王剛, 張秋平, 肖榮波, 管東生
(1.廣東工業(yè)大學(xué)管理學(xué)院,廣東 廣州 510520;2.廣東省環(huán)境科學(xué)研究院,廣東 廣州 510045;3.中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 廣州 510275;4.中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,廣東 廣州 510275)
自工業(yè)革命以后,全球城市化進(jìn)程加速,城市人口比例已超過(guò)50%,到2050年將超過(guò)60%[1]。據(jù)《國(guó)家人口發(fā)展規(guī)劃(2016-2030年)》,2015年中國(guó)常住人口城鎮(zhèn)化率已達(dá)56%,規(guī)劃至2030年達(dá)到70%。在城市化進(jìn)程中,半自然或者人工生態(tài)系統(tǒng)取代自然生態(tài)系統(tǒng),下墊面性質(zhì)顯著改變[2];城市人口不斷集聚,大量能源集中消費(fèi)釋放,導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)影響范圍擴(kuò)大和強(qiáng)度增加[3-5]。城市熱島效應(yīng)可直接影響區(qū)域大氣環(huán)流格局的變化,增強(qiáng)城市能源消費(fèi)強(qiáng)度,加劇大氣環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn),制約城市人居環(huán)境的改善[6];并且在全球變暖背景下,城市熱島效應(yīng)強(qiáng)化了城市極端高溫強(qiáng)度和范圍,導(dǎo)致居民的高溫健康風(fēng)險(xiǎn)上升[7]。城市熱島效應(yīng)已成為21世紀(jì)全球面臨的重要生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一,如何緩解城市熱島效應(yīng)備受關(guān)注。
在城市不同類型下墊面中,綠地可通過(guò)植被的蒸騰和蒸散過(guò)程增濕降溫,促進(jìn)改善區(qū)域熱環(huán)境和微氣候,是緩解熱島效應(yīng)中的關(guān)鍵性生物要素[8-10]。在區(qū)域或城市尺度上,目前關(guān)于城市綠地緩解熱島效應(yīng)的研究主要集中在兩個(gè)方面:一方面是研究城市綠地表征參數(shù)比如植被覆蓋度、減化比值植被指數(shù)(RSR)、歸一化植被指數(shù)(NDVI)與地表溫度間的相關(guān)關(guān)系,探討綠地質(zhì)量變化對(duì)城市熱島效應(yīng)的影響[11-13];另一方面是研究城市綠地(或林地)面積比例、以及綠地斑塊周長(zhǎng)、面積、幾何形態(tài)和空間配置等景觀格局特征對(duì)城市綠地的降溫強(qiáng)度與降溫范圍定量影響[14-16]。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外研究者開(kāi)始關(guān)注到城市綠地對(duì)熱島效應(yīng)的調(diào)控功能受季節(jié)性變化影響[14, 17]。值得注意的是,當(dāng)前大部分研究較多關(guān)注綠地單方面因素比如綠地質(zhì)量或者景觀格局特征變化等對(duì)城市熱島格局形成的影響,忽略了綠地質(zhì)量和景觀格局的綜合影響。
廣州市作為改革開(kāi)放的華南門戶,其經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展取得矚目成就,已躋身國(guó)家5大中心城市之一。廣州市作為“花城”,盡管歷來(lái)重視城市綠地的規(guī)劃與建設(shè),但由于城市快速擴(kuò)張、人口過(guò)快增長(zhǎng)等因素的影響,導(dǎo)致其熱島效應(yīng)問(wèn)題突出。因此,開(kāi)展城市綠地對(duì)熱島效應(yīng)調(diào)控功能影響的研究具有現(xiàn)實(shí)需要。本研究利用2014年10月(秋季)和2015年1月(冬季)的Landsat 8多光譜和熱紅外波段影像,基于遙感技術(shù)提取綠地表征參數(shù)比如植被覆蓋度、RSR、歸一化濕度指數(shù)(NDMI)以及地表溫度(LST)等信息,分析秋冬季節(jié)綠地表征參數(shù)與地表溫度間的相關(guān)關(guān)系;在此基礎(chǔ)上,探討研究城市綠地的周長(zhǎng)和面積以及表征參數(shù)對(duì)綠地降溫強(qiáng)度和范圍的綜合影響,以期進(jìn)一步揭示綠地降溫規(guī)律及機(jī)制。
