 8 7 ，j u l1 ，1 9 9 9 ，m a y2 2 ，2 0 0 2a n dm a y6 ，2 0 0 5 ，w e r es t u d i e dt oi n v e s t i g a t et h e u h io fl a y o u tr e g i o ni nb e i j i n g t h ed e c i s i o nt r e ec l a s s i f i c a t i o na l g o r i t h mw a su s e dt og e tt h em e r g e d c l a s s i f i c a t i o nc o l o rm a po ft h ef o u rt e m p o r a li m a g e s s e c o n d l yt h eb r i g h t n e s st e m p e r a t u r ew a sd e r i v e d f r o mt h ei n f f a r e dc h a r m e l so fl a n d s a t 5a n dl a n d s a t 7 t h en e x ts t e di st oc o m p u t et h el a n ds u r f a c e t e m p e r a t u r eb yu s i n ge m i s s i v i t yc o r r e c t i o nb a s e do na r t i s c a m a h a na l g o r i t h m t h ep a p e ra l s o a n a l y z e dt h es u r f a c eu r b a nh e a ti s l a n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h es t u d ya r o af r o m 1 9 8 7t o2 0 0 5 t h ea i r t e m p e r a t u r ed a t am e a s u r e df r o m3 0w e a t h e rs t a t i o n sw e r er e q u i r e do nt 0 ：0 0 ，1 2 ：0 0a n d2 1 ：0 0j u l y1 5 ， 2 0 0 5 m o d i sd a t aw e r ea c q u i r e do nt h es a b l et i m ew i t hm e t e o r o l o g i c a ld a t a t h ec o r r e l a t i v i t yb e t w e e n a i rt e m p e r a t u r ea n db r i g h t n e s st e m p e r a t u r ew e r ea n a l y z e d m e a n w h i l e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nn d v i a n db r i g h t n e s st e m p e r a t u r ew a si n v e s t i g a t e d r e s u l t ss h o w e dt h a t ：1 ) t t h eu h ip h e n o m e n o nw a sm a r k e d 2 1t h e r ei sac l o s e dr e l a t i o n s h i p b e t w e e nl a n d u s ea n du h i 3 ) t h eu h ii n t e n s i t yh a dd a y - n i g h t c h a n g i n gc h a r a c t e r t h eu h i p h e n o m e n o nw a sm o r ep a l p a b l e 4 ) t h eu h ia r e aw a sa c c e s s o r i a li nb e i j i n g t h ei n c r e a s i n ga r e ao f s u h ic o n c