天眼揭秘：首鋼搬家，緩解城市熱島效應幾何？

最新 06-13

2016年中央經濟工作會議上，「去產能」被列為五大結構性改革之首。工業領域產能過剩的同時，改變了地表熱輻射，引發工業熱污染，加劇了城市熱島效應。快速監測工業熱污染狀況並提取工業污染源對城市管理具有重要意義。

中科院遙感與數字地球研究所遙感衛星應用國家工程實驗室孟慶岩研究員團隊圍繞首鋼集團搬遷開展了多時相熱紅外遙感監測，快速準確提取熱污染源，實現對工業熱污染及時監測。

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什麼是城市熱島效應？

城市地表覆蓋類型的變化和人為活動的影響會引起局部區域氣溫及地表溫度的上升，導致高於同時期的周邊郊區溫度，這種現象被稱作「城市熱島效應」。城市熱島效應是城市對氣溫影響最突出的特徵。

熱紅外遙感如何實現地表溫度反演？

熱紅外遙感（thermal infrared remote sensing）利用星載或機載感測器收集、記錄地物的熱紅外信息，來識別地物和反演地表參數如溫度、濕度、和熱慣量等。在城市熱島效應、林火監測、旱災監測、探礦、探地熱、岩溶區探水等領域都有很好的應用前景。

熱紅外遙感的信息源來自物體本身，其基礎是：只要其溫度超過絕對零度，就會不斷發射紅外能量，即地表熱紅外輻射特性。利用熱紅外影像輻射傳輸方程法反演得到地表溫度值，需要首先估計大氣對地表熱輻射的影響，然後把這部分大氣影響從感測器所觀測到的熱輻射總量中減去，從而得到地表熱輻射強度，再把這一熱輻射強度轉化為相應的地表溫度。

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首鋼集團原位於北京石景山地區，集中了焦化、燒結、煉鐵、鍊鋼和軋鋼等高耗能、耗水及高排放的生產工序。上世紀90年代，首鋼產能和產業規模的不斷擴大，對我國鋼鐵工業貢獻矚目的同時，也帶來了嚴重的環境問題。「首都搬家還是首鋼搬家」的社會輿論成為當時百姓關注的焦點。2005年，經國務院批准，首鋼集團涉鋼系統全部遷出北京，直至2010年底石景山區冶煉、熱軋全部停產。首鋼工廠遺址被逐步改造成新首鋼高端產業綜合服務區。

首鋼集團生產設備分布圖

科研人員利用Landsat系列影像，針對首鋼集團搬遷前後進行了熱環境變化分析。其中，提取了2000年、2005年、2010年和2016年首鋼工業區地表溫度信息，利用城市熱島比例指數（URI）衡量工業區及周邊區域搬遷前後的熱環境變化狀況，並分析熱污染變化與地表覆蓋類型和鋼鐵產量的相關關係。

獲取地表溫度信息是本項研究的關鍵內容。

首先利用遙感熱紅外影像通過輻射傳輸方程法反演得到地表溫度值。考慮到研究中採用了四個不同時相的遙感影像，影像的獲取時間不同，難以用絕對溫度值直接進行比較分析。科研人員針對不同時相影像中反演的溫度進行正規化處理，使其分布範圍統一到0-1之間，利用密度分割將正規化後的影像的地表溫度劃分為5個等級。

採用熱島比例指數（URI）衡量不同時期的熱島強度現象，指數值越大，表明熱島現象越嚴重。為了分析首鋼工廠熱島現象變化的原因，科研人員分析了不同地物覆蓋類型下的地表溫度等級，發現兩者相關性不大。進而將熱島比例指數與工廠鋼鐵產量進行相關性分析，發現兩者呈現正相關關係，證實鋼鐵廠內部熱環境的變化主要是由於鋼鐵停產。

結果顯示：首鋼工廠搬遷後，工廠和周邊區域熱污染得到明顯緩解，其熱島比例指數從0.55下降至0.21。遙感技術可快速準確提取地表溫度異常區域，有效監測工業熱污染排放，從而為城市規劃管理部門提供決策依據。

首鋼搬遷採用的是逐年縮減產能的方式，2005年五高爐停產，2006年一高爐和二焦爐停產，2007年四高爐和第三鍊鋼廠的兩座轉爐停產，2008年第三鍊鋼廠全部停產，直到2010年底三高爐（功勛高爐）停止運轉。2010年5月首鋼工廠尚未全部停產，三高爐及部分鍊鋼廠仍舊運轉，從下圖（C）中可以看出，三高爐區域仍舊處於高溫區，焦爐和軋鋼流程區也都處於高溫和較高溫區，熱島現象仍舊存在。但是已停產的高爐和焦爐等設備區域，溫度等級明顯降低，處於黃色調。首鋼工廠全部停產之後並經規劃改造，在2016年園區地表溫度等級已經明顯降低，整個廠區原本高溫區地帶大幅縮減，所佔比例只有0.86%。