本研究選取2014年10月15日和2015年1月19日的Landsat 8多光譜和熱紅外波段影像,成像時(shí)云量為0%,地面特征清晰。2014年10月15日,最高氣溫30 ℃,最低氣溫17 ℃,代表秋季;2015年1月19日,最高氣溫20 ℃,最低氣溫8 ℃,代表冬季。遙感影像處理利用遙感圖像處理軟件平臺(tái)ENVI 5.1,以及地理信息系統(tǒng)軟件平臺(tái)ArcGIS 10.0。其中,利用ENVI 5.1對(duì)熱紅外波段除外的其它波段進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正。
基于Landsat 8遙感影像,提取的地表參數(shù)包括植被覆蓋度(fv)、減化比值植被指數(shù)(RSR)、歸一化濕度指數(shù)(NDMI)以及地表溫度(LST)等。其中,fv可綜合反映不同像元內(nèi)植被生長(zhǎng)狀況、覆蓋類型及其狀態(tài)等;NDMI往往是城市下墊面性質(zhì)變化的綜合反映,是與城市熱島調(diào)控有關(guān)重要解釋性指標(biāo);RSR是綜合了植被結(jié)構(gòu)和地表濕地的植被指數(shù),其與城市熱島的調(diào)控密切相關(guān)。相應(yīng)的提取方法見(jiàn)表1。

表1 城市主要地表參數(shù)的提取公式Table 1 Retrieval formula of land surface parameters in urban regions
表中公式符號(hào)含義為,ρmir表示中紅外波段反射率(即Landsat 8多光譜波段第7波段),ρnir表示近紅外波段反射率(即Landsat 8多光譜波段第5波段),ρr ed是紅光波段反射率(即Landsat 8多光譜波段第4波段),ρmir·max和ρmir · min分別表示中紅外波段反射率的最大值和最小值;NDVImax和NDVImin分別表示完全植被覆蓋像元和裸土像元的歸一化植被指數(shù)的最大值和最小值;Lλ為下墊面的輻射值,QDN為L(zhǎng)andsat 8熱紅外波段第10波段灰度值;K1和K2為發(fā)射前預(yù)設(shè)常量,其值分別為774.89 W·m-2·sr-1·μm-1和1 321.08 K;λ為熱紅外波段的中心波長(zhǎng),取值10.9 μm;ρ=0.014 38 m·K;ε為地物比輻射率。
將反演出的秋冬季節(jié)城市地表溫度按照均值-標(biāo)準(zhǔn)差法,根據(jù)相應(yīng)季節(jié)地表溫度的均值-標(biāo)準(zhǔn)差將研究區(qū)的地表溫度按等級(jí)分為高溫區(qū)、次高溫區(qū)、中溫區(qū)、次中溫區(qū)和低溫區(qū)五大類。
為全面分析秋冬季節(jié)城市植被覆蓋度、RSR、NDMI以及城市綠地面積和周長(zhǎng)對(duì)熱島效應(yīng)調(diào)控功能的影響,本研究利用Google Earth遴選出城市建成區(qū)內(nèi)面積大于500 m2的公園,共計(jì)95個(gè)(如圖1),并利用GIS計(jì)算出所有選取城市綠地面積和周長(zhǎng),定量研究城市綠地面積和周長(zhǎng)變化對(duì)其熱島效應(yīng)調(diào)控功能的影響,并結(jié)合GIS技術(shù),分別對(duì)每一城市綠地設(shè)置100,200,……,800 m的緩沖區(qū),提取緩沖區(qū)內(nèi)的地表溫度,定量分析城市綠地對(duì)周圍熱環(huán)境的調(diào)控作用。同時(shí),利用GIS設(shè)置1 km×1 km的網(wǎng)格,并提取每個(gè)方格內(nèi)的植被覆蓋度、RSR和NDMI以及地表溫度等數(shù)據(jù),分析其與地表溫度的定量關(guān)系。

