（自然地理学专业论文）长春市热岛效应的时空规律及其形成机制.pdf

摘要 城市热岛( u 眦) 是城市化气候效应的主要特征之一，是城市化对气候影响 最典型表现。本文用1 9 6 0 年2 0 0 4 年的长春地区三个站点的气象数据分析了 长春市热岛效应的时间规律，发现长春市的热岛效应从1 9 9 8 年到2 0 0 4 年明显增 强，热岛强度的平均增速为0 1 5 年；热岛效应的季节强度变化趋势与年平均 热岛强度变化趋势基本一致，长春热岛强度的季节顺序是冬季最强、秋季次之、 春季较弱、夏季最弱，冬季为热岛强度平均值为o 7 4 ，秋季为o 3 5 ，春季 为0 1 7 ，夏季为o 0 5 ，冬季是热岛强度的主要贡献者；长春热岛强度日变 化周期明显，晚间热岛强度强于白天。 为了研究长春市热岛效应的空间分布规律，本文用2 0 0 1 年9 月2 1 日的 l a n d s a t 7e t r 遥感影像数据，应用e r d a si m a g i n e 软件定量反演了长春地区的 地表温度，发现长春市的热岛效应空间分布规律：长春市的热岛效应明显，城市 建成区为明显的热岛中心，净月潭森林公园、吊水壶旅游风景区和水体为明显的 “冷岛中心”；长春市建成区存在三个明显的热岛中心，分别是二道区北部工业 区、宽城区的铁北工业区和绿园区西南的汽车厂工业区，南湖公园为低温中心， 伊通河为低温带；热岛效应的分布与n d v i 、n d w i 呈负相关，与n d b i 、n d b a i 呈 正相关，即n d v i 、n d w i 较高时，地表温度较低，相反n d v i 、n d w i 较低时，地表 温度较高；n d b i 、n d b a i 较高时地表温度较高，而n d b i 、n d b a i 较低时地表温度 较低。 关键词：城市气候；城市热岛；时空规律；地表温度；定量反演；长春 a b s t r a c t u r b a l lh e a ti s l a n d s ( u h i ) i st h et y p i c a lp h e n o m e n ao fu r b a l lc l i m a t e ，w 撒c hi st h e r e s u l to fw b a n i z a t i o n i nt h i ss t u d y ，t h ew e a t h e rd a t a 舶m19 6 0t o2 0 0 4w e r eu s e dt o a 1 1 a l y z et l l et e n l p o r a jc h a n g e so ft l l ei n t e n s 埘o fu h ii nc h a l l g c h u n n l ec o n c l u s i o ni s t h a tm ei n t e n s i 够o fu h ii nc h a n g c h u nh a sr a p i di n c r e a s e df r o m19 9 8t o2 0 0 4a i l dt h e a v e r a g er a t ei so 15 p e ry e 她t h es e a s o n a li n t e n s i 够o fu h i i i lc h a i l g c h u nh a st h e s 锄ep a u c ew i 廿lt h ea v e r a g eo n e n l ei m e n s i t yo fu h ii n 、椭n t e ri st h es t r o n g e s t t l l e i n t e n s i 够i n 饥咖i s 、e a k e rt h a l lt h eo n ei nw i n t e rb u tg 乜o n g e rt h a nt h eo n e 血 s p r i n g t h ei n t e n s i t yi ns l l i n m e ri st h ew e a k e s t t h ea v e r a g ei n t e n s i 够o fu h ii i l 砒1 t e ri s0 7 4 ，妣o n ei i la u t u m ni s0 3 5 ，t h eo n ei ns p 曲gi s0 1 7 a n d 位o n e i ns u m m e ri so 0 5 w i n t e rh a st h em o s tc o n t r i b u t i o nt ou h ii nc h a l l g c h u n t h e 缸e n s 时o fu h ii nc h a n g c h l l l lh a sas i 蛐f i c 删s e a s o n a lc h a l l g ed u r i n