e r n e dw i t hu r b a ne x p a n s i o na r e a u r b a n i z a t i o np m c e s si st h em a i nr e a s o nf o rs u h ia r e a i n c r e a s e 5 ) b r i g h t n e s st e m p e r a t u r e ，l a n ds u r f a c et e m p e r a t u r ep o s s e s s e dn e g a t i v ec o r r e l a t i o nw i t hn d v i 6 ) t h ea i rt e m p e r a t u r em e a s u r e df r o mw e a t h e rs t a t i o n si sr e l a t e dw i t ht h ea t - s a t e l l i t eb r i g h t n e s s t e m p e r a t u r e ，t h er e l a t i v i t yw a sm o r ee v i d e n ta td a y t i m et h a na tn i g h t k e y w o r d s ： u r b a nh e a ti s l a n d ，t e m p o r a la n ds p a c i a ld i s t r i b u t i o n ，b e i j i n g , n o a a - a v h r r ，l a n d s a t ， m o d i s i i 图表目录 图1 1 北京、天津和上海非农业人口随时间变化( 引自1 ) 1 图1 2 北京市1 9 8 7 年和2 0 0 2 年土地利用覆盖图2 图1 3 城市热岛示意图( 引自1 1 9 ) 2 图2 12 0 0 5 年5 月6 日北京市卫星影像图9 图2 2 技术路线图1 8 图3 1基于n o a a a v h r r 北京城区热场分布( ) 2 1 图3 2 夜间北京n o a a 过境时刻地表温度频率统计2 1 图3 - 32 0 0 5 年5 月6 日基丁l a n d s a t t m 北京市研究范围的地表温度图像。2 2 图3 4 基于l a n d s a t 研究区域的地表城市热岛，1 9 8 7 - 2 0 0 5 2 4 图3 - 5 不同时相m o d i s 北京城区热岛分布( k ) 2 6 图3 6 北京m o d i s 影像地表温度分布统计2 7 图3 7 基于l a n d s a tt m 规划区地表热场在白天和晚上变化( ) ，2 8 图3 - 81 9 8 7 - - 2 0 0 5 年研究范围的分类图像。3 0 图3 - 9 历年不同地类地表城市热岛( s u h l ) 3 1 图3 1 0 1 9 8 7 - - 2 0 0 5 地类与s u h i 关系3 1 图3 - 1 1 城市热岛所占面积比例随时问变化3 2 图3 1 2 地表城市热岛剖面图3 2 图3 1 32 0 0 5 年7 月5 日1 2 时北京市亮温差值与n d v i 差值关系3 3 图3 - 1 4 北京市2 0 0 5 年7 月5 日l o 时和2 1 时气温与亮温空间分布3 4 圈3 1 5 2 0 0 5 年7 月5 日1 0 时气温与亮温变化一3 5 图3 1 62 0 0 5 年7 月5 日1 2 时气温与亮温关系3 5 图3 - 1 72 0 0 5 年7 月5 日2 1 时气温与亮温关系( ) 3 6 图3 1 82 0 0 5 年6 月3 0 日1 2 时热岛效应与其它社会因素的关系( ) 3 6 表2 1 表2 2 表2 3 表2 _ 4 表3 - 1 表3 - 2 n o a a a v h r r 技术参数。 