雄安新區(qū)城市熱島效應的空間異質(zhì)性

劉麗香，楊凱，葉家慧，韓永偉*，孟曉杰，侯春飛，高馨婷

1.國家環(huán)境保護區(qū)域生態(tài)過程與功能評估重點實驗室，中國環(huán)境科學研究院 2.北京師范大學珠海分校不動產(chǎn)學院

隨著城市化進程的加快，城市熱島效應對人類社會的影響越來越嚴重。城市熱島效應使得氣溫上升，促進污染物的聚集，破壞城市生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)，熱島效應給城市生態(tài)系統(tǒng)帶來了生態(tài)環(huán)境、能源、公眾健康乃至生命安全等方面問題，這些問題與人們生活、生產(chǎn)活動息息相關(guān)，嚴重威脅人類社會的可持續(xù)發(fā)展[1-3]。因此，城市規(guī)劃者和政府部門必須重視城市熱島效應問題，采取有效的緩解措施，促進城市環(huán)境的改善。

根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源，將城市熱島效應的研究方法分為3種，包括傳統(tǒng)氣象站方法、大氣模式法、遙感方法[1-3]。氣象站方法和遙感方法主要研究不同尺度的城市熱島。通過傳統(tǒng)地面氣象數(shù)據(jù)方法研究的熱島效應為城市大氣熱島，包括城市冠層熱島和城市邊界層熱島；遙感方法研究的城市熱島為城市地表層溫度；大氣模式法主要研究熱島現(xiàn)象和成因之間的形成機制。傳統(tǒng)氣象站方法和大氣模式法基本上是離散點或純概念的研究，真實性和有效性不強[4-6]。隨著遙感科技的發(fā)展，遙感監(jiān)測技術(shù)已成為研究城市熱島效應的主要手段，其具備全天候觀測、時序性強、空間分辨率高、覆蓋區(qū)域廣、成本低、動態(tài)性好、速度快等優(yōu)勢，其地表溫度反演方法也趨于成熟[7-8]，常見的地表溫度反演方法包括分裂窗算法、劈窗算法、輻射傳輸方程、單窗算法等。

利用以上研究方法，城市熱島在強度、時空分布及影響因素等方面取得了一定進展。熱島效應具有明顯的時空異質(zhì)性，時間上存在日變化、季節(jié)變化、年變化和年際變化；空間上隨城市行政區(qū)和功能區(qū)的不同而變化[3,5]。城市熱島的影響因素主要包括土地利用規(guī)劃布局的改變、人為的熱排放、城市建筑布局與材料等[4,6]。這些研究目前大多數(shù)還基于理論分析，與實際應用結(jié)合的較少。在城市熱島效應對城市規(guī)劃、城市生態(tài)結(jié)構(gòu)與功能的影響，特別是在城市建設發(fā)展中應用熱島效應最新研究成果，將其影響考慮到城市規(guī)劃中[1,3]等方面開展的研究比較少。雄安新區(qū)建設是千年大計，雄安新區(qū)承接著疏解北京非首都功能和促進京津冀協(xié)調(diào)發(fā)展的重要任務，中共中央、國務院要求雄安新區(qū)規(guī)劃和建設要貫徹高質(zhì)量發(fā)展要求，并分階段有序推進雄安新區(qū)開發(fā)建設。鑒于此，筆者采用遙感方法研究雄安新區(qū)(簡稱新區(qū))建設初期的城市熱島效應空間變化特征，以期為雄安新區(qū)的不同階段城市規(guī)劃方案提供理論指導，為雄安新區(qū)城市可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

新區(qū)位于河北省中部的保定市和滄州市境內(nèi)，地處北京、天津、保定腹地，與京津形成等邊三角形格局，距離北京和天津約為105 km；新區(qū)面積約1 770 km2，包括雄縣、容城縣、安新縣三縣，高陽縣的龍化鄉(xiāng)及任丘市的鄚州鎮(zhèn)，茍各莊鎮(zhèn)和七間房鄉(xiāng)；位于大清河流域腹地、大清河水系南支的白洋淀流域內(nèi)，轄“一淀、兩庫、十河”(一淀即白洋淀，兩庫即西大洋水庫和王快水庫，十河即北拒馬河、唐河、府河、潴龍河、孝義河、漕河、萍河、白溝引河、瀑河和趙王新河)。新區(qū)地處中緯度地帶，屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明，春旱多風，夏熱多雨，秋涼氣爽，冬寒少雪。多年平均氣溫為13.17 ℃，最高值為14.2 ℃，最低值為11.9 ℃。多年平均降水量為493.2 mm，近40年極端降水量最大為848.5 mm，最小為242.1 mm。年均日照時數(shù)為2 308.4 h，最大日照時數(shù)為2 907.3 h，最小日照時數(shù)為1 591.3 h。本研究選取新區(qū)的雄縣、容城縣、安新縣為研究對象，三縣總面積約為1 500 km2(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of Xiong’an New Area

