城市廣場不同空間尺度下空氣溫濕度與環境因子的相關性*

阮夢婕 關藝蕾 朱春陽

華中農業大學園藝林學學院 武漢 430070

快速城市化進程導致城市下墊面的物質材料構成和立體幾何形狀發生改變,影響城市空間大氣流動,引發一系列諸如熱島效應、干島效應等的城市生態環境問題[1]。城市規模、景觀組分以及空間構型3類因素對城市熱島效應具有主要驅動作用,歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)和不透水地表面積是熱島效應的關鍵影響指標[2]。城市熱環境作為城市生態安全的重要組成部分,已經成為影響城市生態環境和維持城市可持續發展的重大風險問題,并引起社會各界的廣泛關注[3－4]。夏季城市廣場下墊面是城市開敞空間的活動熱力區域,廣場空氣溫濕度的環境影響因子對于改善城市開敞活動空間的環境質量具有重要意義[5]。

城市空間結構具有高度復雜性和異質性,空氣溫濕度受到多種環境因子的影響。研究表明,氣溫與地表溫度之間存在中等至強相關關系[6],Nichol[7]指出日間氣溫與地表溫度的相關系數達到0.81；同時,城市下墊面性質也對城市熱環境產生較大影響,其中不透水面如建筑、道路、混凝土等硬質下墊面與城市熱島的空間分布具有顯著的正相關關系,是導致熱島效應的主要原因[8－9]；此外,人口密度也是形成城市熱島、導致城市最低氣溫上升的主要因素[10－11]；NDVI與空氣相對濕度和年均氣溫也具有顯著的相關關系,且與相對濕度的相關程度較氣溫更強[12]。

以往大量研究主要集中在探究何種類型環境因子對城市空氣溫濕度具有影響作用及其影響程度,但缺乏針對空氣溫濕度與環境影響因子間的尺度相關關系的研究。因此,本研究以城市居民活動熱力集中的廣場類型下墊面為研究對象,以空氣溫度、相對濕度為觀測指標,分析夏季廣場空氣溫濕度值、日較差值、廣場－綠地溫濕度差值與周邊環境因子(測試點周邊25~3 000 m緩沖區內地表溫度、硬質下墊面面積、綠地面積、NDVI、交通道路長度和人口密度變量)間的相關關系,以及影響測試點空氣溫濕度的關鍵環境因子,探究空氣溫濕度與環境影響因子間的空間相關尺度,從而對關鍵相關尺度范圍進行界定,為城市公共開敞活動空間建成環境的規劃設計提供科學的理論依據。

1 研究區域概況與研究方法

1.1 研究區域概況

湖北省武漢市(113°41′~115°05′E,29°58′~31°22′N)位于華中江漢平原東部、長江中下游地區；屬北亞熱帶季風氣候,常年雨量豐沛、日照充足、雨熱同季,年均降水量為1 150~1 450 mm；夏季炎熱,7、8月平均氣溫最高,為28.7℃；夏季主導風向為西南風和南風。

1.2 研究樣點的布設與溫濕度觀測

選取武漢市主城區內面積大于500 m2、立地條件相似的8塊廣場下墊面作為樣地,8塊樣地為:磨山景區南門入口廣場(2 550 m2)、馬鞍山森林公園西門側廣場(771 m2)、麥普利斯廣場(5 166 m2)、戴家湖公園北門入口廣場(1 509 m2)、閩東國際城廣場(2 039 m2)、北大資源首座廣場(1 332 m2)、興業銀行江岸支行廣場(742 m2)、王家墩公園10號門入口廣場(5 931 m2)。分別在各樣地內選擇硬質廣場、行道樹(對照組)兩種下墊面布置測點,每種下墊面分別布設3個測點,每塊樣地共6個測點。采用小尺度定量測定的方法,選擇2019年7月晴朗且氣候條件相似的3 d,每日分別在 8 ∶00—9 ∶00、12∶00—13∶00、16∶00—17∶00時段于距地面1.5 m高處連續觀測。8塊樣地采用同步開展數據觀測的方式,每塊樣地布設1臺手持溫濕度測試儀(德圖testo 625),移動讀取樣地內6個測點數據,取每個時段內測點溫濕度平均值進行數據分析。溫度測定范圍為－10℃~60℃,分辨率為0.1℃；相對濕度測定范圍為0~100%,分辨率為0.1%。

