冉明士 王森 刘峰 邢林啸 王华军

摘要 基于气象台站、MODIS、DMSP/OLS卫星遥感等数据信息，对2003—2016年雄安新区地表温度的时空变化特征进行定量分析。结果表明，该地区平均地表温度变化范围为13～17 ℃，空间分布不均，中心城区与周边地区的温度偏差至少1.5 ℃。其中，雄县、安新和容城等城镇化较高地区的地温处于14.5～17 ℃，且面积呈逐年扩大趋势，年均扩张速率为29.5 km2/a。地表温度总体上升趋势显著，平均增速范围为 0.07～0.13 ℃/a，高于北方地区的年平均地温增速水平。整体上，受近年来城市化进程的影响，雄安新区的城市热岛效应正呈现出由弱变强的增长趋势。

关 键 词 雄安新区;地表温度;时空变化;城市热岛

中图分类号 X16;P423.7     文献标志码 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

地表溫度时空变化特征在气候、环境、农林、岩土、地质、城建等领域具有重要的研究意义和应用价值。其中，地表温度作为直接反映地球资源环境动态变化的基础参数，对气候变化、地表辐射能量平衡及城市热环境等具有重要的影响[1]。地表温度时空变化研究当前主要集中在地表温度与土地利用类型、城市气候变化关系等方面，传统研究方法主要通过气候观测站获取气象观测资料进行统计分析。例如，黄芳芳等[2]利用地面观测资料对藏北高原地表温度与气候变化进行了初步研究。近年来，研究人员还通过航拍、卫星遥感等先进手段，获取地表温度与地面覆盖结构并进行地表温度反演，进而获得相关地表温度数据信息。例如，王珊珊等[3]基于遥感数据对乌鲁木齐市土地利用变化对地表温度影响进行了分析，并提出了优化地表覆被的建议;王艳慧等[4]利用TM数据和单窗算法分析了北京市地表温度、归一化水汽指数和建筑指数的相关性。2017年4月，国家成立雄安新区，这是继深圳经济特区和上海浦东新区之后又一国家级新区，是一项重大的历史性战略选择。鉴于此，本文拟借助地表台站和卫星遥感数据，对近十余年以来雄安新区地表温度的时空变化特征进行了定量分析与评价，旨在为进一步城市规划、建设及管理等工作提供一定的参考依据。

1 研究方法

1.1 区域范围

考虑到国家尚未正式公布雄安新区远期控制区域规划，本文研究区域范围暂定为河北省雄县、安新和容城三县（38.73°N ～39.15°N，115.70°E ～116.23°E），地处冀中平原中部，行政总面积为1 562 km2。雄安新区表现出显著的暖温带大陆季风型气候特征，四季分明，其中春季干燥多风、夏季炎热多雨、秋季天高气爽、冬季寒冷少雪。根据1981—2010年统计数据，雄县、容城和安新的年平均气温分别为12.7，12.6，12.3 ℃，全年盛行偏北风，年平均风速为2.1 m/s。

1.2 数据来源

MODIS遥感数据： 源自美国国家航空与航天局陆表数据中心网，选用全年MODIS/Terra和MODIS/Aqua白天和夜晚8 d合成LST数据产品（MOD11A2，MYD11A2），轨道号为H26V5和H27V5。利用LST有效像元均值法计算对象区域2003—2016年的逐年地表平均温度。

DMSP/OLS卫星遥感数据： 源自美国国家航空与航天局国家环境信息数据中心网，选用2003—2013年DMSP/OLS夜间灯光数据，使用稳态灯光数据集分析城市化对地表温度分布的影响。

气象台站数据：采用中国地面气候资料日值数据集（V3.0版），选取54602号气象台站（38.85°N，115.52°E，海拔3.2 m，一级站）2003—2015年地表地温的日平均值和日极值数据记录。

1.3 数据处理

在基于DMSP/OLS卫星遥感数据的城市化研究中，通常采用经验阈值法，以灰度值DN=12作为城镇与乡村的分界值。DN值的有效范围为1～65，小于12的地区视为基本不受城市热岛效应影响的乡村地区。