1.2 數(shù)據(jù)來源及預處理

本研究數(shù)據(jù)主要來源于Landsat-8衛(wèi)星遙感影像和信息點(point of information，POI)數(shù)據(jù)庫。其中，選取秋季Landsat-8 OLI(2019-09-18)的遙感影像資料作為反演研究區(qū)地表溫度數(shù)據(jù)源。選取的影像云層覆蓋較少，在研究區(qū)內(nèi)幾乎無云層覆蓋，地物類型清晰，可以確保反演的精度，空間分辨率為30 m。影像數(shù)據(jù)來自美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)官網(wǎng)(http://glovis.usgs.gov)，POI數(shù)據(jù)來自91衛(wèi)圖助手和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)(鴻鵠地理POI數(shù)據(jù)庫)。

地表溫度反演采用輻射傳輸法，土地利用分類采用監(jiān)督分類法[9-11]。地表溫度反演之前均在ENVI 5.2中進行幾何校正、輻射定標、大氣校正等圖像預處理工作，以消除成像過程中的幾何畸變、噪音等影響，然后對研究區(qū)進行掩膜裁剪。

1.3 研究方法

采用混合像元法、輻射傳輸法對2019年Landsat-8的OLI數(shù)據(jù)提取植被覆蓋度以及地表溫度，同時采用均值-標準差法劃分熱島強度等級。

1.3.1植被覆蓋度

1.3.1.1歸一化植被指數(shù)(NDVI)

通過ENVI 5.2軟件中的非線性歸一化算法處理得到NDVI，公式如下：

(1)

式中：DN為遙感影像像元亮度值,記錄的是地物的灰度；DNNIR為近紅外波段的灰度；DNR為熱紅外波段的灰度。

1.3.1.2植被覆蓋度(FV)

采用混合像元分解法，將該遙感影像的地類大致分為水體、植被和建筑，用以表征地表植被覆蓋情況。計算公式如下：

(2)

式中：NDVIV和NDVIS分別為純植被和純土壤的植被指數(shù)。NDVIV取為0.70，NDVIS為0.00，且FV為[0,1]。當影像中某個像元的NDVI大于0.70時，F(xiàn)V取值為1；當NDVI小于0.00，F(xiàn)V取值為0。

1.3.2地表溫度反演

1.3.2.1地表比輻射率(ε)

ε是研究城市地表熱環(huán)境的重要參數(shù)，將土地利用類型分為水體、城鎮(zhèn)和自然表面3種，水體像元的εw賦值為0.995，自然表面εs和城鎮(zhèn)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輻射亮度

依據(jù)輻射傳輸方程，溫度為Ts的黑體在熱紅外波段的輻射亮度〔B(Ts)〕計算公式如下：

B(Ts)=[Lλ-L↑-τ(1-ε)L↓]/τ×ε

(5)

式中：τ為大氣在熱紅外波段的透過率；Lλ為衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射，W/(m2·sr·μm)；L↑為大氣上行輻射亮度，W/(m2·sr·μm)；L↓為大氣下行輻射亮度，W/(m2·sr·μm)。Landsat-8影像的大氣剖面參數(shù)(τ、L↑、L↓)可以從NASA提供的網(wǎng)站(http://atmcorr.gsfc.nasa.gov/)獲得。在網(wǎng)站輸入影像成像時間和經(jīng)緯度，選取使用的衛(wèi)星以及申請者郵箱即可得到大氣剖面信息。

1.3.3地表溫度(Ts)

依據(jù)普朗克公式的反函數(shù)，得到Ts，計算公式如下：

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

(6)

