城市公園景觀秋冬季動態熱效應

龐新坤，孫然好

1 西南大學地理科學學院，重慶 400715 2 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

城市公園景觀秋冬季動態熱效應

龐新坤1,2，孫然好2,*

1 西南大學地理科學學院，重慶 400715 2 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

在北京市3個公園中選擇裸地、道路、林地、草地4種主要景觀類型，通過2013年10月、11月、12月的實地監測數據，定量揭示不同景觀類型地表溫度、近地表空氣溫度和濕度的日間變化特征，并分析日間溫濕度的均值、幅度大小、空氣溫濕度的匹配程度。4種景觀類型日間地表和空氣溫度均呈單峰變化趨勢，裸地、道路、林地、草地的地表溫度最高值分別出現在14:00、12:00、14:00、12:00，空氣溫度最高值則都在14:00，相對濕度最大值出現在8:00，最小值在14:00。從日間均值來看，地表溫度為裸地>道路>草地、林地，裸地的日均空氣溫度最高，4種景觀的相對濕度差異不顯著。從日間變化幅度來看，所有景觀類型的地表溫度均明顯大于空氣溫度，尤其是裸地和道路的日間變化比林地和草地更加明顯。通過定量分析4種景觀類型的日間熱環境動態變化，可以為城市熱環境改善、景觀設計和生態規劃提供科學依據。

城市公園；熱環境；景觀格局；景觀設計

快速的城市化進程使城市的景觀格局、景觀配置發生顯著改變，主要表現在高大、密集的建筑物取代綠色景觀，不透水面取代透水性地表，這些景觀類型和格局的改變使城市升溫，從而作用于地表-近地表間的熱力學交換過程，影響人體舒適度[1- 3]，危害城市生物棲息環境[4- 5]。城市公園是重要的綠色基礎設施，除了能夠提供休憩娛樂、凈化空氣、維持生物多樣性等功能外，氣溫調節也是其重要的生態服務功能，從而緩解城市化帶來的熱環境問題[6- 10]。有學者通過監測典型公園景觀的小氣候特征，從而比較城市熱環境的動態變化[11- 13]，也有學者以遙感影像為基礎，從區域甚至整個城市尺度探討公園斑塊的熱環境調節功能[6,14]。現有研究多集中在夏季，對于其它季節的關注較少同時也多關注某些特殊景觀類型，如林地、水體等。隨著城市化快速發展，城市內部不同景觀類型熱環境的變化特征、演變過程以及對城市生態環境的影響也在發展變化，城市公園內部不同景觀類型熱環境的日間動態變化值得深入研究。

北京地區的秋末冬初，雨季之后冬季降雪之前這段時間，氣溫相對干燥和涼爽，是市民戶外活動的最佳季節。現有研究中對北京秋冬季的熱環境關注較少，它們與夏季熱環境特征有何不同？現有研究定性描述多，而定量監測和研究較少，回答這些問題對于揭示城市公園氣溫調節功能至關重要。本文選擇北京市3個典型的城市公園，實地監測獲取林地、草地、道路、裸地4種景觀類型的日間熱環境數據，定量揭示地表溫度、近地表溫度、相對濕度的變化趨勢、幅度，探討各項指標之間的相互關系。

1 研究區域和實驗方法

1.1 研究區和樣點設置

研究區域選擇北京市五環內的玉淵潭公園、朝陽公園、奧林匹克森林公園3個公園進行。玉淵潭公園緊鄰西三環航天橋，是三環內最大的公園，院內植被覆蓋率大、大型人工水體、建筑物少，周圍建筑區以住宅、商業、行政為主。朝陽公園緊鄰東四環，是四環內面積最大的公園，公園內植被覆蓋率高，有大型人工水體，為周圍居民提供休憩、游玩的場地。奧林匹克森林公園是五環內最大的公園，緊鄰北五環。這3個公園位于市區，周圍建筑密集，人類活動頻繁,在已有城市景觀熱環境效應研究中受關注[12- 13,15- 16]。本實驗主要景觀類型包括林地、草地、裸地和道路；其中裸地是公園廣場、停車場，周圍環境開闊；道路地表是瀝青、石板，公園道路周邊有喬灌木、建筑物。林地樹種以楊樹、欒樹、銀杏為主，地表材質是土地、草地或鋪裝地板。選取3個公園2013年10月、11月、12月3個月的3次日間測量數據進行分析。實地監測數據取值1位小數[17]。

