余红娇　魏建新

摘要[目的]研究西部大开发、“一带一路”战略推进下带来的乌鲁木齐城市热环境问题。[方法]选取1994年7月16日、2008年8月7日的Landsat-5/TM72.2015年7月17日的Landsat-8/OH_TIRs影像数据，利用单窗算法进行地表温度反演，对反演结果进行空间统计分析，提出从整体至分区的角度分析乌鲁木齐市地表温度时空分布状况，通过对地表温度反演结果归一化处理划分热环境等级，进而研究乌鲁木齐市地表热环境时空变化特征。[结果]整体上，1994-2015年地表温度差异较大，平均温度相差15.08℃，最高温度和最低温度相差近30.00℃，最低温度变化不大。区域上，新市区、沙依巴克区、天山区地表温度历年来一直居高，最低温度一般分布在水磨沟区和乌鲁木齐县。[结论]乌鲁木齐市中心城区热环境效应较为明显，城市高温区有扩散的显著趋势。

关键词 RS；GIS；地表温度；热环境；乌鲁木齐市

中图分类号 TP79 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2018）11-0052-06

近年来，由于城市化及工业化進程迅速发展，导致城市下垫面性质和空气质量发生改变，城市热环境随之变化，与此同时也造成了一系列环境问题和生态问题。城市热环境变化作为影响环境问题的一个重要因素，也成为国内外专家学者研究的重要课题。城市热环境是城市空间环境在热力场中的综合表现，不同热环境格局对城市微气候、城市生态环境、人居环境等有着深远影响。在全球气温变暖温室效应加剧的大环境下，城市不透水层热辐射增多使得城市热岛效应加剧。建筑物密度及高度的不断增加会阻碍城市通风，使得城市中心地区温度往往会高于周围地区。

1833年Howard首次提出“热岛效应”的概念后，有国外学者对许多大城市的热岛效应时空变化特征与植被覆盖之间的耦合关系进行了对比分析与评价。国内一些学者利用遥感技术手段对上海、北京、济南等中东部省会城市地表热环境进行研究，揭示了不同地区地表温度场空间变异特征，对常见地表类型进行热特征分析，发现热环境效应在城市普遍存在，但因城市规模、园林绿化、市政规划及地理位置差异程度有所不同，并且热环境效应与人口密度、建筑用地面积、植被覆盖、景观格局有着密切的关系。。有学者利用不同遥感数据源对乌鲁木齐市热岛效应影响机制进行研究，发现乌鲁木齐市热岛中心主要分布在城区人口密度大及工业区聚集地区，植被和水体具有减弱热岛效应的作用。利用遥感技术研究城市热环境主要通过地表温度的差异性进行研究。目前，使用遥感数据反演地表温度的方法有辐射传输法、单窗算法、普适单通道法、劈窗算法等，不同方法各有其适用性。王乐在西安市地表温度反演及城市热环境研究中对关于这些算法精度的对比研究进行了总结，得出单窗算法精度相对较高，具有一定的优越性。

乌鲁木齐市相关的热环境研究并未从整体到分区的角度对热环境特征及空间格局进行分析。笔者选取Landsat-5/TM和Landsat-8/OLI_YIRS数据，利用单窗算法对乌鲁木齐市中心地带的6个城区进行地表温度反演，并从整体到各区的角度分析城市地表热环境效应时空格局，研究其热环境现状及特征，服务于城市规划与管理，为城市规划区域综合整治发展至全局提供有效的学术支撑，科学倡导绿色生态文明城市，有利于合理进行西部大开发，构建西北现代化文明都市，让环境友好型城市在“一带一路”建设中发挥更大作用。

1资料与方法

1.1研究区概况 乌鲁木齐市位于中国西北、亚欧大陆腹地，地处新疆维吾尔自治区中北部、天山中段北麓、准格尔盆地南缘，地理坐标为86°37'33”～88°58'24”E、42°4532”～45°00'00”N。乌鲁木齐市深居内陆，属于温带大陆性干旱气候，全年干燥少雨，春秋季时间短，冬夏季时间长，7、8月份最热，1月份温度最低。由于乌鲁木齐三面环山，类似盆地的特殊地形，夏季，随着太阳高度角的增大，市区容易聚集热量而不易散发。乌鲁木齐市周围地表多戈壁分布，增温较明显，夏季天气较为燥热，容易出现极端高温。乌鲁木齐市有七区一县，市区面积14216.3km²。该研究选取处于中心地带的主要6个城区为研究区（图1深色部分），分别是新市区、沙依巴克区、水磨沟区、天山区、头屯河区、北部的乌鲁木齐县。

