山地城市公園形態對其降溫效應的影響

韓貴鋒 蔡 智

山地人居環境研究

山地城市公園形態對其降溫效應的影響

韓貴鋒 蔡 智

為揭示山地城市公園對城市熱島的減緩機制，以重慶市主城區內10個公園為例，使用衛星遙感數據和部分實測數據獲得地表溫度和近地面氣溫，分別從內部景觀特征和外部空間形態兩個方面研究了公園的降溫效應。研究結果表明：在公園內部景觀要素方面，公園面積、寬度、形狀指數是影響公園降溫效應的主要因素，多個小型公園比同面積大型公園具有更好的降溫效應；在公園外部空間形態方面，自然地形起伏與建筑空間形態是影響公園降溫效應的主要因素，少量正對公園的通風廊道及規則布局的建筑形態可以有效提升公園的降溫范圍，山地型公園比盆地型公園具有更好的降溫效應。在規劃實踐中，應該綜合考慮公園面積、布局等要素，以發揮公園最佳的降溫效用。

城市公園；城市熱島；降溫效應；山地城市；公園形態

0 引 言

隨著中國城市化進程的推進，在未來不久，越來越多的人口將在城市居住。人口和能源等要素在城市區域的集中，極大地改變了城市原有空間形態及物質環境，使得城市生態環境問題凸顯，成為影響城市人居環境質量的重要因素之一，而其中最為常見的是城市熱島現象。城市熱島現象的存在，不僅改變了城市局部小氣候[1]，而且影響了城市區域動植物的生理特征[2]，破環了原有生態系統的平衡，加大了能源消耗及環境污染[3-4]。更為嚴重的是，隨著城市熱島現象的加劇，全球氣候變暖趨勢加速[5]，導致近年來極端氣候現象頻發，已嚴重威脅到人們的生命安全[6]，并造成了大量的財產損失[7]。因而國內外學者對城市熱島現象的關注程度日益上升，并就城市熱島的形成機理、影響因素、熱島模擬和減緩措施等方面進行過大量的研究，并一致認為城市熱島受眾多因素影響，諸如人口、土地使用方式改變而導致熱量在城市集中所產生的綜合結果[8]。綠地、水體作為城市的主要生態要素，可以有效調節并改善局部小氣候，緩解城市熱島效應[9-10]。相對于城市其他用地，城市公園大面積的綠地與水體更為集中，在滿足人們日常娛樂休閑的基礎上，如何有效利用城市公園緩解城市熱島現象成為城市生態環境研究的主要熱點之一[11-12]。城市熱島現象是一個自然和人工要素復合的產物，因此，就公園緩解城市熱島現象而言，需要綜合考慮公園內部景觀要素與外部空間形態的影響。雖然，現已有學者使用多種手段就城市公園降溫機制進行了大量研究[13-14]，但大多側重于公園內部景觀要素對降溫效應的影響，而對公園外部空間形態與降溫效應之間的關系研究甚少。山地城市由于其地形起伏變化大、建設強度高的特點，使得山地城市公園內外空間形態更為復雜多變，對公園降溫效應的影響要素更多，當前對山地公園的降溫效應的相關研究鮮有報道[15]。重慶是山地城市的典型代表，主城區地形起伏大、人口密集、建設強度相當高，城市熱島現象十分顯著[16]，是探究山地城市熱島及其減緩的理想實驗場。本文以重慶市主城區10個公園為例，綜合使用衛星遙感數據和部分實測數據，從公園內部景觀要素和公園外部空間形態兩個方面，剖析影響山地城市公園降溫效應的主要因素，以便揭示其對熱島效應的減緩機制，為公園規劃布局提供理論支持，最大化發揮公園生態環境效益，改善人居環境質量。

