城市綠地的熱島效應(yīng)緩解作用
——以常德市城市公園為例

□ 喬瑋潔

城市下墊面的改變使城市市區(qū)溫度高于周邊郊區(qū)或者更偏遠(yuǎn)區(qū)域的溫度，形成城市熱島效應(yīng)，也成為城市熱環(huán)境惡化的主要原因，不利于居民生活健康[1]。研究表明，城市公園在緩解城市熱島效應(yīng)方面有顯著作用，建設(shè)系統(tǒng)的城市公園綠地系統(tǒng)，將是緩解極端城市氣候、提高居民生活幸福指數(shù)的重要途徑。而當(dāng)城市綠地被“灰色”基礎(chǔ)設(shè)施侵占時(shí)，對(duì)應(yīng)區(qū)域的地表溫度將會(huì)升高，且影響地表濕度指數(shù)[2]。過往研究顯示，綠地面積、歸一化植被覆蓋指數(shù)（NDVI）、植被覆蓋度（FVC）等綠地基本特征值對(duì)降低地表溫度有決定性影響[3]。岳曉蕾等通過對(duì)保定中心城區(qū)的城市綠地不同的時(shí)間序列進(jìn)行分析，對(duì)綠地面積與降溫效率進(jìn)行定量研究，結(jié)果表明不同城市綠地類型對(duì)于城市地表溫度有不同的降溫效率[4]；佟華等以北京為例，對(duì)綠地規(guī)劃形態(tài)對(duì)于夏季城市熱島緩解影響進(jìn)行了分析論證，證明城市綠地的形態(tài)將影響自然風(fēng)向，同時(shí)對(duì)周邊區(qū)域有降溫作用[5]。綜上所述，學(xué)界對(duì)于城市公園的內(nèi)部基本特征及其周邊環(huán)境的降溫效率研究還不夠深入，對(duì)地表參數(shù)指標(biāo)與降溫效率的關(guān)系的研究還可進(jìn)一步加強(qiáng)。本文在前人研究基礎(chǔ)上，通過對(duì)湖南省常德市夏季城市公園的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探究公園內(nèi)部基本特征與地表溫度的關(guān)系，同時(shí)進(jìn)一步研究其綠地面積、水體面積、NDMI與公園周邊緩沖區(qū)的地表溫度的關(guān)系，旨在為城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃提供一定的參考策略。

1 研究區(qū)域及研究數(shù)據(jù)

本研究范圍為湖南省常德市武陵區(qū)，其地處大陸性亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，總面積約29.53km2。本研究集中對(duì)武陵區(qū)中心5個(gè)面積較大、使用人員密集的城市公園進(jìn)行分析，分別為濱湖公園、屈原公園、白馬湖公園、丁玲公園以及詩(shī)墻公園。該5個(gè)公園內(nèi)部特征參數(shù)、地理位置以及周邊用地性質(zhì)均有異質(zhì)性，其研究結(jié)果具有一定的代表性。

本次研究數(shù)據(jù)選取2017年8月Landsat 8衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，空間分辨率為30m，該數(shù)據(jù)云量少、影像清晰，同時(shí)包含熱紅外波段（SWIR）。研究首先利用ENVI5.4軟件對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行前期處理，通過熱輻射定標(biāo)、大氣校正、影像矢量圖形裁剪等基本處理后，對(duì)常德市武陵區(qū)5個(gè)城市公園內(nèi)部的綠地面積、水體面積進(jìn)行測(cè)量，并用ArcGIS劃分出間隔100m、總計(jì)寬度為500m的公園周邊緩沖區(qū)，進(jìn)一步提取公園內(nèi)部的FVC、NDMI以及LST，并對(duì)緩沖區(qū)的基本地表參數(shù)與LST進(jìn)行擬合分析，研究公園特征以及緩沖區(qū)對(duì)城市熱島效應(yīng)的降溫影響。

2 研究方法

2.1 地表特征參數(shù)提取

通過ENVI5.4將遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，分別對(duì)城市公園與周邊緩沖區(qū)的地表特征參數(shù)進(jìn)行提取。