l a n d s a t 5t m 和l a n d s a t 7e t m 7 技术参数 所用l a n d s a t 数据 所选用m o d i s 数据 典型地类部分样点波谱亮度值 1 9 8 7 - - 2 0 0 5 年规划区内各地类所占面积比例变化 1 0 1 1 1 1 1 2 2 9 2 9 独创性声明 y 9 3 9 3 4 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 鸟昔 时间： 2 0 0 6 年月肜日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 导师签名： 彭酱 时间：2 0 0 6 年6 月1 9 日 对酾帆z 晰邮 中国农业大学硕十学位论文 第一章前占 第一章前言 1 1 研究意义 城市气候是由于城札昕在的地区经城市化以后，在特殊的r 垫面条件和人类活动的影响f 形 成的- 7 巾局地气候( 徐祥德，2 0 0 2 ) 。城市热岛效虑成为城市气候最明显的特征之一( 徐祥德- 2 0 0 2 ) ，因此在研究城市热岛效应前，首先要明白城市化问题。城市化是人一地关系的焦点，是 社会经济发展中地区性的内外循环相瓦作用流场中的涡漩，城市化水平已经成为衡量一个国家或 地区经济、社会发展程度的重要指标之一，城市化已经成为大多数囝家经济走向强人和稳定、人 民生活水平不断提高的基本象征( 陈述彭，1 9 9 9 ) 。 随着科学技术i 丛猛发展，社会、政治和经济发展迅速。同时伴随着城市化进程不断加快城 市规模不断向周同乡村扩展，逐渐吞噬周围粮田、绿地变为人类活动密集城市。4 e 京城市化的 进程更为明显，2 0 0 0 年北京非农业人l _ ：i 比1 9 8 5 年增加了2 0 0 多万( 图1 i ) 。图1 - 2 为基于决策 树分类法利用l a n d s a t 表征北京市土地利用，覆盖情况，其中红色区域代表北京城托，绿色区域代 袭植被覆盖区域，蓝色表示水体。左图为1 9 8 7 年北京市土地利用僵盖状况，右图为2 0 0 2 年北京 城区十地利用属蔫状况，与1 9 8 7 年相比，城区面积显著增加( 两幅为陆地卫星影像几俩分辨 幸均为3 0 m ) ，城区明显向外扩张。 随着北京帆经济发展，城市化的高速发展伴随着生态环境的恶化，城市大气环境问题成了当 前城市发展中的重要研究目标。北京作为超大城市，其下垫面条仆对大气环境造成的影响尤为明 显。针对北京城市建设与气象预报和服务的需要，如何减轻城市发展对生态环境带来的不利影响， 是一项急需解决的课题。城市热岛效应是城市气候中最显著的特征，北京城市热岛状况相当严重， 极大影响北京的大气环境质黄。开展对北京城市热岛方面的研究，具有重要意义。在这样特殊背 景下，城市热岛研究成为当前城市气候和城市环境研究中晟紧迫的任务之一，本研究就是基于不 同卫星遥感平台的遥感数据结台g i s 技术研究北京城市热岛时空变化特征，为制定防止环境质量 进一步恶化的行政决策提供技术支持。 图1 1 北京、天津和上海非表业人口随时阊变化( 引自 1 】) f j gl - l c h a z l g c so f n o a - a g r i c u l t u r a lp o p u l a t i o n i n b e i j i n gt i a n j i n a n ds h a n g h a i 中国农业大学硕士学位论文 第一章前言 图1 2 北京市1 9 8 7 年和2 0 0 2 年土地利用覆盖图 f i g1 2l a n d u s e c o v e r m a p s ，1 9 8 7a n d2 0 0 2 1 2 城市热岛效应概念 城市最有特色且不同于其它地域的气候特征就是城市热岛效应。早在1 8 3 3 年，英国的h o w a r d 等气象学家在对城市气候变化特征的研究中，相继发现城市地区气温比其以外地区高的现象。 h o w a r d 在人类历史上第一次发现伦敦市城市利郊区的气温温差现象，并将此发现后来公布于科 学杂志伦敦气象之中。1 9 1 8 年，h o w a r d 又在伦敦的气候一书中，把伦敦市的市区气温 比周嗣相邻的农村气温高的现象称为“u r b a n h e a t i s l a n d ”和“h o t i s l a n d e f f e c t ”，即“城市热岛” 和“热岛效应”。h o w a r d 关于城市和郊区气温差现象开创人类首次有目的、有文字记载的城市热 岛效应先例。城市热岛效应这一特殊的气候现象为人类关丁城市气候研究拉开了新的帷幕。 o k e 根据在北美加拿人多次观测城市热岛的实例，勾画出城市热岛气温剖面图( 见图1 - 3 ) 。 