城市灯光指数[（Sj）]定义为研究区域内符合要求的灯光像元面积[（12≤An≤65）]占整个区域内面积[（A≤65）]的比例。

考虑到MODIS和DMSP/OLS卫星遥感数据采用了不同的投影方法与空间分辨率，直接对比分析存在困难，同时为了解决由于云层遮盖等原因造成的数据缺失问题，将整个研究区域划分为10×10的二维网格，每个网格内分别进行去除缺失值的操作，并将有效像元汇总求取算术平均值。具体计算过程通过Python语言编程实现。

2 结果与讨论

2.1 地表温度年际变化特征

图1给出了雄安新区2003—2016年平均地表温度的年际变化曲线。可以看出，地表温度整体上处于升高趋势，平均地温分别为15.0 ℃（台站）和14.5 ℃（遥感）。就年平均增速而言，遥感数据和地面台站数据差别较大，分别为0.10 ℃/a和0.039 ℃/a，前者偏高约2.5倍。对比发现，2012年以前，地面台站数据普遍高于遥感数据，而2012年之后，地面台站数据多低于遥感数据。总体而言，除2008年和2014年外，二者数据偏差均在1.5 ℃以下，其中54%的年份数据偏差小于1 ℃。Wan[5]开展了MODIS地表数据与47种晴空环境下的地面台站数据对比分析，其中39种条件下二者数据偏差小于1 ℃，占样本总量的83%。Rigo[6]等通过对不同卫星和实地所测地表温度进行分析，发现MODIS数据与实测值差异低于5% ，这表明MODIS数据具有较高的准确性。相比之下，雄安新区地温遥感数据和地面台站数据偏差相对较大，这里面除了数据处理、测试误差等因素外，很可能与近年来河北省中部地区大气污染物及其潜在影响有关。

图2给出了雄安新区2003—2016年昼夜平均地表温度变化曲线。可以看出，该地区近几年来昼夜平均地表温度均处于上升趋势，其中日间地温上升速度略快，平均增速为0.14 ℃/a，夜间地温上升速度略慢，平均增速为0.08 ℃/a。前人研究表明，全国近50年的平均地温上升速率为0.29 ℃/10a，其中北方大部分地区地温增速为0.2～0.6 ℃/10a，局部地区可达0.8～1.0 ℃/10a，同期河北省内城市年增温速率为0.349 ℃/10a [7-8]。 相比而言，雄安新区近10年平均地温增加了1.39 ℃（日）和0.8 ℃（夜），高于全国和北方大部分地区的平均水平。

对于雄安新区较高的地温增长速率这一特点，初步解释如下：地温变化通常与土地利用方式及其变化密不可分。随着城市化进程加快，水泥路面和建筑物等混凝土材料所占比重越来越大，逐渐取代了耕地，草地等植被，这就造成了城市下垫面的低反照率、低比热容和高粗糙度，混凝土表面对太阳辐射的吸收率高达65%，地表的净辐射通量变大，储热增加，地表温度随之升高。另一方面，地温变化与区域地质结构及活动有关。雄安新区地处三级构造单元冀中台陷，包括廊坊断凹、牛驼镇断凸、武清霸县断凹、高阳台凸、饶阳断凹等四级构造单元，地热资源分布面积占新区总面积的93%，是河北省地热资源最丰富的地区[9]。雄安新区除西部地温梯度小于2.5 ℃/100 m以外，其他区域均大于2.5 ℃/100 m，雄县县城北部大营镇一带地温梯度最高超过8.0 ℃/100 m。综合起来，雄安新区地温变化很大程度上受地温异常背景条件下城市化进程的影响。

2.2 地表温度变化空间分布特征

图3给出了典型年份下雄安新区平均地表温度的等值线分布图。可以看出，雄安新区平均地表温度变化范围为13～17 ℃，且温度分布不均衡性表现较为明显。其中，雄县中南部、安新与容城交界地带的地表温度较高，高温区域主要集中在38.95°～39.05°N和115.9°～116.1°E区域，温度变化范围为14.5～17 ℃，呈带状分布，并有不断向周围扩大的趋势，近10余年来高温区域面积由118 km2增加到了501 km2，擴张速率为29.5 km2/a。安新县南部与39.05°N以南地区的地表温度一直处于较低水平，除2007年以外，温度一直在14.5 ℃以下。就整体区域而言，高温区与低温区的地温偏差基本保持在1.5 ℃以上。值得注意的是，2003—2007年地温变化较为显著，全区地表温度基本在15 ℃以上，中心高温区温度由14.5 ℃增至16 ℃，最高地温达到17 ℃;2007年以后，地表温度则整体下降，最低温度为14 ℃，但中心高温区地温仍维持在15 ℃以上。2011年以后地温略有上升，高温区面积范围基本保持不变。

