王桂玲，談建國(guó)，崔林麗，王成林，金賽花

(1.解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院，江蘇 南京 211101;2.上海市氣象科學(xué)研究所，上海 200030;3.上海市衛(wèi)星遙感與測(cè)量應(yīng)用中心，上海 201100)

0 引言

城市化導(dǎo)致自然植被、土壤和水體被改變，必然造成地表物理特征和地氣之間能量交換的改變。地表熱通量與地表溫度、土壤濕度及植被狀況之間關(guān)系最為直接也較為復(fù)雜［1］。由于城市地表呈現(xiàn)尺度小、類型多的特點(diǎn)，各類地表又有其各自特性，它們的輻射、熱力及水汽分布各不相同，這就使得城市地區(qū)的觀測(cè)和模式研究都很困難，而目前衛(wèi)星遙感技術(shù)不僅能有效探測(cè)城市下墊面的溫度特征，而且還能獲取地表反照率及植被指數(shù)等地表特征，因此得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用［2－4］。目前，利用遙感資料從地表通量的角度定量地研究城市熱島形成機(jī)制，尤其城市中綠地和水體的生態(tài)效應(yīng)問(wèn)題還比較少，因此利用遙感資料進(jìn)行城市地表熱環(huán)境的研究對(duì)減緩城市熱島效應(yīng)也具有重要意義。

利用衛(wèi)星資料對(duì)地表熱通量的估算通常依據(jù)對(duì)地表輻射溫度處理不同分為單源模式和雙源模式［5－7］。盡管雙源模式物理意義比較合理，但公式中經(jīng)驗(yàn)系數(shù)較多且難以確定，導(dǎo)致誤差較大。地表能量平衡參數(shù)化(SEBAL)，是基于衛(wèi)星遙感測(cè)量的一種較新的地表熱通量參數(shù)化方法，由BRUTSAERT等提出的單源模式基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，該方法相對(duì)簡(jiǎn)單，計(jì)算中除了風(fēng)、氣溫外不需要其他資料，一直被人們應(yīng)用并獲得了較好的結(jié)果［8－10］。

為了揭示城市熱島(UHI)形成的內(nèi)在物理機(jī)制及其發(fā)生原因，文中以TM衛(wèi)星遙感資料為主要數(shù)據(jù)源，結(jié)合地面自動(dòng)氣象站(AWS)實(shí)測(cè)氣象資料，利用SEBAL的方法估算了上海地區(qū)的地表凈輻射通量和土壤熱通量，分析了上海區(qū)域的地表溫度及地表凈輻射通量和土壤熱通量的空間分布及變化特征。

1 研究范圍及資料來(lái)源

1.1 研究區(qū)域概況

研究范圍是以上海(31.25°N，121.47°E)為中心，面積為157 km×150 km，包括了整個(gè)上海城區(qū)及其相鄰區(qū)域，其地理范圍為 30.57～31.93°N，120.76～122.17°E。

1.2 資料來(lái)源

衛(wèi)星遙感資料來(lái)源于2007年7月28日的TM衛(wèi)星地表特征資料，包括地表溫度、地表反照率、植被指數(shù)及葉面積指數(shù)和土地覆蓋類型資料。由于氣象資料分辨率較粗，在計(jì)算通量過(guò)程中將TM衛(wèi)星資料由30 m分辨率合成為500 m分辨率。在研究區(qū)域內(nèi)共有83個(gè)地面自動(dòng)氣象站地面觀測(cè)資料可以利用(表1)。

表1 地面自動(dòng)站及其地理位置

續(xù)表1

1.3 資料分析

TM地表覆蓋類型資料共有10種地表類型，圖1與表2為研究區(qū)域的地表覆蓋類型及說(shuō)明。

圖1 上海地區(qū)的地表覆蓋類型

表2 TM地表覆蓋類型及其代碼

從圖中可以看出，該地區(qū)地表狀況復(fù)雜，整個(gè)地區(qū)的下墊面是極不均勻的，有水面、公園、林地、綠地、交通、商業(yè)區(qū)及居民區(qū)等多種類型，在城市中心區(qū)域，商業(yè)區(qū)和居民區(qū)以及交通面積所占比例較大。文中以商業(yè)區(qū)和居民區(qū)建筑以及交通面積的平均值代表中心城區(qū)特征值，而綠地面積平均值代表綠地特征值。

將自動(dòng)站白天11時(shí)地表溫度與TM地表溫度進(jìn)行對(duì)照，根據(jù)各個(gè)站點(diǎn)的地理位置確定其在研究區(qū)域中對(duì)應(yīng)的位置，然后對(duì)TM地表溫度進(jìn)行訂正(圖2)。由圖可見(jiàn)，在中心區(qū)域存在明顯的UHI現(xiàn)象，中心城區(qū)地表溫度比周圍地區(qū)明顯增高。圖3表示不同地表類型下的TM地表溫度分布狀況，可見(jiàn)不同類型地表，其地表溫度差異明顯，交通道路地表溫度最高，居民區(qū)和商業(yè)區(qū)地表溫度其次，水面最低。交通道路與水面地表溫差可達(dá)10℃，與綠地和林地相差約為4～5℃，由此可見(jiàn)城市道路是城市重要熱量來(lái)源。