式中：K1和K2為衛(wèi)星影像的頭文件自帶的衛(wèi)星發(fā)射前預設的常量，分別為774.89和1 321.08 W/(m2·sr·μm)。

1.3.4城市熱島強度劃分

依據(jù)反演的地表溫度平均值和標準差劃分城市熱島強度，一般劃分為4～7級[12]，本研究將熱島強度劃分為高溫區(qū)、次高溫區(qū)、中溫區(qū)、次中溫區(qū)、低溫區(qū)5級(表1)。

表1 熱島強度等級劃分標準Table 1 Classification standard of heat island intensity grade

1.3.5土地利用分類方法

參考全國遙感監(jiān)測土地利用覆蓋分類體系，結(jié)合Landsat-8數(shù)據(jù)特性、雄安土地利用研究成果和研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀，定義本研究需提取的5種土地利用類型為水域、耕地、林地、建筑用地、旱地。

運用監(jiān)督分類的最大似然方法提取新區(qū)三縣土地覆被信息，最大似然分類是求出像元數(shù)據(jù)對于各類別似然度，把該像元劃分到似然度最大的類別中。在ENVI 5.2中建立5種土地利用類型的訓練樣本，在經(jīng)過大氣校正后的影像上選取8個訓練區(qū)；每個土地利用類型的分離性均大于1.8，表明樣本分離性好。再根據(jù)訓練樣本進行監(jiān)督分類，選取監(jiān)督分類中常用的最大似然分類法解譯影像。另外，在野外選擇包括5種土地利用類型的28個實地樣本，并參考谷歌衛(wèi)星地圖對土地利用分類結(jié)果進行驗證。

1.3.6城市功能區(qū)分類

依據(jù)城市功能將雄安新區(qū)分為住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)、文化區(qū)、行政區(qū)和生態(tài)區(qū)。其中，工業(yè)區(qū)包括公司企業(yè)、工業(yè)園區(qū)和產(chǎn)業(yè)園區(qū)；商業(yè)區(qū)包括商務大廈、商務寫字樓；住宅區(qū)包括別墅、商務宿舍、住宅小區(qū)及配套生活服務設施；文化區(qū)包括大專院校、科研單位、圖書館、展覽館等文化機構(gòu)和設施；行政區(qū)是指地區(qū)或者城市的行政機構(gòu)；生態(tài)區(qū)是指公園、風景區(qū)、江河湖泊和旅游景點。

2 結(jié)果與討論

2.1 土地利用結(jié)構(gòu)特征

新區(qū)5種土地利用類型及其面積如表2和圖2所示。從表2可見，新區(qū)土地利用類型面積表現(xiàn)為耕地>建筑用地>林地>水域>旱地，面積占比分別為56.19%、31.81%、6.19%、3.36%和2.45%。在新區(qū)內(nèi)，耕地附近都有建筑用地環(huán)繞，這與新區(qū)的快速城市化有關(guān)。已有研究表明[13]，新區(qū)近年耕地和水域面積在減少，建筑用地面積在增加。在空間上，安新縣水域面積較大，其余地方零星分布；雄縣和容城縣的建筑用地面積和林地面積都較大，其中雄縣林地面積最大。

圖2 雄安新區(qū)土地分類Fig.2 Landuse classification in Xiong’an New Area

表2 雄安新區(qū)土地分類面積Table 2 Area of landuse classification in Xiong’an New Area km2

新區(qū)三縣中，耕地面積表現(xiàn)為安新縣>容城縣>雄縣，面積占比分別為66.11%、51.96%和44.79%；建筑用地面積表現(xiàn)為雄縣>容城縣>安新縣，面積占比分別為40.36%、35.16%和24.30%；林地面積表現(xiàn)為雄縣>容城縣>安新縣，面積占比分別為10.14%、9.34%和2.04%；水域面積表現(xiàn)為安新縣>容城縣>雄縣，面積占比分別為6.59%、0.76%、0.38%；旱地面積表現(xiàn)為雄縣>容城縣>安新縣，面積占比分別為4.33%、2.78%和0.96%。安新縣水域面積較大主要是與保護白洋淀水域以及占用水域的農(nóng)田相繼退出等政策有關(guān)，雄縣建筑用地和林地面積占比較大主要是啟動區(qū)建設用地急劇增加及“千年秀林”造成的。除了水域面積外，容城縣其他土地利用類型面積在三縣中均處于中間位置，主要是因為雄安新區(qū)分階段建設，目前起步區(qū)中的啟動區(qū)已開始建設，容城縣是起步區(qū)面積占比最大的縣城，但在啟動區(qū)里并非面積最大，這些與已有研究結(jié)果相一致[13]。

