斑塊面積對城市綠地降溫效應的影響研究進展

焦 敏,周偉奇,2,3,*,錢雨果,王 佳,鄭 重,胡瀟方,2,王偉民

1 中國科學院生態環境研究中心,城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學院大學,北京 100049 3 中國科學院生態環境研究中心,北京城市生態系統研究站,北京 100085 4 深圳市環境監測中心站, 國家環境保護快速城市化地區生態環境科學觀測研究站, 深圳 518049

城市熱島效應是指城市溫度高于周邊區域的現象[1]。在全球氣候變化和快速城市化的雙重影響下,城市熱島效應日益加劇[2],嚴重影響城市居民健康、熱舒適度及其他城市生態功能,是制約城市健康發展的重要因素之一[3- 5]。大量研究表明,增加城市綠地能夠有效緩解熱島效應[6- 7]。同時,綠地的空間配置,如斑塊大小、形狀、空間鄰接關系等對城市熱環境也有顯著影響[8- 10]。城市內土地資源有限,綠地建設成本高,相比于一味單純地增加綠地占地面積,優化綠地景觀格局,提升單位面積綠地的降溫能力,使有限面積的綠地發揮最大的降溫效果具有更加重要的理論意義和實踐價值,也是目前城市熱環境研究關注的熱點。

在眾多的綠地空間配置特征中,斑塊大小是綠地規劃與景觀設計中考慮的首要因子之一,其對城市熱環境的影響,已在國內外諸多城市開展了大量的研究。結果一致表明綠地斑塊面積越大,綠地本身溫度越低,為周圍環境提供的降溫效果更強(包括降溫強度和影響范圍)[8,11- 14]。但隨著斑塊面積的增加,綠地整體降溫效應呈現何種增長模式？單位面積綠地提供的降溫能力(即降溫效率)是否也相應持續增加？總面積一定的情況下,規劃成一個面積較大的綠地斑塊,或是幾個面積較小的綠地斑塊,哪種配置方式具有更好的降溫效果？這些研究問題目前尚未有明確的結論。本文將在系統梳理國內外相關研究的基礎上,探討綠地斑塊大小對其降溫效應的影響,以期為優化城市綠地斑塊大小配置,改善城市熱環境提供科學指導與理論支撐。

1 國內外研究現狀

綠地斑塊大小對其降溫效應的影響一直是城市綠地降溫效應研究的重點和熱點[12, 15]。國內外學者從不同的角度、在不同的城市,開展了大量的相關研究。概括起來,這些研究分別從斑塊和景觀兩個尺度上開展：(1)在斑塊尺度上,主要探究單個綠地斑塊的大小對其降溫效應的影響;(2)在景觀尺度上,主要關注綠地斑塊大小在空間上的配置(通常采用平均斑塊面積等景觀指數表征)對城市熱環境的影響。

1.1 斑塊尺度：綠地斑塊面積對其降溫效應的影響

在斑塊尺度,現有研究關注的綠地斑塊分別為：包含其他地表覆蓋在內的復合型綠地斑塊(如公園)和僅由綠地組成的單一綠地斑塊,研究這兩種類型綠地斑塊面積對綠地本身及其周圍環境溫度的影響,大部分的研究結果均顯示隨著斑塊面積的增加,綠地的降溫效應相應增強。

1.1.1復合型綠地斑塊大小與其降溫效應正相關,但同時受內部其他地表覆蓋組成的影響

早期綠地斑塊大小與其降溫效應的大量研究主要關注公園類的復合型綠地。研究結果表明面積對公園綠地的降溫效應具有重要的影響,表現為大面積的公園綠地自身溫度更低,且對周圍環境具有更強的降溫效應[15- 16]。例如,塞俄比亞的亞的斯亞貝巴21個城市公園氣溫及地表溫度的測量結果顯示,面積越大的公園綠地降溫效應越明顯,其對周圍環境的降溫幅度更大、降溫距離更遠[17]。類似的,比較臺北61個公園綠地夏季正午的溫度,發現面積超過30000 m2的公園綠地具有更強的降溫效應[8]。在北京和上海開展的公園綠地降溫效應的研究中也發現公園綠地面積增加,其降溫效應也相應增加[12,16,18]。需要指出的是,公園類復合型綠地由于內部結構復雜且包含多種地表類型,其大小與降溫效應的關系,會受到公園內部各種類型地表的覆蓋比例,以及植被組成結構等因素的影響[19- 21]。例如,隨著公園內植被覆蓋比例的增加,公園的降溫效應會加強。有研究發現即使面積不變,但當香港的“口袋公園”(面積約為1000 m2的小型公園)內植被覆蓋比例從25%增加至40%時,其降溫幅度將增加0.5℃[22]。更有研究發現當公園內不透水地表的比例超過50% 時,公園不再具有降溫作用,從“冷島”變為了“熱島”[8]。而將公園內的草地替換為林地,也能有效提升該公園的降溫效應[23]。