1.3 環境因子的獲取和數據處理

1.3.1 環境因子的獲取

分別對測點周邊25 m、50 m、100 m、150 m、200 m、250 m、300 m、350 m、400 m、450 m、500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m、2 500 m和3 000 m范圍建立緩沖區,并提取不同尺度緩沖區內的環境因子變量,包括地表溫度、NDVI、綠地面積、硬質下墊面面積、交通道路長度、人口密度。各環境因子提取方法如下:

1)地表溫度與NDVI。使用ENVI 5.3對2019年7月Landsat8 OLI/TIRS多光譜遙感影像進行大氣校正法反演地表溫度:首先對影像進行輻射定標、大氣校正、圖像融合和裁剪預處理,再利用第4、5波段計算NDVI,利用第10波段反演地表溫度。

2)綠地面積、硬質下墊面面積。使用ENVI classic對2019年7月Spot6遙感影像進行預處理和目視解譯,識別出主要土地利用類型,將其分為綠地、硬質下墊面和水體3種類型,結合實地調研校正數據,使用Arcmap 10.0對綠地、硬質下墊面面積數據進行統計。

3)交通道路長度。使用Arcmap 10.0對武漢市主城區內分布的各級別交通道路數據進行疊加計算,結合實地調研校正數據,統計交通道路長度數據。

4)人口密度。使用Arcmap 10.0對各街道人口密度矢量點數據進行克里金插值處理,得到人口密度分布數據。

將以上數據導入Arcmap10.0進行相交運算,提取各項環境影響因子在不同緩沖區范圍內的分布情況(圖1)。

1.3.2數據處理

采用SPSS 19和R Studio中“corrr”包分析環境因子與測試指標間的相關性。

2 結果與分析

2.1 夏季廣場空氣溫濕度值與環境因子尺度相關性

分別將8塊廣場的空氣溫度、相對濕度值與不同尺度緩沖區內各項環境因子進行相關性分析。結果(表1)表明:相較于氣溫而言,3 d空氣相對濕度均值與環境因子的尺度效應更為顯著,其中綠地面積(50~1 000 m)、硬質下墊面面積(50~500 m)、NDVI(100~1 000 m)和地表溫度(400~1 000 m)與相對濕度具有顯著(P<0.05)相關性；測點周邊100 m、350 m綠地面積與相對濕度呈極顯著(P<0.01)正相關；測點周邊100 m、250~350 m硬質下墊面面積與相對濕度呈極顯著(P<0.01)負相關；測點周邊100~400 m的NDVI與相對濕度呈極顯著(P<0.01)正相關。由于3 d氣溫均值與不同尺度緩沖區內各項環境因子未表現出顯著相關關系,因此,通過分別計算每日氣溫均值與不同尺度緩沖區內環境因子的相關性,發現第2 d氣溫與地表溫度(25~50 m、150~500 m)呈顯著(P<0.05)正相關。此外,環境因子與溫濕度的相關性存在明顯的尺度效應:50 m緩沖區地表溫度對氣溫影響最強；100 m緩沖區內綠地面積、硬質下墊面面積、250 m緩沖區NDVI、500 m緩沖區地表溫度對相對濕度的影響最強。

表1 不同空間尺度下空氣溫濕度與環境因子的雙變量線性相關性

從不同尺度緩沖區相關性系數r值大小的變化趨勢看,溫濕度均值與各項環境因子r均表現出先增大、并在強相關緩沖區尺度達到最大值后減小的趨勢。在25~350 m緩沖區,與相對濕度相關的環境因子數量隨緩沖區尺度的增加而增加；在400~500 m緩沖區,4種環境因子均與相對濕度表現出顯著相關性；在1 000 m以上緩沖區,相關環境因子數量減少。表明400~500 m緩沖區是綠地面積、硬質下墊面面積、NDVI、地表溫度同時對空氣溫濕度產生影響的關鍵區間。

2.2 夏季廣場－行道樹空氣溫濕度差值與環境因子尺度相關性

將行道樹下墊面測點空氣溫濕度作為對照組,分別計算夏季3 d各廣場測點與行道樹測點的空氣溫濕度差值,與不同范圍緩沖區內的環境因子進行相關性分析。結果(圖2)表明:廣場－行道樹空氣溫濕度差值與綠地面積顯著相關,其中溫度差值與測點周邊2 000~3 000 m綠地面積呈顯著(P<0.05)正相關,與測點周邊2 000 m綠地面積相關性較明顯(r為0.749),與測點周邊2 500 m、3 000 m綠地面積r分別為0.711和0.730；相對濕度差值與測點周邊1 000 m、2 000 m、2 500 m綠地面積呈顯著(P<0.05)負相關,r分別為0.731、0.823、0.811,其中與測點周邊3 000 m綠地面積呈極顯著(P<0.01)負相關,r值為0.858。從各緩沖區相關性的總體變化趨勢看,隨著緩沖區范圍的增大,空氣溫濕度差值與綠地面積的相關性也逐漸增強。