2.2 地表溫度分布特征

新區(qū)地表溫度整體變化趨勢為北部溫度較高，南部溫度較低。雄縣高溫主要分布在東部、西南、西北部和北部；容城縣主要分布在中部地區(qū)；安新縣分布比較零散，沿著縣城邊界向內(nèi)有所延伸(圖3)。

圖3 雄安新區(qū)地表溫度空間分布Fig.3 Spatial distribution of land surface temperature in Xiong’an New Area

在空間上，新區(qū)東部、東北部和西部的溫度較高，東北部的溫度最高，為43.83 ℃；中部和南部溫度較低，最低溫度為22.39 ℃。新區(qū)地表溫度分布與土地利用分類相似，即高溫分布在城市化高的地區(qū)，低溫分布在水域周圍。研究表明，建筑用地分布和高溫分布相對應，水域與低溫分布相對應[14-18]。

地表溫度的平均值如表3所示，表現(xiàn)為雄縣>容城縣>安新縣；溫度最高值的表現(xiàn)為容城縣>雄縣>安新縣；溫度最低值的表現(xiàn)為容城縣>雄縣>安新縣。容城縣、雄縣和安新縣地表溫度的極差分別為20.44、19.59和17.59?？梢?，安新縣的地表溫度差異最小，容城縣地表溫度差異最大，這主要是由于啟動區(qū)里容城縣面積占比較大，而近年建筑用地面積和不透水地面面積增加造成熱島效應[19-21]。

表3 雄安新區(qū)各縣地表溫度統(tǒng)計Table 3 Statistics of land surface temperature of counties in Xiong’an New Area ℃

2.3 熱島強度分級

根據(jù)均值-標準差法將熱島強度分為5個等級。新區(qū)熱島強度等級的面積如表4所示。由表4可見，新區(qū)三縣總面積為1 552.59 km2，熱島強度等級的面積為中溫區(qū)>高溫區(qū)>低溫區(qū)，面積分別為1 044.29、410.57和97.73 km2，占比分別為67.26%、26.44%和6.29%。

表4 雄安新區(qū)不同地表溫度等級的面積統(tǒng)計Table 4 Area of land surface temperature classification in Xiong’an New Area km2

雄縣高溫區(qū)的面積最大，為201.65 km2，占縣城總面積比例為39.06%(表5)，安新縣和容城縣高溫區(qū)的面積相似，約為105 km2，占縣城總面積比例分別為34.06%和14.21%；中溫區(qū)的面積為安新縣>雄縣>容城縣，占縣城總面積比例分別為73.22%、65.1%和60.18%；低溫區(qū)面積最大的為安新縣，為91.14 km2，占縣城總面積比例為12.57%，雄縣和容城縣的面積都在4 km2以下，占縣城總面積比例在0.80%左右。高溫區(qū)面積占比較高的城市，其建筑面積占比也會越高，如雄縣；在水域和耕地較多的城市，高溫區(qū)所占面積會較低，如安新縣?？梢娡恋乩妙愋秃偷乇頊囟乳g可能有某種定量的關(guān)系[14-15]。

表5 雄安新區(qū)不同地表溫度等級的面積占比Table 5 Area ration of land surface temperature classification in Xiong’an New Area %

2.4 高溫分布影響因素

2.4.1地表溫度與POI數(shù)量關(guān)系

根據(jù)熱島強度分級，安新縣、容城縣和雄縣5個不同溫區(qū)的地表溫度平均值與對應POI數(shù)量具有顯著的線性正相關(guān)關(guān)系(表6)，回歸方程的回歸系數(shù)(R2)分別為0.81、0.71和0.84(P<0.05)，表明區(qū)域內(nèi)人為干擾越大，地表溫度越高；反之，地表溫度越低。

表6 不同城市地表溫度與POI數(shù)量的相關(guān)性Table 6 Relationship between surface temperature and the amount of POI in different cities