（1）選擇TM5和TM4波段得出歸一化植被指數(shù)（NDVI）（如公式1），在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步計(jì)算植被覆蓋率（FVC）（如公式2）：

（2）利用TM5和TM6波段進(jìn)行歸一化濕度（NDMI）地表特征參數(shù)的運(yùn)算（如公式3）：

（3）經(jīng)過計(jì)算地表比輻射率、黑體在熱紅外波段的輻射亮度［B（TS）］（如公式4），根據(jù)普朗克公式的反函數(shù)求得真實(shí)的地表溫度（LST）（如公式5）：

其中：公式4中，ε為輻射率，τ為大氣透過率，TS為地表真實(shí)溫度。公式5中，Landsat8 ETM+遙感圖像中，K1=774.89，K2=1321.00。

2.2 分析方法

第一，計(jì)算公園內(nèi)部的植被覆蓋度、歸一化濕度指數(shù)、地表溫度等基本地表特征參數(shù)ASCII數(shù)據(jù)的平均值，通過對(duì)公園基本特征參數(shù)的測(cè)量與提取，進(jìn)行內(nèi)部各特征指數(shù)的相關(guān)性分析，同時(shí)分析其p值，并進(jìn)行各參數(shù)的回歸分析，對(duì)比R2系數(shù)；采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析，取值范圍為[-1,1]。第二，通過對(duì)緩沖區(qū)內(nèi)的地表基本參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，運(yùn)用SPSS 20完成相關(guān)性分析，并進(jìn)行曲線擬合分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 城市公園地表參數(shù)與內(nèi)部溫度的關(guān)系

研究范圍中的公園擁有不同的下墊面占比構(gòu)成（如水體面積、綠地面積等）參數(shù)特征，其中城市公園綠地面積排序?yàn)榍珗@＞白馬湖公園＞丁玲公園＞濱湖公園＞詩(shī)墻公園（0.13km2＞0.12km2＞0.11km2＞0.10km2＞0.01km2），水體面積大小為濱湖公園＞白馬湖公園＞丁玲公園＞屈原公園＞詩(shī)墻公園（0.19km2＞0.15km2＞0.10km2＞0.03km2＞0km2）。經(jīng)過ENVI軟件對(duì)遙感影像的分析，發(fā)現(xiàn)各個(gè)公園地表溫度如下：丁玲公園＞詩(shī)墻公園＞白馬湖公園＞屈原公園＞濱湖公園（39.65℃＞38.24℃＞38.18℃＞37.56℃＞36.31℃），其中屈原公園周長(zhǎng)最長(zhǎng)，為4.8km，白馬湖公園為武陵區(qū)范圍內(nèi)總面積最大的城市公園。基于數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析可得（如表1所示），研究范圍內(nèi)的城市公園的總面積、周長(zhǎng)、綠地面積以及水體面積等固有屬性參數(shù)，與公園內(nèi)部溫度無(wú)顯著相關(guān)性，但其綠地面積、水體面積依舊對(duì)降低城市地表溫度有積極影響。其他特征參數(shù)如NDMI以及FVC與LST呈顯著負(fù)相關(guān)，其中NDMI相關(guān)性系數(shù)為-0.96，低于0.01，與內(nèi)部溫度呈強(qiáng)顯著負(fù)相關(guān)。

表1 公園特征參數(shù)與內(nèi)部地表溫度相關(guān)性

通過線性回歸分析，公園內(nèi)部FVC隨著植被面積增加而升高，與前人研究中提到綠地面積與FVC呈正相關(guān)的研究結(jié)果一致，同時(shí)對(duì)熱環(huán)境有一定的降溫作用[6]。此外，分析結(jié)果顯示NDMI與水體面積呈正比關(guān)系，當(dāng)公園內(nèi)部或周邊有大面積水體時(shí)，其對(duì)LST的降溫影響指數(shù)高于綠地面積，即在緩解城市熱島效應(yīng)中，水體比綠地作用更為明顯。