圖1 廣州選取的研究綠地斑塊分布圖Fig.1 Distribution of studied green spaces in Guangzhou
從圖2和表2可以看到,相比冬季,廣州市秋季的熱島強(qiáng)度與高溫區(qū)分布面積均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。秋季平均地表溫度和最高地表溫度分別為24.13 ℃和42.04 ℃;冬季平均地表溫度和最高地表溫度分別為15.48 ℃和33.80 ℃。與冬季相比,秋季高溫區(qū)面積大幅增加56.99%,次高溫區(qū)面積增長(zhǎng)6.18%,而低溫區(qū)大幅減少66.54%,這在一定程度說(shuō)明隨著大氣溫度的升高將加劇城市熱島強(qiáng)度和范圍。在上海、北京和武漢的相關(guān)研究結(jié)果也表明,城市熱島強(qiáng)度和范圍具有顯著的季節(jié)差異性[22-24],并且北方城市冬季熱島效應(yīng)通常不明顯[16]。影響廣州市秋冬季節(jié)熱島強(qiáng)度和范圍差異的因素主要有兩方面,一方面是秋冬季節(jié)光照強(qiáng)度的差異,導(dǎo)致城區(qū)和郊區(qū)下墊面增溫效果的不同[25]。相比冬季,廣州市秋季具有較高的光照強(qiáng)度和氣溫,具有低植被覆蓋、弱透水性的城區(qū)下墊面熱慣性小,導(dǎo)致秋季城區(qū)增溫效果更加明顯;同時(shí),具有高植被覆蓋度、高土壤含水量的郊區(qū)下墊面熱慣性大,氣溫和光照強(qiáng)度增加時(shí)可在一定程度上強(qiáng)化植被的光合作用以及蒸騰和蒸散過(guò)程,使得秋季郊區(qū)的降溫效果強(qiáng)于冬季。另一方面,廣州市人為熱排放也會(huì)對(duì)熱島強(qiáng)度產(chǎn)生影響[22]。10月份秋季的廣州天氣依然相對(duì)炎熱,加上城市熱島效應(yīng)的強(qiáng)化作用,一定程度增加了居民和第三產(chǎn)業(yè)空調(diào)的使用率,引起人為熱排放增加,進(jìn)而導(dǎo)致城區(qū)和郊區(qū)的溫度差異增強(qiáng)[24]。

圖2 秋季和冬季地表溫度空間分布Fig.2 Spatial distribution of land surface temperature in both autumn and winter

溫度等級(jí)秋季面積/km2比例/%冬季面積/km2比例/%低溫區(qū)64.83 0.87 193.26 2.60次中溫區(qū)883.49 11.88 859.19 11.56中溫區(qū)5 223.37 70.26 5 289.85 71.15次高溫區(qū)945.02 12.71889.93 11.97高溫區(qū)317.70 4.27 202.18 2.72
城市植被具有顯著的增濕降溫作用,是調(diào)節(jié)城市熱環(huán)境的關(guān)鍵生物要素。國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要根據(jù)NDVI、植被覆蓋度與地表溫度間的相關(guān)性,分析植被對(duì)城市熱環(huán)境的調(diào)控功能[12, 26-27]。總體而言,NDVI、植被覆蓋度與地表溫度間負(fù)相關(guān),即當(dāng)區(qū)域植被覆蓋度升高時(shí),地表溫度下降。本研究結(jié)果也證實(shí),研究區(qū)域植被覆蓋度與地表溫度間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖3和表3)。然而,植被覆蓋度與地表溫度間相關(guān)性存在明顯的季節(jié)性差異。與冬季相比,秋季植被覆蓋度與地表溫度間有更強(qiáng)的線性擬合關(guān)系,秋季的決定系數(shù)值是冬季的1.8倍,且秋季線性擬合關(guān)系的斜率較大,這表明秋季植被降溫功能較強(qiáng)。當(dāng)秋季和冬季的區(qū)域植被覆蓋度均提高10個(gè)百分點(diǎn)時(shí),地表溫度可分別下降0.742 ℃和0.454 ℃。潘竟虎和李瑤同樣發(fā)現(xiàn)[28],相比冬季,蘭州中心城區(qū)秋季NDVI與地表溫度具有較高的線性擬合關(guān)系。