圖1 研究區的公園分布Fig.1 the location of parks in study area

1 數據與方法

1.1 研究區

重慶市主城區處于東經106.43°～106.60°，北緯29.45°～29.63°之間，屬于亞熱帶季風濕潤氣候，歌樂山與南山遙相對望，嘉陵江與長江穿城而過，整體地勢西高東低（圖1）。主城區面積為5 472.68 km2，常住人口為834.82萬[17]。城市建筑密度高，人口眾多，加之兩山環繞、兩江交匯的特殊地形，使得城市熱島效應十分顯著。歷年統計數據表明，重慶市熱島效應的增幅為0.036°C/年，夏季氣溫在35 °C以上的天數達到了15～25天，最高氣溫達到44°C[18]，是名副其實的“火爐”。如何在炎熱的夏季里充分發揮公園降溫效應，是一個十分迫切的現實問題。為盡量避免外圍綠地水體對公園降溫效應的干擾，本文選取遠離兩江，公園內外空間異質性較大，且邊界較為明確的10個公園作為研究樣本（圖1）。

1.2 數據來源與處理

使用的數據包括衛星遙感數據、谷歌影像數據、部分實測數據、公園及周邊地形圖數據等。所有數據在初步規整后，統一納入GIS數據庫，使用ArcGIS進行數據提取與空間分析工作，結果導出至SPSS中進行統計分析，研究各特征指數與公園降溫效應之間的數量關系。

1.2.1 溫度數據

溫度數據來源包括遙感影像反演地表溫度和現場實測兩部分。其中，遙感影像采用2016年7月10日11：27AM（北京時間）的Landsat8衛星數據，從地理空間數據云網站下載（http∶//www.gscloud.cn），軌道號為p128，行號為r39，當天晴朗無云，影像質量好。在反演溫度前，首先借助ENVI5.1，對遙感數據進行幾何糾正、工作區裁剪、輻射校正等工作。使用第4波段和第5波段提取歸一化植被指數（NDVI），再使用第10波段，運用大氣校正法反演地表溫度（land surface temperature, LST），具體方法可參見文獻[19]。由于遙感衛星具有重訪周期較長、過境時間短、溫度數據單一的缺點，為彌補遙感影像反演的地表溫度在多時段、高精度方面的不足，使用部分公園實測數據進行補充。具體數據包括各測點的地表溫度、空氣溫度、空氣濕度等，為保證數據的精度與準確性，公園內部布點不少于7個，盡量在公園內均勻分布，公園外部點沿主要通風廊道，每50 m布置一個，部分區域根據實情有選擇性的增加其布點間隔。測量方法為步行流動觀測法，測量時間從早上9點開始，下午5點結束，每1.5個小時作為一個周期，單天記錄5個周期，每次測點數據30 s紀錄一次，記錄3次，并取平均值作為測點單次實測值。

1.2.2 景觀特征提取

使用谷歌地球（Google Earth）影像，結合現場調研和人工目視解譯方法，將公園下墊面劃分為林地、水體、草地、硬質下墊面（含建筑）四種類型。使用Fragstats4.2計算公園形狀指數（landscape shape index, LSI），計算公式為其中C為斑塊周長，S為斑塊面積。當LSI=1時，表明該公園為圓形，LSI值越大，說明公園形狀越破碎而不規則。

參考已有的研究[11]，綜合考慮山地公園的特點，沿公園邊界往外設置1.5倍公園寬度緩沖區。由于Landsat8第10波段的原始空間分辨率為100 m，為與其他波段的空間分辨率吻合，經過分發處理后的空間分辨率為30 m，導致反演后的LST像元與NDVI像元之間存在微偏移現象，因此在盡可能滿足準確與精度的條件下，將緩沖區劃分為60 m×60 m的格網。統計每個格網內的平均LST值、平均NDVI值、建筑密度值、距公園距離L值等（圖2）。由于近地表溫度顯著受下墊面類型影響，為盡量減少格網內建筑、綠地等要素對溫度的影響，結合谷歌地球影像數據，通過人工目視解譯對比，將NDVI＞0.3（綠地）、建筑密度＞0.1（建筑）的混合格網予以剔除。10個公園的數據提取結果如表1。