2 地表熱通量的計(jì)算

地氣系統(tǒng)主要驅(qū)動(dòng)力是輻射強(qiáng)迫，地表熱通量的確定對(duì)于理解地氣能量交換過(guò)程有著重要的作用。地表能量來(lái)源是凈輻射，其平衡方程如下:

Rn=H+LE+G

式中:Rn——地表凈輻射通量，W/m2;H——感熱通量;LE——潛熱通量;G——土壤熱通量。

2.1 凈輻射通量Rn

凈輻射通量為地表吸收的太陽(yáng)短波輻射和地面有效輻射之和，EYMARD等評(píng)估了由衛(wèi)星資料估算輻射通量的方法［13］，其誤差約為25～50 W/m2，導(dǎo)致誤差的主要原因是不確定1 km尺度的地表反照率和比輻射率。城市區(qū)域內(nèi)實(shí)測(cè)的輻射通量和反照率資料非常稀少，而衛(wèi)星技術(shù)能有效地提供城市區(qū)域輻射通量和反照率。利用全波段的地表反照率和地表溫度及植被指數(shù)資料計(jì)算得出凈輻射通量，方法如下:

Rn=K↓－K↑+L↓－L↑

=(1－α)τKsun↓－σε0Ts4+L↓

式中:α——地表反照率;τ——大氣透射率;Ksun——大氣上界處的太陽(yáng)輻射，W/m2;σ——Stefan-Boltzmann 常數(shù);ε0——地表比輻射率;Ts——地表溫度，K;L↓——向下的長(zhǎng)波輻射通量，W/m2;參照文獻(xiàn)［14］計(jì)算L↓，地表比輻射率ε0則根據(jù)Van的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出［15］。

2.2 土壤熱通量G

土壤熱通量是用于加熱或冷卻地表下層土壤的熱量，主要由土壤熱傳導(dǎo)率和土壤溫度梯度決定，它并不能由遙感測(cè)得。對(duì)于單源模式，土壤熱通量G可認(rèn)為與到達(dá)地表凈輻射通量成正比，其比例系數(shù)?？捎蛇b感獲得的植被特征估算得出［14］:

式中:Ts，α，Rn意義同上;NDVI——標(biāo)準(zhǔn)化差值植被指數(shù)。

3 結(jié)果分析

圖4為上海地區(qū)2007年7月28日凈輻射通量分布圖。計(jì)算結(jié)果表明，中心城區(qū)的平均凈輻射通量小于綠地，差值約為綠地的4%。這種差異更多地是由于地表反照率差異造成的，由于綠地植被較多，植被吸收太陽(yáng)輻射用于光合作用，因此綠地的地表反照率低于中心城區(qū)的地表反照率。由圖可見(jiàn)中心城區(qū)的凈輻射通量與其周邊地區(qū)之間差異較小，根據(jù)WHITE和OKE等的實(shí)測(cè)資料結(jié)果也得出相似的結(jié)論［15－17］。

圖4 2007年7月28日上海地區(qū)凈輻射通量(W/m2)

計(jì)算結(jié)果反映了地表熱通量空間分布，由于中心城區(qū)的地表溫度高，向深層土壤傳送的熱量最多，因此中心城區(qū)的土壤熱通量最大，約高于綠地的10%，而果園、林地與綠地的土壤熱通量比較接近(圖5)。地表吸收的太陽(yáng)凈輻射通量除了向下傳遞給深層土壤外，還以感熱和潛熱形式影響大氣，對(duì)感熱通量和潛熱通量的計(jì)算將在另文詳細(xì)闡述。

圖5 2007年7月28日上海地區(qū)土壤熱通量(W/m2)

4 結(jié)論

文中以TM衛(wèi)星遙感資料，結(jié)合AWS實(shí)測(cè)氣象資料，估算地表通量，從能量分配機(jī)制上分析了城市熱島效應(yīng)產(chǎn)生的原因，同時(shí)研究表明了植被和水體具有減緩城市熱島效應(yīng)。分析結(jié)果得到如下結(jié)論:

(1)交通道路地表溫度最高，其次為居民區(qū)和商業(yè)區(qū)，水面最低;

(2)中心城區(qū)地表的平均凈輻射通量與周邊相差不大，比綠地約低4%;

(3)中心城區(qū)的土壤熱通量比周邊要高，比綠地高約10%。

用TM衛(wèi)星遙感資料估算城市區(qū)域地表熱通量分布具有方便快捷的優(yōu)勢(shì)，故具有廣闊的應(yīng)用前景，但是由于遙感技術(shù)易受到大氣狀況的影響，地表通量計(jì)算仍帶有經(jīng)驗(yàn)性，特別是因缺乏同期近地層通量觀測(cè)資料，沒(méi)有對(duì)地表通量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，這將有待于今后進(jìn)一步研究工作的開展。

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