城市綠地對城市熱島緩解效應研究

王文娟，鄧榮鑫

（1. 河南財經政法大學 資源與環境學院,河南 鄭州 450002；2. 華北水利水電大學 資源與環境學院,河南 鄭州450011）

城市綠地對城市熱島緩解效應研究

王文娟1，鄧榮鑫2

（1. 河南財經政法大學 資源與環境學院,河南 鄭州 450002；2. 華北水利水電大學 資源與環境學院,河南 鄭州450011）

以鄭州市作為研究區域，運用Landsat5 TM遙感影像反演研究區地表溫度和提取綠地分布，從斑塊和景觀水平兩個尺度研究城市綠地對城市熱島效應的緩解程度。結果表明，在斑塊尺度上，斑塊面積和斑塊形狀指數與城市地表溫度間均呈負相關關系；在景觀尺度上，綠地面積比和聚集度指數與城市地表溫度間呈負相關關系，景觀碎裂化指數與之呈正相關關系。

城市熱島；城市綠地；遙感

城市熱島是人類活動產生的最顯著的氣象異常現象之一[1]，對城市公共健康、空氣質量、能源消耗等有著深遠的影響[2,3]。早期的關于城市綠地特征的熱環境效應研究主要是對傳統定點實驗數據進行分析[4,5]，雖然能夠較好地反映監測點及其周邊情況，但無法表征城市綠地特征與城市熱環境之間的關系。本文運用定量遙感方法和地理信息系統空間分析技術，從斑塊和景觀水平兩個尺度上研究城市綠地對城市熱島效應的緩解程度，并提出城市綠地的優化和配置策略。

圖1　研究區位置圖

1 材料與方法

1.1研究區概況

鄭州市( 34°44’N, 113°37’E )地處河南省中部偏北的伏牛山脈向黃淮平原過渡地帶。鄭州市城市建設規模及其下墊面性質對氣候已產生較明顯的影響，年季溫度場均以市中心溫度為高，向郊區逐漸降低，存在城市熱島現象。為分析市區內城市綠地與地表溫度的關系，本文以鄭州市城區圖為參考，選擇北至連霍高速公路、南至南環路、西至繞城公路、東至中州大道-東風東路-107國道所在的城區范圍作為研究區，并按行政界線將研究區分為金水區、惠濟區、中原區、二七區、管城區、高新區、鄭東新區和經開區等8個子區（如圖1）。

1.2地表溫度反演

采用Jiménez-Mu?oz等提出的普適性算法[6]，選擇2009-06-25獲取的Landsat5 TM遙感影像作為數據源，對研究區進行地表溫度的反演。計算公式為：

其中，

式中，w為大氣水汽含量, 單位為g /cm2。該指標可采用Kaufman等提出的算法[7]，利用同一時間段的MODIS數據第2、5、19波段的反射率值獲取。

1.3 城市綠地提取

運用2009-06-25獲取的Landsat5 TM遙感影像作為數據源，選擇歸一化植被指數（NDVI）作為綠地提取的主要指標。NDVI的計算公式為：

式中，NIR、R分別為TM紅波段和近紅外波段的反射率值。通過選擇訓練樣本，確定植被和非植被地物NDVI的變化范圍，并設定閾值，實現城市綠地信息的提取。

1.4城市綠地指標計算

在斑塊尺度上，選擇斑塊面積和斑塊形狀兩個指標分析綠地對城市熱島的緩沖效應。其中，斑塊形狀的確定以形狀指數作為主要標準，其計算公式為[8]：

式中，I為形狀指數；S為圖斑面積；P為周長。

在研究區中，選擇形狀相似、面積不同的5個斑塊，分析斑塊面積對城市熱島的緩沖效應；另外選擇面積相似、形狀不同的3個斑塊，分析斑塊形狀對城市熱島的緩沖效應。在景觀尺度上，選擇斑塊面積比、聚集度、破碎度等表征綠地景觀空間分異特征的景觀格局指數，其中，聚集度指數反映景觀中不同斑塊類型的非隨機性或聚集程度；破碎度指數表征景觀被分割的破碎程度，反映景觀空間結構的復雜性[9]。這些指標的計算主要通過Fragststs軟件完成，然后將其與各子區平均熱島強度進行比較分析。