圖2 數據提取過程Fig.2 the process of data extraction

表1 公園景觀特征Tab.1 the landscape properties of urban park

2 結果與分析

2.1 公園降溫效應

隨著距離增加，公園外部溫度逐漸升高，變化趨于平緩，說明公園對附近區域確實有一定的降溫效應（圖3）。但是，當公園外部距離的繼續增加，其溫度呈現出略微下降的趨勢。這一方面由于山地城市公園綠地點式分布的特征，當公園外部距離達到一定值后，其熱環境可能受到附近多個公園綠地的影響；其次，由于靠近公園區域具有良好的自然景觀，人為建設強度大，人為熱釋放量隨公園距離的增加而稍有下降。對10個公園的溫度和距離進行曲線擬合分析發現，溫度和距離之間的最優擬合函數為三次函數（表2），這與馮悅怡[14]、蘇泳嫻[20]等人對平原城市公園的研究結果一致。通過計算三次函數拐點，即可確定公園外部溫度趨于平緩時的距離值，即公園的降溫影響范圍Lmax，進而求得距公園Lmax處的溫度Tb，將Tb與公園內部平均溫度Tmean相減即得到公園的降溫幅度ΔT。

從整體來看，除龍頭寺公園外，其他公園均有呈現出穩定的降溫效應，但降溫幅度（1.36～7.53 ℃）和降溫范圍（53～590 m）差異顯著（表1）。盡管在整體趨勢上，面積更大的公園表現出更強的降溫效應，其降溫范圍和降溫幅度更大，但在使用公園降溫范圍（L）／公園寬度（D）作為評價公園降溫效應的一個參考指標時發現（表1），公園降溫效應與公園面積并沒有表現出很強的相關關系，降溫效應最好的為巴國公館公園（1.15倍公園寬度），降溫效應最差的為沙坪公園（0.12倍公園寬度）。這表明，公園的降溫效應并非只受公園面積等單要素的影響，而是公園內外多種要素協同作用的綜合表現。

2.2 公園形態及景觀構成對降溫效應影響

2.2.1 公園形態對降溫效應影響

選取表征公園形態的主要參數（面積S、寬度D、形狀指數LSI）與公園熱環境指數（平均溫度Tmean、降溫范圍Lmax）進行相關性分析。結果發現：一、公園平均溫度（Tmean）與公園總面積（S）、公園寬度（D）、公園形狀指數（LSI）之間的相性系數分別為-0.775**（P＜0.01）、-0.709*（P＜0.05）、0.629 （P=0.095）。二、公園降溫范圍與公園總面積、公園寬度、公園形狀指數之間的相關性系數分別為0.794**（P＜0.01）、0.753*（P＜0.05）、0.368（P=0.37）。相關系數說明，公園面積及寬度越大，公園內部平均溫度越低，公園的降溫范圍越大，即公園的降溫效應越顯著；公園形狀越復雜，公園內部平均溫度越高。

圖3 部分公園外部溫度與距離擬合曲線Fig.3 the fitting curve of urban park between outside temperature and distance

圖4 公園面積與內部平均溫度、最大降溫范圍擬合函數Fig.4 the fitting function between urban park area and mean temperature, maximum distance

表2 公園外部溫度與距離擬合函數Tab.2 the fitting function of urban park between outside temperature and distance

事實上，面積更大的公園擁有更多的綠地或水體，所能容納與吸收的熱量也更大，表現出更強的降溫效應。而形狀復雜的公園具有更長的公園邊界，公園與外界更大的接觸面積，為公園內外泠熱空氣流通交換提供了便利，公園內部難以維持較低的溫度，從而使得公園內部平均溫度偏高。然而形狀指數只是衡量公園形狀變化的一個參數，并不能決定公園內部主要降溫因子（綠地、水體）的總量，同時形狀指數并不能較好反映公園內凹外凸等各種形態變化，導致了公園形狀指數與公園內部平均溫度之間表現出較強的正相關關系，而與公園降溫范圍之間的相關性不強。在公園規劃設計中，應該考慮這一特性，針對公園的主要功能及使用對象，選擇適宜的公園形狀，滿足不同的需求。比如，以休憩型為主的公園宜選用規整形狀，以維持內部較高的舒適度，而生態類公園綠地等宜選用不規整形狀布局，以發揮公園綠地的最佳降溫效應。