gm ed a 如m e a n dm g h t a n dt h ei n t e n s i 够i nd a 舛i m ei s 、v ea ：k e rt h a nt h eo n ea t1 1 i g h t t h el a l l d s a te t m + i m a g i l l ew e r ea l s ou s e dt oa 1 1 a l y z et 1 1 es p a t i a ld i s t r i b u t i o no f u h ii nc h a l l g c h u l l n el a n ds u 渤c et e m p e r a t u r ei nc h 觚g c h u i lw a sr 嘶e v e d 舶m l a n d s a te t m + i m a g i n e t h ec o n c l u s i o ni st h a tt h eu h ie 虢c ti nc h a n g c h u i li sv e 叫 e v i d e n t t h e1 a 1 1 ds u r f a c et e n l p e r a l = u r ei nu r b a nb u i l t u pa r e ai sl l i 曲e rt h a i lt h e t e m p e r a n _ l r ei nt h es u b m a n d t h ef o r e s tp 破i nj i ny u ea 1 1 d b e 哪s p o ti nd i a os h u i t 缸a r e 也ec o l di n l a l l d s t h ei n d u s 缸ye s t a t ei nt h en o n ho f e rd a od i 嘶c ti st h e c e n t e ro fu h ii nu r b a nb u i l t - u pa r e a s oa r et h ei n d u s t 巧e s t a t e si nt l l ek u a l lc h e n g d i 嘶c ta n dn e a 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光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全文数据库( 中国科学技 术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：丝 日 期：迎：厶户 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 指导教师签名： 日期：鱼煎：丝 电话： 邮编： 东北师范大学硕士学位论文 1 引言 城市热岛( u h i ) 是城市化气候效应的主要特征之一，是城市化对气候影响最 典型表现。通常将城市气温高于其周围乡村的现象称为城市热岛效应晗1 ，城市 热岛效应随着城市的发展而增强，全球有超过5 0 的人口居住在城市中，城市化 水平还在不断提高，城市热岛效应还在不断增强，所以城市化是可能成为全球变 暖的主要原因。研究城市热岛效应的变化规律及其形成机制，对于区域气候的研 究，对城市发展和规划及减缓城市热岛效应具有重要意义。 城市热岛现象是指城市气温高于郊区的现象。1 8 1 8 年霍华德首先提出伦敦城 市中心的气温比郊区高的重大发现，并提出了“城市热岛”的概念。此后各国 气候学家相继在不同纬度的平原或山地、具有湿润或干燥气候的城市发现城市热 岛现象的存在，并致力于观测城市与其周围郊区的气温差。 根据所测温度高度的不同，城市热岛包括地表层热岛( k i ) 、冠层热岛( g l i ) 和边界层热岛( g m i ) ，运用气象数据研究的是冠层热岛，而运用遥感数据研究 的是地表层热岛h 3 。 目前研究城市热岛效应的方法主要有4 大类，第1 类通过城市和郊区的历年 气象资料分析研究城市热岛的动态和现状；第2 类通过卫星遥感图片、航片资料， 解释热岛特征；第3 类通过数值模拟；第4 类通过布点观测砼3 。早期城市热岛研 究主要运用气象数据，但由于气象数据是一种点状数据，有一定的局限性，而遥 感数据是一种面状数据，卫星遥感技术的发展大大促进了热岛问题研究。目前利 用遥感影像研究城市热岛的方法已经比较成熟，t m 遥感影像由于其热红外分辨 率较高( 6 0 m ) 为研究城市热岛效应的空间规律提供了适宜的方法，也为研究城 市热岛效应与土地利用的关系提供了有效的手段。 国内对城市热岛的研究始于2 0 世纪8 0 年代初期，最具有代表性的是周淑贞、 葛向冬、邓莲堂和江田汉对上海城市热岛的研究。