使用植被指数来评估城市热岛效应外文翻译资料

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毕业论文

英文翻译

原文标题 The use of a vegetation index for___

assessment of the urban heat island effect____

译文标题 使用植被指数来评估城市热岛效应_______

使用植被指数来评估城市热岛效应

K. P. GALLO

Satellite Research Laboratory, NOAA/NESDlS, Washington D.C. 20233 USA

A. L.McNAB,T. R.KARL

Global Climate Laboratory, NOAA/NESDlS, Asheville, NC 28801 USA

J. F. BROWN

Center for Advanced Land Management Information Technologies, University of Nebraska, Lincoln NE 68588 USA

J. J. HOOD

EROS Data Center, Sioux Falls, SO 57198 USA

J. D. TARPLEY

Satellite Research Laboratory, NOAA/NESDlS, Washington D.C. 20233 USA

摘要:植被指数和辐射表面温度是从1991年6月28日至7月4日的西雅图的NOAA-II先进超高分辨率辐射计（AVHRR）数据得到的。计算该区域内天气观测站位置的植被指数和表面温度值，并与观测到的最低空气温度进行比较。这些比较用于评估AVHRR数据的使用，以评估城市环境对观测到的最低气温（城市热岛效应）的影响。AVHRR推导的归一化差异植被指数（NDVI）和来自一周复合产物的辐射表面温度数据都与观察到的最低温度显著相关，然而，植被指数在平均最低温度中观察到的空间变异较大。城市和农村地区NDVI的差异似乎是导致城市和农村最低温度差异的两个环境之间表面性质（即蒸发和储热能力）差异的指标。

1.引言

在城市地区的气象站观测到的空气温度与周围农村地区的气温之间的差异已有很好的记录（Landsberg 1981）。城市化对长期温度记录（即城市热岛，UHI效应）的影响已经是许多研究的主题，甚至在人口少于10000的城市中被检测到（Karl等人，1988）。Changnon（1992）提出了归因于城市化的其他气候变化的综述。

卫星导出的表面温度数据已经用于几个研究中的城市气候分析（Rao 1972，Carlson等人1977，Matson等人1978，Roth等人1989，Kim 1992）。 Roth 等人（1989）利用高分辨率辐射计（AVHRR）热数据（10.5-11.5um）来评估北美洲西海岸几个城市的UHI强度。日间表面温度的热模式与土地利用有关;较高的表面温度与土地利用相关;较高的表面温度位于工业区域，而植被地区的温度较低。夜间观测显示城市和农村地区的表面温度差别不大。

最大的城市和农村空气温度差异通常在夜间观察到，而表面辐射温度的差异在中午是最大的（例如，Roth等人1989）。超过表面温度的附加地表面性质可以提供与有助于观察到的UHI效应的因素相关的更多信息。

与植被覆盖较少的城市地区相比，由蒸发植被覆盖的农村地区的土壤和表面结构中的热量存储的减少被认为是对UHI效应的重要贡献（Carlson等人，1981）。 AVHRR来源的植被指数，已被证明是绿色植被的存在和密度的指标，并已成功地用于监测季节植被活动（Goward等人1985年，Malingreau 1986年，Gallo和Flesch 1989年）。因此，植被指数的城市和农村价值的差异可能是两个环境中与观测到的最低气温差异有关的差异的指标。

这项研究的目的是评估使用AVHRR派生植被指数和表面辐射温度，来测定由于UHI效应而产生的城市和农村空气温度差异。

1. 数据分析

1991年6月28日至7月4日的日间最低气温（Tmin）是在位于华盛顿西雅图（表一）1°平方格内的城市和农村气象站获得的。每个气象站根据人口和该站周围的环境手动分类。选定的气象站位于人口超过50000或小于10000的城市内。如果位于人口超过50000的城市，或如果城市毗邻城市地区，则将气象站分类为城市。人口少于10000而且不毗邻城市的气象站被分为农村。本研究中使用的AVHRR的派生数据包括1991年6月28日至7月4日由NOAA-II卫星上的AVHRR获得的全空间分辨率（最低点为1.1公里），白天（1330 LST）单日期场景。计算相同间隔的每周复合产物。 在美国地质调查局（USGS）EROS数据中心（EROS 1990）获取并处理数据，并产生产品。主要“无云”的每日AVHRR场景被几何投影到Lambert方位角等积图投影。地理区域产品的每个像元代表1平方公里。 归一化差异植被指数（NDVI）是利用AVHRR的可见光[（0.58-0.68um）]和近红外[（0.72-1.1um）]数据来计算。用Holben等人（1990）推荐的改进的预启动校准系数校准可见光和近红外数据（1990）。

NDVI=(near-IR-visible) / (near-IR visible) （1）

表1.西雅图市西北地区的气象站用于评估城市热岛。 工作站分为城市（U）或农村（R）。

下垫面例如水或云这些没有植被的地区，具有低或负的NDVI值。 针对每日AVHRR场景计算的NDVI用于筛选每个地图单元格的数据，使得每周的“最绿色”或最“无云”数据值保留在复合产品中。

使用NOAA-AVHRR上的通道4[（T4；10.3-11.3um）]和5[（T5；11.5-12.5um）]校准的热红外数据来估计表观温度（Tsfc；方程2）

Tsfc=T4 3.3 (T4-T5) (2)