圖3 秋冬季節(jié)地表參數(shù)與地表溫度的擬合關(guān)系Fig.3 Fitting relationships between retrieved land surface parameters and temperature in both autumn and winter
RSR是綜合了植被結(jié)構(gòu)和濕度信息的綜合性植被指數(shù),其與植被覆蓋度間顯著正相關(guān),秋冬季節(jié)RSR與植被覆蓋度間的相關(guān)系數(shù)均超過(guò)0.9(表3)。然而,RSR與地表溫度之間并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系,而是呈顯著的非線性負(fù)相關(guān)關(guān)系,且當(dāng)RSR增長(zhǎng)到一定程度時(shí),地表溫度隨RSR增加而降低的幅度趨于0,即出現(xiàn)植被降溫效應(yīng)的“飽和現(xiàn)象”,該研究結(jié)果與王偉等人在南京的研究結(jié)果基本一致[13]。這說(shuō)明當(dāng)在城市建成區(qū)植被稀疏區(qū)域提高植被覆蓋度可有效降低地表溫度,但在公園綠地等植被茂密區(qū)域繼續(xù)提高植被覆蓋度可能對(duì)地表溫度的調(diào)控效果相對(duì)較差[29]。從秋季和冬季的對(duì)數(shù)函數(shù)擬合關(guān)系看(圖3),秋季同樣具有較好的回歸擬合關(guān)系,其決定系數(shù)是冬季的1.76倍,且秋季植被降溫效應(yīng)“飽和點(diǎn)”的RSR值較大。
NDMI與植被覆蓋度、RSR具有顯著的相關(guān)關(guān)系,且NDMI與地表溫度間具有更強(qiáng)的相關(guān)性和線性擬合關(guān)系(圖3和表3)。相關(guān)分析同樣發(fā)現(xiàn)在各類地表參數(shù)中,NDMI對(duì)地表溫度的解釋程度高且最穩(wěn)健[30],這主要是由于NDMI同時(shí)受到植被蒸騰和蒸散作用、以及水體和土壤水分蒸發(fā)作用的綜合影響。比如,基于SEBAL模型的研究表明,武漢市地表溫度和蒸散之間存在負(fù)相關(guān)的線性關(guān)系,說(shuō)明綠地和水體的蒸散作用對(duì)城市熱島有較好的調(diào)節(jié)作用[31]。值得注意的是,NDMI對(duì)地表溫度的影響存在季節(jié)性差異。相比冬季,秋季NDMI與地表溫度間的相關(guān)系數(shù)、線性擬合的決定系數(shù)和斜率均較大。

表3 秋冬季節(jié)地表溫度、植被覆蓋度、NDMI和RSR之間的相關(guān)性1)Table 3 Correlation coefficients among land surface temperature, vegetation cover, NDMI and RSR in autumn and winter
1)**P<0.01;*P<0.05
綠地作為城市植被分布的集中區(qū)域,常作為城市“冷島”,其在熱環(huán)境調(diào)控中的作用明顯[32- 33]。利用GIS的緩沖區(qū)分析發(fā)現(xiàn),城市綠地不論大小均對(duì)周圍環(huán)境地表溫度有顯著的影響,地表溫度與緩沖區(qū)距離間呈良好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系,擬合的指數(shù)函數(shù)決定系數(shù)均大于0.9(圖4和表4)。但是,研究區(qū)域秋冬季節(jié)城市綠地對(duì)周圍地表溫度的影響范圍相對(duì)有限。總體上,當(dāng)城市綠地緩沖區(qū)距離超過(guò)300 m時(shí),相應(yīng)緩沖區(qū)內(nèi)的地表溫度趨于恒定,即綠地對(duì)300 m以外周邊區(qū)域的熱環(huán)境調(diào)控作用有限。該研究結(jié)果與其它研究結(jié)果基本一致。比如,Jaganmohan等[34]研究發(fā)現(xiàn),德國(guó)萊比錫市城市公園最大降溫效應(yīng)的影響距離可達(dá)到391 m;Hamada和Ohta[35]研究表明,日本名古屋城市綠地降溫效應(yīng)的夜間影響距離為200~300 m,而夏季白天可超過(guò)300 m,但影響距離不超過(guò)500 m。但值得注意的是,秋冬季節(jié)城市綠地對(duì)周圍熱環(huán)境的調(diào)控功能存在明顯差異。其中,秋季綠地內(nèi)外地表溫度差為1.49~3.16 ℃;冬季綠地內(nèi)外地表溫度差為0.61~1.59 ℃。由于秋季綠地周圍地表溫度更高,綠地的降溫效應(yīng)越強(qiáng)[14],因此秋季城市綠地內(nèi)外地表溫度差大于冬季。