現場使用便攜式地表紅外測溫儀(精度0.1℃)和Kestrel 3000手持氣象儀(空氣溫度精度±0.5℃，分辨率0.1℃；相對濕度：精度±3%)分別測量地表溫度和近地表溫度等。紅外測溫儀垂直地面10—30cm高度測量地表溫度，比輻射率0.95(測量的不同類型景觀比輻射率屬于0.94—0.99之間，選擇0.95滿足要求)；手持氣象儀以垂直方向距地面1.5m高度測量近地表氣象指標。實驗30s 1次，平行重復3次，自日間8:00、10:00、12:00、14:00、16:00始依次測量各類型景觀的熱環境數據。

圖1 觀測點位置示意圖

表1 監測的城市公園景觀特征Table 1 Monitoring sites and landscape types

1.2 實地監測實驗的氣候背景

由于不同地區的實地監測實驗不能在一天內完成，監測分成幾次，因此，選擇具有類似天氣背景的時間進行野外監測。使用北京觀象臺的氣象數據(24 h監測均值)代表實驗當天北京的氣象條件[18]，包括日最高氣溫、平均氣溫、最大相對濕度指標。可以看出，盡管監測日期有差異，但是整體的天氣背景基本類似，從而最大限度的減少不同日期監測可能造成的誤差(表2)。

2 數據分析

2.1 不同景觀類型溫濕度的日間變化趨勢

圖2結果表明8:00的平均地表溫度依次是林地(6.0℃)>草地(5.6℃)>裸地(4.4℃)≈道路(4.3℃)，平均空氣溫度是裸地(7.4℃)、草地(7.2℃)、林地(7.0℃)、道路(6.1℃)，相對濕度是裸地(48.3%)、道路(51.4%)、林地(48.3%)、草地(48.3%)，4種景觀類型的空氣溫度大于地表溫度，相對濕度則是日間最高值，同時發現林地、草地熱環境相似，道路、裸地溫濕度狀態近似。10:00地表溫度草地升溫最快，裸地、道路地表溫度相近，林地地表溫度最小；經歷較小幅度的變化后，4種類型景觀間空氣溫、濕度值差異變小。12:00，地表溫度大小為裸地(15.1℃)>道路(14.4℃)>草地(13.1℃)>林地(11.5℃)，空氣溫度是裸地(13.0℃)、道路(12.7℃)、林地(12.5℃)、草地(12.3℃)，4種景觀氣溫和相對濕度值保持近似相等。14:00—16:00，景觀的地表和空氣溫度溫度大小是裸地>道路>林地>草地。其中，14:00各景觀類型的相對濕度達到最小值， 16:00相對濕度是草地(41.0%)、林地(38.1%)、道路 (35.7%)、裸地(33.0%)。地表溫度主要取決于吸收的輻射能量，太陽輻射對地表的非均勻性照射，使不同景觀類型間地表溫度存在差異；氣溫和相對濕度則明顯地受周邊景觀和樹木陰影影響。秋冬季，經歷正午較快速的溫濕度變化后，16:00林地、草地表現出明顯的地表溫度差異和相似的近地表熱環境特征。

表2 實地監測日期的氣候背景Table 2 The climatic conditions of field observation

圖2 不同景觀類型的溫濕度日變化

2.2 不同景觀類型溫濕度的日間均值比較

日間平均地表溫度是裸地(11.9℃)>道路(10.7℃)>林地(9.5℃)≈草地(9.4℃)，平均空氣溫度依次是裸地(11.3℃)>林地(10.7℃)≈道路(10.6℃)=草地(10.6℃)，平均相對濕度則是裸地(35.7%)、道路(38.0%)、林地(37.5%)、草地(38.3%)(圖3)。地表溫度主要取決于太陽輻射的吸收情況，草地吸收輻射能力差，林地遮陰阻礙地表接收太陽輻射，裸地和道路吸收太陽輻射能多，地表溫度最高；空氣溫度的變化除受制于太陽短波輻射和地表長波輻射外，還受周圍環境狀況的影響。公園景觀中林地、草地和道路周圍的喬灌木發揮著遮陰、密閉空氣的作用，裸地開闊度高，受植被和建筑物影響小，空氣溫度最高；日間平均相對濕度大小順序與平均空氣溫度順序相反，秋冬季裸地平均空氣溫度高但相對干燥，是干熱環境；草地溫度低而空氣濕潤，是濕冷的環境狀況。

2.3 不同景觀類型溫濕度的日間變化幅度

日間變化幅度定義為測量時間內溫、濕度的最大值與最小值之差，揭示4種景觀溫度、濕度曲線的波動情況，反映其日間熱環境的動態變化范圍。地表溫度變化幅度呈裸地(13.5℃)>道路(10.1℃)>草地(7.5℃)>林地(5.9℃)(圖4)，公園占地面積大，環境開闊，建筑物和喬木的遮陰作用弱，景觀地表溫度主要受太陽輻射影響，因而地表溫度變化幅度差異顯著。從空氣溫度日間變化幅度與平均空氣溫度的關系看出(圖3，圖4)，裸地、道路變化幅度相等且明顯大于林地、草地；與日間均值不同，各類型景觀之間相對濕度的變化幅度差異均小于3%，公園景觀的相對濕度是在較小范圍內波動。日間地表、空氣溫度的變化幅度差異明顯，能更好地突出景觀類型間的熱環境差異；相對濕度的日間變化幅度未達到明顯差異(圖3，圖4)。