圖2 廣場－行道樹空氣溫濕度差值與環境因子相關性網絡圖

2.3 夏季廣場空氣溫濕度日較差與環境因子尺度相關性

分別計算夏季3 d各廣場測點的8∶00—9∶00與16∶00—17∶00時段的空氣溫度、相對濕度差值作為日較差值[13],與不同范圍緩沖區內的環境因子進行相關性分析。結果(圖3)表明,溫濕度日較差主要與交通道路長度具有顯著相關性。溫度日較差與測點周邊150 m、450~1 000 m緩沖區內的交通道路長度呈顯著(P<0.05)負相關,其中與500 m緩沖區內交通道路長度相關性較明顯(r值為0.786),與150 m、450 m、1 000 m、1 500 m緩沖區內的交通道路長度r分別為0.722、0.737、0.784、0.702。相對濕度日較差與450~1 500 m緩沖區內交通道路長度呈顯著(P<0.05)負相關,其中與1 000 m緩沖區內交通道路長度相關性更明顯(r值為0.823),與450 m、500 m、1 500 m緩沖區內交通道路長度r分別為0.751、0.800、0.798。通過觀察25~3 000 m緩沖區內溫度日較差與交通道路長度的相關性變化趨勢可以看出,在25~1 000 m緩沖區內r呈現增大趨勢,而在1 000~3 000 m緩沖區內的r則開始減小,說明1 000 m緩沖區之內的交通道路長度對溫濕度日較差影響作用比較明顯。

圖3 空氣溫濕度日較差值與環境因子相關性網絡圖

3 結論與討論

3.1 結論

環境因子對空氣溫濕度的影響存在尺度效應,不同環境影響因子分別在特定的尺度上表現出與空氣溫濕度、廣場－行道樹空間溫濕度差值、廣場溫濕度日較差指標的最強相關關系。

夏季城市廣場氣溫的的關鍵影響因子以50 m緩沖區內地表溫度更顯著；相對濕度的關鍵影響因子包括100 m緩沖區內綠地面積和硬質下墊面面積、250 m緩沖區NDVI、500 m緩沖區內地表溫度,其中硬質下墊面面積對相對濕度影響作用最為顯著,可見空氣溫濕度與各環境影響因子的顯著相關尺度存在一定差異。400~500 m緩沖區是綠地面積、硬質下墊面面積、NDVI、地表溫度對空氣溫濕度的協同影響區間。增加廣場建成環境綠地面積、減少硬質下墊面面積、提高NDVI可以改善夏季城市廣場的空氣溫濕度。

廣場－行道樹溫度差值的關鍵影響因子是2 000 m緩沖區內綠地面積；相對濕度差值的關鍵影響因子是3 000 m緩沖區內綠地面積。增加廣場建成環境中綠地面積能夠有效改善廣場的熱環境效應。

廣場溫度日較差的關鍵影響因子是500 m緩沖區內交通道路長度；相對濕度日較差的關鍵影響因子是1 000 m緩沖區內交通道路長度。對于溫濕度日較差而言,其主導影響因子是交通道路長度,這亦是加劇城市熱島效應的主要因素之一,因此,減少廣場建成環境中的交通道路長度能夠有效改善廣場的熱容量存儲與釋放,從而改善城市廣場的熱環境效應。

3.2 討論

各環境影響因子中,綠地面積是影響溫濕度差值變化的關鍵因子。相關研究也證實,合理布置城市綠地是緩解熱島效應的有效措施,綠地的降溫增濕效應與綠地面積大小有關,綠地面積越大則溫濕效應越強[14－17]。同時也可看出行道樹下墊面的植被因素發揮了良好的降溫增濕效應,說明綠化與硬質相結合的降溫增濕效應顯著優于單一硬質[18－19]。然而,由于城市用地規劃的限制,近年來對綠地面積改善溫濕效應的閾值研究表明,單一增加綠地面積已經不是城市熱島問題最佳解決策略。為了有效發揮城市綠色基礎設施的作用,需要對不同大小、形狀和不同組合的景觀格局進行科學配置,得出各類景觀組分的有效面積配比[20]。