在我国关于城市热岛效应的研 究主要涉及珠江三角洲、长江三角洲和津京唐地区的研究，特别是对于改革开放 以来发生翻天覆地变化的城市和城市化发展速度极快的城市，如深圳、广州、上 海、天津、北京。目前主要是利用遥感影像研究城市热岛效应与城市化之间的关 系，研究城市下垫面变化对城市热岛的影响，不同下垫面对城市热岛的贡献率。 城市热岛形成主要和下垫面类型改变有关，城区地表多为建筑物、道路和其 他不透水表面，能吸收更多的太阳辐射，热容量和热传导率也较大，地表热学性 质的差异，再加上城市建筑、交通和工业排放的热量促成了热岛的形成。另外城 东北师范大学硕士学位论文 市热岛强度与城市地形和气象条件也有关系乜1 。 长春市城市化水平和城市化速度都不是很高，关于长春城市热岛效应的研究 很少，赵云生瞄1 等2 0 0 6 年利用长春市地区的l a n d s a t 图像，研究了长春市热场 的分布规律。许军强呻1 等以长春市为例，基于l a n d s a t 7e t m + 影像数据定量反演晴 空状态下城市地表温度、地表反照率和n d v i ( 归一化植被指数) ，通过分析地表温 度空间分布状况及其与地表反照率、n d v i 的关系，研究城市热岛效应并提出治理 对策。 长春市2 0 世纪9 0 年代以来城市化速度加快，城市经历了快速发展时期，其 城市热岛效应也会发生相应的变化，研究长春市的热岛效应对于长春的未来发展 规划具有重要意义。 2 东北师范大学硕士学位论文 2 研究区概况 2 1 研究区范围 本文研究区的范围是长春市市区，图l ( a ) 为长春市市区图，包括长春市建成 区和外围县区，本文地温反演区域为长春市市区。图1 ( b ) 为长春市城区图， 是长春市建成区，包括宽城区、绿园区、朝阳区、南关区、二道区和长春经济开 发区，本文为了研究城市建成区内部的热岛效应差异，而又单独选取了长春市建 成区为研究范围。 图例 凸 水体 绿地 囝 建筑群 围 农山和林地 一一铁路 市内土要道路 图1 ：长春市地图( a ) 和长春市城区图( b ) 东北师范大学硕士学位论文 2 2 研究区自然环境特征 2 2 1 长春市市区自然环境特征 长春地区位于山地丘陵向台地平原、湿润气候向干旱气候、针阔混交林向草 甸草原、暗棕土壤向黑钙土壤的过渡地带，自然景观由东向西不断变异，过渡性 特征十分明显。受过渡性自然区位的影响，长春地区既有山地资源又有平地资源， 既有森林资源又有草原资源，既有矿藏资源又有农业资源。自然资源的多样性， 为全面发展长春经济提供了有利条件。 从全球上看，长春地区位于北纬4 3 。0 5 4 5 。1 57 之间，与美国汽车城一 一底特律，意大利汽车制造中心都灵，美国玉米、小麦种植带，意大利集约 的农业区，同处于北半球较高纬度地带。从区域上看，长春地区位于东北大平原 中部，东靠长白山地，西接松嫩平原，南联辽宁省，北抵黑龙江省，路口区位优 势十分明显。东部长白山区可为长春提供煤炭、木材、有色金属和山区各种土特 产品。西部松嫩平原可为长春提供钢材、成品油、机械设备等多种原材料和工业 品。辽宁省的海上运输，黑龙江省的边境贸易，则为长春市开展对外贸易提供了 便利条件。四通八达的自然区位，有利于长春地区与周边地区相互交流，协作配 套，发展外向型经济。 长春的自然地理特征明显表现为东高西低的地表形态。长春的地貌由山地、 台地和平原组成，形成了“一山四岗五分川”的地貌格局。长春山地占2 5 6 ， 丘陵占6 4 4 ，台地面积较大，约占总面积的4 1 。其中平缓台地占3 5 2 3 ， 高台地占5 7 7 ，主要有榆树台地、长春台地、双阳台地和伏龙泉台地。长春 平原面积最大，约占土地面积的5 0 。其中河谷平原占3 9 4 ，低阶地占7 5 ，湖积平原占3 1 ，主要有双阳盆地、松花江河谷平原、拉林河河谷平原、 饮马河河谷平原和农安湖积平原。 长春的水系格局为南源北流。境内共有河流2 2 2 条，其中集水面积在1 0 0 0 平方公里左右的河流有1 0 条，大于2 0 0 平方公里的河流有2 0 6 条，小于2 0 0 平 方公里的河流有6 条。分属第二松花江、饮马河、拉林河3 个水系。 从土壤结构看，长春位于肥沃适耕地带。黑土是长春面积最大、质量最好的 地带性土壤，主要分布在长春冲积洪积台地上及河流主高阶地上。面积约有6 7 1 0 4h i i l 2 ，占全市总面积的3 4 5 9 。其次是草甸土，总面积为4 5 1 0 4 h i n 2 ，占全 市总面积的2 3 。还有黑钙土，总面积3 0 1 0 4 h m 2 ，占全市总面积的1 5 3 ， 主要分布在农安境内。 长春市的气候是东部山地湿润与西部平原半干旱区之间的过渡带，属温带大 陆性半湿润季风气候类型。东部和南部虽距海洋不远，但由于长白山地的阻挡， 削弱夏季风的作用：西部和北部为地势平坦的松辽平原，西伯利亚极地大陆气团 畅通无阻，各季风的势力影响很大，故气候的特点是冬季严寒漫长，春季干旱多风， 4 东北师范大学硕士学位论文 夏季温暖短促，秋季晴朗温差大。