圖3 不同景觀類型日間溫濕度均值變化

圖4 不同景觀類型溫濕度的日較差

2.4 不同景觀類型氣象因子的關聯性

圖5 不同景觀類型的氣象因子關系圖(不同景觀類型的地表溫度與空氣溫度比值圖和不同景觀類型的空氣溫度與露點溫度差異圖)

地表溫度和空氣溫度是熱環境的重要內容；二者之間存在比較復雜的關系[19]，研究這一關系必須在同一時間獲取地表溫度和氣溫數據。日間地表溫度和空氣溫度的關系可用于指示城市熱環境變化[20]。構建地表溫度和空氣溫度的比值?T(圖5)，?T=地表溫度(℃)/空氣溫度(℃)。通過分析?T曲線而更詳細地探究二者間的關系。其中?T等于1時地表溫度等于空氣溫度。分析發現：1)草地、裸地和道路的?T曲線變化相似，裸地的變化幅度最大，林地變化幅度最小。這主要因為林地受高大喬木的遮蔭影響，減緩了地表溫度和空氣溫度的差異性，而草地、裸地、道路周圍環境相對開闊，受太陽輻射影響劇烈，因而?T變化大。2)不同景觀類型?T曲線的拐點不同，說明了景觀類型影響溫度的升降幅度，并存在時間差異。比如，林地?T始終小于1，波動平緩；草地、道路、裸地的?T最大值依次出現在10:00、12:00、14:00。

露點溫度是反映空氣中水汽含量的一個重要物理量，選用空氣溫度和露點溫度的差值(ΔT)表示不同類型景觀的溫濕度狀況，ΔT大表示空氣干燥。發現：(1)日間4種景觀類型的ΔT平均大小是裸地>林地>道路>草地(圖5)，即空氣干燥程度大小依次是裸地、林地、道路、草地。溫度和濕度的這種關系與景觀周圍環境十分相關，實驗中與公園道路毗鄰的大型水體增加其空氣濕度，降低干燥程度。(2)5種景觀類型的空氣溫濕度之間關系隨時間變化規律相似，最高值都出現在14:00，是一天中最干熱的時間點，這與地表溫度、空氣溫度達到最高值的時間點不一致(圖2)。

3 討論

(1)從3個公園4種景觀溫濕度的日間均值可以看出，4種景觀的熱環境特征存在一定的空間差異(表3)。城區至城郊，玉淵潭公園、朝陽公園、奧林匹克森林公園的4種景觀的地表溫度、空氣溫度和相對濕度逐漸減小，林地、草地的這一現象最突出。其中，奧林匹克森林公園的裸地是停車場，受機動車放熱影響而空氣升溫；朝陽公園裸地是廣場地面，用于體育、娛樂，奧林匹克森林公園裸地空氣溫度均值高于朝陽公園。

表3 3個公園不同景觀的日間溫濕度監測平均值Table 3 Thermal characteristics of landscapes in 3 city parks

(2)裸地、道路的日間地表溫度高于空氣溫度，但8:00時地表低于空氣溫度，與林地、草地等綠色景觀不同。隨著氣溫降低，冬季景觀熱環境特征應當與秋季有區別。冬季，公園景觀的地表受降溫影響顯著，裸地、道路受季節作用明顯，日間出現地表溫度低于空氣溫度，林地、草地景觀的地表溫度高于裸地、道路。但是，這種現象是否顯著需要后續更多監測，從而獲得準確的定量揭示。

(3)相對于城市夏季較高的氣溫背景，秋冬季氣溫有其自身特點。城市熱環境的遙感反演多在夏季進行，且多關注區域尺度。本研究針對小尺度氣象因子的實地監測，更加靈活和有針對性，能夠揭示秋冬季不同景觀類型的熱環境空間特征和時間動態。不足之處是，移動監測方法需要多人同時完成，后續研究中可以根據現有的研究結果，提煉更加針對性的研究對象、時段和區域，從而更加高效的完成系列研究。此外，后續還要加強對公園大型水體、景觀斑塊大小、景觀配置等因素的研究，辨識景觀熱環境變化的景觀格局因子，從而更直接和客觀的為城市景觀設計和熱環境優化提供科學依據。