进一步分析表明，上述高温区域主要集中分布在容城、雄县、安新县城所在地区，其周边经济水平和城市化水平相对较高。高温区域面积不断增大，趋势由城市中心向周边环状缓冲扩张，扩张方向为西南和东北两个方向。其中，2007年地表温度整体较高，这可能与当时城市建设政策有关，短时间内进行大范围的改造，当地土地利用方式和生态格局发生变化时会影响地表温度。前人研究表明，地表温度与城市建筑指数呈显著正相关，而与植被覆盖率呈负线性关系，城市热岛范围往往与城区面积的扩张存在空间上的一致性。例如，娄阁等[10]研究表明，哈尔滨市区三环内占比80%的城市建设用地，地表温度的高温区比重高达60%，而九环以后城市建设用地与高温区的比重均降至20%以下。宫阿都等[11]研究表明，北京市的地表温度和植被覆盖率的相关系数为-0.820，即植被覆盖率每下降10%，地表温度上升约1.27 ℃。因此，可以预计，对于雄安新区而言，随着未来经济发展和人口规模膨胀，城市热岛现象会日趋明显，地表温度的高温区域面积会进一步向四周扩张，值得相关部门引起足够的重视。此外，增加雄安新区的植被覆盖率，对于缓解上述地温升高速率具有积极的作用。

图4给出了雄安新区2003—2016年平均地表温度增速的分布情况。可以看出，该地区地表温度增速变化范围为0.07～0.13 ℃/a，其中除安新东南地区，地表温度增速均大于0.1 ℃/a，这相当于2000—2010年北京市地表温度增速的2.2倍[12]。地表温度增速的分布特点与地表温度不同，前述高温区域中心地带增速处于平均水平，增速最快的区域位于安新西北部和雄县东部，地表温度增速在0.12 ℃/a以上，结合图3可以发现这两片区域为高温区扩张方向。由于中心城区城市建设相对完善，同时城市公共绿地面积逐渐变大，地温增速相对缓慢，而周边地区正处于快速发展建设时期，厂房建筑和水泥路面等替代耕地草地等植被，土地利用类型较为单一，地表温度随之升高。值得关注的是，安新东南部存在冷岛现象，这主要是受白洋淀的影响。作为华北最大的淡水湖泊，其巨大的水体容量对周围地表及气温均具有显著的降温作用，可以调节区域小气候，改善城市热湿环境，缓解热岛效应。从此角度出发，建议相关部门要高度重视白洋淀生态功能的保护与修复工作。

2.3 夜间灯光亮度与地表温度相关性分析

图5给出了雄安新区2003—2013年夜间灯光亮度的分布变化，其中着色区域为DN>12的城镇地区。可以看出，雄安新区的城市化进程较为显著，DN>12的面积由124 km2（2003年）增加至550 km2（2013年），年均扩张速率为42.6 km2/a。其中，2003—2007年城镇面积由124 km2增加到了142 km2，扩张速率为4.5 km2/a，城市化进程较为缓慢;2007—2010年发展最为迅速，年均增量为112 km2，扩张速率增加到37.3 km2/a，扩张速率增加了8倍;2010—2013年面积增加71 km2，扩张速率开始减小，降至23.7 km2/a。上述着色区域主要集中在容城西北、安新北部及雄县南部地区，并且以这3个地区为中心不断向四周扩展，逐渐连为一体。截至2013年，雄安新区北部区域基本都处于DN12等值线的控制范围内。

图6为地表温度增速随平均灯光面积指标的变化情况。可以看出，地表温度的变化率与灯光面积指标呈正线性相关关系。研究表明，基于DMSP/OLS的夜间灯光数据提取的城镇化信息可达88%以上的精度水平[13]，由此可知：地表温度增速变化与研究区域土地城镇化水平是显著相关的。此外，地表温度与夜间灯光灰度值变化关系也比较密切。其中，城镇地区地表温度增幅大，夜间灯光灰度值高;乡村地区地表温度增幅小，灯光灰度值弱。