1.2数据来源及影像预处理 选取1994年7月16日、2008年8月7日的Landsat5/TM及2015年7月17日的Land-sat8/OLI_TIRS数据，数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台（http：//www.gscloud.cn），还包括气象、高程等一系列辅助数据。研究选取的影像数据时间间隔较小，且覆盖研究区云量较少，影像数据质量较好，能够用于反演地表温度。在进行地表温度反演前，利用ENV15.1对遥感影像进行几何校正、空间配准、辐射定标、大气校正、图像裁剪、图像增强等预处理操作。

1.3研究方法 利用遥感技术对城市地表热环境效应进行研究，主要是通过遥感数据反演研究区地表温度。根据地表温度的差异性和分布特点分析地表热环境效应的时空变化特征。该研究选取覃志豪等提出的单窗算法，利用辐射亮温值、地表比辐射率、大气透过率和大气平均作用温度4个参数进行地表温度反演。其中大气透过率和大气平均作用温度根据近地面的大气湿度和平均气温估算得出。

1.3.1地表辐射亮温计算。将Landsat5/TM的TM6热红外波段和Landsat8/OIL的TIRS-10热红外波段像元灰度值转换为辐射强度值，进而求出相应的辐射亮温值。公式如下：

从遥感数据头文件获得上述参数后可得出辐射强度值，再通过公式（3）可计算辐射亮温值。

1.3.2地表比辐射率。遥感影像经过预处理后，首先在EN—V15.1中由公式（4）得到归一化植被指数NDVI，在NDVI的基础上通过混合像元分解法计算植被覆盖度PV，依照公式（5）进行计算。

对于地表比辐射率的估算采用覃志豪等的混合模型，该模型认为地表比辐射率的计算不仅要考虑自然表面，也要考虑城镇和水体2种地表类型，据此，通过公式（6）进行地表比辐射率估算。

1.3.3大气参数估计。根据单窗算法公式的需求使用覃志豪等模拟的算法分别对如下参数进行估算。

1.3.3.1大气透射率τ的估计。由于1994年缺乏相应数据不能通过NASA官网（https：//atmcorr.gsfc.nasa.gov！）大气校正参数计算器计算出大气透射率τ，故根据覃志豪等方法模拟大气水分含量与大气透射率变化之间的相关关系（表1），对大气透射率进行估算，根据研究区情况选择估算方法τ=0.974290-0.08007w，0.4≤w≤1.6。其中，w为大气总水分含量（g/cm²），这里近似取平均值w=1.0，估算得到1994年大气透过率τ=0.89422；通过NASA官网大气校正参数计算器可计算出2000年以后的大气透过率，据此计算得到2008年大气透过率τ=0.86，2015年大气透过率τ=0.80。

1.3.3.2大气平均作用温度Ta的近似估计。在标准大气条件下，平均大气温度和表面温度存在一定的相关关系。对于研究区根据中纬度夏季平均大气作用温度表达式Ta=16.01l0+0.92621To、To=273.15+T，取乌鲁木齐市夏季近地面平均温度T为28℃时Ta=294.94K。

1.3.4地表温度计算。根据上述参数利用单窗算法通过公式（7）反演出乌鲁木齐市不同时相的真实地表温度（图2）。为大气平均作用温度（K）；C和D为中间变量，其中C=s×τ，D=（1-τ）[1+（1-ε）τ]；a和b为变量系数，可根据热辐射强度拟合出来，当温度在0～70℃时，a、b一般取值为-67.355351、0.458606。ε和τ分别表示热红外波段的地表比辐射率值和大气透过率值。

2结果与分析

2.1地表温度反演分析

2.1.1主城区整体地表温度。根据反演结果统计（表2）可以得出，地表温度平均值1994与2008年相差4.36℃，2008与2015年相差10.72℃；地表温度最大值在2个阶段分别相差6.71、7.11℃；最小值分别相差0.16、5.45℃。

1994-2015年乌鲁木齐市温度最小值上升5.61℃，2008-2015年温度变化较大，而1994-2008年温度上升不到1.00℃。主要原因在于，1994-2008年乌鲁木齐在城市发展过程中，实施荒山绿化，开始努力打造园林城市，加大了绿化建设的投入，使得这一阶段乌鲁木齐市最低温度上升较少；而2008-2015年城市在加大绿地建设的同时也在不断扩张，建筑用地增多，工业化发展导致城市空气质量有所下降，温室效应加剧，因此该阶段最低温度上升较明显。

