不透水地表的變化及其對地表溫度的影響

2020-11-23 騰訊網

城市化導致下墊面土地覆蓋狀況發生了較大變化，原有的自然地表覆蓋被密集的建築物和街道取代，對區域氣候產生顯著影響（Zhao et al.，2014；Mahmood et al.，2014；Georgescu et al.，2013）。

城市下墊面性質的改變對城市熱環境的影響一直是研究者關注的焦點，不透水面的快速增長是城市化最顯著的特徵之一，近年來有關不透水面對城市熱環境的影響的研究也在不斷增多。許多學者研究發現，不透水地表（ISP）與地表溫度（LST）有較強的相關性，是城市發展及城市熱環境的重要指示因子。

Yuan 和Bauer（2007）以Landsat TM/ETM+為數據源定量分析了美國明尼蘇達州特溫城不同季相時城市熱環境與不透水地表及NDVI之間的關係，結果表明，在各個季節地表溫度和城市不透水地表都有很強的線性相關性，而地表溫度和NDVI 之間不具有穩定線性相關性，因季節而異；

Weng 和Deng（2008）利用混合像元分解模型提取了美國印第安納波利斯市亞像元級別的不透水地表蓋度和植被覆蓋度，分析了二者與地表溫度之間的關係及其對城市熱環境的影響，發現地表溫度和不透水地表蓋度呈正相關和植被覆蓋度呈負相關，不透水地表有升溫的作用而植被有降溫的作用；

Ma 等（2010）基於Landsat TM/ETM+數據和相關的不透水地表光譜指數分析了廣州市從1990~2005 年不透水地表蓋度以及植被豐度對城市地表溫度和城市熱島強度之間的關係，結果表明從1990~2005 年城市不透水地表比例明顯增加，不透水地表平均中心朝西北方向移動，且地表溫度與不透水地表蓋度呈正相關，與植被豐度呈負相關；

林雲杉等（2007）基於V-I-S（vegetation-impervious surface-soil）模型提取了泉州市1989 年和1996年兩個時相的城市建成區不透水地表，並研究了其與城市熱島之間的關係，發現泉州市區不透水地表的面積在7 年裡有了明顯的增加，並主要沿研究區東南部擴展，提取的不透水地表信息與地表溫度存在著明顯的正相關關係；

孟憲磊（2010）對不透水地表蓋度與地表溫度之間的關係進行了多尺度研究，並分析了上海市不透水地表蓋度和城市熱島的空間分布特徵，結果表明上海市外環以內不透水地表覆蓋率較高，地表溫度與不透水地表蓋度呈顯著的正相關，但尺度效應不明顯，與幅度、城市發展密度區域的比例無定量關係；

徐永明和劉勇洪（2013）基於Landsat TM 遙感數據運用線性光譜分解研究了北京城市不透水地表蓋度與地表溫度之間的關係，結果表明，地表溫度隨著不透水地表蓋度的增加而升高，並且其變化速率依賴於不透水地表蓋度。當不透水地表蓋度低於40%時，地表溫度隨著不透水地表蓋度增加呈指數關係迅速上升，而當不透水地表蓋度高於40%時，地表溫度呈線性緩慢上升；

郭冠華等（2015）採用回歸樹模型構建了廣州市中心區不同季節時期地表溫度與不透水地表間的關係方程，探討了城市熱環境季相變異規律及不透水地表對其的影響，發現隨季相變化，地表溫度與不透水地表的正相關關係趨於複雜，此外與傳統的線性回歸模型相比，回歸樹模型能更好地模擬地表溫度的空間異質性；

唐菲和徐涵秋（2013）選取中國6 個城市作為研究區，採用Landsat ETM+影像和線性光譜混合分析法提取出各個研究區的不透水地表面積，並反演出對應的地表溫度，利用多種回歸模型和大樣本量定量分析二者之間關係，分析了不透水地表對城市熱環境的影響機制；

楊可明等（2014）採取基於V-I-S 和全約束最小二乘法混合像元分解模型提取2010 年北京海澱區不透水地表蓋度和地表溫度，並在此基礎上對二者之間的相關性進行定性和定量分析；

徐永明和劉勇洪（2013）等利用線性光譜分解及V-I-S 模型提取了北京市單時相不透水地表蓋度，並對北京城市熱環境的空間分布特徵及其與不透水地表蓋度之間的關係進行了分析討論；

Hao 等（2016）利用多時相遙感數據對1990~2014 年北京城區不透水地表蓋度，以及相對年平均表面溫度進行了時空變化監測，並對二者之間關係進行分析討論。

本章（文）以北京城區為例，重點探討不透水地表的變化及其對地表溫度的影響。根據遙感數據的不透水地表蓋度提取結果，對2001 年、2011 年北京城區各環路範圍進行時空變化分析，分析得出北京城市擴展的主要發展趨勢。同時根據北京城區發展的特點，對北京城區各環路區域不透水地表蓋度，以及地表溫度之間的關係進行相關分析，為北京城區及近郊區今後的進一步建設規劃和環境治理提供參考。

▲ 總體技術路線圖

主要結論為：

（1）2001~2011 年北京城區的不透水地表蓋度變化主要集中在低密度區間，中密度和高密度不透水地表蓋度變化相對較小。具體情況為：北京五環以內區域由於基本開發完成，城建區較多，不透水地表變化並不明顯；主要變化集中在五環至六環以內區域，且低密度不透水地表蓋度增長明顯，中密度區和高密度區主要增長集中在城市東部。

▲ 研究區ISP 估算結果圖

（2）相較於2001 年，2011 年高溫區聚集程度更為明顯。其中四環以內地表溫度與周邊區域地表溫度相比，溫差增大；城區各密度不透水地表蓋度區之間的地表溫度差異更大。

▲ 研究區歸一化地表溫度結果圖

（3）2001 年和2011 年北京城區各環路區域內不透水地表蓋度與地表溫度均呈正相關。四環至六環區域，地表溫度隨不透水地表蓋度變化的趨勢相近。ISP 在10%~20%的區域，地表溫度上升速率明顯高於其他區域，ISP 大於20%的區域地表溫度隨ISP 增加的加速度呈現逐步下降的趨勢，其增長對地表溫度的影響相對減弱。

▲ 2001 年北京不同環路區域ISP 與LST 關係圖

▲ 2011 年北京不同環路區域ISP 與LST 關係圖

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