图7给出了城乡地表温度的变化曲线。可以看出，近几年来城乡地表温度均处于上升阶段，且城镇地区升温更快。结合图7a）～  c）可以发现，日间城镇地表平均温度增长速度较快，为 0.12 ℃/a，乡村地区为0.06 ℃/a。除2008年以前乡村地区日间温度高于城镇，城镇地区的地表温度均高于乡村。而十几年来两地夜间地表平均温度的变化趋势基本一致，温升速率为0.057 ℃/a，城镇地区夜间地温始终高于乡村地区。两地的日平均地表温度变化增速分别为 0.09 ℃/a（城镇）和 0.06 ℃/a（乡村），可见研究区域日间地温变化对平均地表温度的影响较大。

图7d）给出了城乡地温差与城市化面积的变化曲线。可以看出，城乡两地夜间温差分布范围在0.12～0.35 ℃之间，波动较小，基本保持在0.25 ℃附近，而日间温差变化幅度较大，2008年以前温差基本在0 ℃附近，之后两地温差开始逐渐增大，且与城市化面积增长基本同步，2013年达到0.33 ℃，这进一步表明城市化进程会加快区域地表温度变化。城市热岛效应的强弱等级水平（H）通常采用城乡地温差来衡量与评价。截至目前，H尚无统一的划分标准。例如，辽宁省地方标准采用了三级评价：0.5 ℃ < H ≤ 1.5 ℃（弱），1.5 ℃ < H ≤ 2.5 ℃（强）和H > 2.5 ℃（特强）;广州采用了五级评价：H ≤ 0.5 ℃（无），0.5 < H ≤ 1.5 ℃（弱），1.5 ℃ < H ≤ 2.5 ℃（中等），2.5 ℃ < H ≤ 3.5 ℃（强） 和H > 3.5 ℃（极强）。由此可以看出，虽然目前雄安新区的平均城市热岛效应总体上处于较微弱的等级水平（局部已达到中等或强等级），但存在明显的逐年增长趋势，平均速率为0.055 ℃/a。

另一方面，城市化進程对地表温度的影响还反映在人口密度变化上。根据全国第五次人口普查（2000年）数据，雄县、安新县、容城三县的人口密度分别为617，543，778人/ km2，平均人口密度为615人/ km2。第六次人口普查（2010年）时，人口密度均有不同程度增长，分别为686， 604， 822人/km2，平均人口密度增至675人/km2，比2000年增长了9.8%。截至2016年，三县的人口密度达到752，613和828人/km2，平均人口密度为703人/ km2，比2000年增长了14.3%。人口密度增长的同时，城镇人口比例也在大幅增加。以雄县为例，2000年城镇人口占比仅9.3%，2016年城镇人口比例达到45.4%，增加了近5倍。可以预计，随着雄安新区的快速发展建设，城镇人口比例会进一步增加，这对于地表温度增长而言无疑是不利的因素之一。照上述城市化发展速度，雄安新区很可能在2030—2040年进入中等或强的平均城市热岛等级水平，这一点值得相关部门引起足够重视，尽量做到防患于未然。

3 结论

1） 雄安新区2003—2016年平均地表温度的变化范围为13～17 ℃，其中高温区位于雄县、安新和容城等城镇化程度较高地区，地表温度介于14.5～17 ℃，且覆盖范围呈逐年扩大趋势，年均扩张速率为29.5 km2/a。

2）受城市化进程、背景地温异常等因素影响，雄安新区的平均地表温度呈整体上升趋势，增速范围为 0.07～0.13 ℃/a，年均增速为0.10 ℃/a，高于北方地区的年平均地温增速水平。其中，安新西北部和雄县东部增速最高，安新西南最低，白洋淀对于区域气候调节、缓解热岛效应具有积极的作用;城镇地区地表温度增幅为0.09 ℃/a，乡村地区地温增长较缓慢，为0.06 ℃/a，其中日间地温对平均地表温度变化贡献较大。

3）地表温度增速与平均灯光面积指标呈显著的正相关性，说明土地城镇化水平对于地表温度有重要影响，尤其是人类生产活动及其对城市下垫面改变会不断加剧热岛效应，从而造成城镇地区地表温度的快速升高。目前，雄安新区的城市热岛效应总体上处于较微弱等级水平，但逐年增长趋势明显。建议在城市建设进程中，适当控制城镇人口数量和比例，尽量多元化利用土地，加大植被覆盖率，减缓地表温度上升速率。

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