2003—2016年雄安新區地表溫度時空變化特征分析

冉明士 王森 劉峰 邢林嘯 王華軍

摘要 基于氣象臺站、MODIS、DMSP/OLS衛星遙感等數據信息，對2003—2016年雄安新區地表溫度的時空變化特征進行定量分析。結果表明，該地區平均地表溫度變化范圍為13～17 ℃，空間分布不均，中心城區與周邊地區的溫度偏差至少1.5 ℃。其中，雄縣、安新和容城等城鎮化較高地區的地溫處于14.5～17 ℃，且面積呈逐年擴大趨勢，年均擴張速率為29.5 km2/a。地表溫度總體上升趨勢顯著，平均增速范圍為 0.07～0.13 ℃/a，高于北方地區的年平均地溫增速水平。整體上，受近年來城市化進程的影響，雄安新區的城市熱島效應正呈現出由弱變強的增長趨勢。

關 鍵 詞 雄安新區;地表溫度;時空變化;城市熱島

中圖分類號 X16;P423.7? ? ?文獻標志碼 A

Abstract Based on digital information from meteorological stations， MODIS and DMSP/OLS remote sensing satellites， the time-space variations of the ground surface temperature （GST） in Xiong′an New Area during 2003-2006 are analyzed. Results show that the mean GST ranges from 13 to 17 ℃， with a non-uniform space distribution where the temperature difference between the urban and rural areas is at least 1.5 ℃. The GST in Xiong′an and Rongcheng areas with a high urbanization level is 14.5-17.0 ℃ and is expanding gradually with the speed of 29.5 km2/a. For the whole area， the mean GST is growing up with the speed of 0.07-0.13 ℃/a， higher than the average level in the Northern China. Generally， the urban heat island effect in Xiong′an New Area is becoming more severe， which is mainly caused by rapid local urbanization in recent years.

Key words Xiong′an New Area; ground surface temperature; time-space variations; urban heat island

0 引言

地表溫度時空變化特征在氣候、環境、農林、巖土、地質、城建等領域具有重要的研究意義和應用價值。其中，地表溫度作為直接反映地球資源環境動態變化的基礎參數，對氣候變化、地表輻射能量平衡及城市熱環境等具有重要的影響[1]。地表溫度時空變化研究當前主要集中在地表溫度與土地利用類型、城市氣候變化關系等方面，傳統研究方法主要通過氣候觀測站獲取氣象觀測資料進行統計分析。例如，黃芳芳等[2]利用地面觀測資料對藏北高原地表溫度與氣候變化進行了初步研究。近年來，研究人員還通過航拍、衛星遙感等先進手段，獲取地表溫度與地面覆蓋結構并進行地表溫度反演，進而獲得相關地表溫度數據信息。例如，王珊珊等[3]基于遙感數據對烏魯木齊市土地利用變化對地表溫度影響進行了分析，并提出了優化地表覆被的建議;王艷慧等[4]利用TM數據和單窗算法分析了北京市地表溫度、歸一化水汽指數和建筑指數的相關性。2017年4月，國家成立雄安新區，這是繼深圳經濟特區和上海浦東新區之后又一國家級新區，是一項重大的歷史性戰略選擇。鑒于此，本文擬借助地表臺站和衛星遙感數據，對近十余年以來雄安新區地表溫度的時空變化特征進行了定量分析與評價，旨在為進一步城市規劃、建設及管理等工作提供一定的參考依據。

1 研究方法

1.1 區域范圍

考慮到國家尚未正式公布雄安新區遠期控制區域規劃，本文研究區域范圍暫定為河北省雄縣、安新和容城三縣（38.73°N ～39.15°N，115.70°E ～116.23°E），地處冀中平原中部，行政總面積為1 562 km2。雄安新區表現出顯著的暖溫帶大陸季風型氣候特征，四季分明，其中春季干燥多風、夏季炎熱多雨、秋季天高氣爽、冬季寒冷少雪。根據1981—2010年統計數據，雄縣、容城和安新的年平均氣溫分別為12.7，12.6，12.3 ℃，全年盛行偏北風，年平均風速為2.1 m/s。

1.2 數據來源

MODIS遙感數據： 源自美國國家航空與航天局陸表數據中心網，選用全年MODIS/Terra和MODIS/Aqua白天和夜晚8 d合成LST數據產品（MOD11A2，MYD11A2），軌道號為H26V5和H27V5。利用LST有效像元均值法計算對象區域2003—2016年的逐年地表平均溫度。

DMSP/OLS衛星遙感數據： 源自美國國家航空與航天局國家環境信息數據中心網，選用2003—2013年DMSP/OLS夜間燈光數據，使用穩態燈光數據集分析城市化對地表溫度分布的影響。

