雄安新区城市热岛效应的空间异质性

刘丽香，杨凯，叶家慧，韩永伟*，孟晓杰，侯春飞，高馨婷

1.国家环境保护区域生态过程与功能评估重点实验室，中国环境科学研究院 2.北京师范大学珠海分校不动产学院

随着城市化进程的加快，城市热岛效应对人类社会的影响越来越严重。城市热岛效应使得气温上升，促进污染物的聚集，破坏城市生态系统的良性循环，热岛效应给城市生态系统带来了生态环境、能源、公众健康乃至生命安全等方面问题，这些问题与人们生活、生产活动息息相关，严重威胁人类社会的可持续发展[1-3]。因此，城市规划者和政府部门必须重视城市热岛效应问题，采取有效的缓解措施，促进城市环境的改善。

根据基础数据来源，将城市热岛效应的研究方法分为3种，包括传统气象站方法、大气模式法、遥感方法[1-3]。气象站方法和遥感方法主要研究不同尺度的城市热岛。通过传统地面气象数据方法研究的热岛效应为城市大气热岛，包括城市冠层热岛和城市边界层热岛；遥感方法研究的城市热岛为城市地表层温度；大气模式法主要研究热岛现象和成因之间的形成机制。传统气象站方法和大气模式法基本上是离散点或纯概念的研究，真实性和有效性不强[4-6]。随着遥感科技的发展，遥感监测技术已成为研究城市热岛效应的主要手段，其具备全天候观测、时序性强、空间分辨率高、覆盖区域广、成本低、动态性好、速度快等优势，其地表温度反演方法也趋于成熟[7-8]，常见的地表温度反演方法包括分裂窗算法、劈窗算法、辐射传输方程、单窗算法等。

利用以上研究方法，城市热岛在强度、时空分布及影响因素等方面取得了一定进展。热岛效应具有明显的时空异质性，时间上存在日变化、季节变化、年变化和年际变化；空间上随城市行政区和功能区的不同而变化[3,5]。城市热岛的影响因素主要包括土地利用规划布局的改变、人为的热排放、城市建筑布局与材料等[4,6]。这些研究目前大多数还基于理论分析，与实际应用结合的较少。在城市热岛效应对城市规划、城市生态结构与功能的影响，特别是在城市建设发展中应用热岛效应最新研究成果，将其影响考虑到城市规划中[1,3]等方面开展的研究比较少。雄安新区建设是千年大计，雄安新区承接着疏解北京非首都功能和促进京津冀协调发展的重要任务，中共中央、国务院要求雄安新区规划和建设要贯彻高质量发展要求，并分阶段有序推进雄安新区开发建设。鉴于此，笔者采用遥感方法研究雄安新区(简称新区)建设初期的城市热岛效应空间变化特征，以期为雄安新区的不同阶段城市规划方案提供理论指导，为雄安新区城市可持续发展提供理论依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

新区位于河北省中部的保定市和沧州市境内，地处北京、天津、保定腹地，与京津形成等边三角形格局，距离北京和天津约为105 km；新区面积约1 770 km2，包括雄县、容城县、安新县三县，高阳县的龙化乡及任丘市的鄚州镇，苟各庄镇和七间房乡；位于大清河流域腹地、大清河水系南支的白洋淀流域内，辖“一淀、两库、十河”(一淀即白洋淀，两库即西大洋水库和王快水库，十河即北拒马河、唐河、府河、潴龙河、孝义河、漕河、萍河、白沟引河、瀑河和赵王新河)。新区地处中纬度地带，属温带大陆性季风气候，四季分明，春旱多风，夏热多雨，秋凉气爽，冬寒少雪。多年平均气温为13.17 ℃，最高值为14.2 ℃，最低值为11.9 ℃。多年平均降水量为493.2 mm，近40年极端降水量最大为848.5 mm，最小为242.1 mm。年均日照时数为2 308.4 h，最大日照时数为2 907.3 h，最小日照时数为1 591.3 h。本研究选取新区的雄县、容城县、安新县为研究对象，三县总面积约为1 500 km2(图1)。

图1 研究区位置Fig.1 Location of Xiong’an New Area

1.2 数据来源及预处理

本研究数据主要来源于Landsat-8卫星遥感影像和信息点(point of information，POI)数据库。其中，选取秋季Landsat-8 OLI(2019-09-18)的遥感影像资料作为反演研究区地表温度数据源。选取的影像云层覆盖较少，在研究区内几乎无云层覆盖，地物类型清晰，可以确保反演的精度，空间分辨率为30 m。影像数据来自美国地质调查局(USGS)官网(http://glovis.usgs.gov)，POI数据来自91卫图助手和网络数据(鸿鹄地理POI数据库)。

