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近年来,中国城市化发展迅速,快速增长的不透水面会改变地表能量交换模式,使得热环境发生改变。西安市作为国家中心城市,正致力于国家森林城市的建设,面临着城市发展和生态环境建设的双重压力,研究西安市不透水面变化与地表能量通量之间的定量关系,对于西安市城市规划与管理、城市微气候改善以及构建生态城市具有重要意义。基于1994年、2006年和2016年遥感数据,构建不透水面信息提取模型,分别利用NDBI模型和INDBI模型提取西安市不透水面,选取最优模型,在此基础上,运用线性光谱混合分解模型进行光谱解混,得到各时相不透水面盖度空间分布图。基于遥感数据和气象数据,运用三角形模型和能量平衡方程相结合的方法提取地表能量通量。通过探讨西安市不透水面与地表能量通量之间的关系,得到如下结论:(1)在不透水面的提取研究中,INDBI指数与线性光谱混合分解模型相结合可以准确提取西安市不透水面信息。INDBI指数模型明显优于NDBI指数模型,能够有效去除大面积裸土、稀疏植被等噪声。线性光谱混合分解模型的提取结果均方根误差绝大部分小于0.02,表明精度符合研究需求。地表温度是三角形模型的基础,对比验证结果表明覃志豪单窗算法优于其它三种模型,构建的三角形模型可以有效提取研究区内的地表能量通量。(2)西安市不透水面空间差异明显。不透水面在西安市中心城区以及各区县的中心连片分布,不透水面盖度主要为高覆盖度等级和极高覆盖度等级,由城区向外,呈现逐渐降低的变化趋势,不透水面零星分布于各乡镇,覆盖度等级以中覆盖度等级和低覆盖度等级为主。在快速城市化过程中,西安市不透水面的破碎化程度升高,且破碎化程度随不透水面盖度等级的升高呈先上升后下降的变化趋势。(3)1994-2016年间,西安市不透水面变化显著。不透水面由西安市中心呈“摊大饼”式向外扩展,在城市扩展中占用了大量的自然地表,自然地表面积共减少831.91km2。不透水面盖度等级随时间上升显著,等级升高的面积显著大于等级下降的面积。各区县不透水面盖度贡献指数表明,雁塔区、未央区和灞桥区是西安市近20年来不透水面盖度变化的主要贡献区,新城区、莲湖区和碑林区受行政区范围的限制,对西安市不透水面盖度变化的贡献较为稳定,长安区、高陵区、临潼区和阎良区对研究区整体不透水面盖度的贡献值不断升高,鄂邑区、蓝田县和周至县对全市不透水面盖度的贡献则一直处于较低水平。(4)西安市地表能量通量空间差异明显。不透水面分布广泛的区域表现为净辐射通量和潜热通量的低值区,土壤热通量和显热通量的高值区,表明该地区可利用能量转为显热通量的值增加。剖面线分析表明地表能量通量在空间上随下垫面变化而变化,西安市中心城区的潜热通量低于周边地区,显热通量高于周边地区,热环境较周围地区严峻。(5)随不透水面盖度的升高,热环境加剧。显热通量、土壤热通量与不透水面盖度之间呈显著正相关关系。净辐射通量、潜热通量与不透水面盖度之间呈显著负相关关系,不透水面与地表能量分配之间存在显著的相关关系,不透水面盖度每升高10%,H/Rn升高0.7%,G/Rn升高0.4%,LE/Rn下降1.1%,波文比上升2.9%,表明随不透水面盖度的上升,可利用能量分配给显热通量的值升高,而分配给潜热通量的值下降,近地面空气温度升高,热环境加剧。(6)各生态功能区划地表能量分配规律差异明显,波文比上升速度为生态协调区>城市建设区>城市生态建设缓冲区>生态控制区>大秦岭生态保护区,生态协调区和城市建设区波文比值最高且上升速度远大于其他功能区,表明应特别注重这两个区的生态建设工作。地表能量通量在不透水面各等级的变化情况存在显著差异,城市建设区和生态协调区在不透水面盖度等级为极高覆盖度等级时波文比值最大且上升速度最快,应特别注重该等级的生态建设工作。