表4 秋冬季節(jié)不同大小的城市綠地對(duì)周圍地表溫度影響的指數(shù)函數(shù)擬合關(guān)系1)Table 4 Exponential function relationships between land surface temperature and distance of buffer zones for various-size green spaces in both autumn and winter
1)y為地表溫度,x為距離

圖4 秋冬季節(jié)所有城市綠地對(duì)周圍地表溫度指數(shù)函數(shù)擬合關(guān)系Fig.4 Exponential function relationships between land surface temperature and distance of buffer zones for all green spaces in both autumn and winter
近年來(lái),研究者重點(diǎn)關(guān)注了城市公園面積、周長(zhǎng)和土地利用格局對(duì)熱環(huán)境調(diào)控功能的重要影響。比如,Xu等[1]發(fā)現(xiàn),公園地表溫度與其面積負(fù)相關(guān),公園內(nèi)水面面積比例和林地聚集度是影響其地表溫度的關(guān)鍵;Peng等[16]研究結(jié)果表明,當(dāng)林地、耕地、城市綠地和水體等生態(tài)用地面積比例超過(guò)70%時(shí),降溫效果最明顯;袁振等[36]發(fā)現(xiàn),城市綠地面積和周長(zhǎng)與地表溫度顯著負(fù)相關(guān)。大量實(shí)測(cè)研究也證實(shí),城市綠地面積和周長(zhǎng)對(duì)其降溫效應(yīng)具有關(guān)鍵影響[14]。本研究亦發(fā)現(xiàn),秋冬季城市綠地面積和周長(zhǎng)與其地表溫度間均負(fù)相關(guān),但綠地面積和周長(zhǎng)變化對(duì)周圍溫度的調(diào)控功能存在季節(jié)性差異(表5和表6)。其中,秋季綠地面積與內(nèi)外累積溫差間顯著正相關(guān),但綠地周長(zhǎng)與內(nèi)外累積溫差相關(guān)性不顯著;冬季綠地面積和周長(zhǎng)與內(nèi)外累積溫差間相關(guān)性均不顯著。該結(jié)果表明:在氣溫較高的秋季,大面積城市綠地利于發(fā)揮綠地“冷島”效應(yīng)。同時(shí),與冬季相比,秋季城市綠地面積和周長(zhǎng)與綠地內(nèi)部地表溫度間的相關(guān)系數(shù)較小,這可能是由于秋季綠地內(nèi)外溫差較大,綠地對(duì)周圍環(huán)境溫度的降溫效應(yīng)更加明顯,導(dǎo)致內(nèi)部環(huán)境溫度的變異性增強(qiáng)。另外,本研究注意到城市綠地內(nèi)的植被覆蓋度、NDMI和RSR與內(nèi)部地表溫度間顯著負(fù)相關(guān),且秋季相關(guān)系數(shù)大于冬季;秋冬季節(jié)綠地內(nèi)的植被覆蓋度、NDMI和RSR與內(nèi)外累積溫差間相關(guān)性不顯著。然而,該研究結(jié)果并不說(shuō)明提高綠地內(nèi)部植被覆蓋度和濕度對(duì)提高綠地的降溫效應(yīng)沒(méi)有效果。從相關(guān)性來(lái)看,植被覆蓋度、RSR與綠地周長(zhǎng)和面積顯著正相關(guān),特別是秋季綠地內(nèi)部地表溫度、NDMI與內(nèi)外累積溫差間顯著相關(guān),表明提高綠地植被覆蓋度和濕度可降低內(nèi)部地表溫度,從而間接影響周圍地表溫度。

