不透水地表的变化及其对地表温度的影响

来源：赛杰奥

城市化导致下垫面土地覆盖状况发生了较大变化，原有的自然地表覆盖被密集的建筑物和街道取代，对区域气候产生显著影响（Zhao et al.，2014；Mahmood et al.，2014；Georgescu et al.，2013）。

城市下垫面性质的改变对城市热环境的影响一直是研究者关注的焦点，不透水面的快速增长是城市化最显著的特征之一，近年来有关不透水面对城市热环境的影响的研究也在不断增多。许多学者研究发现，不透水地表（ISP）与地表温度（LST）有较强的相关性，是城市发展及城市热环境的重要指示因子。 

☀ Yuan 和Bauer（2007）以Landsat TM/ETM+为数据源定量分析了美国明尼苏达州特温城不同季相时城市热环境与不透水地表及NDVI之间的关系，结果表明，在各个季节地表温度和城市不透水地表都有很强的线性相关性，而地表温度和NDVI 之间不具有稳定线性相关性，因季节而异；

☀ Weng 和Deng（2008）利用混合像元分解模型提取了美国印第安纳波利斯市亚像元级别的不透水地表盖度和植被覆盖度，分析了二者与地表温度之间的关系及其对城市热环境的影响，发现地表温度和不透水地表盖度呈正相关和植被覆盖度呈负相关，不透水地表有升温的作用而植被有降温的作用；

☀ Ma 等（2010）基于Landsat TM/ETM+数据和相关的不透水地表光谱指数分析了广州市从1990~2005 年不透水地表盖度以及植被丰度对城市地表温度和城市热岛强度之间的关系，结果表明从1990~2005 年城市不透水地表比例明显增加，不透水地表平均中心朝西北方向移动，且地表温度与不透水地表盖度呈正相关，与植被丰度呈负相关； 

☀ 林云杉等（2007）基于V-I-S（vegetation-impervious surface-soil）模型提取了泉州市1989 年和1996年两个时相的城市建成区不透水地表，并研究了其与城市热岛之间的关系，发现泉州市区不透水地表的面积在7 年里有了明显的增加，并主要沿研究区东南部扩展，提取的不透水地表信息与地表温度存在着明显的正相关关系；

☀ 孟宪磊（2010）对不透水地表盖度与地表温度之间的关系进行了多尺度研究，并分析了上海市不透水地表盖度和城市热岛的空间分布特征，结果表明上海市外环以内不透水地表覆盖率较高，地表温度与不透水地表盖度呈显著的正相关，但尺度效应不明显，与幅度、城市发展密度区域的比例无定量关系；

☀ 徐永明和刘勇洪（2013）基于Landsat TM 遥感数据运用线性光谱分解研究了北京城市不透水地表盖度与地表温度之间的关系，结果表明，地表温度随着不透水地表盖度的增加而升高，并且其变化速率依赖于不透水地表盖度。当不透水地表盖度低于40%时，地表温度随着不透水地表盖度增加呈指数关系迅速上升，而当不透水地表盖度高于40%时，地表温度呈线性缓慢上升；

☀ 郭冠华等（2015）采用回归树模型构建了广州市中心区不同季节时期地表温度与不透水地表间的关系方程，探讨了城市热环境季相变异规律及不透水地表对其的影响，发现随季相变化，地表温度与不透水地表的正相关关系趋于复杂，此外与传统的线性回归模型相比，回归树模型能更好地模拟地表温度的空间异质性；

☀ 唐菲和徐涵秋（2013）选取中国6 个城市作为研究区，采用Landsat ETM+影像和线性光谱混合分析法提取出各个研究区的不透水地表面积，并反演出对应的地表温度，利用多种回归模型和大样本量定量分析二者之间关系，分析了不透水地表对城市热环境的影响机制；

☀ 杨可明等（2014）采取基于V-I-S 和全约束最小二乘法混合像元分解模型提取2010 年北京海淀区不透水地表盖度和地表温度，并在此基础上对二者之间的相关性进行定性和定量分析；

☀ 徐永明和刘勇洪（2013）等利用线性光谱分解及V-I-S 模型提取了北京市单时相不透水地表盖度，并对北京城市热环境的空间分布特征及其与不透水地表盖度之间的关系进行了分析讨论；

☀ Hao 等（2016）利用多时相遥感数据对1990~2014 年北京城区不透水地表盖度，以及相对年平均表面温度进行了时空变化监测，并对二者之间关系进行分析讨论。 

本章（文）以北京城区为例，重点探讨不透水地表的变化及其对地表温度的影响。根据遥感数据的不透水地表盖度提取结果，对2001 年、2011 年北京城区各环路范围进行时空变化分析，分析得出北京城市扩展的主要发展趋势。同时根据北京城区发展的特点，对北京城区各环路区域不透水地表盖度，以及地表温度之间的关系进行相关分析，为北京城区及近郊区今后的进一步建设规划和环境治理提供参考。

▲ 总体技术路线图

主要结论为：

（1）2001~2011 年北京城区的不透水地表盖度变化主要集中在低密度区间，中密度和高密度不透水地表盖度变化相对较小。具体情况为：北京五环以内区域由于基本开发完成，城建区较多，不透水地表变化并不明显；主要变化集中在五环至六环以内区域，且低密度不透水地表盖度增长明显，中密度区和高密度区主要增长集中在城市东部。

▲ 研究区ISP 估算结果图 

（2）相较于2001 年，2011 年高温区聚集程度更为明显。其中四环以内地表温度与周边区域地表温度相比，温差增大；城区各密度不透水地表盖度区之间的地表温度差异更大。 

▲ 研究区归一化地表温度结果图

（3）2001 年和2011 年北京城区各环路区域内不透水地表盖度与地表温度均呈正相关。四环至六环区域，地表温度随不透水地表盖度变化的趋势相近。ISP 在10%~20%的区域，地表温度上升速率明显高于其他区域，ISP 大于20%的区域地表温度随ISP 增加的加速度呈现逐步下降的趋势，其增长对地表温度的影响相对减弱。 

▲ 2001 年北京不同环路区域ISP 与LST 关系图

▲ 2011 年北京不同环路区域ISP 与LST 关系图