4 結論

通過秋冬季公園的4種景觀類型的熱環境實地監測和分析，得到以下幾點結論：

(1)城市公園各景觀類型的地表和空氣溫度在8:00最低，但最高值的時間點不一致。裸地、道路、林地、草地的地表溫度最高值點為14:00、12:00、14:00、12:00，空氣溫度最高值點都出現在14:00。日間平均地表溫度為裸地和道路高于林地、草地，空氣溫度是裸地最高，林地、草地、道路近似相等。隨著太陽輻射增強，日間12:00之后不同景觀的熱環境變化差異減小。

(2)城市公園地表溫度和空氣溫度的關聯性在不同時間段有差異。地表溫度對太陽輻射反映最快，它與空氣溫度的比值變化受陽光輻射影響。林地地表溫度和空氣溫度日間變化幅度差異最小，草地、裸地和道路差異最大。

(3)城市公園各景觀類型的相對濕度在14:00最小，8:00最高。日間監測時間內，相對濕度的逐時、均值、變化幅度沒有明顯的景觀類型差異。空氣溫度與露點溫度的差值反映空氣溫濕組合狀況，日間平均值是裸地>林地>道路>草地，4種景觀類型都在14:00達到干熱的最高值，與單純的溫度高值點不一致。

(4)通過實地監測秋冬季不同景觀類型的溫濕度日間變化特征，可以定量揭示地表溫度、空氣溫度和濕度的日間變化趨勢、幅度，而且裸地與道路、林地與草地之間的熱環境特征存在差異；在評價公園中不同景觀類型熱環境特征時，地表、空氣溫度比相對濕度指標更合適，景觀類型間的地表溫度差異最明顯；公園的裸地、道路地表與空氣溫度相互關系強于林地、草地。

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Diurnal variations of landscape thermal effect in city parks from the later autumn to early winter

PANG Xinkun1,2, SUN Ranhao2,*

1CollegeofGeographyScience,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China2StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China

The urban landscape pattern is increasing changed as cities replace their natural land cover with impervious surfaces, buildings, and other infrastructure. The impacts of landscape changes have become a growing concern particularly for the ecosystem service in recent decades. It is well-known that city parks could provide multiple ecosystem services including temperature regulation services in different seasons. Some thermal characteristics of city parks may directly contribute to the degree of comforts for the mankind, such as the land surface temperature (LST), near-surface air temperature (NAT), and relative humidity (RH). Generally, landscape types and pattern in parks are responsible for the extent and degree of local thermal effects. In this study, three city parks were selected to analysis the diurnal variations of thermal effects in Beijing. We measured LST, NAT, and RH in the grassland, forest, road, and bare land for three months from the later autumn to early winter. The study aims to assess the variations of LST, NAT, and RH as well as their relationships among different landscape types. The results showed that: (1) the lowest LST and NAT are at 8:00 whereas the highest values are different according to the types of landscape. The highest values of LST and NAT are at 14:00,12:00,14:00,12:00, respectively. The relative humidity reaches its lowest value at 14:00 (2) In the daytime, the decreasing orders of mean LST, NAT, and RH are bare land>road>grassland≈forest, bare land>forest≈grassland=road, grassland≈road≈forest≈bare land, respectively. The LST and NAT are increasing with the decreasing RH for all landscape types. (3) The maximum difference in LST, NAT, and RH decrease as: bare land (13.5℃) > road (10.0℃) > grassland (7.5℃) > forest (5.9℃), bare land (7.4℃) ≈ road (7.3℃) > forest (6.3℃) > grassland (5.7℃), bare land (20.8%) = road (20.8%) ≈grassland (19.5%)≈forest (18.8%), respectively. (4) The relationship between LST and NAT are complex due to the various solar radiations in a day. Specifically, the daily variation of LST is greater than that of NAT for all the landscapes. The daily variation of LST and NAT is low in forest compared with the high variations in temperature of the grassland, bare land, and road. (5) The combination of temperature and humidity is represented by the difference between NAT and dew-point temperature. The hydrothermal environment reaches the driest and hottest conditions at 14:00. By quantifying thermal effects of different landscape types in city parks, this study can provide useful implication on the urban management to improve the thermal environment and related ecosystem services.

urban park; thermal environment; landscape pattern; landscape design

國家自然科學基金項目(41471150;41230633); 城市與區域生態國家重點實驗室自主項目(SKLURE2013- 1-02)

2014- 07- 15;

2015- 01- 27

10.5846/stxb201407151437

*通訊作者Corresponding author.E-mail: rhsun@rcees.ac.cn

龐新坤，孫然好.城市公園景觀秋冬季動態熱效應.生態學報,2015,35(12):4196- 4202.

Pang X K, Sun R H.Diurnal variations of landscape thermal effect in city parks from the later autumn to early winter.Acta Ecologica Sinica,2015,35(12):4196- 4202.