地表温度反演采用辐射传输法，土地利用分类采用监督分类法[9-11]。地表温度反演之前均在ENVI 5.2中进行几何校正、辐射定标、大气校正等图像预处理工作，以消除成像过程中的几何畸变、噪音等影响，然后对研究区进行掩膜裁剪。

1.3 研究方法

采用混合像元法、辐射传输法对2019年Landsat-8的OLI数据提取植被覆盖度以及地表温度，同时采用均值-标准差法划分热岛强度等级。

1.3.1植被覆盖度

1.3.1.1归一化植被指数(NDVI)

通过ENVI 5.2软件中的非线性归一化算法处理得到NDVI，公式如下：

(1)

式中：DN为遥感影像像元亮度值,记录的是地物的灰度；DNNIR为近红外波段的灰度；DNR为热红外波段的灰度。

1.3.1.2植被覆盖度(FV)

采用混合像元分解法，将该遥感影像的地类大致分为水体、植被和建筑，用以表征地表植被覆盖情况。计算公式如下：

(2)

式中：NDVIV和NDVIS分别为纯植被和纯土壤的植被指数。NDVIV取为0.70，NDVIS为0.00，且FV为[0,1]。当影像中某个像元的NDVI大于0.70时，FV取值为1；当NDVI小于0.00，FV取值为0。

1.3.2地表温度反演

1.3.2.1地表比辐射率(ε)

ε是研究城市地表热环境的重要参数，将土地利用类型分为水体、城镇和自然表面3种，水体像元的εw赋值为0.995，自然表面εs和城镇像元εb的估算公式如下[9]：

εs=0.962 5+0.006 1FV-0.046 1FV2

(3)

εb=0.958 9+0.086FV-0.067 1FV2

(4)

1.3.2.2辐射亮度

依据辐射传输方程，温度为Ts的黑体在热红外波段的辐射亮度〔B(Ts)〕计算公式如下：

B(Ts)=[Lλ-L↑-τ(1-ε)L↓]/τ×ε

(5)

式中：τ为大气在热红外波段的透过率；Lλ为卫星传感器接收到的热红外辐射，W/(m2·sr·μm)；L↑为大气上行辐射亮度，W/(m2·sr·μm)；L↓为大气下行辐射亮度，W/(m2·sr·μm)。Landsat-8影像的大气剖面参数(τ、L↑、L↓)可以从NASA提供的网站(http://atmcorr.gsfc.nasa.gov/)获得。在网站输入影像成像时间和经纬度，选取使用的卫星以及申请者邮箱即可得到大气剖面信息。

1.3.3地表温度(Ts)

依据普朗克公式的反函数，得到Ts，计算公式如下：

Ts=K2/ln[K1/B(Ts)+1]

(6)

式中：K1和K2为卫星影像的头文件自带的卫星发射前预设的常量，分别为774.89和1 321.08 W/(m2·sr·μm)。

1.3.4城市热岛强度划分

依据反演的地表温度平均值和标准差划分城市热岛强度，一般划分为4～7级[12]，本研究将热岛强度划分为高温区、次高温区、中温区、次中温区、低温区5级(表1)。

表1 热岛强度等级划分标准Table 1 Classification standard of heat island intensity grade

1.3.5土地利用分类方法

参考全国遥感监测土地利用覆盖分类体系，结合Landsat-8数据特性、雄安土地利用研究成果和研究区土地利用现状，定义本研究需提取的5种土地利用类型为水域、耕地、林地、建筑用地、旱地。

运用监督分类的最大似然方法提取新区三县土地覆被信息，最大似然分类是求出像元数据对于各类别似然度，把该像元划分到似然度最大的类别中。在ENVI 5.2中建立5种土地利用类型的训练样本，在经过大气校正后的影像上选取8个训练区；每个土地利用类型的分离性均大于1.8，表明样本分离性好。再根据训练样本进行监督分类，选取监督分类中常用的最大似然分类法解译影像。另外，在野外选择包括5种土地利用类型的28个实地样本，并参考谷歌卫星地图对土地利用分类结果进行验证。

