城市遥感：热环境监测需求

根据《中国气候变化蓝皮书(2019)》，从1961年至2018年的统计数据来看，20世纪90年代中期，中国的极端高温事件开始明显增长，如图17-2所示，中国平均气候风险指数在1961—2018年平均值增加了54%。气候变化引起的极端高温事件及其导致的生命财产威胁需要得到更多的重视。

在过去几十年中，城市热岛研究主要采用三类方法:地面气象资料观测法、遥感监测法和边界层数值模拟法。

地面观测法主要以城郊固定气象台资料为基础，与流动观测资料配合进行城郊气温对比研究。城郊地面观测气象数据对比法是最早的城市热岛研究方法，这种方法使用统计学方法等对城区和郊区的气象资料进行分析，得到该区域热岛强度。20世纪80年代，周淑贞等(1982)最早对上海市的城市热岛效应进行研究，利用上海市市区与远郊的气象观测资料，发现上海城市热岛效应十分明显，市区气温高于郊区气温。季崇萍等(2006)利用1971—2000年北京20个气象观测站的温度资料，研究了北京城市化进程对城市热岛效应的影响、城市热岛的变化特征，结果表明在城市化进程中城市热岛强度也随之增大。

图17-2　1961—2018年中国极端高温事件频次

地面气象资料观测法在城市热岛的最初发现与认识阶段发挥了无比重要的作用。但是由于气象站点分布较为稀疏，点尺度上的研究很难真实、有效地扩展到城市热岛平面布局、内部结构等面尺度研究上，难以满足城市尺度各类热岛问题的研究需要，目前仅依赖地面传统观测手段的城市热岛研究越来越少。

遥感监测根据不同地物吸收太阳长波辐射特性，形成各自不同的波段辐射值，使用热红外传感器对下垫面地表温度进行观测，再通过计算机进行处理得到地表温度图像(李召良等，2016)。徐涵秋等(2003)对厦门市1989年和2000年的两幅Landsat影像的热红外波段进行地表温度反演，通过对不同时相的反演温度进行正规化、等级划分和引入城市热岛比例指数，研究城市热岛时空变化规律，结果表明随着城市建成区的增大，城市热岛的面积也在扩大。(www.xing528.com)

边界层数值模拟则是利用从一维到三维中尺度模式对特定高度下的空间区域的温度、湿度和风场进行空间数值模拟。以热力学和动力学理论为基础，研究地球与大气之间的热力交换过程，对城市下垫面能量平衡与能量交换及温度场的基本特征进行定量分析。陈燕等(2004)利用一个三维非静力区域边界层数值模式，对杭州地区城市热岛现象进行数值模拟，结果表明杭州热岛效应明显。与地面气象观测站资料以及遥感反演地表温度结果相比较，数值模拟结果与实测结果可以较好地吻合。

边界层数值模拟较多侧重于研究单纯的城市大气环境问题，内容局限于对城市内外近地层气象要素的比较分析，模拟的尺度范围局限于数百米至数千米，另外下垫面复杂性和资料的不完整性也限制了边层数值模拟法的发展。

近年来，随着遥感技术的快速发展，研制出大量先进的遥感传感器与设备，通过遥感手段获取的数据具有时间同步性好、覆盖范围广等优点，并且当前高分辨率卫星热红外遥感技术逐渐发展完善，遥感观测方法在城市热岛的观测研究中逐渐占有一席之地。目前常用的卫星遥感热红外数据源如表17-1所示。

表17-1　城市热岛遥感研究主要数据源及特性

遥感监测法也存在局限性。由于遥感传感器获取的是下垫面地表温度，而非近地面空气温度，不能体现真实的城郊气温差异。已有相关研究将地表温度转换为空气温度，但这种方法的误差较大。遥感数据获取受多方面条件限制，如大气条件、云层遮盖程度等，遥感数据分辨率不高对城市热岛效应的研究也有影响。