从图中可以明显看出，从农村到城市的近郊温度陡然上升，形成一个温度“陡坡”，然后到了城 区温度相对比较平缓，形成一个温度“高原”。而在人口密集的市中心商业区或者其它高密度的 城区，温度一般最高，形成一个温度“山峰”。剖面图形象呈现了城区温度明显比郊区高，城市 这个高温“岛”被周围低温的农村郊区包围的现象。另外，公园、高尔夫球场等植被较好或水体等 能够缓解热岛效应。 图1 - 3 城市热岛示意围( 目l f l 1 9 ) f i g 1 - 3u r b a nh e a ti s l a n dp r o f i l e 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章前言 热岛定义可以从城市大气不同层或各种各样地表，甚至亚地表角度来定义( o k e ，1 9 9 7 ) 。根 据数据资料和研究手段城市热岛可以划分为大气城市热岛和地表城市热岛( s u h i ) 。大气热岛可 以在城市冠层( u r b a nb o u n d a r yl a y e r ，u b l ) 和城市边界层( u r b a nc a n o p yl a y e r u c l ) 上定 义。u c l 多指在城市大气从大约平均建筑物高度处垂直向下至地表的范围，与u b l 相比u c l 位 于下层，受城市地表的影响更强。u c l 城市热岛主要指处在一定高度( 绑定在交通工具或在 s c r e e n - l e v e l ) 的传感器测量所得，而u b l 热岛是由高度更高更专业的高塔、探空气球或者空基遥 感观测设备等传感器平台测量所得。 地表城市热岛s u h i ( s u r f a c eu r b a nh e a ti s l a n d ) 是基于热红外遥感的城市热岛，热红外遥感 观测到的仅仅是遥感传感器接收到的上行热红外辐射的空间模式，一般是指方向辐射温度或者仅 仅做了大气纠正的方向辐射亮温。其中地表辐射温度是通过具有一定视场角的传感器所“看到” 辐照度来估测，影响它的主要因素包括地表比辐射率、地表几何形状、大气、传感器和地表之问 的程辐射等。此外，卫星遥感所观测到的往往是真实城市表面一部分，有些底层地物经常被忽略 例如树冠f 的地物等，卫星所表达的城市地表与真实情况有若异。 局地天气形势与气象条件是形成城市热岛的外部闻索，城市化等人为因素是形成城市热岛的 内部冈素。在城市化的人为因素中以城市下垫面的性质改变、“人为热茸”过量排放和大气污染 最为重要。局地天气形势和气象条件中天气形势、风向、风速、云量的关系最为关键( 徐祥德， 2 0 0 2 ) 。 1 3 国内外研究现状 1 - 3 1 基于地面观测城市热岛的文献综述 在城市气候学中主要关心是城市气温与周围郊区气温的差异，这种差异可以用来描述城市热 岛效应( l a n d s b e r g ，1 9 8 1 ) 。 城市热岛效应的研究手段主要包括：1 ) 通过地面观测数据进行城市热岛的研究：2 ) 利用p 星遥感数据进行城市热岛的研究。地面观澳4 数据进行城市热岛的研究的方法主要包括：对城区 和郊区气象站点的气温数据对比监测：对城市各气象站历史的气温数据进行前后对比；对流 动观测所获得城市和郊区的温度数据对比研究。在城市热岛地面气象观测研究中，大多数学者应 用o k e 所提出的城市热岛强度定义，即以热岛中心( 城区) 气温减去同时间同高度“臣常是距地 1 5 m 高处) 附近郊区的气温差值来表示热岛强度，也有人主张用c h a n d l e r 所提出城区各站平均气 温与同时间同高度附近郊区各站的平均气温的差值来表示。从中外学者对城市热岛强度观测实例 来看，城市热岛强度有周期性变化和非周期性变化( 周淑贞，1 9 8 1 ) ，周期性变化主要包括日变 化和季节变化等。 城市热岛强度有明显的昼夜变化规律。当在风速较小的晴天或少云天气适宜条件f 城市热岛 强度大都是白昼午间弱，夜晚强( 周淑贞，1 9 9 4 ) 。o k e ( 1 9 7 1 ) 根据中纬度大量实测纪录归纳出 在“理想状态一卜( 城、郊地形平坦，天气晴朗、小风) 城市热岛强度日变化的模式曲线。该曲线 显示出，在日落后由于城区气温下降缓慢，相对于快速降温的郊区大气来说，形成城市热岛。舀 落后3 5 小时达到最强。子夜以后，热岛强度开始逐渐减小。日出后到近中午，城、郊温差变得 很小，甚至有些地区郊区气温高于城区气温。