年平均气温4 8 ，最高3 9 5 ，最低零下3 9 8 。年平均日照为2 8 6 6 天左右，无霜期为1 4 0 天左右，平均降雨为5 6 7 0 咖。 2 2 2 长春市建成区自然环境特征 长春城区由台地和平原组成，其中台地占7 0 ，平原占3 0 。不同的地貌 类型对城市建设起着不同的制约作用。长春城区共分7 个地貌小区。它们是： 中部平坦分水高地区域。位于长春城区西南部，地处宽平大桥、西朝阳桥、西安 桥、客车厂和机车厂一带，长1 7 l 【l i l ，宽1 k m ，呈狭长形，沿东北方向伸延。西 部微斜台地区域，位于分水高地以西，长春纺织厂以北，海拔2 2 0 m 。东部微 起伏台地区域，位于分水高地东侧，海拔2 2 0 2 3 0 m ，复杂程度4 6 级， 是市 中心和铁北建筑区的所在地。西南部起伏台地，位于分水高地两侧，包括西新 为和孟家南沟两部分。东北部平坦河谷平原区域，位于伊通河谷平原北段，由 泛滥平原和一级阶地组成，是二道河子、八里堡建筑区所在地。东南部轻切割 河谷平原区域，位于伊通河谷平原南段，比北段地势稍高，海拔2 0 0 米左右。 东南部强切割台地，位于刁家山一带，面积不大。 2 3 研究区经济社会发展状况 长春位于东北松辽平原腹地，是吉林省省会，是全省的政治、经济、文化中心。 是中国著名的“汽车城”、“森林城”、“电影城 、“科技文化城”。建国5 0 年来， 特别是改革开放以来，长春经过不断的发展建设，逐渐构筑起独特的经济优势和 特点，成为工农业基础雄厚、商业繁荣兴旺、对外开放程度较高、科技教育事业 发达、在全国具有举足轻重的中心城市。目前，长春作为全国1 5 个副省级城市之 一，辖农安县、榆树市、德惠市、九台市、双阳区、朝阳区、南关区、宽城区、 二道区、绿园区、净月旅游开发区、经济技术开发区、高新技术开发区等1 3 个 县( 市) 区、1 2 9 个乡镇，总面积2 0 5 7 1 k m 2 ，总人口7 1 3 5 万人，市区人口2 8 9 万。 规划区面积3 9 1 1k m 2 ，建成区面积1 5 8k m 2 。 2 4 研究区城市地域发展历程 王祁春口，等研究了长春市城市地域发展的历程，得出长春市城市地域发展的 历程。2 0 世纪9 0 年代以前，长春市在伪满时期道路网络的基础上，沿主要交通 干道进行填充式扩展。在“一五”、“二五”时期，形成了西南、铁北、东部三大 工业区，从根本上改变了历史上长春市生产性地域比重极度偏低、空间扩展缓慢 的状态。 在解放大路以南地域先后布局了吉林大学、东北师范大学等十几所高等学 校及科研院所，使历史时期长春市形成的科教地域得到大幅度的扩展和功能完 善。居住地域空间扩展幅度较小，居住地域高度集中于市中心，尤其是历史上老 5 东北师范大学硕士学位论文 城区、南满铁路附属地、商埠地的人口分布更为集中，人口密度5 0 0 人h m 2 以 上。而且居住地域与商业、行政及其它地域高度混杂。 2 0 世纪9 0 年代以来，长春市空间扩展速度明显加快。城市用地规模( 建成区 面积) 由1 9 8 0 年的1 0 4k m 2 增加到1 9 9 6 年的1 4 3k m 2 。城市核心区( 解放大路以 北、火车站以南、建设街以东、大马路以西的地域) 以立体扩展方式为主，表现 为城市建筑的高层化和景观轮廓的层次化，显示为现代大都市中心区的立体景 观与土地利用特征。在城市中心区立体扩展的同时，加速了城市边缘区近域推进 的步伐，先后形成了经济技术开发区、高新技术开发区、绿园居住行政区、汽车 厂二厂区等若干新的城市地域。城市平面扩展重心转向自由大路以南、长沈铁 路以东的地域。 2 0 世纪9 0 年代以来长春市空间扩展进入了郊区化初始阶段，即近郊城市化， 但近郊城市化地域主要限于城市中心区外约1 0k m 范围内，与北京、上海、武汉 等大城市相比较，长春市郊区城市化地域的范围小、发育程度低。随着中心城区 地域范围的近域扩展，原英俊、奋进、双德、城西等近郊乡镇已转变为景观型城 市化地域，作为建成区的组成部分。兴隆山、大屯、净月、新立城、三道等成为 近年来中心城区工业、旅游、商贸等城市职能重点转移的小城镇，该类城镇是职 能结构用地功能及景观转变最活跃的城市圈层地域。 6 东北师范大学硕士学位论文 城市热岛效应分类及数据源 3 1 城市热岛效应的分类 通常我们所说的“热岛效应”是指由于城市气温比郊区高，造成城乡之间温 度分布不平均，从而出现温度“峰与“谷 的布局差异，这种现象我们称之为 “城市热岛”啼1 。 根据所测温度高度的不同，城市热岛包括地表层热岛( k i ) 、冠层热岛( g l i ) 和边界层热岛( g m i ) ，运用气象数据研究的是冠层热岛，而运用遥感数据研究 的是地表层热岛h 1 。 从严格意义上来讲，气象学上所说的“城市热岛”，应该称为城市气温热岛。 