氣象臺站數據：采用中國地面氣候資料日值數據集（V3.0版），選取54602號氣象臺站（38.85°N，115.52°E，海拔3.2 m，一級站）2003—2015年地表地溫的日平均值和日極值數據記錄。

1.3 數據處理

在基于DMSP/OLS衛星遙感數據的城市化研究中，通常采用經驗閾值法，以灰度值DN=12作為城鎮與鄉村的分界值。DN值的有效范圍為1～65，小于12的地區視為基本不受城市熱島效應影響的鄉村地區。

城市燈光指數[（Sj）]定義為研究區域內符合要求的燈光像元面積[（12≤An≤65）]占整個區域內面積[（A≤65）]的比例。

考慮到MODIS和DMSP/OLS衛星遙感數據采用了不同的投影方法與空間分辨率，直接對比分析存在困難，同時為了解決由于云層遮蓋等原因造成的數據缺失問題，將整個研究區域劃分為10×10的二維網格，每個網格內分別進行去除缺失值的操作，并將有效像元匯總求取算術平均值。具體計算過程通過Python語言編程實現。

2 結果與討論

2.1 地表溫度年際變化特征

圖1給出了雄安新區2003—2016年平均地表溫度的年際變化曲線?？梢钥闯?，地表溫度整體上處于升高趨勢，平均地溫分別為15.0 ℃（臺站）和14.5 ℃（遙感）。就年平均增速而言，遙感數據和地面臺站數據差別較大，分別為0.10 ℃/a和0.039 ℃/a，前者偏高約2.5倍。對比發現，2012年以前，地面臺站數據普遍高于遙感數據，而2012年之后，地面臺站數據多低于遙感數據?？傮w而言，除2008年和2014年外，二者數據偏差均在1.5 ℃以下，其中54%的年份數據偏差小于1 ℃。Wan[5]開展了MODIS地表數據與47種晴空環境下的地面臺站數據對比分析，其中39種條件下二者數據偏差小于1 ℃，占樣本總量的83%。Rigo[6]等通過對不同衛星和實地所測地表溫度進行分析，發現MODIS數據與實測值差異低于5% ，這表明MODIS數據具有較高的準確性。相比之下，雄安新區地溫遙感數據和地面臺站數據偏差相對較大，這里面除了數據處理、測試誤差等因素外，很可能與近年來河北省中部地區大氣污染物及其潛在影響有關。

圖2給出了雄安新區2003—2016年晝夜平均地表溫度變化曲線?？梢钥闯?，該地區近幾年來晝夜平均地表溫度均處于上升趨勢，其中日間地溫上升速度略快，平均增速為0.14 ℃/a，夜間地溫上升速度略慢，平均增速為0.08 ℃/a。前人研究表明，全國近50年的平均地溫上升速率為0.29 ℃/10a，其中北方大部分地區地溫增速為0.2～0.6 ℃/10a，局部地區可達0.8～1.0 ℃/10a，同期河北省內城市年增溫速率為0.349 ℃/10a [7-8]。 相比而言，雄安新區近10年平均地溫增加了1.39 ℃（日）和0.8 ℃（夜），高于全國和北方大部分地區的平均水平。

對于雄安新區較高的地溫增長速率這一特點，初步解釋如下：地溫變化通常與土地利用方式及其變化密不可分。隨著城市化進程加快，水泥路面和建筑物等混凝土材料所占比重越來越大，逐漸取代了耕地，草地等植被，這就造成了城市下墊面的低反照率、低比熱容和高粗糙度，混凝土表面對太陽輻射的吸收率高達65%，地表的凈輻射通量變大，儲熱增加，地表溫度隨之升高。另一方面，地溫變化與區域地質結構及活動有關。雄安新區地處三級構造單元冀中臺陷，包括廊坊斷凹、牛駝鎮斷凸、武清霸縣斷凹、高陽臺凸、饒陽斷凹等四級構造單元，地熱資源分布面積占新區總面積的93%，是河北省地熱資源最豐富的地區[9]。雄安新區除西部地溫梯度小于2.5 ℃/100 m以外，其他區域均大于2.5 ℃/100 m，雄縣縣城北部大營鎮一帶地溫梯度最高超過8.0 ℃/100 m。綜合起來，雄安新區地溫變化很大程度上受地溫異常背景條件下城市化進程的影響。