1994-2015年地表温度最大值变化较大，主要是由于在城市建筑物增加的同时，城市中心绿地相对减少，工业发展的速度较快，人口迅速聚集增长造成的。加之乌鲁木齐市地下煤炭储量丰富，工矿区作业，地下煤火区分布，导致地表最高温度较高。为了更直观地看出地表温度不同范围分布情况，对地表温度进行密度分割，结果发现（图3），1994年最高温度主要分布在市三建沙场；2008年地表最高温度主要分布在妖魔山一带、乌鲁木齐市火车南站、水磨沟区八道湾生产队东北部的部分裸地；2015年最高温度高达54.79℃，主要分布在乌鲁木齐市地窝堡机场、头屯河经济技术开发区的工业园区、水磨沟区八道湾生产队东北部的部分裸地、沙依巴克区南部及天山区东部的一些裸地区域。

将不同时相遥感影像地表温度范围所占百分比进行统计，结果表明（表3），乌鲁木齐市六城区1994-2015年温度范围变化较大，地表温度存在明显上升趋势。1994年乌鲁木齐市六城区地表温度在25～30℃分布较多，所占百分比为55.374%；2008年乌鲁木齐市六城区地表温度在35～40℃分布较多，所占百分为31.744%；而在2015年乌鲁木齐市六城区地表温度在45～50℃分布较多，所占百分比为37.193%。结合气象数据及资料显示，2015年夏季乌鲁木齐市出现异常高温天气，与反演结果相符。

2.1.2各区地表温度。在ArcMap10.2中以地表温度反演结果图为数据基础，叠加乌鲁木齐市六城区矢量图，分区统计出六城区的地表温度信息（表4）。由表4可知，1994年乌鲁木齐市新市区、沙依巴克区、天山区（位于乌鲁木齐市中心地区）平均温度较头屯河经济技术开发区、水磨沟区、乌鲁木齐县略高，说明1994年开始乌鲁木齐市就存在微弱的城市热岛效应。为加快中西部地区发展，自1999年实施西部大开发战略以来，乌鲁木齐市经济不断发展，城市建筑物增加，下垫面性质发生大规模变化；至2008年乌鲁木齐市平均温度在各区都有所上升。1994年平均温度相对较低的頭屯河经济技术开发区、乌鲁木齐县在2008年均已达28.00℃，水磨沟区较1994年平均温度上升较为明显，由1994年的24.97℃上升至2008年的32.24℃，在各区温度持续走高的同时，新市区、沙依巴克区、天山区平均温度仍处于前列。乌鲁木齐市各城区都存在高温分布，水磨沟区最高温度已经达47.68℃；2015年乌鲁木齐市六城区温度总体大幅度上升，并且呈现出异常高温现象，平均温度整体达40.00℃左右，沙依巴克区平均温度最高，已达44.67℃。乌鲁木齐县、水磨沟区因植被覆盖较多，最低温度相对其他几个城区较低。六城区最高温度大致相近。

根据上述分析，乌鲁木齐市六城区中新市区、沙依巴克区、天山区地表温度较其他区略高。乌鲁木齐市1994--2015年城区热岛效应日益加剧。尤其是在2015年随着气候变化及城市发展，地表温度呈现异常高值，各区温度存在大幅度上升。

2.2地表热环境效应分析

2.2.1热环境效应时空格局。为更好地对研究区热环境进行分析，比较同一地区不同时相遥感影像所反映的空间热环境特征。将研究区地表温度反演结果进行归一化处理后，将城市热环境划分为6个等级（图4），分别为低温区、次中温区、中温区、次高温区、高温区、极高温区。并在此基础上统计出不同热环境等级所占像元个数及百分比（表5）。

从不同时相遥感影像地表温度等级划分结果（图4）可以看出，地表热环境时空差异较大。空间尺度上，位于中心的城区高温区和极高温区明显增多，呈现出高温区快速向外蔓延扩散且连片覆盖城区的趋势。西山地区一直以来农田分布较多，但随着近年来乌鲁木齐城市扩张，对西山地区进行开发，新增许多建筑物集群，建筑用地增多导致下垫面性质发生明显变化。1994年西山地区部分区域，作为农业用地还存在低温区，至2015年这些区域却存在高温乃至极高温区。新市区东北部靠近米东区近年来不断发展工业也存在与西山部分区域相同的情况。通过对比研究区各年份的温度等级图（图4）与研究区landsatTM数据和landsat8OLI-TIRS数据假彩色合成图（图5）可以发现，红色植被覆盖区域一般多为低温区和次中温区。随着城市不断发展，新城区土地不断开发利用，使得地表的热环境效应不断加剧。建筑群高度密集，开发力度较大，在绿化问题上相对滞后的地区，裸露的地表及不透水层面积较大，导致这一地区地表热环境状况较差。

