卫星测量得克萨斯洲休斯敦市城市热岛的增长外文翻译资料

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卫星测量得克萨斯洲休斯敦市城市热岛的增长

David R. Streutker

美国休斯敦莱斯大学物理和天文学系77005

2002年6月14日收到；2002年12月9日收到修订版；2002年12月11日接受

摘要：通过比较两组测量区间为12年的热岛来确定休斯敦的表面温度城市热岛（UHI）的增长。使用国家海洋和大气管理局极轨卫星上的高级超高分辨率辐射计（AVHRR）的分裂窗红外通道获得的辐射温度图计算出各个热岛特征。对1985年至1987年间拍摄的82个夜间场景与1999年至2001年间拍摄的125个夜间场景进行了比较。从这两个区间分析UHI特征后，平均增长幅度为0.8 K或35％。根据分析方法，UHI的平均面积增长在170到650平方公里之间，或从38％到88％之间。

关键词：城市热岛; 辐射温度图; 遥感

Satellite-measured growth of the urban heat island of Houston, Texas

David R. Streutker

Department of Physics and Astronomy, Rice University, Houston, TX 77005, USA

Received 14 June 2002; received in revised form 9 December 2002; accepted 11 December 2002

Abstract

Growth of the surface temperature urban heat island (UHI) of Houston, TX is determined by comparing two sets of heat island measurements taken 12 years apart. Individual heat island characteristics are calculated from radiative temperature maps obtained using the split-window infrared channels of the Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) on board National Oceanic and Atmospheric Administration polar-orbiting satellites. Eighty-two nighttime scenes taken between 1985 and 1987 are compared to 125 nighttime scenes taken between 1999 and 2001. Analysis of the UHI characteristics from these two intervals reveals a mean growth in magnitude of 0.8 K, or 35%. The growth of the mean area of the UHI is found to range between 170 and 650 km2, or from 38% to 88%,depending on the method of analysis.

Keywords: Urban heat island; Radiative temperature map; Remote sensin

目录

1.简介 1

2.研究区域 1

3.方法和数据源 1

4.误差讨论 3

5.结果 4

5.1 UHI量级 4

5.1.1 季节性考虑 5

5.1.2 昼夜考虑 5

5.2 UHI空间范围 6

6.结束语 9

致谢 9

参考文献 9

1.简介

最为人所知的人为气候变化形式之一是城市供暖现象。城市地区土地覆盖的改变可能导致当地的气温和地表温度比环绕农村地区的同期温度高几度。这种效应通常被称为城市热岛（UHI），UHI已有150多年的记载（Howard，1833）。 在过去几年中，UHI已经在波兰的Loacute;dzacute;市（Klysik ＆ Fortuniak，1999），冰岛的Reykjavıacute;k市(Steinecke, 1999)，阿拉斯加的费尔班斯市(Magee, Curtis, amp; Wendler, 1999)和西班牙的格拉纳达市(Montaacute;vez, Rodrıacute;guez, amp; Jimeacute;nez, 2000)等地进行了研究。

城市热岛研究通常以两种方式之一进行：通过使用汽车横断面和气象站网络测量空气中的UHI，并通过使用机载或卫星测量表面（或皮肤）温度的UHI 遥感。原位数据具有高时间分辨率和长数据记录的优点，但具有较差的空间分辨率。相反，遥感数据具有更高的空间分布，但时间分辨率低，数据记录更短。高精度遥感温度测量还需要使用并发的地面实况数据和/或无线电探空仪数据，以便校正各种大气成分的红外吸收和再辐射，最明显的是水蒸气(Francois amp; Ottleacute;, 1996)。

近年来，遥感领域对UHI的研究起到了很好的作用。Roth，Oke和Emery（1989）以及Gallo和Tarpley（1996）使用遥感技术将UHI效应与植被指数进行比较。 Owen，Carlson和Gillies（1998）使用分数植被覆盖和表面水分可用性来研究宾夕法尼亚州立大学及其周围城市化的影响。 虽然上述研究使用了高级超高分辨率辐射计（AVHRR）数据，但Kawashima，Ishida，Minomura和Miwa（2000）使用Landsat 5数据研究了日本冬夜的表面温度与气温之间的关系，并发现表面温度对空气温度的影响与大气边界层的平均流失率有关。

到目前为止，绝大多数的UHI气候学研究都是使用原位数据进行的，这在很大程度上归功于遥感数据记录的简洁性。 Karl，Diaz和Kukla（1988）发现，在整个20世纪，城市化在美国的气候记录中产生了0.06 K的温暖偏差。Wang，Zeng和Karl（1990）发现，自20世纪70年代末以来，UHI在中国各地每十年增加0.1 K. 本研究的目的是利用遥感技术测量休斯敦的地表温度变化，该变化是在1987年至1999年的12年期间。

