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昆明市瞬时热力场空间格局及动态变化*

更新时间:2009-03-28

城市的热岛效应是城市气候中典型特征之一。早在1818年,就有城市热岛的概念被提出,即指由于人为原因,改变了城市地表的局部温度、湿度、空气对流等因素,进而引起的城市中心的温度要高于周围郊区温度的现象[1]。而城市的热岛效应会对区域及全球的气候变化产生一定的影响[2],而造成这种结果的原因正是因为人类的活动加剧,土地利用的变化,即城市化的发展过程[3]。随着城市化进程的加重,导致了城市热岛现象已经成为评价城市的生态条件的重要指标[4]。解决城市空气污染和研究大气环境的变化规律,改变城市环境空气质量,成为现代人类社会普遍关注的热点。

目前,已经有多位学者就城市的热岛效应进行研究,并取得了一定的成果。2014年,Feyisa等[5]发现城市公园有显著的降低温度的作用,并且这种作用与公园里的植被的物种及覆盖面积、大小和形状有关;同年,Steeneveld等[6]发现城市热岛效应对人体有很大的危害。2015年,BY Tam等[7]利用了北美5个城市的气象站数据,验证了城市化的进程是造成城市与乡村温差逐渐变大的主要原因。随着遥感技术的发展,目前也有越来越多的学者使用遥感技术对城市的热岛效应进行研究,2015年, D Zhou等[8]利用从2003年到2012年MODIS数据对中国32个城市的农村地区的温度进行提取,发现了一个明显的城市/农村温度“悬崖”,热岛效应与城市规模有很大关系。2016年,Shen等[9]利用了卫星监测和多传感器遥感数据的融合的方法解决了城市热岛效应数据时空不连续的问题。

昆明市是云南省的省会,是中国面向东南亚、南亚开放的门户城市,我国重要的旅游、商贸城市。因其气候宜人,四季如春,一直享有春城的美誉。近二十年来更是昆明经济高速发展的时期,由于城市化的进程也起的气候变化已经引起了很多学者的关注。因此保持本地的气候优势,抑制高温区的扩张,对昆明的经济和旅游产业的发展都是有着重要的意义的。本文即利用多期Landsat影像对昆明市区20年的温度变化进行研究,分析城市的热力场变化与下垫面类型变化之间的关系,力求为相关的规划和决策部门提供科学的依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究地区

昆明市位于 102°10'~103°40'E,24°23'~26°22'N,坐落在中国西南云贵高原中部,中心海拔约1 891 m。市区地处云贵高原,总体地势北部高,南部低,由北向南呈阶梯状逐渐降低。中部隆起,东西两侧较低。以湖盆岩溶高原地貌形态为主,红色山原地貌次之。大部分地区海拔在1 500~2 800 m之间。昆明属北纬低纬度亚热带—高原山地季风气候,由于受印度洋西南暖湿气流的影响,日照长、霜期短、紫外线强度较高。昆明地区的地带性植被类型为以壳斗科树种为主的半湿润常绿阔叶林,但现在仅有少量这样的群落存在于交通不便的昆明边远郊区或庙宇周围[10]。而大量分布的是一些人工林和此生性的灌木或草本群落。城市中除了人工种植的植物外,自然生长的仅有草本和灌木植物。

  

图1 昆明市市区区划图Fig. 1 Urban districts of Kunming

1.2 研究数据及研究方法

本文研究数据为1995年美国陆地资源卫星Landsat-5 TM影像, 成像时间为4月19日格林威治标准时间凌晨2:43时,2010年的美国陆地资源卫星Landsat-5 TM影像,成像时间为5月14日格林威治标准时间凌晨3:25时,以及2015年Landsat8影像,成像时间为5月28日格林威治标准时间凌晨3:34时。经查阅相关资料并咨询当地气象站相关工作人员后得知,3期数据成像时间均是天气晴朗、天空无云的春季,故而可以进行动态比较。

(3)同德县地质灾害易发性评价及区划结果表明:高易发区面积760.51 km2,占总面积的15.18%;中易发区面积3 784.41 km2,占总面积的75.52%;低易发区面积466.12 km2,占全区面积的9.3%。本次易发性分区结果可以作为同德县土地利用规划的基础依据,也可以指导该县防灾减灾工作,是地质灾害风险管理的基础数据。

为了研究昆明市区城市热环境大范围发生改变的原因,则确定1995年、2010年和2015年下垫面的变化情况,有很多的研究表明,下垫面变化是引起城市热环境变化的原因[14-15]。依据土地利用分类标准,结合研究区域的实际情况和研究的需要,本文将研究区域分为四个大类,植被、建筑用地、水域和未利用地,如图4所示。