将不同时相地表温度等级划分结果进行统计分析（表5）得出，时间尺度上，1994-2008年中温区和次高温区所占比例减少，高温区所占比例增加较为明显。2008-2015年极高温区所占比例增加较为突出，其他等级区域都有所减少。1994-2015年高温区、极高温区增加较为明显，高温区从1994年的37.08%增加到2015年的48.19%，极高温区从1994年的0.46%增加到2015年的25.51%。高温区从新市区、沙依巴克区、天山区向其他各区扩散，至2015年各区存在极高温区的散片分布状态。综上所述，1994-2015年地表热环境发生显著的变化，中心城区高温区范围扩大，地表温度大幅度上升，在2015年温度达到异常高值，整个中心城区都在高温区范围内。乌鲁木齐市属于干旱区典型的城市，周边多戈壁裸地，其热容量小会使这些地表吸收热量迅速变热，导致城市周边会出现一些异常高温区，因此乌鲁木齐市在中心城区有时呈现冷岛效应，但在整体上主要以热岛效应为主。

2.2.2热环境效应与植被覆盖的相关性。为进一步探究乌鲁木齐市植被覆盖度对热环境效应的响应特征，在研究区均匀选取349个样点（图6），分别对各年份植被覆盖度与地表温度进行线性回归分析（图7）。结果表明，植被覆盖程度和热环境效应存在线性负相关，植被覆盖度每提升10%，地表温度平均降温约0.74℃。在2015年植被覆盖对地表温度影响相对较高，植被覆盖度每提升10%，地表温度平均降温约1.00℃。拟合系数R²在各年份也存在差异，是由于各年份气候因素、土地利用空间分布状况不同，导致植被覆盖对地表的改善程度不同，但大体上存在线性负相关，城市规划中合理规划植被与不透水层的分布对于地表热环境状况会有所改善。但是，随着社会发展城市地表类型及建筑材料日趋复杂，导致植被对于城市热环境的改善程度有所下降，这一点也是需要进一步研究的重要问题。

3结论与讨论

（1）1994-2015年乌鲁木齐市地表温度整体差异较明显，平均温度相差15.08℃，最高温度相差近13.82℃，最低温度变化幅度不大。

（2）分区统计发现，中心城区温度普遍较高，其中新市区、沙依巴克区、天山区地表温度一直居高，最低温度一般分布在乌鲁木齐县和水磨沟区，说明乌鲁木齐市中心城区存在明显的热岛效应。

（3）对地表温度进行归一化处理后划分为低温区、次中温区、中温区、次高温区、高温区、极高温区6个等级，研究区2015年极高温地区范围较大。地表热环境1994-2015年发生明显变化，高温区范围扩大并随着城市发展不断向外延伸。乌鲁木齐市属于干旱区典型城市，城市周边的裸地，戈壁易吸收热量，导致地表升温较快，呈现异常极高温区。

（4）近22年来乌鲁木齐市在西部大开发战略的不断推进下城市热环境特征从1994年高温区散点分布发展至2015年连片大面积覆盖，并且伴随着异常高温区范围的增加。低温区、次中温区变化不太明显，但是普遍集中分布在天山区红雁池水库、乌拉泊水库，水磨溝区天山牧场、小东沟一带，头屯河区以及乌鲁木齐县的农业种植区域，说明水体、植被能够改善地表热环境特征。进一步探究得出乌鲁木齐市植被覆盖度与地表热环境效应呈现线性负相关关系。由于干旱区下垫面性质的特殊性和社会发展导致的地表类型和建筑材料的复杂性，使得植被覆盖对于地表热环境改善程度有所下降。

（5）城市化发展导致城市环境不断变化，如不采取合理的市政规划将会严重影响城市生态环境。对于乌鲁木齐市整体现状而言，城市园林规划尚有不足，园林面积达不到一定的减弱热环境效应的程度，尤其是近几年地铁、道路施工使得原有的城市绿化带受到破坏，更是加重了地表热环境效应。对于一些以工业为主的城区，如头屯河经济技术开发区、米东区而言，为减弱城市热环境效应如何解决工业发展造成的空气污染问题，以及如何合理进行土地开发亟待解决，考虑从区域合理整治发展至全局。