拉萨市主城区地表温度动态变化分析
冯成玉，孟令斌，刘 瑞，陈 扬
西藏大学，西藏拉萨 850000
伴随着城市化的发展，受到人类活动、下垫面改变等因素的影响，城市生态环境的可持续发展受到制约。其中，较为明显的是城市热环境的变化和城市热岛效应的形成，会破坏城市生态系统平衡，对城市的大气环境、居民健康等产生恶劣影响，不利于城市社会、经济的发展[1]。地表温度作为城市热岛的关键因子及地表热环境和热岛效应研究的基础，在城市热生态领域的研究中备受关注[2]。
西部发展战略的背景下, 拉萨市城区迅速发展，城市环境的变化及其生态的可持续发展备受各界关注。研究拉萨市地表温度的动态变化对探索城市生态环境的变化与城市的可持续变化具有指导意义。
2.1 研究区概括
城关区隶属于西藏自治区拉萨市，位于拉萨河中游河谷冲积平原区域，城市区域面积占10%左右。作为拉萨市的中心辖区，城关区是拉萨市城市化最高的区域，是拉萨市和西藏自治区的经济、政治等活动中心。由于本次研究基于城市层面，所以将城关区的城市建成区（拉萨市主城区）作为本次研究区域。
2.2 实验数据
本次实验数据采用分辨率高，适合研究城市区域的Landsat遥感影像数据，共获取2006、2013、2020年3期同时空不同时相的遥感影像。
（1）采用大气校正法实现地表温度反演。大气校正法的原理是以卫星传感器接收到的辐射总量为基础的，减去因受到大气影响的热辐射量，得到真实的地表辐射总量，根据普朗克公式将地表辐射总量反演为地表温度[3]。大气校正法的优点是该反演算法操作简单、精确。大气校正法对只有一个热红外波段的传感器所获取的影像反演精度高，并在反演过程中对热红外波段没有任何限制[4]。
（2）在ENVI 5.3中对已预处理的影像进行参数的计算，反演得出真实的地表温度。
NDVI和植被覆盖度的计算：NDVI为归一化植被指数，由公式（1）计算得出，NDVI良好地反映了植被的生长状况和覆盖度状况，可将植被与其他地表物体区分开来。NDVI也是城市下垫面伴随着城市化发生改变的明显反应指标之一，能够反映出城市热环境的变化。
得到归一化植被指数后，进一步反演得到植被覆盖度。
分别取累计百分比最接近5%和95%时的NDVI值作为NDVIS的值和NDVIV的 值。当NDVI大 于NDVIV时，P(V)=1，当NDVI小于NDVIS时，P(V)=0。
比辐射率的计算：地表比辐射率是物体的辐射强度与相同温度、波长的黑体辐射强度的比值，是地表温度反演的关键参数。
黑体辐射亮度值的计算：由卫星传感器接收到的辐射亮度值总和公式推导而成。
I为传感器接收的辐射总亮度，ε为比辐射率，TS为地物真实温度，τ为大气透过率，L↑为大气上行辐射亮度，L↓为大气下行辐射亮度，B(TS)为黑体辐射亮温。
地表温度反演：真实的地表温度可由普朗克公式求得。
4.1 2006—2020年地表温度动态变化
将反演出的3年地表温度结果进行归一化处理，并采用均值标准差法对研究区的地表温度进行等级划分，结果见图1。
图1 2006—2020年拉萨市主城区地表温度图
各温度等级区域的面积及变化情 况统计见表1
表1 拉萨市主城区各地表温度等级面积统计 m2
由表1可知，主城区的次中温区、中温区呈减少趋势，次中温区面积2006—2020年的变化率为-51.03%，为5个温度等级区域面积变化率最高的区域，主要升温为次高温区、高温区。中温区在15年间变化趋于平稳，在3年间都为面积最大的区域。低温区、次高温区、高温区面积都呈增加趋势。
将次高温区和高温区作为热岛区。2006—2020年，热岛区面积增加了7 967 700 m2，增长率为24.97%，直观表明15年拉萨主城区的地表升温现象。由表1可知，2006年的热岛主要分布在东郊和城区四周的山地。东郊及其周围山地多无植被覆盖的裸地。裸地对热辐射的吸收和裸地地表温度的上升速率不亚于城市下垫面，裸地也是导致城市升温、热岛效应的下垫面之一[6]。在阳光直射且地表裸露的条件下，2006年土地利用程度小的东郊及其周围山地温度高于草地、林地等自然下垫面较多的中心城区和西郊。2013年与2006年相比，主城区中心热岛区域大幅度增加且西郊也有一定程度的热岛区域。2020年与2013年相比，主城区中心热岛程度加深，次高温区和高温区区域集中分布，并且向四周扩散，西郊和东郊热岛面积扩大。进一步表明主城区城市化区域随着城市的发展逐步扩大。
2006—2020年，低 温 区 增 加 了2 524 500 m2，增长率为17.86%，3年的低温区主要分布在拉鲁湿地和拉萨河流域，低温区面积的增加反映出拉鲁湿地和拉萨河流域面积增加的趋势。拉鲁湿地在早年受人为活动的干预，生态环境被破坏，区域面积减少，2005年拉鲁湿地被设立为国家级自然保护区，政府及相关部门加强对拉鲁湿地的生态修复和保护，在研究结果中拉鲁湿地区域低温面积的增加一定程度上反映出拉鲁湿地生态的修复和保护效果。