3.2 緩沖區(qū)特征參數(shù)對(duì)城市熱環(huán)境的影響

緩沖區(qū)內(nèi)部地表參數(shù)與降溫幅度的相關(guān)性分析結(jié)果顯示，城市公園周邊緩沖區(qū)對(duì)城市地表溫度存在一定的降溫效果，緩沖區(qū)內(nèi)的FVC與降溫幅度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，可增強(qiáng)城市公園的降溫效應(yīng)，而數(shù)據(jù)顯示NDMI與降溫幅度呈負(fù)相關(guān)，某些學(xué)者的研究成果相左。通過對(duì)緩沖區(qū)的整體研究發(fā)現(xiàn)，由于屈原公園以及詩(shī)墻公園的特殊濱河地理位置，其周邊緩沖帶多為水體，而研究證明，NDMI受其影響較大。為進(jìn)一步探討緩沖區(qū)內(nèi)歸一化濕度指數(shù)與降溫之間的關(guān)系，本研究選取以屬性參數(shù)相似、公園內(nèi)部溫度差異較大的屈原公園與丁玲公園的緩沖區(qū)為例，通過采用線性函數(shù)、二次函數(shù)、立體函數(shù)指數(shù)函數(shù)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)擬合分析，結(jié)果顯示NDMI與累計(jì)降溫為非線性函數(shù)關(guān)系，丁玲公園周邊緩沖區(qū)NDMI與累計(jì)降溫的回歸函數(shù)表達(dá)式為：y=-0.037x+0.007x2+0.131，R2=0.112；屈原公園的回歸函數(shù)表達(dá)式為：y=-0.027x+0.042x2+0.14，R2=0.741。通過進(jìn)一步對(duì)比，屈原公園在周邊水體影響下，比所處內(nèi)陸的丁玲公園的累計(jì)降溫速度更快，效果更明顯。從圖示中可看出，濱河的屈原公園曲線擬合的R方系數(shù)為0.741，證明研究具有較好的代表性。該結(jié)果表明在城市規(guī)劃過程中，通過合理的城市公園周邊環(huán)境設(shè)計(jì)，適當(dāng)提高植被覆蓋度以及歸一化濕度指數(shù)，將能增強(qiáng)城市公園緩解熱島效應(yīng)的效率。

4 結(jié)論

本文以湖南省常德市武陵區(qū)中大型城市公園為例，對(duì)公園內(nèi)部，如綠地面積、水體面積、總面積、總周長(zhǎng)等基本公園特征以及LST、NDMI、FVC等基本地表特征指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，并通過進(jìn)一步研究城市公園周邊500m緩沖區(qū)的地表參數(shù)，得出城市綠地在緩解城市熱島效應(yīng)中的重要性。基本結(jié)論如下。

（1）公園內(nèi)部的綠地面積與水體是影響地表溫度的重要因素，與地表溫度變化雖無(wú)顯著相關(guān)性，但是對(duì)改善熱環(huán)境有積極影響。

（2）公園的部分內(nèi)在屬性，如總面積、周長(zhǎng)，對(duì)地表溫度無(wú)明顯影響，在進(jìn)行城市公園規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，不能一味追求公園面積，而應(yīng)更重視其內(nèi)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（3）提高公園周邊緩沖區(qū)內(nèi)部的植被覆蓋度以及歸一化濕度指數(shù)有助于調(diào)控地表溫度，可考慮在城市綠地規(guī)劃與建設(shè)中可增加綠地與水體面積，以降低城市地表溫度。

此外，本研究由于研究方法以及研究場(chǎng)地具有一定的局限性，遙感數(shù)據(jù)存在一定的時(shí)間誤差，且由于為夏季時(shí)期數(shù)據(jù)，無(wú)法解釋冬季時(shí)期的城市公園地表參數(shù)對(duì)降溫效率的影響，同時(shí)還應(yīng)充分考慮城市公園以及周邊環(huán)境的其他溫度影響要素，如植被的種類與高度、鋪裝類型以及周邊建筑占地面積等，在將來的城市綠地相關(guān)研究中，還需更系統(tǒng)、更量化地探究城市熱島效應(yīng)的影響因素，以更直觀、有效地為城市設(shè)計(jì)者提供價(jià)值參考。