2.研究区域

这项研究的主题是得克萨斯州拥有195万人口（美国人口普查局，2001年）的休斯敦， 休斯敦在过去十年中经历了一段显着的增长期，其中包括1990年人口163万人口增加了20％（美国人口普查局，1996年）。从地理位置来看，休斯敦非常适合通过遥感手段进行分析。缺乏城市区划法导致大量城市扩张，导致城市面积大，人口密度相对较低。休斯敦市的面积约为1400平方公里，位于得克萨斯州墨西哥湾沿岸上游，介于95.4°W和30.0°N之间，该地区缺乏重要的地形特征。

3.方法和数据源

城市热岛测量是根据休斯敦地区的地表温度图确定的，该地图来自NOAA-9和NOAA-14卫星上的AVHRR卫星仪器获得的辐射数据。 在两个离散的时间区间内获得许多场景的数据。通过NOAA-9仪器获得1985年3月至1987年2月（第1区间）的2年区间内82景相对无云的图像。NOAA-14文书在1999年7月至2001年6月（第2区间）的2年区间内获得了152张相对无云的图像。图1中显示了两个区间内图像的月度分布。

图 1 UHI测量的月度分布。虚线表示区间1内的测量次数，实线表示区间2内的测量次数。

每个图像是在卫星的通过期间，在0200和0530 LST（0800°GMT）之间拍摄的。仅使用卫星天顶角小于20j的图像，因为具有高天顶角的图像可能由于延长的大气路径而受到更大的不确定性（Prata，1993）。

使用星历数据中包含的校准系数计算“分裂窗口”通道4（10.3-11.3Am）和5（11.5-12.5Am）的辐射值。 然后使用辐射校正系数（Kidwell，1998）针对AVHRR通道4和5的非线性校正这些辐射亮度值。然后通过使用普朗克辐射方程的倒数将校正后的辐射亮度值（Ri）转换为亮度温度：

公式（1）中的常数C1 = 1.1910659 10^-5 mWm ^-2sr ^-1 cm⁴和C2 = 1.438833 cm K，中心v_j为每个频道的波数。 然后使用Price（1984）的技术，使用来自分裂窗口通道的亮度温度数据来计算表面温度：

其中T4和T5分别是4和5通道的亮度温度，R frac14; 1=frac12;eth;b5=b4 1THORN; frac14; 3:33（b4和b5是通道4和5的大气吸收系数）。

使用与Streutker（2002）描述的方法类似的方法，使用每个场景的表面温度图来进行单独的UHI测量。 该技术使用整个热岛的最小二乘拟合到形式的高斯曲面

该方法不仅提供代表整个城市（a_o）的UHI幅度的度量，而且还提供热岛的空间范围（ax和ay），方向（/）和中心位置（x_o和y_o）的度量。该方法还用于确定周围农村地区表面温度的空间梯度（a₁和a₂）和平均值（T_o）。图2作出了这种高斯曲面的示例。

图 2公式（3）中定义的高斯曲面的一个例子。在这个例子中，To = 20℃，a1 = a2 asymp; 5 mK km-1 ao = 3.5 K, ax asymp; 60 km，ay asymp; 35 km。

为了进行拟合，通过遮蔽云和开放水域的所有区域来创建陆地温度图像。 然后暂时屏蔽包含城市区域的陆地温度图像的区域，产生完全由农村像素组成的图像。 由于在测量之前UHI的确切空间范围是未知的，因此城市掩模必须足够大以完全覆盖城市像素。 因此，城市附近的一些农村像素也不可避免地被掩盖了。 城市掩模不会从图像变为图像，导致所有无云的乡村图像具有相同数量的农村像素。

该农村温度图像适合于平面表面，从而确定T_o，a₁和a₂。然后后从陆地温度图像中减去农村温度分量（方程（3）右侧的前三项），仅留下热岛特征。然后将UHI的温度图像拟合到纯高斯表面（方程（3）右侧的指数项），其确定UHI测量值。UHI幅度是高斯（a_o）的高度，UHI的纵向和横向范围是高斯宽度参数（a_x和a_y）。在该步骤中还计算UHI的取向（/）和中心位置（x_o和y_o）。

4.误差讨论

Price（1984）引用了地表温度测量中的三个误差来源：小于1 K的辐射校准误差，R对大气吸收的依赖性，这可能导致2 K阶温度反演的变化，以及表面的变化 发射率可导致1 K的回收温度发生变化。这些因素结合起来产生2-3 K的均方根误差。

地表温度推导的分裂窗方法也可受到通道4和5之间的发射率差异以及不等于1的发射率的影响。 Becker（1987）使用辐射传递理论来导致由于秩序发射率的差异而导致的误差：

其中e4和e5是通道4和5中的表面发射率，e-是两者的平均值。

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