而从遥感的角度看，热红外遥感所探测的是城市地表温度，这时的“热岛”指的 是由于地物下垫面热辐射性质的差异而造成的地表温度分布不均衡，形成了“地 温热岛”。实际上，对于城市气温热岛与地温热岛之间的关系问题，国内外做了 很多研究。严格意义上讲，二者之间确实存在着明显的差异，在极端情况下，气 温和地温之间甚至存在着较大的差异。但是，在更多的情况下，我们认为气温与 地温有着较大的相似性，尤其是在无风或微风的情况下，地温与气温基本成正相 关关系，而地温的空间分布格局也和气温分布极其相似随3 。因此，在本文中，城 市热岛研究采用地温热岛，即从遥感物理的角度分析由于地表热辐射差异而造成 的地表真实温度差异，而不过多考虑城市气温与城市地温之间的复杂转换关系。 3 2 数据源 3 2 1 气象数据 本文气象数据来自长春市气象局，选用了长春，农安和双阳三个气象站点。 ( 1 ) 累年月数据：文中选用了长春，农安和双阳三个气象站点的累年月平均 温度数据，时间是1 9 6 0 年2 0 0 5 年。 ( 2 ) 日数据：文中选用了长春，农安和双阳三个气象站点的2 0 0 5 年9 月1 日，1 1 日，2 1 日和3 0 日的日逐时温度数据。 ( 3 ) 2 0 0 1 年9 月2 1 日，1 0 ：o o 1 1 ：0 0 的大气状况数据 3 2 2l a n d s a t 影像数据 本文遥感影像数据为 l a n d s a t 官方 网上 ( h t t p ：w w w 1 a n d s a t o r g o r t h o i n d e x h t m ) 提供的免费数据，文中选用了覆 盖长春市区的2 0 0 1 年9 月2 1 日的e t 盯影像数据，轨道为1 1 8 2 9 和1 1 8 3 0 。 7 东北师范大学硕士学位论文 4 长春市城市热岛效应的时间规律 城市的热岛效应是指城区的温度高于周围郊区温度的现象，高出的温差称为 热岛强度。本文为了研究热岛强度，选用了长春市的两个县( 区) 的温度平均值 代替城市郊区温度。在这一部分中，主要研究了长春市热岛强度的多年变化特征， 四季的热岛强度规律及其多年变化特征，还有热岛强度的日变化特征。 4 1 长春市年平均热岛强度的变化 4 1 1 数据处理 城市热岛强度为城市地区温度与周围郊区温度的差值，由于郊区缺乏累年的 温度观测记录，所以本文选用农安县和双阳区的温度平均值代替长春市郊区的温 度。由于农安县和双阳区的城市化水平很低，发展速度很慢，加上两站的地理位 置，本文认为可以用这两个站的温度平均值来代替长春市郊区的温度。根据热岛 强度计算公式n 1 ，计算出长春市热岛强度的年平均值。 t u ，= t u t f = k 舂一蔓争公式( 1 ) 式中，t u r 为热岛强度，t u 为城区温度，t r 为郊区温度。t 表示温度值。 计算过程如下，分别计算了长春市，农安县和双阳区的1 9 6 0 年到2 0 0 4 年年平均 温度，然后利用公式( 1 ) 得到长春市1 9 6 0 年到2 0 0 4 年的年热岛强度，做出1 9 6 0 年2 0 0 4 年长春市热岛强度变化曲线。 4 1 2 长春市年平均热岛强度的变化特征 ( 1 ) 长春市的热岛强度多年变化曲线如图2 所示，图中黑色实线为长春市 热岛强度年变化的趋势线，从变化趋势上看，1 9 9 8 年以前长春市的热岛强度呈 现波动变化特征，1 9 9 8 年以后热岛强度明显增强，呈现快速增长的特征。1 9 9 8 年为热岛强度变化的转折时期。 ( 2 ) 1 9 9 8 年以前，长春市热岛强度值在0 1 3 o 3 8 之间波动；1 9 9 8 年以后热岛强度明显增强，2 0 0 3 年热岛强度最大，最大的热岛强度值为1 1 5 。 1 9 9 8 年到2 0 0 4 年6 年间热岛强度的平均增速为0 1 5 年。 8 东北师范大学硕士学位论文 妒妒擎擎爹擎擎擎擎爹9 妒擎9 擎擎9 擎紧爷爷拶 年份 图2 ：长春市热岛强度多年变化图 4 1 3 长春市年平均热岛强度变化特征的成因分析 长春市热岛效应年变化在1 9 9 8 年之后明显加强的主要原因是长春市在此时 期经历发展的转换时期，城市化速度明显加快。1 9 7 9 年1 9 9 5 年中心城区城 市建设用地增长量为3 2 4 平方公里年，年均增长率2 7 。1 9 9 6 年2 0 0 3 年城市建设用地增长量为1 0 6 5 平方公里，年均增长率为5 8 。随着城市用地 规模的扩大，城市工业的发展，城市的水体与绿地面积比例会下降，城市的能耗 也会加大，这些都会加剧城市的热岛效应。 4 2 长春市热岛强度的季节变化 城市热岛效应在不同的季节具有不同强度，通常是秋冬季的热岛强度较大， 而春夏的热岛强度较小，一般夏季的热岛强度最小。本部分中主要论述长春的热 岛强度季节规律，t 不同季节的热岛强度变化规律。 4 2 1 数据处理 研究城市热岛的季节规律，首先要进行季节划分，季节的划分如表1 所示。 