从图可看出,在昆明市的主城区,1995年以中温区为主,城郊地区则为较低温区,有水体的区域则为低温区,到了2010年主城区的面积逐渐向外扩大,中温区面积逐渐减少,出现了较高温区和高温区,至2015年,主城区面积更为加大,高温区面积增加,较低温区和低温区逐渐消失。

根据地表温度反演的结果并查阅相关资料,将研究结果分为5个温度等级,相对低辐射温度区域,相对较低温辐射温度区域,中等辐射温度区域,相对较高温辐射温度区域和相对高温辐射温度区域,划分界限以1995年为标准,计算方法:平均值-1.5倍标准差、平均值-0.5倍标准差、平均值+0.5倍标准差、平均值+1.5倍标准差[12],即13.89、20.67、27.45和34.23 ℃,如图3示。

由于采用Landsat数据反演的温度为地表温度,而平常天气预报中所报的是空气温度,太阳的热能被地面吸收后,地面再通过辐射、传导和对流将热量传递给空气,这才是空气温度的主要热量来源,而太阳辐射直接被大气吸收的部分使空气增温的作用极小,只能使气温升高0.015~0.020 ℃,所以由于这个原因地表温度会远高于空气温度。

2 结果与分析

2.1 昆明瞬时热力场分布格局

将输出的地表温度图分为高中低不同等级的温度区,以反映热力场在空间分布上的变化,同时选取高温区和低温区变化较大的地区研究其对应的土地利用变化,以分析下垫面的改变对城市热环境的影响。

表1为地表温度反演统计结果,可以看出,整个昆明市的平均地表温度由1995年的24.06 ℃迅速增长到2015年的34.02 ℃,且最低温和最高温均有大幅度的上升。

显然,相对高温辐射温度地块过多就是一个反应城市环境不良的具体表现[13]。从上图中可以看到,1995年低温区主要是在滇池及周边有水体覆盖的地方,较低温区则分布在昆明的西山区大部分森林覆盖的区域及滇池周边,中温区和较高温区则相对集中的分布在城市的中心区域,高温区仅有一小部分分布在五华区和呈贡区的边缘部分;2010年低温区面积急速减少,且没有大块分布,只有零散的分布在昆明周边森林覆盖相对较多的地区,滇池及其周边变成了较低温区,中温区和较高温区依然分布在城市中心区域,且中温区的面积大范围减少,较高温区面积扩大,并且零星出现了大面积高温区,分布在五华区、盘龙区和西山区的西南部等地区;2015年的温度分布图中,整个昆明温度提升了2个等级,已经看不到低温和较低温区的分布,滇池及其周边地区处于中温区,还有西山区的西北部,官渡区和呈贡区的周边还有少面积中温区分布,而主城区大部分为较高温区,五华区和盘龙区高温区面积大大增加,尤其五华区已经形成大面积成块热岛。

  

图2 TM数据反演出的地表温度与MODIS数据提供的地表温度的线性拟合结果Fig. 2 Linear fit of surface temperature retrieved from TM and surface temperature from MODIS

 

表1 TM数据反演的地表温度统计表Tab.1 Statistics of surface temperature retrieved from TM ℃

  

标准差Std.1995 -8.86 43.30 24.06 6.78 2010 -10.00 57.05 30.64 7.48 2015 13.56 52.84 34.02 5.28年份Year最小值Min最大值Max均值Mean

目前基于遥感反演地表温度的精度已经得到大多数的研究者的验证,常采用3种方法:大气模拟数据法、地面测量数据法及卫星反演数据相互验证法[11]。由于本研究使用的数据时间限制,因此无法获得地面的实测数据,故采用第3种办法进行验证。MODIS数据可以同时提供反应陆地、海洋水色地表温度、云顶温度、大气温度等特征的信息,用于对陆表、生物圈、固态地球、大气和海洋进行长期全球观测。但由于其分辨率极低,因此无法用于小范围研究,且其最早是在1999年搭载在TERRA卫星上发射成功的,1999年之前没有数据来源,但是可以利用该数据与本研究进行相互验证。经过数据的筛选,2010年可找到与本研究所使用的TM数据相同时间成像的MODIS影像。处理后,随机在TM数据反演出的地表温度影像上选取400个点提取温度,并在MODIS影像的相同位置提取地表温度。部分随机点选取的位置,MODIS数据上处于无值区域,去除这些异常值,共计360个点。利用这360个数据进行线性回归,最终拟合优度为0.70,拟合结果如图2所示。证明由TM数据反演的地表温度与MODIS数据提供的地表温度具有很好的空间一致性,因此采用TM数据反演的地表温度精度符合要求。