1.3.6城市功能区分类

依据城市功能将雄安新区分为住宅区、商业区、工业区、文化区、行政区和生态区。其中，工业区包括公司企业、工业园区和产业园区；商业区包括商务大厦、商务写字楼；住宅区包括别墅、商务宿舍、住宅小区及配套生活服务设施；文化区包括大专院校、科研单位、图书馆、展览馆等文化机构和设施；行政区是指地区或者城市的行政机构；生态区是指公园、风景区、江河湖泊和旅游景点。

2 结果与讨论

2.1 土地利用结构特征

新区5种土地利用类型及其面积如表2和图2所示。从表2可见，新区土地利用类型面积表现为耕地>建筑用地>林地>水域>旱地，面积占比分别为56.19%、31.81%、6.19%、3.36%和2.45%。在新区内，耕地附近都有建筑用地环绕，这与新区的快速城市化有关。已有研究表明[13]，新区近年耕地和水域面积在减少，建筑用地面积在增加。在空间上，安新县水域面积较大，其余地方零星分布；雄县和容城县的建筑用地面积和林地面积都较大，其中雄县林地面积最大。

图2 雄安新区土地分类Fig.2 Landuse classification in Xiong’an New Area

表2 雄安新区土地分类面积Table 2 Area of landuse classification in Xiong’an New Area km2

新区三县中，耕地面积表现为安新县>容城县>雄县，面积占比分别为66.11%、51.96%和44.79%；建筑用地面积表现为雄县>容城县>安新县，面积占比分别为40.36%、35.16%和24.30%；林地面积表现为雄县>容城县>安新县，面积占比分别为10.14%、9.34%和2.04%；水域面积表现为安新县>容城县>雄县，面积占比分别为6.59%、0.76%、0.38%；旱地面积表现为雄县>容城县>安新县，面积占比分别为4.33%、2.78%和0.96%。安新县水域面积较大主要是与保护白洋淀水域以及占用水域的农田相继退出等政策有关，雄县建筑用地和林地面积占比较大主要是启动区建设用地急剧增加及“千年秀林”造成的。除了水域面积外，容城县其他土地利用类型面积在三县中均处于中间位置，主要是因为雄安新区分阶段建设，目前起步区中的启动区已开始建设，容城县是起步区面积占比最大的县城，但在启动区里并非面积最大，这些与已有研究结果相一致[13]。

2.2 地表温度分布特征

新区地表温度整体变化趋势为北部温度较高，南部温度较低。雄县高温主要分布在东部、西南、西北部和北部；容城县主要分布在中部地区；安新县分布比较零散，沿着县城边界向内有所延伸(图3)。

图3 雄安新区地表温度空间分布Fig.3 Spatial distribution of land surface temperature in Xiong’an New Area

在空间上，新区东部、东北部和西部的温度较高，东北部的温度最高，为43.83 ℃；中部和南部温度较低，最低温度为22.39 ℃。新区地表温度分布与土地利用分类相似，即高温分布在城市化高的地区，低温分布在水域周围。研究表明，建筑用地分布和高温分布相对应，水域与低温分布相对应[14-18]。

地表温度的平均值如表3所示，表现为雄县>容城县>安新县；温度最高值的表现为容城县>雄县>安新县；温度最低值的表现为容城县>雄县>安新县。容城县、雄县和安新县地表温度的极差分别为20.44、19.59和17.59。可见，安新县的地表温度差异最小，容城县地表温度差异最大，这主要是由于启动区里容城县面积占比较大，而近年建筑用地面积和不透水地面面积增加造成热岛效应[19-21]。

表3 雄安新区各县地表温度统计Table 3 Statistics of land surface temperature of counties in Xiong’an New Area ℃

2.3 热岛强度分级

根据均值-标准差法将热岛强度分为5个等级。新区热岛强度等级的面积如表4所示。由表4可见，新区三县总面积为1 552.59 km2，热岛强度等级的面积为中温区>高温区>低温区，面积分别为1 044.29、410.57和97.73 km2，占比分别为67.26%、26.44%和6.29%。

表4 雄安新区不同地表温度等级的面积统计Table 4 Area of land surface temperature classification in Xiong’an New Area km2

雄县高温区的面积最大，为201.65 km2，占县城总面积比例为39.06%(表5)，安新县和容城县高温区的面积相似，约为105 km2，占县城总面积比例分别为34.06%和14.21%；中温区的面积为安新县>雄县>容城县，占县城总面积比例分别为73.22%、65.1%和60.18%；低温区面积最大的为安新县，为91.14 km2，占县城总面积比例为12.57%，雄县和容城县的面积都在4 km2以下，占县城总面积比例在0.80%左右。高温区面积占比较高的城市，其建筑面积占比也会越高，如雄县；在水域和耕地较多的城市，高温区所占面积会较低，如安新县。可见土地利用类型和地表温度间可能有某种定量的关系[14-15]。