对此各国学者进行了大量的研究，如c h a n d l e r ( 1 9 6 5 ) 中国农业大学硕士学位论文 第一章前言 对英国莱斯特、h a g e ( 1 9 7 5 ) 对加拿大的埃德蒙顿，o k e ( 1 9 7 5 ) 等对蒙特利尔和温哥华、l e e 对伦敦( 1 9 7 9 ) 等，城市热岛强度日变化的研究结果与o k e 归纳的情况具有一致性，只是夜间热 岛最大强度出现时间各有不同。我国的广州( 杨士弘等，1 9 8 4 ) 、上海( 焦敦基等，1 9 9 1 ) 、南京 ( 虞静明等，1 9 8 5 ) 、哈尔滨( 周琳主编。1 9 9 1 ) 等城市的热岛强度日变化特征与o k e 所提出模 式较接近。 相比较，城市热岛强度季节变化规律不如日变化规律明显。由于区域气候条件和城市人为因 素影响，城市热岛的强度季节变化因城市而异，不同城市的热岛强度季节的变化特征存在差异， 没有固定的模式。天津的城市热岛强度有明显季节变化，其中冬季的热岛强度最强，夏季次之， 春季最弱。沈阳与兰州等几个j b 方城市热岛强度季节变化规律与天津有较人致性。而南方城市 则表现出明显不同，在上海秋季的热岛强度最强，夏季最弱：广州的热岛强度也是冬季最强，但 春季最弱( 孙亦敏，1 9 8 8 ) 。在北京，有学者研究发现冬季的热岛强度最强，还有学者则发现夏 季最强( 张佳华，2 0 0 5 ) 。 城市热环境及其熟效应与城市生态环境关系密切，影响着城市气候、城市能量代谢、物质循 环、大气环境和生物习性等，并成为城市气候与环境主要的研究内容之一。1 9 9 7 年美国航空航天 局( n a s a ) 和环保署( e p a ) 共同承担的“u r b a nh e a ti s l a n dp i l o ta r o j e e t ”计划( 研究区域主要包 括：l o sa n g e l e , s 、c h i c a g o 、s a l tl a k ec i t y 、s a c r a m e n t o 、b a t o nr o u g e 等城市) ，该计划的目的是 基于地面观测和遥感技术进行夏季城市热岛的研究与治理工作。随后，加拿大也发起了“c o o l t o r o n t op r o j e c t ”计划，目的是缓解多伦多城市热岛效应的影响。另外，日本、西欧等也启动了类 似的研究计划( 胡华浪，2 0 0 5 ) 。随着科学技术发展，地基观测方法不断成熟，许多学者开始利 用自动气象站或大规模空气测量网络方法监测城市热岛，s ，d o e d z e l m a n ( 2 0 0 0 ) 利用1 9 9 7 1 9 9 8 年纽约市内2 5 个国家气象站及5 0 个志愿站点的气象数据对纽约市的城市热岛进行了中尺度的分 析。2 0 0 1 年夏季p gm e s t a y e r 等在法国m a r s e i l l e 利用在城市边界层中安装的2 0 个空气温湿 探头的网络研究了城市热岛效应。2 0 0 1 年夏季j e r o m edf a s t 等在p h o e n i x ，a r i z o n a 进行的城市 空气质最试验中，利用空气温度和地表温度的测量网络的6 l 天数据研究了城市热岛的幅度及变 化。 我国许多学者从上世纪7 0 年代末、8 0 年代初已经开始对城市热岛进行研究，周淑贞、焦敦 基、徐兆生、杨七宏、吴艳标、虞静明、周明煜、张如一、吴永莲和刘万军等分别对上海、广州、 南京、北京和沈阳等城市热岛现象做了人量研究。根据我国学者大量实例研究发现从低纬度到中 高纬度、从沿海到内陆、不同类型的城市都存在热岛现象，并随着城市化继续发展，热岛强度越 发明显。 彭少麟( 2 0 0 5 ) 综述了城市热岛的生态环境效应、热岛的主要形成机制、时空分布特征等研 究状况和发展趋势：并根据当前城市热岛研究的现状提出了未来城市热岛效应研究的方向及缓解 城市热岛效应的有关对策。自虎志( 2 0 0 5 ) 利用1 9 5 8 2 0 0 3 年兰州及临近两个乡村气象站气温资 料，研究了兰卅【城市热岛效应特征和导致热岛效应季节差异及其年代际变化趋势的主要气象因 子a 颜文胜( 2 0 0 5 ) 利用汕头近两年1 2 个自动站的气温观测样本分析了城市热岛效应特征。孙亦 敏( 1 9 8 8 ) 对天津市气象台和西郊区气象站1 9 8 0 - - 1 9 8 4 年各季夜间2 3 时温度平均值进行了研究。 