2 結果與分析

2.1基于斑塊尺度分析

選擇研究區內形狀相似、面積不同的5個綠地斑塊，分別以60 m、60～120 m、120～180 m、180～240 m、240～300 m、300～360 m的距離向外進行緩沖，分析各緩沖區域內平均地表溫度的變化趨勢，從斑塊尺度上定量分析綠地斑塊面積與城市熱島的響應關系。從圖2可以看出，隨著斑塊面積的增加，地表溫度在各緩沖距離上均有降低，說明斑塊面積越大，對其周圍的降溫效果越好。從防護距離上看，不同斑塊面積的綠地呈現出相同的趨勢，即在180 m內防護效果最好，180～240 m之間的防護效果尚可，大于240 m地表溫度無明顯變化，說明綠地斑塊在0～240 m的降溫效果最為顯著，隨著距離的增加，降溫效果有所降低。

選擇研究區內面積相似、形狀不同的3個綠地斑塊，分別以60 m、60～120 m、120～180 m、180～240 m、240～300 m、300～360 m的距離向外進行緩沖，分析各緩沖區域內平均地表溫度的變化趨勢，從斑塊尺度上定量分析綠地斑塊形狀與城市熱島的響應關系。從圖3可以看出，隨著形狀指數的增加，地表溫度在各緩沖距離上均有降低，說明斑塊形狀越狹長，對其周圍的降溫效果越差。

圖2　斑塊面積與周圍地表溫度的關系圖

圖3　斑塊面積與周圍地表溫度的關系圖

2.2基于景觀尺度分析

選擇分區內綠地面積比、聚集度指數和破碎度指數等能夠有效表征綠地景觀格局特征的景觀指數，將其計算結果與平均地表溫度進行比較，可以從景觀尺度上定量分析城市綠地景觀格局與城市熱島的響應關系，如圖4。結果顯示，在所分析的3種景觀格局指數中，綠地面積比與城市地表溫度間呈顯著負相關（圖4a），即分區內綠地面積越大，生物量積累量越大，地表溫度就越低。這一結果與前面關于綠地斑塊面積與地表溫度的關系相一致；聚集度指數與城市地表溫度呈負相關關系（圖4b），即城市綠地在分區內的空間分布越集中，則地表降溫效果越顯著。與上述結果相反，景觀碎裂化指數與城市地表溫度之間呈正相關關系（圖4c），即分樣區內綠地斑塊的碎裂化程度越高，則地表溫度越高。

3 結 語

本文研究結果對面向緩解熱島效應的城市綠地建設和管理工作具有重要的參考價值。首先，綠地斑塊類型與城市熱島間的分析結果表明，面向城市熱島效應調控的綠地建設需要進一步沿襲以往大力提高城市綠地率的策略，增加植被覆蓋和生物量積累，在條件允許的前提下盡量建設大斑塊、形狀規則（相對于狹長斑塊而言）的綠地，以強化城市綠地植被的溫度調控效果。其次，綠地景觀格局與熱島強度之間的關系表明，不同的綠地空間分異特征和結構特征，會形成完全不同的地表溫度調控效果，綠地格局設計應盡可能在空間上集中安排各類綠地斑塊，重視大型林地類支撐性城市綠地斑塊建設，提高不同綠地類型的功能。

圖4　景觀指數與地表溫度的關系圖

[1] Oak T R． The Heat Island of the Urban Boundary Layer: Characteristics, Causes and Effects in Wind Climate in Cities[M]．Kluwer Academic Publishers, 1995

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[4] Ca V T, Asaeda T, Abu E M． Reductions in Air Conditioning Energy Caused by a Nearby Park[J]． Energy and Buildings, 1998, 29(1): 83-92

[5] Yu C, Hien W N． Thermal Benefits of City Parks[J]． Energy and Buildings, 2006, 38(2): 105-120

[6] Jiménez-Mu?oz J C, Sobrino J A． A Generalized Singlechannel Method for Retrieving Land Surface Temperature from Remote Sensing Data[J]． Journal of Geophysical Research, 2003, 108(D22): 4 688-4 695

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[8] 黎夏． 形狀信息的提取與計算機自動分類[J]． 環境遙感, 1995, 10 (4) : 279-287

[9] 鄔建國． 景觀生態學: 格局, 過程, 尺度與等級[M]． 北京：高等教育出版社, 2000

P237.9

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1672-4623（2014）04-0052-03

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.04.018

王文娟，博士，講師，主要從事遙感和GIS應用研究。

2013-09-16。

項目來源：國家自然科學基金青年基金資助項目（40901133）；河南省教育廳科學技術研究指導計劃資助項目（12B170001）。