曲線擬合發現（圖4），公園面積（S）和公園平均溫度（Tmean）之間的最優擬合函數為Tmean=37.8-0.94*ln（S）（R2=0.592，P=0.006＜0.01），公園面積（S）和公園降溫范圍（Lmax）之間的最優擬合函數為Lmax=94.8ln（S）-12.73（R2=0.625，P=0.006＜0.01）。說明公園的降溫效應是隨著公園面積的增大而逐漸增加，但單位公園面積上的降溫效應卻是逐漸降低。為簡化計算說明，以10 hm2和100 hm2的圓形公園為例，當公園面積在10 hm2時，其降溫效應為20.6 m/hm2，公園外部降溫面積為17.3 hm2。而當公園面積擴大10倍，達到100 hm2時，對應的降溫效應則下降到4.24 m/hm2，公園外部降溫面積僅擴大3.3倍，為56.5 hm2。因此，就公園的降溫效應而言，考慮到公園建設投入與其降溫效應產出，設置多個小型公園比同面積的大型公園更有效。

圖5 花卉園公園內部測點樣本Fig.5 the sample measure points in Huahuiyuan Park

2.2.2 公園景觀構成對降溫效應影響

公園是由綠地、水體、硬質下墊面等多要素構成的混合體，而綠地和水體則是公園的兩大主要構成要素，也是緩解熱島效應的有效因子[18,21]。由于本次研究的公園樣本中，草地面積所占比較少，綠地主要由林地構成。對林地面積、水體面積、硬質下墊面面積和公園平均溫度、降溫范圍等之間進行相關性分析發現：一、公園內部平均溫度Tmean與林地面積、水體面積、硬質下墊面面積之間的相關性系數分別為-0.757**（P＜0.01）、-0.555（P＝0.087）、-0.316（P=0.344）。二、公園降溫范圍與林地面積、水體面積、硬質下墊面面積之間的相關性系數分別為0.774**（P＜0.01）、0.648*（P＜0.05）、0.409（P=0.244）。相關系數說明，公園的降溫效應主要依賴于林地和水體，而林地是影響公園降溫效應的主要因子。這與人們的常識相悖，理論上水體溫度低于其他地表溫度，而且水體區域空間開闊，更有利于空氣對流和交換，其降溫效應應該大于林地。

為此，進一步分析綠地、水體對公園熱環境的影響機制，以花卉園公園為例，使用現場實測數據（2016年1月29日），通過GIS空間插值方法，獲得局部尺度上的空氣溫、濕度分布（圖5）。結果表明，公園內部空氣溫度與濕度之間表現出較強的負相關關系，并且與植被分布具有較好的一致性，而空氣的溫、濕度與水體分布并沒有較好的吻合關系。分別選取位于公園內部水體、草地、林地三處實測點數據進行分析，結果發現，在地表溫度變化上（圖6），水體溫度變化最為平緩，相較于樹蔭下的林地，草地由于直接接受太陽輻射，其地表溫度呈現顯著的先增后減趨勢。在空氣溫度變化上（圖6），三處實測點的空氣溫度差異較小，只有在下午15∶00左右其差異達到最大值（1.1 ℃），空氣溫度最高為水體測點處（10.6 ℃），最低為草地測點處（9.5 ℃）。在濕度變化上（圖7），雖然三處測點均呈現先減后增趨勢，并且林地＞水體＞草地，但在下午15∶00過后，草地的濕度迅速回升并超過林地和水體。這表明，雖然水體由于其較大的比熱容，可以吸收大量的熱量，并通過蒸發作用將熱量釋放出去，但其降溫增濕效應有限。綠地由于較大的葉面積指數，強烈的蒸騰作用加之豐富的植被空間層次，使得其降溫增濕效應顯著高于水體。

2.3 公園外部空間形態對降溫效應影響

重慶屬于典型的山地城市，高層高密度的建筑加之劇烈的地形起伏變化，使得地表空間形態更為復雜。公園主要通過空氣流通來實現對附近區域的降溫增濕效果，公園外部自然地形起伏、人工建筑空間形態所產生的廊道或風墻[22-23]，在一定程度上加速或阻礙局部范圍內的空氣流動，從而影響公園的降溫效應。