近年来，北京市城市化发展迅速，城市气候特征也发生明显变化。张光智( 2 0 0 2 ) 采用北京 及市郊地区共1 6 个标准国家气候站的1 9 6 1 2 0 0 0 年4 0 年温度资料对北京及周边地区的城市尺度 4 中垦农业大学硕士学位论文 第一章前言 热岛特征及其演变进行了研究。宋艳玲( 2 0 0 3 ) 利用北京市近4 0 年气候资料研究分析北京市市 区与郊区平均气温日、季、年际和年代变化特征。罗树如( 2 0 0 5 ) 利用中科院大气所3 2 5 m 铁塔 的梯度观测资料，对发生在北京市的夏季强热岛天气的边界层气象特征进行了分析。于淑秋 ( 2 0 0 5 ) 用北京地区2 0 个气象观测站、1 9 6 0 - - 2 0 0 0 年的温度资料研究t i l t 京城市热岛的季节变 化，年际变化，进而用北京的城市化指数，讨论了它与热岛强度与尺度范围变化之间的关系。季 崇萍( 2 0 0 6 ) 利用1 9 7 1 2 0 0 0 年北京2 0 个气象观测站逐日4 个时次( 0 2 ：0 0 、0 8 ：0 0 、1 4 ：0 0 和2 0 ：o o ) 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。 1 3 2 城市热岛效应热红外遥感文献综述 基于地面观测数据进行研究的方法发展历史长、较成熟，但基于气象站点的数据进行研究时， 由于气象站点数量有限，空间的连续性和代表性不足，而流动观测方法受当时天气状况和所选的 观测路线限制，很难保证得到可靠的数据。要解决上述的不足，需要联合以上三种方法布景大规 模的适时观测网络，由于其造价昂贵，很难投入使用。目前，由于国内外城市中为了研究城市气 候而设置的气象站寥寥无几，同时也不可能每天进行流动观测，航空航天技术出现弥补了传统方 法的不足。随着航天遥感技术的日趋成熟，获取遥感数据途径越来越便捷，价格也日趋低廉，基 于遥感技术的研究方法可以在二维空间中同时得到城郊的数据，空间连续性和代表性好。遥感技 术在城市气候中的应用突破了传统方法的局限，使遥远地区、大洲甚至全球尺度城市热岛研究成 为可能( s t r e u t k e r ，2 0 0 2 ) ，城市热环境及其热效应是当前城市气候与环境中最为重要的研究内 容之一。 1 国外研究进展 早在上世纪7 0 年代已有人将卫星遥感观测到的地面温度数据用于城市气候研究中( r a o ， 1 9 7 2 ) 。s t r e u t k e r ( 2 0 0 2 ，2 0 0 3 ) 利用n o a a - a v h r r 的影像对h o u s t o n ，t e x a s 的城市热岛进行 了一系列的研究。热红外遥感技术被广泛运用于城市热环境研究中，最常见是用于监测城市热场 的空间特征以及它们同城市地表特征之间的关系。 遥感技术越来越多的被应用到城市热岛研究中，r o t h e t a l ( 1 9 8 9 ) 和g a l l o ( 1 9 9 6 ) 应用r s 技术，对比研究城市热岛效应与植被指数的关系。s t i e u t k e r ( 2 0 0 3 ) 利用a v h r r 数据对h o u s t o n 、 t e x a s 城市热岛( u h i ) 现象作了深入细致的研究。l j uw e i d o n g ( 2 0 0 5 ) 利用n o a a 和l a n d s a t 研究北京地区城市热岛与n d v i 的关系。t r a nh u n g ( 2 0 0 5 ) 利用m o d i s 影像对1 8 个城市的热 岛现象做了研究，特别研究了u h i 与n d v i 的关系，研究发现地表温度与n d v l 呈负相关。o i h a o w e n g ( 2 0 0 3 ) 通过广州的城、郊区历史气温数据进行对比分析研究城市发展对广州城市热岛 ( u i - i i ) 的影响；利用l a n d s a t 影像获得地表覆盖、地温和不同地类热效应模式信息。随着科学 的发展r s 结合g i s 越来越多地应用到城市热岛研究中，在城市热岛研究领域中具有广阔的应用 前景( h u m a y u ns a r k a r ，2 0 0 4 ) 。