赵颜创;赵小锋;旷达
【摘 要】Urban Heat Island (UHI) is one of the most significant environmental issues along with the process of urbanization. It is an effect way to mitigate UHI when considering the dynamic characters of UHI. It is a useful tool to unfold the inherent characters of UHI when using the multi-index analysis. Taking Ningbo as a case study, we use TM/ETM+ imageries to invert thermal maps both in summer and winter seasons from 1984 to 2010. UHI intensity, UHI extent and landscape metrics within the same period, thereafter, are calculated based on the thermal maps. The results show that: (1) The average UHI intensity is 1.57℃ in winter, which rises to 8.67℃ in summer. The UHI effect is more significant in summer than that in winter. And this effect tends to increase during the summer but decreases during the winter. (2) The share of the built-up areas which is affected by the UHI in winter is 89% and that in summer was 98%. UHI extent kept increasing with urbanization in both winter and summer. (3) In winter, the low – grade UHI patches are the dominant pat
ches, which contain 96% of the total UHI areas, while the dominant patches changes to middle / high – grade patches in summer, containing 92% of the total UHI areas. (4) The patch shape of main UHI classes became more complex with urbanization in both seasons, as well as the patch shape at landscape level. (5) The UHI landscape became more fragmented in winter yet more aggregation in summer. In winter patch areas of different grades turned evener and the whole landscape became more diverse, which was opposite in summer. (6) Both the number and grades of UHI patches increased with urbanization. Two hot – spots emerge in Ningbo Economic and Technological zone during the winter season. And three areas with high temperature place at Sanjiangkou, Yong River estuary and Ningbo Economic and Technological Zone. Those results provide some policy implications for urban management.%以宁波市为研究对象，利用1984─2010年间冬、夏各5景Landsat TM/ETM+遥感影像数据进行地表温度反演，在此基础上使用热岛强度、热岛面积、景观格局指数综合分析了宁波城市化进程中城市热岛在冬、夏两季的演变趋势，得出如下结果,（1）强度方面，冬季平均热岛强度为1.57℃，夏季为8.67℃，夏季明显强于冬季；热岛强度在夏季呈增强趋势，在冬季呈变弱趋势。（2）热岛面积方面，在 冬季，平均89%的建成区受热岛效应的影响，而在夏季，该比例为98%。无论冬夏，热岛面积均随城市化的发展持续增加。（3）数量方面，热岛景观在冬季以低等级热岛斑块为主，占热岛面积的96%左右，夏季以中、高等级热岛斑块为主，比例约为热岛面积的92%。无论冬夏高等级热岛斑块个数均随着城市化进程显著增加。（4）形态方面，无论冬夏主要热岛景观类型乃至整个热岛的斑块形状均变得更加复杂。（5）结构方面，热岛景观在冬季总体上逐渐破碎化，各类景观趋向均匀，多样性增加。在夏季则逐渐聚集，逐步向以高等级斑块为主导的格局方向发展，多样性降低。（6）空间分布方面，随着城市化进展，冬夏两季热岛景观斑块都经历了数量增加、等级升高的变化。冬季在北仑的宁波经济技术开发区形成了两个热点区，夏季在三江口周边、甬江口两岸以及经济技术开发区形成了三大高温片区。利用多指标综合分析可以更加全面的反映城市热岛的演变规律，为减缓城市热岛效应提供理论依据。
【期刊名称】《生态环境学报》
【年(卷),期】2014(000)010
【总页数】8页(P1628-1635)
【关键词】城市热岛;多指标分析;城市化;时空变化;宁波
【作 者】赤峰学院学报编辑部赵颜创;赵小锋;旷达