正如Price（1990）所述表面发射率为1.0。Roth等（1989）估计Tsfc的抑制差异是由于发射率的未计数差异，最高可能达1.5℃.Carlson（1986），Roth等人（1989）表明由于城市和农村地区大气性质的水平差异导致的相对温度差异的误差大约为l℃或更大。可见光，近红外和热红外数据未调整大气属性，因为计算植被指数和Tsfc是相对而不是绝对差异。

以包括在研究中的气象站为中心的3times;3像素窗口对可见光，近红外和热红外数据进行采样。 从USGS数字数据（USGS，1991）定义的通过水体采集的数据被排除在分析之外。除了使用复合产品之外，没有进行额外的尝试来筛选云污染的每日数据。

鉴定了无云条件的三天，并且将这些日期观察到的Tmin值与这些日期衍生的Tsfc和NDVI进行比较。此外，将包括三个无云日期的一周间隔的平均Tmin与一致的一周复合产品的Tsfc和NDVI进行比较。

3.结果讨论

对每个无云单日期检查最低空气温度（Tmin），辐射表面温度（Tsfc）和NDVI之间的关系，并与Tsfc，NDVI和平均每周Tmin的每周复合（图1）数据进行比较。各个观测日期的Tmin和Tsfc之间的关系与Tmin和NDVI之间的关系相反（图2）。Tsfc的较低值与较低的Tmin值（图2（a））相关，而较低的NDVI值与较高的Tmin值（图2（b））相关。与城市地区相比，农村观测位置的Tsfc值（图2（a））一般较低，而城市地区的NDVI值（图2（b））较低，农村地区的NDVI值较高。对于每周复合数据（图1,3（a）和3（b））可以观察到与单个观测日期的结果相似的结果。

图1中显示的Tsfc和NDVI之间的反比关系（如图2和图3所示）已被其他人观察到（例如，Price 1990），并且已被证明与陆地表面特征相关的潜热和感热通量的分配有关。与城市环境相关的表面特征通常表现出比潜热通量更大的显热通量，而农村环境的表面特征表现出比显热通量更大的潜热通量。

图1.来自华盛顿州西雅图的NOAA-11 AVHRR数据的一周（1991年7月28日 - 4月4日）复合的归一化差异（ND）植被 指数和辐射表面温度。

图2. 1991年7月1日最低空气温度与（a）辐射表面温度之间的关系，（b）1991年7月1日在西雅图，华盛顿州的观测地点的NDVI。 数字表示表1所列的气象站; 城市和农村位置由打开和关闭框指示。

与每日相比，NDVI占每周Tmin空间变化的更大部分（表2）。当检查Tsfc时获得了类似的结果，但是在三个日期（7月1日，3日和4日）中的每一天，每日Tsfc数据比Tsfc的每周复合物（表2）的Tmin变化量更大。

与NDVI的每周复合物相关的Tmin变化的较大百分比是可以出现的，因为UHI发展随着日常气象条件的变化而变化。UHI的建立，以及城市和农村条件之间最大的差异，通常发生在平静的条件下（Landsberg 1981）。在多云和多风的条件下，差异减小（Landsberg 1981）。

与Tsfc的复合材料相关的平均Tmin的相对低的空间变化的一个解释可能是由用于产生每周复合材料的过程导致的。所使用的复合材料基于NDVI的最大值。因此，每周热数据是从具有最大NDVI值的各个日期来编制的。如果所利用的每周复合基于最大的Tsfc值，则平均Tmin和Tsfc之间的关系可能会不同。

图3. 2003年6月28日至7月4日间隔的平均最低气温和（a）辐射表面温度和（b）NDV的一周复合数据在西雅图西雅图的观测位置的关系。 数字表示表1所列的气象站; 城市和农村位置由开放和封闭的框指示。

在城市地点观察到的Tmin的平均值始终大于在农村站观测到的平均值。城市—农村平均Tmin的差异分别为7月1日，3月和4月分别为3.1，1.8和2.0℃，6月28日至7月4日间隔的平均Tmin的城乡差异为1.6℃。 城市地区的Tsfc一致性大于农村地区（表2），农村地区的NDVI值始终大于城市地区（表2）。

4.结论

AVHRR派生的标准化差异植被指数和表面辐射温度数据，通过在城市和农村地区抽样，与观测到的城市和农村最低气温线性相关。城市地区通常表现出比农村地区更大的表面温度值和更小的植被指数值。 城市和农村地区NDVI的差异似乎是导致城市和农村最低气温（城市热岛效应）差异的两个环境之间表面性质（蒸发和热存储容量）差异的指标。一周复合材料的NDVI在平均最低温度下观察到的变化量比辐射表面温度大。

表2. Tmin，Tsfc和NDVI（n = 15）之间的单一日期和复合关系的比较，以及Tsfc（°C）和NDVI平均值的城乡差异。

卫星导出的表面温度数据，与植被指数的数据类似，与观测到的城市和农村最低气温的差异相关性最小。这个结果可能是由使用的复合过程导致的，推荐进一步的研究。

致谢

我们感谢D. McKittrick对城市和农村气象站的分类帮助以及P. Franks进行气候数据提取的帮助。 这项研究的部分资助来自美国航天局温室效应检测实验（GEDEX）授权参考＃IDP-88-069。

参考文献

CARLSON, T. N., AUGUSTINE, J. A., and BOLAND, F. E., 1977, Potential application of satellite

temperature measurements in the analysis of land use over urban areas. Bulletin oj the American Meteorological Society, 58, 1301-1303.

CARLSON, T. N., DODD, J. K., BENJAMIN, S. G., and COOPER, J. N., 1981, Satellite estimation of the surface energy balance, moisture availability and thermal inertia. Jour

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