城市綠地空間與熱環境效應的關系
——以武漢市為例

馮 聰

（廣州市天作建筑規劃設計有限公司，廣東 廣州 510623）

1 研究背景與方法

1.1 研究背景

1.1.1 快速城市化背景下城市熱環境問題日益嚴重

我國目前正處在快速城市化的階段，城市規模不斷擴大，城市人口迅速增加。隨著城市的蔓延和擴張，城市周邊的農田、濕地以及其他自然植被逐漸被建筑物、道路等取代，下墊面性質發生明顯改變。人工構筑物如瀝青、水泥和混凝土等具有熱容量較小和吸熱性較大的特點，比綠地或其他自然下墊面升溫快，表面溫度明顯高于自然下墊面，在城市中形成以人工構筑物為中心的高溫區域，即城市熱島。城市化進程影響著城市溫度的變化使城市熱島現象加劇、城市熱環境不斷惡化。

1.1.2 城市綠地對改善城市熱環境具有重要意義

綠色植物通過特有的生理活動，如蒸騰作用、光合作用等，可以從周圍環境中吸收大量的熱量和二氧化碳，并將水分以氣態形式散發到大氣中，帶走熱量，降低空氣溫度。研究表明，綠化覆蓋率每增加10%，氣溫降低的理論最高值為2.6%，在夜間可達2.8%[1]。綠地覆蓋的區域溫度降低，空氣冷卻收縮下沉，地面氣壓升高，氣壓高的氣流從綠地吹向非綠地，形成局部環流，從綠地中吹出的低溫空氣，客觀上起到了降低周圍環境溫度的作用[2]。

1.2 研究方法

本文主要通過遙感圖像處理與分析和數理統計等方法來進行綠地與熱環境的空間特征及相互關系的研究。

（1）遙感圖像處理與分析。利用ENVI4.0軟件對Landsat-5 TM遙感圖像進行處理和計算，獲取植被指數和亮度溫度數據。對GOOGLE EARTH圖像進行目視解譯，獲取綠地與其他景觀元素的空間組合關系。

（2）數理統計。將得到的初步結果利用EXCEL軟件進行回歸分析，研究城市綠地與熱環境的相關性。

2 綠地空間與熱環境特征分析

2.1 研究區域概況

研究區域為湖北省武漢市。武漢市位于東經113°41′-115°05′，北緯 29°58′-31°22′之間。 南北最長距離115km，東西最大距離134km，總面積8467km2，其中市區面積3963.6km2。武漢市位于江漢平原東部，長江與漢水交匯處，地形以平原為主，市內湖泊塘堰眾多，水面面積占總面積的25%。武漢屬于亞熱帶濕潤季風氣候，四季分明，常年雨量充沛，降水多集中于6-8月，年平均降水量1284mm，年平均氣溫16.4℃，平均無霜期250天以上。武漢市夏季高溫持續時間長，被稱為“火爐城市”，因此，研究武漢市的城市綠地空間特征與熱環境效應的關系有非常重要的意義。

2.2 數據情況

本文采用經過預處理的武漢市2005年9月11日的Landsat-5 TM圖像1。圖像沒有不連續條帶，沒有云層覆蓋，質量良好。其中第1～5和第7波段的分辨率為30m，第6波段經預處理后分辨率為60m。

表1 Landsat 5衛星參數

2.3 綠地空間特征分析

綠地中的植被量是改善城市熱環境的重要因素，本節通過植被指數的計算，提取出植被蓋度，用來表示綠地的植被量。根據武漢市植被指數的空間分布狀況，結合城市綠地面積統計，分析城市綠地的空間分布特征。

2.3.1 植被指數分析

利用植被指數可以從TM圖像中提取植被信息。在目前已有的40多種植被指數中，歸一化植被指數NDVI是應用最廣的一種。由于NDVI可以消除大部分與儀器定標、太陽角、地形、云陰影和大氣條件有關輻射照度的變化，增強了對植被的響應能力[3]，可以有效的表征植被生長態勢和生產效率，并且對低密度植被覆蓋也較敏感[4]，因此，本文采用歸一化植被指數NDVI來進行植被信息的提取，其計算公式為：

在ENVI軟件中分別對第3、第4波段進行輻射較正，將公式（1）帶入計算，可以計算出武漢市歸一化植被指數。在ENVI中用密度分割方法將計算出的植被指數劃分為7個等級，如圖1。

圖1 歸一化植被指數分級圖

2.3.2 綠地空間分布

武漢市的山林地主要分布在遠郊地區，尤其是黃陂區北部和新洲區的東北部，結合表2可知，黃陂和新洲是武漢市林地面積最大的兩個區，分別占城市林地總面積的38%和24%。江夏區和漢南區的南部也有少量林地分布，而主城區內由于城市開發強度大，林地保存極少。