当停站时间不包含司机确认信号的时间时,十陵站、成都大学站的停站时间可由30 s缩短至25 s,追踪间隔也可在优化紧急制动距离的基础上进一步降低至73 s,如图7所示。

2.2 昆明市城市热环境变化

统计1995年、2010年及2015年不同温区的面积,如表2。从表2中,可以看出,从1995年到2010年,15年间,昆明的高温区和较高温区急剧扩大,尤其是2010年高温区的面积已经是1995年高温区面积的近8倍多;到2015年,高温区已经在五华区形成了大型的热岛,并向盘龙区、官渡区和呈贡区扩散,高温区面积已经是1995年的13倍多;城市低温区逐年减少,至2010年,低温区已经下降到30 km2,是1995年低温区的0.1倍,到了2015年,低温区已经完全消失,统计出的0.003 6 km2,仅为一个像素的大小,而至2015年较低温区也已经濒临消失,最为明显的滇池等水体分布区域,温度已经由1995年的低温区转变到了2015年的中温区。这说明,近20年间,昆明市区的地表温度发生了极大的变化。

  

图3 1995年、2010年及2015年昆明市瞬时热力场分布格局Fig. 3 Instantaneous spatial pattern of thermal force field in Kunming in1995, 2010 and 2015

 

表2 昆明1995年、2010年及2015年不同温区面积Tab.2 The area of temperature zones of Kunming in 1995, 2010 and 2015 km2

  

年份Year高温区Hot 1995 234.2637 465.5106 1099.5435 766.5651 105.6843 2010 30.9312 270.9594 451.7442 1053.1548 863.8605 2015 0.0036 0.1737 272.1447 998.9946 1399.3326低温区Cold较低温区Cool中温区Medium较高温区Warm

2.3 城市热环境变化与下垫面变化之间的关系

根据Landsat数据的特点及地表温度反演技术的要求,本研究主要采用辐射传输方程的方法进行地表温度的反演,即在进行数据预处理包括几何校正和大气校正后,首先获取地表比辐射率值,其次计算黑体在热红外波段的辐射亮度,最后利用普朗克公式的反函数反演出整个研究区域的地表温度分布情况。

回家的路上,媳妇被烧烤店老板留下的话把儿,飘飘荡荡地带进了五里云雾中。她想烧烤店老板要说什么呢?能有什么事情发生?他的话里有什么含义?难到那租住的房里有什么不可告人的秘密?掂量着,她想起一件事情。上午收拾屋子的时候,里屋房旮旯堆着的几块砖引起她的注意。平平常常的几块砖,上面粘着干枯的泥土,看着像是从哪个建筑拆下来的。但屋里的墙壁都好好的,没有破损。看来是以前的住户或是房东从别处搬来的。这里放几块砖干什么呢?她想。她嫌它们碍事,打算把它们搬到院子里去。就在她拆砖的时候,发现砖底下压着些烧焦了的黄纸残片。纸片上面依稀用红笔写着些稀奇古怪、字不像字画不像画的符号。

顾盼找到她的时候,她的额头滚烫滚烫,却仍然坐着不肯离开。顾盼把她扛到肩膀上,一直背到他巡逻的警车里去,她一路拍打着挣扎着,狠狠咬他的手臂,直到车门关上才安静下来。她哭了,却不肯说话,心里全都是满满的苦,怕一张口,就会弥漫得满车都是黄连的味道。

在对应的土地利用类型图中,1995年,城郊包括西山区和呈贡区的大部分及五华区、盘龙区和官渡区的部分地区都为绿地分布较为广阔的地区,建设用地即人口大部分集中用地,在五华区、盘龙区和官渡区相邻的较为集中的老城区,且城中也有大面积的绿地分布,为城中绿化种植;西山区地势高耸山脉围绕,因此林木众多,仅有少部分未利用的土地,遥感影像显示为没有任何地物覆盖的裸地,可能为无法种植的荒地;呈贡县则属于未被开发的地区,同样林木覆盖广泛,仅有少部分建设用地和未利用地存在。

第二天上班,葛局长眼里布满血丝,工作也集中不了心思。中午,葛局长提前下班了。葛局长没回家,给小虫打了个电话,约小虫到川淮土菜馆。葛局长点了几道菜,又从后备箱里拿了瓶五粮液。