【作者单位】中国科学院城市环境与健康重点实验室，中国科学院城市环境研究所，福建厦门 361021; 中国科学院宁波城市环境观测研究站，浙江宁波 315800;中国科学院城市环境与健康重点实验室，中国科学院城市环境研究所，福建厦门 361021; 中国科学院宁波城市环境观测研究站，浙江宁波 315800;中国科学院城市环境与健康重点实验室，中国科学院城市环境研究所，福建厦门 361021; 中国科学院宁波城市环境观测研究站，浙江宁波 315800
【正文语种】中国关系网中 文
【中图分类】X16FANPN
城市热岛效应是指城区温度明显高于外围郊区的现象，其产生及变化与城市化过程中城市地表覆被改变以及人类社会经济活动密切相关，是城市生态环境状况的综合体现（黄聚聪等，2012）。研究城市热岛效应的时空演变机制，并提出有效的控制和缓解措施对改善城
市微气候、城市人居环境、促进城市可持续发展有重要意义。城市热岛分为大气城市热岛和地表城市热岛。随着遥感技术的快速发展和广泛应用，其宏观、综合、快速、动态、准确的优势为地表城市热岛提供了先进的探测与研究手段，众多学者对于地表城市热岛的相关问题展开了大量研究。但在分析城市热岛的特征时，通常采用热岛面积、热岛强度等单一指数（孙飒梅和卢昌义，2002；王建凯等，2007；韩贵锋等，2012；姚玉龙等，2013），无法深入了解城市热岛的特征。浩等借鉴景观生态学的原理和方法，提出热力景观观点用以研究城市热岛空间格局（浩等，2002a；浩等，2002b）。随后，许多学者在此基础上展开了大量深入的研究（胡姝婧等，2009；江学顶和夏北成，2007；贡璐和吕光辉，2009；孟丹等，2010；Zhao等，2010；黄聚聪等，2011；黄聚聪等，2012；白杨，2013；李海峰，2013）。虽然景观格局指数多样（陈利顶等，2008），能够从斑块、类型和景观三个层次对热岛格局进行更为全面的表征，可以更深入的研究城市热岛效应及其演变特征。但景观格局指数也存在局限性，比如在反映格局-过程关系的作用时受到质疑（Tischendorf，2001；Harbin和Wu，2004）。由此可见，使用单一类型的指标很难全面反映城市热岛的基本特征，使用多种指标进行综合分析则将成为城市热岛效应监测与评价的发展方向。
本文以宁波市为例，利用Landsat TM/ETM+遥感影像，使用热岛强度、热岛面积、景观格局指数综合分析城市化进程中城市热岛在冬、夏两季的时空演变特征，以期为缓解城市热岛、改善城市生态环境、促进城市可持续发展提供科技支撑。
宁波市位于东经120°55’～122°16’，北纬28°51’～30°33’之间，地处我国海岸线中段，属于亚热带季风气候，温和湿润，四季分明。冬季受蒙古高压控制，盛行偏北风，夏季受太平洋副热带高压的影响，盛行东南风。冬夏平均降水量分别为191和548 mm。冬季最高、最低与平均气温分别为12.0 ℃、1.8 ℃和6.0 ℃，夏季分别为32.6 ℃、21.0 ℃和26.6 ℃。宁波市作为我国华东地区重要工业城市和对外贸易口岸，是长三角南翼以及浙江省的经济中心。随着经济的迅速发展，宁波城市化进程加快，城市扩张迅猛，建成区面积由1984年的23 km2增加到2013年更是达到290 km2（中国城市统计年鉴，2014），市区空间由河口向滨海演进，形成了三江（主城区）、镇海、北仑三片临江、滨海发展的格局。热岛现象日益严重（丁烨毅等，2008；姚一舟等，2013）。因此有必要对宁波热岛效应进行全面的监测与研究。为避免郊野热异常对城市热岛效应分析的干扰，本文在具体分析时以宁波市当年的建成区作为热岛分析的范围。以2010年为例，宁波市建成区的如图1所示。
2.1 数据源与图像预处理
我们的足球场
根据研究目的和影像质量，在1984─2010年期间的冬、夏季节各选5景Landsat TM/ETM+影像（见表1），轨道号为118/39。所选用的10景影像数据天气晴朗、大气可见度高、成像较好。所有影像均采用WGS-84椭球和基准面，精纠正到UTM投影坐标系（N51带），并通过重采样统一分辨率。
2.2 温度反演
痛风茶使用TM和ETM+热红外波段反演地表温度。对于TM，热波段是6波段；对于有两个热波段的ETM+，这里使用的是62波段，该波段适用于沿海等低反射率地区（Xian和Crane，2006）。首先使用公式（1）将DN值转化为云顶辐射亮度，然后利用公式（2）对影像进行大气校正和发射率纠正，将云顶辐射亮度转换为地表辐射亮度（Barsi等，2005)。公式（3）将地表辐射亮度转化为地表温度sT（Chander和Markham，2003）：
式中，λL是云顶辐射亮度（单位为W/(m2sr μm），λinGa和λBias分别是转换函数的斜率系数和截距系数，两者均可在TM/ETM+影像自带的元数据中获得。TL是地表辐射亮度（单位为W/(m2sr μm），在进行大气校正时，大气上行辐射亮度μL、大气下行辐射亮度λL、和大气透过率τ均来自于NASA网站的大气参数数值查询(National Aeronautics and Space Ad
ministration，2014)。发射率ε的确定则基于土地覆盖分类结果进行赋值（Snyder等，1998)。sT是地表温度（单位为K），K1是定标常数1，对于TM取值607.76，对于ETM+取值666.09；K2是定标常数2，对于TM取值为1260.56，对于ETM+取值为1282.71（Landsat Project Science Office，2009）。
2.3 城市热岛分析指标
本研究使用热岛强度、热岛面积以及景观指数三类指标来分析宁波城市热岛随城市化的演变规律，具体如下：
2.3.1 热岛强度
热岛强度用来衡量热岛效应的强弱，对于大气城市热岛，热岛强度是指城区气温与郊区气温的差（Lin and Yu, 2005）。而对于遥感监测的地表城市热岛，热岛强度还没有一个通用的定义（Zhao等，2010）。在此，我们定义城市热岛强度是为建成区平均地表温度与郊区平均地表温度之差，如公式（4）所示。
式中，I指热岛强度，Tu为宁波市建成区平均地表温度，Ta为宁波市郊区平均地表温度。
2.3.2 热岛面积
热岛面积是指研究区内存在热岛效应的区域面积，即宁波市建成区内地表温度大于宁波郊区平均地表温度的像元面积的总和。
2.3.3 热岛景观指数
首先将研究区划分为不同等级的热岛景观斑块。具体过程是：使用反演得到的地表温度根据公式（5）计算相对温度，然后根据相对温度的统计分布进行阈值分割，划分热岛景观斑块等级，其中所使用的阈值如表2所示。其中第1等级的斑块未列入分析。
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