2003-雄安新区地表温度时空变化特征分析.docx

2003雄安新区地表温度时空变化特征分析 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X16;P423.7 文献标志码 AAbstract 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 island0 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（38.73N ～39.15N，115.70E ～116.23E），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/s1.2 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（38.85N，115.52E，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1010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38.95～39.05N和115.9～116.1E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39.05N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。