根据表1 的划分方法，计算出长春市，农安县和双阳区的各年春夏秋冬四季的平 均温度。利用公式( 1 ) 的计算方法，分别计算出长春市春夏秋冬四季的季节热 岛强度，然后做出春夏秋冬各个季节的热岛强度在1 9 6 0 年2 0 0 4 年间的变化 曲线。 9 东北师范大学硕士学位论文 表l ：四季划分表 季节月份 春季 夏季 秋季 冬季 3 、4 、5 月 6 、7 、8 月 9 、1 0 、1 1 月 1 2 月、下一年的1 、2 月 4 2 2 长春市热岛强度的季节变化特征 ( 1 ) 长春市热岛强度的季节比较：从图3 的趋势线中可以看出长春市的热 岛强度冬季最强，秋季其次，春季较弱，夏季最弱。冬季热岛强度多年平均值为 o 7 4 ，秋季热岛强度多年平均值为o 3 5 ，春季热岛强度多年平均值为o 1 7 ，夏季热岛强度的多年平均值为0 0 5 ，所以冬季是热岛强度的主要贡献者。 ( 2 ) 长春市各个季节热岛强度的年变化：长春市各个季节的热岛强度变化 趋势基本相同，与长春市年热岛强度的变化趋势具有相同的规律，1 9 9 8 年以前 长春市的热岛强度呈现波动变化特征，1 9 9 8 年以后热岛强度明显增强，呈现快 速增长的特征。1 9 9 8 年为热岛强度变化的转折时期。值得指出的是春季的热岛 强度在2 0 0 0 年后出现了较大的波动，其中原因有待研究。 5 1 5 r前 辨鼯瘸蓊缝鼯穗妨群 1 二， ll 旧 一 7 龆 图3 ：长春市热岛强度季节变化 4 2 3 长春市热岛强度的季节变化特征的成因分析 长春市热岛强度秋冬季强，春夏季弱的主要原因是，长春受季风气候影响。 春夏季大气多不稳定，城市大气污染物和热量易扩散到周围郊区；春夏季雨水较 多，城区地面有水分蒸发消耗热量，雨水冲洗大气污染物；春夏季云量多，覆盖 l o 东北师范大学硕士学位论文 城市和郊区，体现不出城郊对辐射影响的差异，所以春夏季长春城市热岛较弱， 而秋冬季受冷高压影响，干燥、少云、少雨，大气层结稳定，所以秋冬季长春城 市热岛较强。长春城市热岛冬季最强的主要原因是长春地处东北地区，冬季有取 暖设施，人为热量冬季表现最明显，人口越密集，城市规模越大，这种人为热量 变现越明显。 4 3 长春市热岛强度的月变化 4 3 1 数据处理 为了找到长春市热岛强度的月变化规律，文中选用了热岛强度较强的2 0 0 0 年到2 0 0 4 年的数据，气象站点仍然是长春市，农安县和双阳区。首先计算出三 站点2 0 0 0 年到2 0 0 4 年各月的平均温度，然后利用公式( 1 ) 的计算方法，计算 出各月的热岛强度。 4 3 22 0 0 0 年到2 0 0 4 年间的各月热岛强度平均值 图4 为长春市2 0 0 0 年到2 0 0 4 年间的各月热岛强度平均值，从图中可以看出， 1 月、2 月、1 2 月的热岛强度都高于1 2 ，而9 月、1 0 月、1 1 月的热岛强度都 高于0 6 ，其余月份热岛强度较弱，其中5 月、6 月、7 月的热岛强度都小于 o 3 ，而6 月的热岛强度最小。从这一结果中也能看出，长春市热岛秋冬季强， 春夏季弱的特点。 图4 ：长春市热岛强度月变化 4 4 长春市热岛强度的日变化 4 4 1 数据处理 为了进行长春市热岛强度日变化分析，文中选用了2 0 0 5 年9 月的四天( 1 日、 东北师范大学硕士学位论文 1 1 日、2 1 日和3 0 日) 长春市、农安县和双阳区的日温度数据，时间间隔为1 小 时。首先分别计算出三站点9 月各个时刻的日平均温度数据，然后利用公式( 1 ) 的计算方法，计算出长春市9 月各个时刻的热岛强度，并做出长春市热岛强度的 日变化曲线。 4 4 2 长春市热岛强度的日变化特征 长春市2 0 0 5 年9 月平均日热岛强度变化如图5 所示，说明长春市热岛强度 晚上较强，白天较弱。9 ：0 卜1 8 ：0 0 热岛强度为负值，最小值出现在1 1 ：o o ， 为一1 ，晚上热岛强度为正值，最大值出现在凌晨0 ：o o ，为4 4 ，日平均的 热岛强度为1 1 。 图5 ：长春市热岛强度日变化 4 4 3 长春市热岛强度的日变化特征的成因分析 城市热岛强度日变化的原因，是城郊下垫面性质和形状的不同引起的辐射收 支差异所致。 ( 1 )日落后城郊冷却率的差异。城市白天吸热多，夜间散热少。白天城 区地面吸收和贮存大量太阳辐射热，并于夜间辐射放回大气。而夜间城市大气污 染物由于对流减弱而积聚，对地面长波辐射有明显的吸收作用，大部分又以逆辐 射形式辐射给地面，使城市冷却慢，郊区空旷冷却快，所以城区夜间降温比郊区 慢，出现城郊温差。 ( 2 )城郊贮热量的差异。城市下垫面热容量大，蓄热能力大于郊区，蓄 热多，白天蓄积的热量夜间释放到大气。 ( 3 )城郊反射率的差异。城市下垫面反射率比郊区小1 0 卜1 5 左右， 1 2 东北师范大学硕士学位论文 所以吸收的辐射比较多。