从传统成本管理到精细成本管理的过渡中,企业在成本管理的道路上不断探索,传统成本管理的信息处理模式较落后,没有考虑企业所处的信息化背景,很少使用计算机,没有充分利用Internet、EDI等信息技术,导致信息不完整、传递不及时,信息无法有效使用,无法为企业管理者提供决策支持。传统成本管理主要以手工处理方式为主,手工处理方式的局限性是只能提供企业的历史资料,基于历史资料所作出的成本控制方案是事后控制,不能对生产流程的成本控制进行实时监控。有些企业为了减少成本,例如盲目减少公司的投资成本,导致公司在生产得不到保证;还有在生产环节为降低成本,减少正当材料的使用量,最终导致企业产品质量出问题等。

2010年,建设用地面积急剧扩大,五华区、盘龙区及官渡区均各自向外扩张,此时的城中温度已经由20年前的中温区变化为较高温区,甚至出现了零碎的高温地区;西山区则也出现了少部分建设用地,同时林地面积大为减少转为未利用地,从遥感影像上来看,均转化为未施工完成的建设用地及无法种植的荒地,温区也由1995年的较低温区变成了中温和较高温区;呈贡县则因为城市建设的需要,2003年5月30日,云南省委、省政府作出了建设“现代新昆明”的战略部署。率先在昆明市主城东南部的呈贡启动,设立呈贡新区;大部分林地转变为建设用地及未利用地,未利用地即包括未施工完成的建设用地及无法种植的荒地,温区则由原来的中温和较高温区转变为较高温和高温区。

2015年,昆明市区建设用地面积更为扩大,扩大速度较之1995年至2010年提升数倍,人口增加且广泛分布,五华区成为人口最为密集的区,盘龙区和官渡区次之,高温区面积扩大;西山区的林地面积仍在减少,建设面积在增加,未利用地面积也在增加,中温区逐渐消失,转化为较高温和高温区;2011年,呈贡县正式撤县设区,至2015年,大学城逐渐成型,建设用地大为增加,人口数量为成比例增长,林地逐渐减少,温区依然为较高温区和高温区。

  

图4 1995年、2010年及2015年昆明市区用地类型分布Fig.4 Land-use types of Kunming in 1995, 2010 and 2015

3 结论与讨论

在1995年至2015年20年间,昆明市的热力场发生了巨大的变化,尤以2010年至2015年间速度更快。高温区急剧扩大,低温区逐渐减少至消失。

经过3个时期的对比分析可知,人口密集,工业集中则会造成大量的人为释放的热量,高大的建筑物造成近地表面风速比较小,且通风不良,不利用散热,人类活动释放的大量废弃进入大气,改变了城市上空的大气组成,使其吸收太阳辐射的能力及地面长波辐射的能力增强,昆明在20年的发展下,城市面积逐渐扩大,人口逐年增加,因此城市中心温度升高,同时建筑面积的增加和未利用的荒地增加也会增加地表的辐射温度,建筑材料和裸露的地表都具有很高的吸热能力,建筑材料多为导热性好的材料。受热传热比较快,在白天太阳的辐射下,地面温度升温很快,滚烫的路面、屋顶把热量很快传给大气;日落后,加热的地面、建筑物仍缓慢地向市区空气中播散热量,使得气温升高。同时有研究表明[16],在对直接接受日照的裸露地表和有植被覆盖的地表的地下温度进行测量后,结果是在0~5 cm的深度下,裸露地表下的温度要比有植被覆盖的温度高4~6 ℃,昆明周边在20年间多了大面积的未利用的荒地,这些也使得地表温度逐年上升。

由此可见,城市发展的进程是造成昆明城市温度不断提高的主要原因。而在城市里,被植被覆盖的地方温度升温则不那么明显。可以看出,辐射温度的主要决定因子为绿地覆盖率,要减缓这种效应,主要是在下垫面的调整和污染控制上,调整需要注重建筑容积和立体绿化景观结构的构建[17],以提高城市绿化率,增加城市水域面积,预防发生污染,减少人为的热排放。城市森林和绿地一直是城市生态系统中重要的组成部分[18],有研究表明,如增加10%的绿地,辐射温度将降2 ℃左右[19]。因此增加城市绿化作用是解决昆明的温度日趋升高的主要解决办法。

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刘畅,王晓锐,付尧,刘昕岑
《林业与环境科学》 2018年第02期
《林业与环境科学》2018年第02期文献

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