2.4.2城市功能區(qū)對地表溫度的影響

新區(qū)不同城市功能區(qū)內(nèi)的地表溫度存在著明顯的差異(圖4)，住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)和工業(yè)區(qū)的地表溫度較高，生態(tài)區(qū)的地表溫度相對較低，表明生態(tài)空間內(nèi)的地表溫度比生產(chǎn)和生活空間內(nèi)的地表溫度低。但也有個別生態(tài)區(qū)點在高溫區(qū)內(nèi)，這可能與生態(tài)區(qū)的分類有關(guān)。例如個別旅游景點綠化程度較低，以人文景觀為主；相反，一些工業(yè)園區(qū)里也有以種植植物為主的企業(yè)。

圖4 雄安新區(qū)地表溫度和各功能區(qū)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

為了進一步找到影響高溫分布的主要因子，分析了高溫區(qū)及其POI密度分布特征，結(jié)果如圖5～圖7所示。高溫區(qū)主要分布在雄縣產(chǎn)業(yè)園區(qū)與安新縣交界、安新縣以北與容城縣交界處和容城縣城市中心區(qū)域，平均溫度分別為32.95、34.26和34.82 ℃。

雄縣產(chǎn)業(yè)園區(qū)與安新縣交界的高溫區(qū)域主要包括雄州世紀城、萬博大廈、雄安海綿城市工業(yè)園、明星包裝公司工業(yè)園和以鑫城小區(qū)為中心的周邊區(qū)域(圖5)；宏偉鞋業(yè)、張村制鞋工業(yè)區(qū)、河北茂達鞋業(yè)等一些制鞋企業(yè)為安新縣以北與容城縣交界處的高溫地區(qū)(圖6)；容城縣的高溫區(qū)主要在中心城區(qū)的工業(yè)區(qū)聚集地、小區(qū)住宅樓和商業(yè)大廈周邊，包括河北大水工業(yè)園、榮泰工業(yè)園、北京服裝學院容城時尚工業(yè)園等(圖7)?？梢?，高溫區(qū)主要分布在工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)、住宅區(qū)等人類活動強、綠化程度較低的地區(qū)。因為工業(yè)園都是耗能高和廢氣排放量大的地區(qū)，小區(qū)和商業(yè)大廈的人口比較稠密，生活排放也較多。雄縣產(chǎn)業(yè)園區(qū)與安新縣交界里，綠化程度較好的閱湖泊景灣靠近湖邊，植被覆蓋度較高且水的比熱容較大，可以吸收更多的太陽輻射，使得周邊的區(qū)域溫度得到緩解。已有研究也表明，水體和綠地等可以緩解熱島效應[14-18]。安新縣的采荷世家生產(chǎn)基地，主要種植荷類植物，屬于生態(tài)型企業(yè)，對環(huán)境的改造度較小，使得高溫地帶出現(xiàn)了緩解，工業(yè)區(qū)周邊溫度開始向外遞減，這種現(xiàn)象表明某些生態(tài)系統(tǒng)也許能消減熱島效應[17-20]。

圖5 雄縣高溫分布Fig.5 High land surface temperature distribution in Xiong County

圖6 安新縣高溫分布Fig.6 High land surface temperature distribution in Anxin County

圖7 容城縣高溫分布Fig.7 High land surface temperature distribution in Rongcheng County

3 結(jié)論

(1)新區(qū)土地利用類型分為水域、耕地、旱地、建筑用地和林地5種，其中面積較大的是耕地和建筑用地；耕地面積表現(xiàn)為安新縣>容城縣>雄縣，建筑用地面積表現(xiàn)為雄縣>容城縣>安新縣，且耕地附近都有建筑用地環(huán)繞。

(2)新區(qū)東部、東北部和西部的溫度較高，東北部的溫度最高，為43.83 ℃；中部和南部溫度較低，最低溫度約為22.39 ℃。容城縣、雄縣、安新縣最高溫度分別為43.83、42.44和39.98 ℃。

(3)新區(qū)中溫區(qū)、高溫區(qū)、低溫區(qū)面積分別為1 044.29、410.57和97.73 km2，占比分別為67.26%、26.44%和6.29%。雄縣高溫區(qū)的面積最大，為201.65 km2；安新縣低溫區(qū)面積最大，為91.14 km2。

(4)高溫區(qū)主要分布在雄縣產(chǎn)業(yè)園區(qū)與安新縣交界、安新縣以北與容城縣交界處和容城縣城市中心區(qū)域，均是人類活動強的區(qū)域，平均溫度分別為32.95、34.26和34.82 ℃。高溫區(qū)一般在工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)和住宅區(qū)，低溫區(qū)一般在生態(tài)區(qū)。