a k i r ah o y a n o ( 1 9 9 9 ) 利用g i s 和m s s 深入探索了城市热岛的 研究方法h u m a y u ns a r k a r ( 2 0 0 4 ) 利用r s 和g i s 研究亚热带城市地表覆盖与人口密度对城 市热岛效应的影响。 基于卫星遥感的研究使用a v h r r 或者l a n d s a tt m 数据结合土地利用或土地覆盖图来评估方 5 中国农业大学硕士学位论文 第一章前言 向亮温或者方向辐射地表温度的空间模式。现在经常使用多光谱卫星遥感数据在获取热红外遥感 影像的同时进行土地利用或土地覆盖的评估。从航空遥感获取的高空间分辨率影像也被用来评估 城市地表的热场分布与地表特征，例如太阳视场角、地表特性或者n d v i 等之间的关系。随着传 感器分辨率的提高，以及飞行高度的降低，可以从特定的城市地表上提取温度月 于分析或者用于 模型之中。另外，也有研究者利用热红外遥感来研究城市地表能量平衡以便更深刻了解u h i 形成 机制。b u e c i d e y ( 1 9 7 2 ) 把n d v i 和方向亮温结合起来用于研究城市气候的变化，监测由于城市 扩展导致的气候变化。最经常使用的方法是由c a r l s o n 等1 9 8 1 年提出的( m e a r n s ，1 9 8 4 ) 。这些 工作主要是基于热红外遥感所获得的地表辐射亮温与城市大气模型进行耦合。 目前关于大气城市热岛和s u h i 之间的关系研究广泛应用了热红外遥感。其中一部分结合城 市大气模型来研究地表温度与空气温度之间的关系，还有结合遥感和地表的同步观测研究二者关 系，但经验模型是关于二者关系研究最广泛采用的方法之一。 v o o g t a ( 2 0 0 3 ) 列举了自1 9 8 8 年以来利用遥感研究城市热岛的文献。k i d d e r ( 1 9 8 7 ) 、b a i l i n g ( 1 9 8 8 ) 、r o t h ( 1 9 8 9 ) 、g a l l o ( 1 9 9 3 ) 、g a i l o ( 1 9 9 8 ) 和s t r c u t k e r2 0 0 2 ) 在对城市热岛现象 进行研究时利用n o a a - a v i i r r 数据研究城市地表热场结构和功能。由于n o a a - a r r 热红 外波段空间分辩率仅仅为1 1 k m ，而城市地表下垫面结构复杂，而n o a a - a v h r r 仅仅是对城市 地物粗略模拟。l a n d s a t 5t m 热红外通道的几何分辩率达到1 2 0 m ，l a n d s a t 7e t m + 热红外通道的 几何分辨率更高，能达到6 0 m ，几何分辨率明显高于n o a a a 球r ，卫星传感器所“看”城 市表面空间精度明显提高，k i m ( 1 9 9 2 ) 、c a m a l l a na n d1 , a t s o n ( 1 9 9 0 ) 在i n d i a n a p o l i s 利用t m 的热红外通道数据研究中尺度城郊地表温度差异。k i m ( 1 9 9 2 ) 在w a s h i n g t o n d c 开展了其城市热 岛研究工作，并发现土壤的反照率和湿度有效性对地表能量平衡有重要意义。n i c h o l ( 1 9 9 4 ) 在 s i n g a p o r e 利用t m 热红外通道数据进行了房地产的微气候研究。w e n g ( 2 0 0 1 ，2 0 0 3 ) 在我国的 广州市和珠江三角洲城市集中区域进行了地表温度( l s t ) 模式以及与地表植被之间的关系研究。 s t r e u t k e r ( 2 0 0 2 ) 利用卫星反演辐射亮温来研究地表温度热岛。尽管还没有得到地表温度和近地 表气温之间精确的转化公式，地表温度与u c l 热岛关系密切( n i c h o l ，1 9 9 4 ) 。地表温度研究表 明感热通量和潜热通量以及地表辐射亮温是受不断变化的地表含水量和植被覆盖影响。潜热交换 多发生在多植被覆盖区域，而感热交换则多发生在植被稀疏的地区如城区( o k e ，1 9 8 2 ) 。由于 城市结构间覆盖层不连续性，要准确表征地表城市热岛( u i - i i ) 需要高分辨率的卫星影像( n i c h o l ， 1 9 9 4 ) 。