武漢市各區的綠地面積和綠地覆蓋率相差較大，總體來看，中心城區的綠地覆蓋較少，且主要分布在城區邊緣地帶，城市中心區綠地覆蓋很少。主城區的綠地被建筑、道路等不透水面分隔，形成城區內的一個個“孤島”。東西湖區、蔡甸區和漢南區3個郊區的綠地覆蓋中等，并且主要分布在區域的西部。黃陂區、新洲區和江夏區3個郊區的綠地覆蓋情況最好，綠地面積大，植被指數高。

表2 武漢市綠地面積統計表[5]

2.4 熱環境特征分析

本文利用Landsat衛星第6波段數據來反演地表溫度。第6波段數據反映的是地物熱輻射特性，其特征表現為地物溫度越高圖像越亮，溫度越低圖像越暗。所反演出的亮度溫度在數值上與地表溫度并不相等，但二者存在很強的相關性。亮度溫度略小于真實溫度，由于城市區域范圍有限，可認為區域內水汽狀況基本一致，因而可直接用亮度溫度來表征城市熱環境；又由于熱環境研究中關注的是溫度的相對高低，因此本文用亮度溫度近似代替真實地表溫度進行熱環境研究。

利用熱紅外亮溫計算方法[6]，可以得到TM6圖像數值（DN值）和像元亮溫的定量關系。首先，將TM圖像數值轉換為輻射亮度值：

其中，Lmax、Lmin分別為該波段探測器可探測的最高和最低輻射值。對Landsat 5來說，Lmin=0.1238 m·W·cm-2·sr–1μm-1，Lmax=1.56m·W·cm-2·sr–1μm-1。因此，公式（2）可簡化為：

將輻射亮度轉化為亮度溫度的計算公式為：

其中，T為TM6的像元亮度溫度，K1和K2為常量，對于 Landsat5 來說，K1=60.776m·W·cm-2·sr–1μm-1，K2=1260.56K。

在ENVI軟件的IDL中建模，帶入上述公式進行反演計算，便可得到研究區域的亮溫分布圖，計算出的亮溫分布在273.32～308.99K之間。在ENVI軟件中用密度分割方法對得到的亮溫圖進行分級，共分為六級，分別是極高溫區域（301.50～308.99K）、高溫區域 （299.50～301.50K）、 較高溫區域 （298.20～299.50K）、較低溫區域（297.20～298.20K）、低溫區域（296.00～297.20K）、極低溫區域（273.31～296.00K）。如圖2所示。

圖2 武漢市亮度溫度分布圖

3 綠地空間與熱環境相關性分析

在所有的城市景觀中，綠地的熱環境效應顯著區別于其他景觀元素。綠色植物的熱慣性和熱容量較大，同時熱傳導和熱輻射率又較低。在同樣的太陽輻射下，綠地儲存的熱量明顯少于建筑表面、路面等儲存的熱量。因此，城市綠地所對應的地表溫度要低于建筑、道路、裸地等景觀元素，對城市熱環境起著調節作用。

3.1 研究區域的劃分

城市不同區域的下墊面狀況不一樣，其綠地特征與熱環境特征也不同。主城區與郊區、以及各郊區之間都有比較明顯的差異，本研究按行政區選取3個研究區域，分別是：主城區（包括江漢、江岸、硚口、漢陽、洪山、武昌、青山7個區）、黃陂區、江夏區。

3.2 相關性分析

在ENVI中同時打開植被指數圖（圖1）和亮溫分布圖（圖2），打開geography link，在兩張圖上對應選點做相關性和回歸分析。每個研究區域選取20個樣點。有植被生長的區域，其NDVI值大于0，因此在樣點選取時注意選取NDVI值大于0的樣點，以避開人工構筑物和水體。

記錄所選樣點的NDVI與亮溫值，在EXCEL中進行相關性分析及回歸分析，計算各研究區域歸一化植被指數NDVI與亮溫的相關性系數并建立回歸方程，式中x代表NDVI，y代表亮溫。結果如下：

表3 NDVI與亮溫的擬合方程和相關系數

從上表可以看出，武漢市整體的NDVI與亮溫具有明顯的負相關關系，其中，主城區的NDVI與亮溫呈顯著相關，其他各研究區域都呈極顯著相關。

在各研究區域中，主城區的NDVI與亮溫的相關系數最低，主要原因是主城區的下墊面以建筑和不透水鋪裝為主，城區內大部分是高密度建筑，包括居民生活區、繁華商業區以及工業區等，人口密度高且活動頻繁，熱量大量聚集，形成面積大、強度高的熱島中心。高密度建筑導致城區內通風不暢，熱交換過程受阻，熱量不易發散，整體溫度明顯高于其他幾區。相對的，主城區的整體植被指數偏低，城區內綠地面積較小且分散，綠地的降溫效果受周圍建筑的影響而不能得到有效的發揮。

