城市热岛效应的红外遥感研究进展.doc

城市热岛效应的红外遥感研究进展 王建雄1 2 尹跃3 杨德保2 王炳华4 （1、山西省汾阳市气象局，汾阳，032200； 2、兰州大学 大气科学学院 甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室，兰州，730000； 3、山东省计量科学研究院，济南，25001； 4、太原市科技应用推广站，太原，030009） 摘要：气象卫星监测的红外遥感资料已被广泛用于研究城市热岛，进行地物分类，并作为一些地表、大气交换模型的输入数据。本文回顾了利用卫星红外遥感数据对城市热岛效应的研究进展，包括早期的研究及发展。并提出当前城市热岛效应研究存在的问题和对未来研究方向的展望。 关键词：城市热岛效应，红外遥感，研究进展； 0 引言 城市热岛指城市中的气温明显高于周围郊区的现象。在近地面温度图上，城区气温高，郊区气温低，城市就像海洋中的一个“岛屿”，因此被形象地称为城市热岛。19世纪初期，英国化学家Lake Howard在对伦敦市城区和周边农村的气温进行同时间段的对比观测后，发现了这种现象。并将此发现公布于科学杂志《伦敦气象》中。此后100多年中，各国学者对不同纬度、不同类型的城市做了诸多观测和研究也发现了类似的现象。 城市热岛是一种城市公害。首先它使城市的气温升高，热空气上升，郊区的冷空气流向城市，将郊区的大气污染物吹向市区，从而加重了城市的大气污染。其次城市热岛效应对城市气候造成影响。城市由于热岛效应和烟雾的作用造成局部地区气候异常、冬季干燥、夏季燥热、春季风沙。城市热岛效应会改变植物的环境条件，从而威胁着适宜生活在湿润或干湿交替环境中植物的生存。由此可以看出，对城市热岛的监测具有很重要的科学意义。 城市热岛的传统监测主要是利用气象站的历史资料或者移动小车来观测，对于想研究城市热岛的平面分布、内部结构特征这种方法有很大困难。上世纪60年代发展起来的卫星遥感是气象探测技术的重大突破，利用卫星探测资料对城市热岛效应和城市大气污染程度的发生发展趋势的分析研究越来越受到人们的关注。本文就红外遥感在城市热岛方面的研究进行了较为系统的总结和分析并提出了若干建议。 1 国内外研究现状与进展 1.1利用城郊植被指数差异分析热岛效应 植被指数是利用卫星不同波段探测数据组合而成的，能反映植物生长状况的指数。它可以作为反映地表植被信息的重要的信息源。在遥感应用领域中，植被指数已被广泛用来定性和定量评价植被覆盖度及其植物生长状况。1993年，Gallo[1]等人首次利用AVHRR获得的植被指数等参数来分析西雅图地区城市热岛效应在引起城郊温度差异中的作用。研究发现表面辐射温度和植被指数成反相关关系并且还发现植被指数和最低气温有关。X Y Zhang[2]等在2003年利用MODIS地表温度和植被信息，研究了北半球35°N—70°N城市中植被物候循环和纬度、温度的关系。研究证明绿色植物生长期与平均地温有很大关系，由于热岛效应而导致城市中的植被比非城区的生长期长，这一影响在北美更明显。上述可知，虽然植被指数在对城市热岛效应的监测有很高的灵敏度。同时它也具有两个不可忽视的局限性：（1）研究区域城郊之间的高程不能超过500米；（2）在干旱气候条件下的城市或冬季基本无绿色植被的区域无法适用。 1.2利用温度差研究热岛效应 利用红外遥感资料研究城市温度场的空间结构及与地面特征的关系方面的研究，可追溯至1972年Rao的工作。他最先指出城市地区可以从卫星观测获得的红外遥感资料中区分出来。他利用ITOS-1上10.2－12.5(m波段的红外资料考查了美国四个城市的表面温度，阐释了用卫星遥感热岛效应的可能性。后来学者继续使用AVHRR或LANDSAT上的红外成像仪，结合地表利用状况或地面覆盖数据（如建筑物分布，地面材料等），来处理直接亮度温度或地表辐射温度的空间类型。Roth[3]等人利用AVHRR红外资料研究了美国西海岸几个城市的热岛集中区的热岛强度及结构，发现在无风或微风条件下，热岛的形状、走向和位置都与建成区基本一致；在城市内部，城市热场的分布同土地覆盖特征密切相关；低植被的工业区和商业区明显呈现出高温中心，植被覆盖密度大的乡村显示出低温区域。 在城郊不同下垫面的研究工作中，多光谱技术也越来越广泛的被运用到土地使用或地表植被覆盖的研究方面。有些学者运用了一种新方法来研究城市热岛。将NOAA/AVHRR传感器提供的分辨率为1km的有关地表温度与植被指数的资料和LANDSAT/MSS传感器提供的分辨率为80m的地表覆盖资料，以及DMSP-OLS上夜间观测资料三者结合起来，以Texas州一个人口为450万的城市为目标，研究了如何从多感应器获得的资料及图像中分辩出城市和郊区及相应地表特征，研究证明多传感器的使用能大大增强一个传感器所提供的信息。 1.3研究大气热岛和城市地表热岛的关系