4.2 拉萨市地表温度变化与城市热岛效应形成的原因和危害
4.2.1 地表温度变化与热岛效应形成原因（1）城市快速扩张，主城区下垫面的变化。作为西藏自治区的首府，拉萨市城市化的进程迅速。基于城市经济等各方面的发展需求，主城区规模日益扩大，人工建筑物在城市区域中占比增加，土地利用类型向城市用地类型转变。人工下垫面与自然下垫面的性质差异明显，沥青等材料组成的下垫面对辐射的吸收率高，反射率低，当其受到热辐射时，地表会蓄积更多热量，并且不易散发，使城区地表温度升高，形成城市热岛效应。同时，主城区日益增多的高层建筑使城市建筑密度增加，导致城市风速受阻，城市产生的热量不易向四周散发，城市温度无论昼夜温度下降速度都较缓慢。
（2）主城区人口聚集与人为热的释放。城市人口密集与大量人为热的释放是造成城市热量集中的重要原因[7]。城市化发展的主要标志之一就是人口密度的增加。拉萨市的常住人口数量快速增加且居民的生活质量日益提高，人们日常生活、旅游、宗教等活动的过程中会产生大量的热量，如拉萨市冬季的大规模取暖等。人类活动产生的大量人为热量聚集在城区，使城区温度上升，导致城市热岛效应强度增强。
（3）城市化过程中的空气污染。在城市快速发展的过程中，人类活动还会排放大量的污染气体。拉萨市工业产业形成初步规模，生产过程中会产生粉尘等工业污染物；
拉萨市人均拥有汽车数量居全国前位，汽车的尾气排放成为拉萨市区主要的空气污染源，同时拉萨全年天气多晴朗，在大气温度结层稳定、静风、晴朗的天气情况下，空气污染物不易扩散，并悬浮在城区上空的低空层[8]。聚集在城市上空的污染气体能阻碍城市热能向外辐射，使城市中产生的热量停留在城市区域，增强城市热岛效应。
4.2.2 城市地表温度增高与热岛效应的危害热岛效应会对城市的生态、居民健康等方面产生不同程度的危害。地表温度的升高和热岛效应的形成，使城市长期处于高温状态，易造成城市极端天气的发生。城市热岛效应阻碍城市大气流动循环，使城市活动过程中产生的大气污染物上升流动，聚集在城市上空。热岛效应会直接或间接地对城市居民的健康产生危害，大量的医学临床试验证明, 人类所处环境温度影响人体的机能、生理活动[9]。高于人体最佳适应环境温度时，人类的身体和心理都会遭到损害，也会引起人体调节系统的失衡，出现各方面的疾病。热岛效应的加剧还会对城市的能源消耗、经济等产生消极影响，不利于城市可持续、健康发展[10]。
4.3 拉萨市城市热岛效应的缓解措施
4.3.1 加强城区冷岛区域的生态建设、防护本研究表明拉萨主城区的冷岛区域集中在拉萨河流域和拉鲁湿地。拉萨河和拉鲁湿地区域及周边的地表温度低于城市建筑密集区。湿地、水的热容量比人工下垫面大，水在蒸发过程中也可以吸收大量的周围热量[11]。由此可见，加强对拉萨河和拉鲁湿地的生态建设是调节城市热环境的重要举措。在此基础上，可以开发新的人工河、人工湖等，构建拉萨城区河网系统，扩大水体面积，以达到城市降温效果。
4.3.2 强化城市绿化绿色植物的蒸腾等作用能高效吸收环境的热量，每公顷绿地每天从周围环境中吸收热量的作用相当于189台空调的制冷作用。强化城市绿化是降低地表温度，减缓城市热岛效应的有效措施之一。基于拉萨的地貌地形及土地利用程度，强化绿化有以下几种办法。首先，可以在城区周围的山地开展植树造林活动，形成环城绿色屏障。其次，扩大城区的绿化面积，打通拉萨市的绿色廊道，丰富绿色植物的垂直结构。考虑城市建筑密集，还可以引进绿色屋顶先进的城市绿化技术，在建筑屋顶进行绿化，可以减少建筑物对热辐射的吸收，降低建筑物温度，一定程度上扩大城区绿化面积，减少拉萨市阳光直射的影响。
4.3.3 倡导绿色出行随着拉萨经济的发展和居民生活质量的提高，拉萨市人均车辆位居全国前列，私家车成为拉萨市居民主要的出行交通方式，产生的尾气等加剧城市热岛效应。因此，应提倡绿色的出行方式、建立发达便捷的共享系统、公共交通系统、建设新能源汽车配套设施。
本研究表明2006—2020年，主城区次高温区和高温区面积增加25%左右，在空间上，城市建成区的次高温区和高温区由城区中心的零散分布演变为城区中心的集中分布并向城郊扩散。城区热岛效应的增强和地表温度的上升主要受人口增加、城区下垫面的改变、大气污染的影响。对于裸地的升温效应和城市热环境的影响未进行深入分析，未来将对山地城市的裸地升温效应进行进一步探讨。关于主城区地表温度动态变化的分析对拉萨市城市热岛效应的缓解和城市的可持续发展具有一定的参考意义。
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