1.1.2綠地的降溫效應隨著面積變大呈非線性增強,可能存在最佳斑塊面積

以單一的綠地為研究對象展開的綠地斑塊大小與其降溫效應關系的研究也得到了與上述公園類復合型綠地相似的結果,即綠地斑塊面積越大,其降溫效應越強[24- 25]。隨著綠地斑塊面積的增加,其內部核心低溫區域所占的面積比例增加[26- 27],因此綠地斑塊的整體溫度相應降低,并對周圍環境產生更強的降溫效果[25,28- 33]。但是,綠地斑塊大小與其降溫效應(包括降溫幅度和降溫影響空間范圍)并非線性關系[34- 35]。這一現象無論是在公園類復合型綠地,還是單一綠地斑塊的研究中均有發現。對長春市的33個公園綠地的研究發現,在綠地面積較小時隨著面積的增大,其降溫強度逐漸增強,但當綠地面積增大到一定閾值之后,其降溫強度不再有明顯的上升趨勢[15]。不僅僅是降溫強度,對廣州10個公園綠地的研究發現綠地對周圍環境的降溫影響空間范圍也表現出相同的現象,隨著綠地面積的增加,其降溫距離也相應增加,但降溫距離增加的速度(單位面積綠地增加導致的降溫距離增加)逐漸變緩,當綠地面積增大到740000 m2之后,面積每再增加10000 m2,降溫距離往外延伸不足1 m[36]。對韓國蔚山市內30個不同類型的綠地斑塊展開的研究中也發現,綠地斑塊面積與其降溫效應呈非線性的正相關[37]。對福州整個城市內的綠地斑塊開展的研究發現當綠地斑塊面積大于45500 m2這一閾值之后,隨著綠地斑塊面積的增加,其降溫幅度已不再具有明顯的增加趨勢[38]。此外,該閾值在不同的氣候背景或城市結構中是不同的,亞洲7個不同城市的對比研究發現在背景氣候溫度越高、綠地越豐富(NDVI值高)的城市內(高雄、吉隆坡和臺南)閾值越大(9200—9600 m2),而在背景氣候溫度較低且綠地相對貧瘠的城市內(香港、雅加達、孟買和新加坡)閾值相對較小(6000—6200 m2)[39]。這些研究結果均表明,從降溫效率(單位面積綠地提供的降溫效應)的角度而言,可能存在最佳綠地斑塊面積。一項在北京開展的單位面積綠地提供的遮陰和蒸騰降溫效應隨綠地斑塊面積變化的研究發現,隨著綠地斑塊面積增加,單位面積綠地提供的遮陰持續降低,但單位面積綠地提供的蒸騰則隨著斑塊面積呈現非線性的變化,也證實在大綠地斑塊和小綠地斑塊之間存在著降溫效率最高的最佳綠地斑塊面積[40]。

1.2 景觀尺度：綠地斑塊大小空間配置對城市熱環境的影響

在景觀尺度上,現有研究主要關注綠地斑塊大小在空間上的分布格局對綠地本身以及整體景觀環境溫度的影響。而綠地斑塊大小在空間上的分布格局主要通過各種景觀格局指數來刻畫。此外,也有部分研究直接在模型中設置不同的格局情景。不同于斑塊尺度上研究結果的一致性,景觀尺度上綠地斑塊大小空間分布情況對熱環境的影響在不同的研究中呈現不同、甚至相反的結果。