表5 秋季綠地內(nèi)部屬性參數(shù)之間的相關(guān)性1)Table 5 Correlation coefficients between land surface temperature and attributes for various-size green spaces in autumn
1)**P<0.01;*P<0.05

表6 冬季綠地內(nèi)部屬性參數(shù)之間的相關(guān)性1)Table 6 Correlation coefficients between land surface temperature and attributes for various-size green spaces in winter
1)**P<0.01;*P<0.05
本研究以Landsat 8多光譜和熱紅外波段遙感影像為基礎(chǔ),基于遙感和GIS技術(shù)分析廣州城市熱島效應(yīng)的秋冬季節(jié)性差異,定量研究秋冬季節(jié)地表參數(shù)如植被覆蓋度、RSR和NDMI變化對(duì)地表溫度的影響,探討秋冬季節(jié)城市綠地對(duì)熱環(huán)境調(diào)控功能的影響。研究發(fā)現(xiàn):① 由于城郊下墊面性質(zhì)差異以及秋冬季節(jié)人為熱排放情況的不同,廣州市秋季的城市熱島強(qiáng)度和分布范圍均大于冬季。② 秋冬季節(jié)植被覆蓋度、RSR和NDMI均與地表溫度間顯著負(fù)相關(guān)。但是相比冬季,研究區(qū)秋季綠地植被仍處于生命活動(dòng)旺盛期,綠地植被的光合作用、蒸騰和蒸散作用較強(qiáng),導(dǎo)致秋季植被的降溫效應(yīng)更明顯,地表參數(shù)間相關(guān)性更好。值得注意的是,RSR與地表溫度呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系,即在城市高植被覆蓋區(qū)降溫效應(yīng)可能出現(xiàn)“飽和現(xiàn)象”。② 綠地具有良好熱環(huán)境調(diào)節(jié)功能,綠地周長(zhǎng)和面積與其自身地表溫度間顯著負(fù)相關(guān),秋冬季節(jié)降溫效應(yīng)的影響距離為300 m左右。綠地周長(zhǎng)和面積對(duì)熱環(huán)境的影響存在明顯的季節(jié)性差異,其中,冬季綠地周長(zhǎng)和面積與地表溫度間相關(guān)性更好,但僅秋季綠地面積與內(nèi)外累積溫差間顯著正相關(guān)。綠地地表參數(shù)與地表溫度間顯著負(fù)相關(guān),但除秋季綠地NDMI與內(nèi)外累積溫差間顯著相關(guān)外,其它地表參數(shù)與秋冬季節(jié)內(nèi)外累積溫度差之間的顯著性并不明顯,這一定程度說(shuō)明綠地地表參數(shù)可能并不直接影響外部熱環(huán)境,而是通過(guò)影響綠地內(nèi)部環(huán)境溫度而間接影響周圍熱環(huán)境,比如當(dāng)綠地內(nèi)外地表溫度差增大時(shí),將增強(qiáng)綠地內(nèi)外熱力交換作用,進(jìn)而降低周圍地表溫度。總體而言,在氣溫較高的季節(jié),城市綠地在發(fā)揮降溫效應(yīng)、改善城市熱環(huán)境方面作用顯著。
然而,本研究尚存在以下不足:① 采用的遙感影像時(shí)間分辨率低,研究城市綠地降溫效應(yīng)所選擇的遙感影像僅代表某一時(shí)相內(nèi)的地表溫度特征。因此,選用單一時(shí)相的遙感影像反演不同季節(jié)地表溫度特征,具有片面性,可能對(duì)研究結(jié)果有一定的干擾。② 研究城市綠地內(nèi)部的空間異質(zhì)性對(duì)其熱環(huán)境調(diào)控功能影響時(shí),僅選用了植被覆蓋度、NDMI和RSR等地表參數(shù),忽略了綠地植物群落特征比如植物物種組成、喬灌草的比例和植物物種多樣性等因素的影響。③ 選用的NDMI和RSR等地表參數(shù)在現(xiàn)實(shí)綠地規(guī)劃中難以量化,僅能說(shuō)明提高環(huán)境濕度和植被覆蓋利于發(fā)揮綠地“冷島”效應(yīng),難以指導(dǎo)綠地的規(guī)劃建設(shè)實(shí)踐。