日落后，市区由于建筑物垂直墙壁的多次反射吸收，辐 射散失较少，而郊区空旷散热快，降温率比市区大，使得热岛强度在日落后逐渐 增强。日出后，在市区由于建筑物的阻挡，太阳不易直射地面，而郊区空旷，当 太阳高度角还很低时，地面即能接受太阳辐射而迅速加热，造成市区升温比郊区 迟，热岛强度逐渐减弱，正午时热岛强度最弱。 东北师范大学硕士学位论文 5 长春市城市热岛效应的空间规律 前一部分中分析了城市热岛效应的时间变化规律，研究的是冠层的热岛效应， 所使用的数据为气象站站点的数据，采用以点带面的方法，把城市看作一个整体， 所以不能揭示城市内部的热环境差异。城市内部热环境特征也是城市热岛效应的 主要研究内容，城市热环境被认为是主导城市环境的要素之一。遥感影像是真正 的面数据，可以克服以点带面的缺陷，在这一部分中，本文选用l a n d s a t 遥感 影像数据，应用e r d a si m a g i n e 软件，从遥感影像数据中提取出地表温度、n d v i 、 n d w i 、n d b i 和n d b a i 数据，从而揭示城市热岛效应的空间分布特征，解释其形 成的原因。 5 1 遥感影像的处理 文中选用的遥感影像数据来自官方网站，已经经过了预处理，所以本文直接 使用。遥感影像处理主要是应用e r d a si m a g i n e 软件提取出地表的数据，包括地 表温度数据，地表指数( n d v i 、n d w i 、n d b i 和n d b a i ) 数据。 5 1 1 地表温度的提取 5 1 1 1 地表亮度温度的提取 亮度温度是遥感器在卫星高度所观测到的热辐射强度相对应的温度。这一温 度包含有大气和地表对热辐射传导的影响，因而不是真正意义上的地表温度。但 地表温度是根据这一温度来演算求得的，因此要提取地表温度首先要从t m 6 数据 中提取亮度温度。 对于l a n d s a t 7 影像数据，本文采用了x i a o l i n gc h e n 旧3 等所提出的算法， 具体算法公式如下： k 面= 怒枣( q c a l _ q c a l 删+ l m i n 公式( 4 ) 式中，l 。为t m 6 的热辐射值，q c a l m i n = 1 ，q c l m a x = 2 5 5 ，q c a l = d n 6 ，l m i n 和 l m a x 在头文件中，l m i n = 0 ，l m a x = 1 7 0 1 。所以公式可以进一步简化，简化为： l 6 业岩型幸( d n 。一1 ) + l m i n = 等乖( d n 。一1 ) 公式( 5 ) t 6 = _ z 二导弋 公式( 6 ) k l n ( k 3 l 6 + 1 ) 厶川w 1 4 东北师范大学硕士学位论文 式中，t 6 为t m 6 的亮度温度( k ) ，k 3 = 6 6 6 0 9 ，k = 1 2 8 2 7 l 。 采用公式( 5 ) 和公式( 6 ) 的算法，应用e r d a si m a g i n e 8 5 的m o d e l e r 菜 单下的m o d e lm a k e r 模块，编写提取地表亮度温度的反演模型( 图6 为地表亮温 反演模型示意图) 。应用此模型提取2 0 0 1 年9 月2 1 日的地表亮度温度数据。 i 。e e蝉，o ei ? t r 、：e 。-! p 西d 品毋 照融气f jo 一据 数据 a 一6 7 3 5 5 3 5 l ，b = 0 4 5 8 6 0 6 ，s 为地物发射率，f 为大气透射率，t 6 为t m 6 的 亮度温度( k ) ，t 。为大气平均作用温度( k ) 。 ( 2 ) 转换算法中参数的计算 应用单窗算法演算地表温度需要计算地物发射率s ，大气透射率f 和大 气平均作用温度t 8 。其具体的推导过程参见文献 1 1 、 1 2 、 1 3 。 大气平均作用温度t 。： t 。= 1 6 0 1 1 0 + 0 9 2 6 2 1 t 。公式( 8 ) 式中，t 。是大气平均作用温度( k ) ，t 0 为近地面大气温度( k ) 。 东北师范大学硕士学位论文 大气透射率f ： f = o 9 7 4 2 9 0 一0 0 8 0 0 7 w ( 夏季适用) f = o 9 8 2 0 0 7 0 0 9 6 1 1 w ( 冬季适用)公式( 9 ) 式中，f 为大气透射率，w 为大气水汽含量。 大气水汽含量w ：如果没有实时大气总水分含量，可以用如下公式做近似 计算 w ：w ( 0 ) r 。( 0 )公式( 1 0 ) 式中，w ( o ) 为近地面约2 m 高度的空气水分含量，凡( 0 ) 为地面附近的空 气水分含量占大气水分含量的比率。在没有当地探空资料时，可用标准大气比率 来代替，r w ( 0 ) = 0 4 3 8 4 4 6 。 