2.2 地表溫度變化空間分布特征

圖3給出了典型年份下雄安新區平均地表溫度的等值線分布圖?？梢钥闯?，雄安新區平均地表溫度變化范圍為13～17 ℃，且溫度分布不均衡性表現較為明顯。其中，雄縣中南部、安新與容城交界地帶的地表溫度較高，高溫區域主要集中在38.95°～39.05°N和115.9°～116.1°E區域，溫度變化范圍為14.5～17 ℃，呈帶狀分布，并有不斷向周圍擴大的趨勢，近10余年來高溫區域面積由118 km2增加到了501 km2，擴張速率為29.5 km2/a。安新縣南部與39.05°N以南地區的地表溫度一直處于較低水平，除2007年以外，溫度一直在14.5 ℃以下。就整體區域而言，高溫區與低溫區的地溫偏差基本保持在1.5 ℃以上。值得注意的是，2003—2007年地溫變化較為顯著，全區地表溫度基本在15 ℃以上，中心高溫區溫度由14.5 ℃增至16 ℃，最高地溫達到17 ℃;2007年以后，地表溫度則整體下降，最低溫度為14 ℃，但中心高溫區地溫仍維持在15 ℃以上。2011年以后地溫略有上升，高溫區面積范圍基本保持不變。

進一步分析表明，上述高溫區域主要集中分布在容城、雄縣、安新縣城所在地區，其周邊經濟水平和城市化水平相對較高。高溫區域面積不斷增大，趨勢由城市中心向周邊環狀緩沖擴張，擴張方向為西南和東北兩個方向。其中，2007年地表溫度整體較高，這可能與當時城市建設政策有關，短時間內進行大范圍的改造，當地土地利用方式和生態格局發生變化時會影響地表溫度。前人研究表明，地表溫度與城市建筑指數呈顯著正相關，而與植被覆蓋率呈負線性關系，城市熱島范圍往往與城區面積的擴張存在空間上的一致性。例如，婁閣等[10]研究表明，哈爾濱市區三環內占比80%的城市建設用地，地表溫度的高溫區比重高達60%，而九環以后城市建設用地與高溫區的比重均降至20%以下。宮阿都等[11]研究表明，北京市的地表溫度和植被覆蓋率的相關系數為-0.820，即植被覆蓋率每下降10%，地表溫度上升約1.27 ℃。因此，可以預計，對于雄安新區而言，隨著未來經濟發展和人口規模膨脹，城市熱島現象會日趨明顯，地表溫度的高溫區域面積會進一步向四周擴張，值得相關部門引起足夠的重視。此外，增加雄安新區的植被覆蓋率，對于緩解上述地溫升高速率具有積極的作用。

圖4給出了雄安新區2003—2016年平均地表溫度增速的分布情況?？梢钥闯?，該地區地表溫度增速變化范圍為0.07～0.13 ℃/a，其中除安新東南地區，地表溫度增速均大于0.1 ℃/a，這相當于2000—2010年北京市地表溫度增速的2.2倍[12]。地表溫度增速的分布特點與地表溫度不同，前述高溫區域中心地帶增速處于平均水平，增速最快的區域位于安新西北部和雄縣東部，地表溫度增速在0.12 ℃/a以上，結合圖3可以發現這兩片區域為高溫區擴張方向。由于中心城區城市建設相對完善，同時城市公共綠地面積逐漸變大，地溫增速相對緩慢，而周邊地區正處于快速發展建設時期，廠房建筑和水泥路面等替代耕地草地等植被，土地利用類型較為單一，地表溫度隨之升高。值得關注的是，安新東南部存在冷島現象，這主要是受白洋淀的影響。作為華北最大的淡水湖泊，其巨大的水體容量對周圍地表及氣溫均具有顯著的降溫作用，可以調節區域小氣候，改善城市熱濕環境，緩解熱島效應。從此角度出發，建議相關部門要高度重視白洋淀生態功能的保護與修復工作。

2.3 夜間燈光亮度與地表溫度相關性分析

圖5給出了雄安新區2003—2013年夜間燈光亮度的分布變化，其中著色區域為DN>12的城鎮地區?？梢钥闯?，雄安新區的城市化進程較為顯著，DN>12的面積由124 km2（2003年）增加至550 km2（2013年），年均擴張速率為42.6 km2/a。其中，2003—2007年城鎮面積由124 km2增加到了142 km2，擴張速率為4.5 km2/a，城市化進程較為緩慢;2007—2010年發展最為迅速，年均增量為112 km2，擴張速率增加到37.3 km2/a，擴張速率增加了8倍;2010—2013年面積增加71 km2，擴張速率開始減小，降至23.7 km2/a。上述著色區域主要集中在容城西北、安新北部及雄縣南部地區，并且以這3個地區為中心不斷向四周擴展，逐漸連為一體。截至2013年，雄安新區北部區域基本都處于DN12等值線的控制范圍內。

圖6為地表溫度增速隨平均燈光面積指標的變化情況?？梢钥闯?，地表溫度的變化率與燈光面積指標呈正線性相關關系。研究表明，基于DMSP/OLS的夜間燈光數據提取的城鎮化信息可達88%以上的精度水平[13]，由此可知：地表溫度增速變化與研究區域土地城鎮化水平是顯著相關的。此外，地表溫度與夜間燈光灰度值變化關系也比較密切。其中，城鎮地區地表溫度增幅大，夜間燈光灰度值高;鄉村地區地表溫度增幅小，燈光灰度值弱。