黃陂區NDVI與亮溫的相關系數較高，都達到0.8以上。

江夏區NDVI與亮溫的相關系數相對較低，在這樣的區域，植被的整體覆蓋狀況較好，高溫區域較少，與高溫區域進行熱交換的有效植被面積需求不大，因此植被指數的增加所帶來的降溫效果的增加就不是很顯著。

3.3 小結

通過上述分析可知，在城市熱島效應顯著的主城區和幾乎沒有熱島效應的江夏區，增加植被的量對降溫效果的提升影響不大，然而其原因卻并不相同。在主城區，下墊面主要由建筑物、水泥和瀝青等鋪裝組成，綠地面積小且分散，難以平衡高密度的建筑和人口所產生的熱量。因此，在主城區中單純增加綠地面積并不能獲得良好的降溫效果，而應該通過綠地的合理配置來使其發揮更大的降溫作用。在幾乎沒有熱島效應的江夏區，溫度本來就比較低，所以，植被發揮作用而降低溫度的空間不大，所以在遠郊區不必盲目增加綠地面積。在高溫區域面積較大，自然下墊面面積也較大的黃陂區，增加植被量可以明顯提升降溫效果，因此，這些區域在開發過程中應該注意對綠地系統的保留與構建，以減弱熱島效應的影響。

4 結論與討論

4.1 結論

（1）武漢市綠地覆蓋和熱環境具有明顯的區域差異

武漢市各區綠地面積和綠地覆蓋率相差較大。主城區綠地覆蓋較少，且主要分布在城區邊緣地帶，城市中心區只有孤立的條狀或帶狀綠地斑塊。東西湖、蔡甸和漢南三個郊區的綠地覆蓋中等，并且主要分布在區域的西部。黃陂、新洲和江夏三個郊區的綠地覆蓋狀況最好，綠地面積大，植被指數高。武漢市極高溫區域主要分布在工業區和老城區，最高溫出現在東風汽車公司。黃陂、新洲、漢南等郊區有大面積高溫區域和熱島中心出現，江夏區整體溫度最低，無明顯熱島出現。在郊區沿主要交通干道分布有線形的高溫區域，并呈指狀向郊區擴展。

（2）城市綠地與城市熱環境呈現負相關

通過對各城區的植被指數與亮溫值進行相關性分析，可以很好的驗證城市綠地與熱環境的負相關關系。主城區的植被指數與亮溫值的相關系數達-0.615，呈顯著相關；其他各研究區域都達到-0.78以上，呈極顯著相關。

城市綠地與城市熱場在空間上有很好的對應關系。城市綠地對應著城市中溫度較低的區域，溫度高的區域對應著建筑或植被指數低的地方。在工業區和老城區等極高溫大面積出現的區域，綠地以塊狀或帶狀分布，在城市中形成了一個個的“冷島”。

（3）不同下墊面及景觀元素對綠地的熱環境效應有不同的影響

主城區植被指數與亮溫值的相關系數低于各郊區。主城區以人工下墊面為主，綠地的降溫效果被削弱；郊區保留有一定的自然下墊面，綠地降溫效果可以得到有效發揮。

4.2 討論

（1）影響城市熱環境的因素有很多，包括風速、氣壓、云層等暫時性天氣因素，又包括綠地、人工構筑物的形式和材料等持久性因素，同時太陽輻射、人工熱源、大氣污染狀況等因素也對城市熱環境產生影響，研究城市熱環境影響機制應綜合以上幾方面才能得到全面的結論。

（2）文中的數據基本上都來源于LANDSAT-5 TM影響，其中用來提取地表溫度的熱紅外波段分辨率是60m，其余波段的分辨率是30m，圖像的精度限制了研究的尺度。在今后的研究中，可利用多源圖像（如MODIS、NOAA）并結合實地觀測對綠地的熱環境效應做進一步的解釋。

參考文獻：

［1］于志熙.城市生態學［M］.北京:中國林業出版社,1992.

［2］李延明,張濟和,古潤澤.北京城市綠化與熱島效應的關系研究［J］.中國園林,2004,(01):72-75.

［3］郭鈮.植被指數及其研究進展.干旱氣象,2003,(4):71-75.

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［5］王捍衛.基于RS和GIS的武漢城市綠地景觀格局分析［D］.華中師范大學,2009.

［6］覃志豪,ZHANG M H,ARNON K,等.用陸地衛星TM6數據演算地表溫度的單窗算法［J］.地理學報,2001,56(4):456～466.