表5 雄安新区不同地表温度等级的面积占比Table 5 Area ration of land surface temperature classification in Xiong’an New Area %

2.4 高温分布影响因素

2.4.1地表温度与POI数量关系

根据热岛强度分级，安新县、容城县和雄县5个不同温区的地表温度平均值与对应POI数量具有显著的线性正相关关系(表6)，回归方程的回归系数(R2)分别为0.81、0.71和0.84(P<0.05)，表明区域内人为干扰越大，地表温度越高；反之，地表温度越低。

表6 不同城市地表温度与POI数量的相关性Table 6 Relationship between surface temperature and the amount of POI in different cities

2.4.2城市功能区对地表温度的影响

新区不同城市功能区内的地表温度存在着明显的差异(图4)，住宅区、商业区和工业区的地表温度较高，生态区的地表温度相对较低，表明生态空间内的地表温度比生产和生活空间内的地表温度低。但也有个别生态区点在高温区内，这可能与生态区的分类有关。例如个别旅游景点绿化程度较低，以人文景观为主；相反，一些工业园区里也有以种植植物为主的企业。

图4 雄安新区地表温度和各功能区的POI密度分布Fig.4 Spatial pattern of land surface temperature in Xiong’ an New Area and POI density of functional areas

为了进一步找到影响高温分布的主要因子，分析了高温区及其POI密度分布特征，结果如图5～图7所示。高温区主要分布在雄县产业园区与安新县交界、安新县以北与容城县交界处和容城县城市中心区域，平均温度分别为32.95、34.26和34.82 ℃。

雄县产业园区与安新县交界的高温区域主要包括雄州世纪城、万博大厦、雄安海绵城市工业园、明星包装公司工业园和以鑫城小区为中心的周边区域(图5)；宏伟鞋业、张村制鞋工业区、河北茂达鞋业等一些制鞋企业为安新县以北与容城县交界处的高温地区(图6)；容城县的高温区主要在中心城区的工业区聚集地、小区住宅楼和商业大厦周边，包括河北大水工业园、荣泰工业园、北京服装学院容城时尚工业园等(图7)。可见，高温区主要分布在工业区、商业区、住宅区等人类活动强、绿化程度较低的地区。因为工业园都是耗能高和废气排放量大的地区，小区和商业大厦的人口比较稠密，生活排放也较多。雄县产业园区与安新县交界里，绿化程度较好的阅湖泊景湾靠近湖边，植被覆盖度较高且水的比热容较大，可以吸收更多的太阳辐射，使得周边的区域温度得到缓解。已有研究也表明，水体和绿地等可以缓解热岛效应[14-18]。安新县的采荷世家生产基地，主要种植荷类植物，属于生态型企业，对环境的改造度较小，使得高温地带出现了缓解，工业区周边温度开始向外递减，这种现象表明某些生态系统也许能消减热岛效应[17-20]。

图5 雄县高温分布Fig.5 High land surface temperature distribution in Xiong County

图6 安新县高温分布Fig.6 High land surface temperature distribution in Anxin County

图7 容城县高温分布Fig.7 High land surface temperature distribution in Rongcheng County

3 结论

(1)新区土地利用类型分为水域、耕地、旱地、建筑用地和林地5种，其中面积较大的是耕地和建筑用地；耕地面积表现为安新县>容城县>雄县，建筑用地面积表现为雄县>容城县>安新县，且耕地附近都有建筑用地环绕。

(2)新区东部、东北部和西部的温度较高，东北部的温度最高，为43.83 ℃；中部和南部温度较低，最低温度约为22.39 ℃。容城县、雄县、安新县最高温度分别为43.83、42.44和39.98 ℃。

(3)新区中温区、高温区、低温区面积分别为1 044.29、410.57和97.73 km2，占比分别为67.26%、26.44%和6.29%。雄县高温区的面积最大，为201.65 km2；安新县低温区面积最大，为91.14 km2。

(4)高温区主要分布在雄县产业园区与安新县交界、安新县以北与容城县交界处和容城县城市中心区域，均是人类活动强的区域，平均温度分别为32.95、34.26和34.82 ℃。高温区一般在工业区、商业区和住宅区，低温区一般在生态区。