1.2.1綠地斑塊大小空間分布對城市熱環境的影響在不同的研究中存在明顯差異

基于綠地景觀格局指數和溫度的統計分析是目前景觀尺度上綠地斑塊面積對熱環境影響的主要研究方法。通過景觀格局指數來表征綠地斑塊大小在空間上的分布情況,進而分析這些景觀格局指數與溫度之間的統計關系[41- 44],其中常見用于表征綠地斑塊大小空間分布情況的景觀指數如下表1所示。已有的大部分研究均發現綠地平均斑塊面積(AREA_MN)和最大斑塊面積指數(LPI)與綠地本身或其周圍環境的溫度呈顯著負相關,即在某一區域內綠地斑塊越大,綠地本身及該區域的整體環境溫度越低[45- 55]。但也有部分研究發現了相反的結果,這兩個景觀格局指數與溫度呈顯著正相關[12,48,56]。關于少量的大綠地斑塊和多個破碎的小綠地斑塊,哪種格局具有更強的降溫效應,不同的研究也分別發現了不同的結果。部分研究顯示,大面積綠地斑塊變為多個小綠地斑塊會導致城市地表溫度的顯著上升,即大綠地斑塊比多個破碎的小綠地斑塊對整體熱環境具有更好的降溫效果[30,41,57-58],如對成都內綠地覆蓋率相同的兩個區域進行比較,發現雖然綠地覆蓋率相同,但綠地斑塊面積較大且分布相對集中的區域的溫度明顯低于綠地斑塊面積較小且分布相對分散的區域[59]。對上海林地開展的一項研究也發現,在林地覆蓋度相同的情況下,綠地聚集分布比碎片化分布具有更好的降溫效應[60]。這是由于大綠地斑塊比小綠地斑塊具有更強的降溫效果[43]。但也有研究顯示在綠地總面積固定時,分散的多個小綠地斑塊比少量且聚集的大斑塊能更有效地緩解城市熱環境[42],分散的多個小綠地斑塊雖然每個小斑塊本身的“冷島效應”較弱,但是這種格局因為具有更多的邊緣,可以給周圍環境提供更多的遮陰,并且促進綠地和周圍環境之間的熱量流通,從而使整體環境溫度更低[61]。

表1 表征綠地斑塊大小空間分布的常用景觀指數

此外,也有基于模型模擬進行的景觀尺度上綠地斑塊面積對城市熱環境影響的研究,如模擬局地微氣候的ENVI-met模型、局地尺度城市氣象參數模型(Local-Scale Urban Meteorological Parameterization Scheme, LUMPS)、城市森林效益評估i-Tree模型等[62-64]。這類研究主要通過人為在模型中設置不同的情景模式,對比研究不同的綠地斑塊大小分布情況對熱環境的影響差異,能夠有效地控制其他影響熱環境的變量,針對性分析綠地斑塊大小對熱環境的影響,并且可以脫離樣本獲取難度對研究的限制,設置多種不同的綠地斑塊大小分布情景進行研究。但由于模型模擬具有較多的物理假設及約束條件,且城市景觀格局和局地微氣候極為復雜,模型模擬難以全面考慮現實環境中局地景觀和氣候特征的異質性,模擬結果與實際情況有較大差異,因而模型模擬的應用也存在諸多限制。一項在臺北開展的相關研究,選取1710000 m2的典型城市化區域為研究對象,采用ENVI-met分別構建8種不同的綠地斑塊大小組成情景,并對比研究其彼此間的降溫效應差異,結果顯示在綠地總面積固定的前提下,構建一個大型綠地并置于下風區或者構建多個小綠地并使其盡量均勻地分布于整個區域,均能使固定面積的綠地發揮更強的降溫效果[65]。另一項同樣在臺北開展,采用LES-LSM (large-eddy simulation land surface model)模型進行的類似研究,則發現隨著單個大綠地斑塊逐漸分散成多個小斑塊,整體區域的地表溫度和氣溫都逐漸升高[66]。