地物发射率s ：文中采用了用n d v i 来计算地物发射率的方法，详细内容见 j o s ea s o b r i n o n 3 1 等提出的计算方法。 当n d v i 0 5 时，则认为象元为植被，取s = 0 9 9 当o 2 n d v i 0 5 时，s = 0 0 0 4 p v + 0 9 8 6公式( 1 1 ) 式中，s 为地物发射率，n d v i 为植被指数，p v 为植被比例。 n d = d n 4 一d n 3 d n 4 + d n3 式中，d n 。、d n 。分别为t m 4 和t m 3 的灰度值。 植被比例p ，的计算方法如下： l = 篇罴 式中，n d v i 。，= 0 5 ，n d v i 。= 0 2 。 5 1 1 3 地表亮度温度的提取结果 公式( 1 2 ) 公式( 1 3 ) 应用上述算法，应用e r d a si m a g 工n e 8 5 的m o d e l e r 菜单下的m o d e lm a k e r 模块，编写提取地表亮度温度的反演模型( 图7 为地表亮温转换为地表温度模型 示意图) 。应用此模型从e t m + 数据中提取了2 0 0 1 年9 月2 1 日的地表温度数据， 对提取后的数据应用a r c g i s 9 做研究区的掩膜处理，使用e x t r a c tb ym a s k 工具， 得到长春市的地表温度数据，并做图像渲染处理，结果见图8 。 1 6 东北师范大学硕士学位论文 图7 ：地表亮温转换为地表温度模型示意图 1 7 东北师范大学硕士学位论文 j 聪黔掌 霪爹爹- j j 、4 图例 地表温度 一h h ：2 7 r 矽了j j ：。 ，： 一c ： 溅j 一 图8 ：2 0 0 1 年长春地表温度图 5 1 2n d v i 、瑚i 、n d b i 、n d b a i 的提取 为了揭示城市热岛效应和土地利用的关系，研究城市热环境的形成机制，本 文引入了n d v i ，n d w i ，n d b i ，n d b a i 四个地表指数。n d v i 是归一化植被指数， 可以反映地表植被的覆盖程度。n d w i 是归一化水分指数可以反映地表的水分状 况。n d b i 是归一化建筑指数，可以反映地表建筑物的密度。n d b a i 是归一化裸地 指数，可以反映地表的裸地状况。 指数的具体计算公式采用了x i a o l i n gc h e n 田3 等，使用的方法，具体公式 如下： n d ：型尝公式( 1 4 ) d n 4 + d n 3 式中，d n 。、d n 。分别为t m 4 和t m 3 的灰度值。 东北师范大学硕士学位论文 n d ：型! ：型 d n 4 + d n5 式中，d n 4 、d 分别为t m 4 和t m 5 的灰度值。 n d b i ：型：型! d n5 + d n 5 式中，d n 4 、d n 。分别为t m 4 和t m 5 的灰度值。 n d b a i ：型：型 d n 5 + d n6 式中，d n 。、d n 。分别为t m 5 和t m 6 的灰度值。 公式( 1 5 ) 公式( 1 6 ) 公式( 1 7 ) 分别采用公式( 1 4 ) 、公式( 1 5 ) 、公式( 1 6 ) 和公式( 1 7 ) 的算法，应用e r d a s i m a g i n e 8 5 的m o d e l e r 菜单下的m o d e lm a k e r 模块，编写提取n d v i 、n d w i 、n d b i 和n d b a i 的模型( 图9 为n d v i 、n d w i 、n d b i 和n d b a i 的提取模型示意图) 。应用 此模型从2 0 0 1 年9 月2 1 日的l a n d s a t 遥感影像数据中提取n d v i 、n d w i 、n d b i 和n d b a i 数据。提取后的数据应用a r c g i s 9 做研究区的掩膜处理，使用e x t r a c t b ym a s k 工具，得到研究区的地表温度数据，并做图像渲染处理，结果见图1 0 。 1 9 东j 匕i 师范大学硕士学位论文 妻辫蓉膨泓，积毋口移 蓝已嗣謦善怒懿气矿乏量唆 ；霞捌燕爹握 k 公羲l ，搿羲1 5 ) 、蛰篙tl 矗 隰( 1 7 塑霉嘲- 艘婀- 静，嬲h 蒯蠛 i 图9 ：n d v i 、n d w i 、n d b i 和n d b a i 的提取模型示意图 东北师范大学硕士学位论文 a b c 图1 0 ：长春市地表指数n d v i ( a ) 、n d w i ( b ) 、n d b i ( c ) 、n d b a i ( d ) 5 。2 长春市热岛效应的空间分布特征 5 2 1 长春市市区的热岛效应分布 5 2 1 1 长春市市区的热岛效应分布特征 2 l 东北师范大学硕士学位论文 从图8 中可以看出，长春市热岛效应的分布特