圖7給出了城鄉地表溫度的變化曲線?？梢钥闯?，近幾年來城鄉地表溫度均處于上升階段，且城鎮地區升溫更快。結合圖7a）～? c）可以發現，日間城鎮地表平均溫度增長速度較快，為 0.12 ℃/a，鄉村地區為0.06 ℃/a。除2008年以前鄉村地區日間溫度高于城鎮，城鎮地區的地表溫度均高于鄉村。而十幾年來兩地夜間地表平均溫度的變化趨勢基本一致，溫升速率為0.057 ℃/a，城鎮地區夜間地溫始終高于鄉村地區。兩地的日平均地表溫度變化增速分別為 0.09 ℃/a（城鎮）和 0.06 ℃/a（鄉村），可見研究區域日間地溫變化對平均地表溫度的影響較大。

圖7d）給出了城鄉地溫差與城市化面積的變化曲線?？梢钥闯?，城鄉兩地夜間溫差分布范圍在0.12～0.35 ℃之間，波動較小，基本保持在0.25 ℃附近，而日間溫差變化幅度較大，2008年以前溫差基本在0 ℃附近，之后兩地溫差開始逐漸增大，且與城市化面積增長基本同步，2013年達到0.33 ℃，這進一步表明城市化進程會加快區域地表溫度變化。城市熱島效應的強弱等級水平（H）通常采用城鄉地溫差來衡量與評價。截至目前，H尚無統一的劃分標準。例如，遼寧省地方標準采用了三級評價：0.5 ℃ < H ≤ 1.5 ℃（弱），1.5 ℃ < H ≤ 2.5 ℃（強）和H > 2.5 ℃（特強）;廣州采用了五級評價：H ≤ 0.5 ℃（無），0.5 < H ≤ 1.5 ℃（弱），1.5 ℃ < H ≤ 2.5 ℃（中等），2.5 ℃ < H ≤ 3.5 ℃（強） 和H > 3.5 ℃（極強）。由此可以看出，雖然目前雄安新區的平均城市熱島效應總體上處于較微弱的等級水平（局部已達到中等或強等級），但存在明顯的逐年增長趨勢，平均速率為0.055 ℃/a。

另一方面，城市化進程對地表溫度的影響還反映在人口密度變化上。根據全國第五次人口普查（2000年）數據，雄縣、安新縣、容城三縣的人口密度分別為617，543，778人/ km2，平均人口密度為615人/ km2。第六次人口普查（2010年）時，人口密度均有不同程度增長，分別為686， 604， 822人/km2，平均人口密度增至675人/km2，比2000年增長了9.8%。截至2016年，三縣的人口密度達到752，613和828人/km2，平均人口密度為703人/ km2，比2000年增長了14.3%。人口密度增長的同時，城鎮人口比例也在大幅增加。以雄縣為例，2000年城鎮人口占比僅9.3%，2016年城鎮人口比例達到45.4%，增加了近5倍?？梢灶A計，隨著雄安新區的快速發展建設，城鎮人口比例會進一步增加，這對于地表溫度增長而言無疑是不利的因素之一。照上述城市化發展速度，雄安新區很可能在2030—2040年進入中等或強的平均城市熱島等級水平，這一點值得相關部門引起足夠重視，盡量做到防患于未然。

3 結論

1） 雄安新區2003—2016年平均地表溫度的變化范圍為13～17 ℃，其中高溫區位于雄縣、安新和容城等城鎮化程度較高地區，地表溫度介于14.5～17 ℃，且覆蓋范圍呈逐年擴大趨勢，年均擴張速率為29.5 km2/a。

2）受城市化進程、背景地溫異常等因素影響，雄安新區的平均地表溫度呈整體上升趨勢，增速范圍為 0.07～0.13 ℃/a，年均增速為0.10 ℃/a，高于北方地區的年平均地溫增速水平。其中，安新西北部和雄縣東部增速最高，安新西南最低，白洋淀對于區域氣候調節、緩解熱島效應具有積極的作用;城鎮地區地表溫度增幅為0.09 ℃/a，鄉村地區地溫增長較緩慢，為0.06 ℃/a，其中日間地溫對平均地表溫度變化貢獻較大。

3）地表溫度增速與平均燈光面積指標呈顯著的正相關性，說明土地城鎮化水平對于地表溫度有重要影響，尤其是人類生產活動及其對城市下墊面改變會不斷加劇熱島效應，從而造成城鎮地區地表溫度的快速升高。目前，雄安新區的城市熱島效應總體上處于較微弱等級水平，但逐年增長趨勢明顯。建議在城市建設進程中，適當控制城鎮人口數量和比例，盡量多元化利用土地，加大植被覆蓋率，減緩地表溫度上升速率。

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