1.2.2綠地斑塊大小空間分布對城市熱環境的影響在不同的研究中存在差異的主要原因

如上所述,綠地斑塊大小空間配置對城市熱環境的影響在不同的研究中出現不同、甚至完全相反的結果。這可能主要是由于如下4個方面的原因導致的：(1)不同研究中量化綠地斑塊大小空間配置所采用的遙感數據空間分辨率不同。一方面,空間分辨率的不同會導致格局指數本身的數值發生較大的變化,例如空間分辨率越粗糙時,平均斑塊面積越大。這是由于在數據空間分辨率較粗糙時,多個相距較近的小綠地被識別和提取為一個大綠地斑塊[47]。另一方面,空間分辨率的差異也影響著參與研究分析的綠地大小等級,在空間分辨率較粗糙時,由于很多小綠地斑塊不能被識別和提取,故而未能參與最終分析。反之,精細的遙感數據能夠準確識別和提取小綠地斑塊,從而大大增加了研究樣本中小綠地斑塊的比例[47];(2)不同研究中采取的分析方法不同。一項在北京開展的研究發現,控制綠地比例與否會導致綠地格局對熱環境的影響發生變化,例如在控制綠地比例之后,綠地平均斑塊面積與地表溫度的相關性變弱[47]。而另一項在美國巴爾的摩展開的研究則發現,在控制林地比例之后,綠地平均斑塊面積與地表溫度的相關性由原本的負相關變為正相關[44];(3)研究區域氣候背景以及城市結構的差異。目前不同城市之間的對比研究逐漸增多,這些城市位于不同氣候區域,或規模大小、內部結構有明顯差異,即使采用相同的數據和研究方法,不同城市之間的研究結果也具有明顯,甚至是完全相反的差異[67- 70]。例如對新加坡、香港、雅加達和吉隆坡開展的對比研究發現,除香港外,其他三個城市呈現出背景氣候溫度越高,綠地平均斑塊大小與溫度之間的負相關性越強的現象[67]。一項美國巴爾的摩和薩克拉門托兩個城市的對比研究也發現,城市林地平均斑塊大小與地表溫度在巴爾的摩呈現顯著的正相關,但在薩克拉門托則呈現顯著的負相關,其結果的差異,可能與兩個城市的林地破碎化程度,以及不同的氣候背景有關[44]。另一項對同一地區(北京)不同季節開展的對比研究也驗證了氣候背景對“綠地斑塊大小與其降溫效應關系”存在影響,該研究結果顯示綠地斑塊大小與其本身地表溫度的負相關性在溫度較高的季節更強[25], 這可能是由于綠地在背景氣候溫度更高的時候表現出更強的降溫效應[71];(4)這種不一致性,也可能與研究對象,即地表溫度和氣溫本身的特征有關。溫度具有高空間異質性、高動態度的特點,且易受人為和氣象因素影響[72- 75]。地表溫度的研究通常是利用遙感反演出某個時間點的溫度特征,無法反映溫度在時間上的累積動態。而氣溫往往是基于定點監測或流動監測,雖能反映點和線的溫度特征,卻難以確定溫度所能代表的空間范圍,難以厘定綠地對氣溫的貢獻程度[73]。

2 現有研究存在的問題與不足

城市綠地斑塊大小對其降溫效應的影響得到了廣泛的關注,并開展了大量的相關研究。但是,現有的研究主要集中關注綠地斑塊大小與溫度的統計關系,缺乏對其降溫過程和內在機制的探討,并且多數研究主要是針對地表溫度,而對與人體熱舒適度和健康直接相關的其他熱環境指標則關注較少。此外,由于現有研究數據空間分辨率的限制,城市內大量的小型綠地斑塊未能參與研究,導致現有對綠地斑塊大小與熱環境關系的認識并不全面。具體而言,主要包括以下3個方面的問題和挑戰。

2.1 主要關注綠地斑塊大小與溫度的統計關系,缺乏對其降溫過程和內在機制的探討

大量的城市綠地斑塊大小與其降溫效應關系的研究,主要關注兩者的統計關系,缺乏對其降溫過程和內在機制的探討,未能有效揭示城市綠地斑塊大小對溫度影響的具體原因。例如,在景觀尺度上的分析,已有的研究得出了不一致、甚至是完全相反的結果。那么,這種情況的出現,是因為所采用的數據和分析方法的不同,還是綠地的降溫機制在不同的城市確實存在差異？這些問題,需要通過綠地降溫過程和機制的研究來回答。目前開展的綠地降溫機理的研究,主要集中在個體(單株)尺度,探討通過冠層提供的遮陰來減少太陽輻射的輸入,以及植株的蒸騰作用來增加太陽輻射中潛熱的轉化比例來實現降溫作用的過程和機理[76-80],而在斑塊和景觀尺度上的探討綠地斑塊大小影響其降溫效應的具體過程和內在機制很少,急需加強。

2.2 更關注地表溫度,而對與人體熱舒適度和健康直接相關的其他熱環境指標的研究較少

當前,全球面臨著快速的城市化過程,已有超過50%的人口居住在城市中[81]。城市中的熱環境對人類居住舒適度以及身體健康有重要影響[82-83],極端熱環境條件(如熱浪)會導致人類心血管等疾病的發生率甚至死亡率的增加[7]。現有綠地斑塊大小對熱環境影響的相關研究大多基于地表溫度來展開,探討綠地斑塊大小對綠地本身及景觀環境的表面溫度的影響。但對于更能直接表征人類居住舒適度以及健康風險的氣溫、熱舒適度、輻射溫度、生理等效溫度[84-85]等的研究則較少,這使得現有研究結果在應用于指導優化綠地格局,從而提升城市熱舒適度,降低熱浪對人類的健康威脅上仍有一定的距離。