s t r e u t k e r ( 2 0 0 2 ，2 0 0 3 ) 在h o u s t o nt x 以平坦郊区为背景叠加连续变化二维高斯平面， 成功量化了u h i 。 2 国内研究进展 随着我国上个世纪9 0 年代航空及卫星遥感技术的不断进步，对城市热岛效应的研究应用最 多、最有效和晟直观实时的方法和手段是利用航空遥感或卫星遥感技术，通过采用遥感同 g i s g p s 等技术结合的手段，来准确监测、探索城市热岛效应的发展变化过程和形成机制。 杨星卫( 1 9 9 4 ) 用不同时相n o a a - a v h r r 数据结合气温数据研究城市温度场。李剑峰( 2 0 0 4 ) 基于l a n d s a t t m 6 数据计算地面亮温，焓变值对“热岛”效应进行评价，提出了一套计算焓变值 的方法用来评估城市热环境。徐涵秋( 2 0 0 3 ) 为了减少季相差异影响，将不同时相的热红外图像 进行对比，引入了城市热岛比例指数( u r i ) ，定量的评估厦门市热岛现象的变化情况。g i s 空 6 中国农业太学硕士学位论文 第一章前言 间分析功能比较强大周红妹( 2 0 0 1 ) 、陈云浩( 2 0 0 2 ) 分别在r s 、g i s 的支持下，对上海城 市热环境的空间结构与格局作了研究。同期，胡远满( 2 0 0 2 ) 也结合遥感影像和g i s 矢量图像， 研究8 9 、9 8 两年沈阳热岛效应变化规律，发现不同土地利用类型与热岛效应有相应对应关系。 何全军( 2 0 0 5 ) 基于2 0 0 4 年夏季m o d i s 热红外数据进行广州市城市l s t 反演，并对l s t 进行密度分割处理制作城市热场分布图。通过对不同时间l s t 图像进行对比以及数据统计来分析 广州市热环境的空间分布格局。发现广州市城市热岛效应问题极为严重。黄荣峰( 2 0 0 5 ) 基于 l a n d s a te t m + 影像的热红外波段研究城市热岛的分布规律，另外研究了不同土地利用覆盖类型 的可见光、近红外、中红外与热红外波段的关系，进而研究土地利用覆盖与城市热环境的关系。 周志恩( 2 0 0 3 ，2 0 0 4 ) 不仅采用n o a a - a v h r r 卫星遥感数据，还结合区域边界层模式分别 模拟出北京市研究区域的温度场，并将两者模拟结果进行对比分析。李延明( 2 0 0 4 ，2 0 0 4 ) 采用 遥感卫星影像数据结合实地同步测定的方法，对北京规划区地面热场状况作了研究。 尽管利用地表温度( l s t ) 、辐射亮温和植被富度来研究u h i 仍存在很大局限性，由于与传 统研究方法相比，遥感技术具有更简便、快速、信息连续和研究区域广泛等特点，遥感技术越来 越广泛应用到城市热环境的研究中。其中热红外遥感所“看”到的是地表物体发射辐射、环境及 人气的辐射之和，通过数据公式可以很方便得到卫星亮温。而辐射亮温、地表温度和气温三者间 有密切关系，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 ( 胡华浪，2 0 0 5 ) 。 宫阿都( 2 0 0 5 ) 利用北京地区l a n d s a tt m 热红外波段数据，采用单通道算法反演得到北京 地区地面温度分布图。江樟焰( 2 0 0 5 ) 利用l a n d s a tt m 热红外波段数据，根据辐射传输方程反 演得到北京地区地表温度，讨论了北京城市热岛现象及其与十地覆盖类型和植被指数的关系。 张兆明( 2 0 0 5 ) 利用1 9 8 7 年9 月2 6 日，1 9 9 4 年8 月2 8 日和2 0 0 1 年8 月3 1 日t m 图像对北 京市的热岛状况进行了研究，发现从1 9 8 7 到1 9 9 4 年和从1 9 9 4 到2 0 0 1 年，北京的热岛比例强度 一直在增加，但第一：阶段与第一阶段相比增加速度有所减缓。张佳华( 2 0 0 5 ) 利用m o d i s 遥感 信息反演的地表温度、土地覆盖类型、植被覆盖、地表蒸散等数据，结合常规气象资料，并采用 g i s 空间分析技术和多元统计，对北京城市及周边2 0 0 1 年城市热岛( u h i ) 空间分布的季节规律和 日变化及影响因子进行研究，并深入系统研究了北京地区的土地覆盖、地形高程、植被绿地状况、 城市和郊区地表蒸敬与热岛时空分布状况的关系。田振坤( 2 0 0 6 ) 以北京市城