2.3 研究中缺少城市小綠地斑塊的參與

目前城市綠地的提取和量化主要采用的是中等空間分辨率(30 m)的Landsat數據(TM, ETM+和landsat 8),但城市內的綠地高度破碎化,小型綠地斑塊是城市綠地的主體,如北京有76.7%的綠地斑塊小于900 m2(2009年數據)[86],這些綠地斑塊由于小于單個像元,因此無法被識別和提取。此外,從遙感影像地物識別和提取技術上而言,斑塊面積需大于遙感像元4倍(3600 m2)以上時,地物斑塊才能易于被識別和提取出來[87],這使得城市內更多的綠地無法被準確識別和提取,如北京內面積小于3600 m2的綠地斑塊所占據的比例高達91.9%[86]。雖然目前綠地的提取和量化采用高空間分辨率數據的頻率有所增加,如SPOT和Quickbird[47],但中等空間分辨率的數據依然占據主體。除綠地提取和量化之外,綠地表面溫度的刻畫更是主要采用中等分辨率的landsat TM, ETM+, landsat 8和 ASTER的熱紅外波段(空間分辨分別為120, 60, 100 m和90 m)[12,27],僅有極少數的研究通過航拍的方法獲取較高空間分辨率的地表溫度數據[88-89],這使得即使綠地的提取精度有所提升,小綠地斑塊能夠被更加準確地識別和提取出來,但由于地表溫度數據的分辨率限制,小綠地斑塊依然未能參與最終的研究分析。從而導致現有研究中缺失了小型綠地這一城市綠地類型的主體,對綠地斑塊大小與城市熱環境關系的研究結果將有重要影響。

3 研究展望

快速的城市化依然是我國未來較長一段時間內城市發展的主要趨勢,這也將進一步加劇城市熱島效應及其相應導致的一系列城市生態環境問題,降低城市人居舒適度,影響居民身體健康,這些都是我國城市可持續發展目前面臨的重大挑戰。因此深入研究綠地對城市熱環境的具體影響,探尋綠地最優分布格局,提升綠地的降溫效率,使有限面積的綠地發揮最大的降溫效果,從而切實有效地改善城市熱環境是應對這些挑戰的重要措施。具體而言,綠地斑塊大小對城市熱環境影響的研究仍需在以下幾個方面進行進一步的深入分析。

(1)斑塊面積對綠地降溫效率的定量影響。雖然增加綠地面積能夠有效改善城市熱環境,但是城市由于受到多重社會及經濟條件的制約,綠地建設具有很高的成本,相比于一味單純地增加綠地面積,在增加城市綠地面積的同時,提升單位面積綠地的降溫能力,使一定面積的綠地能發揮最大的降溫效果則能夠更加有效地改善城市熱環境,維持城市的可持續發展。因此,定量分析綠地斑塊面積對單位面積綠地降溫能力(降溫效率)的影響,探尋具有最大降溫效率的綠地斑塊大小(最佳綠地斑塊大小)是綠地斑塊大小對城市熱環境影響的研究中急需要進一步深入的重要方向。

(2)綠地斑塊面積對降溫過程以及相應導致的能量變化的影響。分析綠地斑塊面積與溫度的統計關系僅能夠分析綠地斑塊面積對其降溫效應影響的表觀結果,不足以揭示其內在機制,對于進一步深入理解綠地斑塊面積對其降溫效應的具體影響,進而應用于綠地規劃產生了較大的限制。城市熱環境主要是由地表能量輸入與輸出決定,因此從地表能量平衡的角度,綜合考慮綠地的兩個關鍵降溫過程——蒸騰和遮陰[90],分析隨著綠地斑塊面積變化,蒸騰和遮陰降溫過程相應導致的能量變化,能夠從機制上對綠地斑塊面積與降溫效應關系進行研究,并且也有利于不同氣候背景下研究結果的互相比較。

(3)周圍建筑環境對綠地斑塊大小與其降溫效應關系的影響。綠地的降溫效應受到溫度、濕度、風速和太陽輻射等微氣象背景環境因子的影響[91],而這些因子又受到一定區域內建筑空間環境的影響[92],因此,綠地斑塊大小對其降溫效果的研究,應綜合考慮綠地所在的一定空間區域范圍內城市空間形態的影響。耦合綠地形態與建筑空間的熱效應研究具有重要的理論與現實意義。綠地降溫效應受建筑群空間形態的影響,主要包括兩個方面,其中直接的影響,主要是建筑對綠地提供的遮陰降溫過程的影響。建筑由于能夠提供比綠地強度更大的遮陰,因而綠地周圍的建筑會在一定的程度上影響綠地遮陰降溫效果[93]。而間接的影響,主要是建筑和綠地共同作用影響局地微氣候,如氣溫、濕度和風場等,從而影響綠地蒸騰降溫作用。