2.3.1 自然地表形態對降溫效應影響

圖6 測點地表溫度及空氣溫度變化Fig.6 the change of land surface temperature and air temperature

圖7 測點空氣濕度變化Fig.7 the change of air humidity

通過對10個公園的現場踏勘，公園及其周邊的自然地表形態可以歸類劃分為盆地型、平地型、山地型三類（表3）。為了分析自然地表形態對公園降溫效應的影響，首先提取并計算每個格網內的LST、高程、坡度、坡向值等，使用SPSS對各參數進行相關性系數分析。結果發現LST與地表高程、坡度、坡向等之間均沒有顯著的相關關系，這說明，由高程、坡度、坡向等影響的建設強度（人為熱）或太陽輻射量（自然熱）之間的差異較為微弱。

表3 公園類型Tab.3 the type of urban park

圖8 公園周邊建筑布局形態Fig.8 the layout of building around urban park

圖9 公園周邊建筑群與公園圍合關系及降溫效應分析Fig.9 the relationship between urban park and its surrounding building

為進一步分析自然地表形態與公園降溫效應之間的關系，以面積較大且地形起伏變化較大的彩云湖公園（盆地型）、華巖寺公園（山地型）為例，以公園邊界為起點，分別向幾個主要的地表形態變化方向作提取線，提取所經過格網內的LST值、L值、高程值，使用三次函數求拐點的方式求取公園在不同地表形態方向上的最大降溫范圍。結果發現，彩云湖濕地公園在垂直山脊方向的最大降溫范圍為87 m，在平行山脊的峽谷方向上最大降溫范圍為136 m；而華巖寺公園位于低洼谷地與平地交界處，地形復雜，華巖寺公園在平地方向上的最大降溫范圍為384 m，在谷地方向上的最大降溫范圍為609 m。這表明，地形起伏變化確實在一定程度上影響公園的降溫范圍，公園外部地形上升并與公園呈圍合之勢時，山脊影響并阻礙了公園內外空氣流通交換，迫使公園內部泠空氣向地形相對較低的峽谷方向流動，從而在整體上縮減了公園降溫影響范圍；公園外部地形下降使得公園呈開敞之勢時，不僅有利于公園內外空氣流通交換，而且與泠空氣流動方向一致，從而使公園降溫影響范圍更廣。

2.3.2 公園周邊建筑空間形態對降溫效應影響

公園周邊建筑空間形態是影響公園降溫效應的另一重要因子，尤其是在山地城市用地緊張的情況下，高層高密度建筑所形成的建筑“風墻”對公園的熱環境效應影響更為顯著。結合Google Earth影像及現場踏勘，發現公園周邊建筑不僅由于其本身圍合方式（排列型、組團型、無序型）的差異導致空間形態的分異（圖8），而且整體建筑群的布局方式也與公園之間產生了不同的空間圍合關系（圍合、半圍合、開放）（圖9）。

以公園周邊建筑圍合及空間形態較為典型的花卉園、百林公園和沙坪公園為例，以公園邊界為起點，分別沿東、南、西、北四個方向作溫度提取線，提取所經過的每個格網內LST值、L值、建筑密度值。使用三次函數求拐點的方式求取公園在不同方向上的最大降溫范圍。

花卉園在東面方向上，建筑呈排列型布局并且與公園形成半圍合之勢，建筑與綠地相互穿插交織，形成若干通風廊道，在此方向上的影響范圍最遠（480 m）。在南面（249 m）和西面（266 m）方向上，山巒及建筑布局的多樣變化，均不同程度的阻礙了公園內部空氣往外流通，公園影響范圍較弱。而在公園北面的方向上，建筑布局較為規整，并且平行于公園邊界排列，與公園之間的空間圍合感較強，但有一條正對公園的通風廊道，公園泠空氣可以有效流通并穿越，公園在此方向上的降溫范圍次之（284 m）。

百林公園周邊建筑布局規整，呈顯著組團式布局，在東（181 m）、南（192 m） 兩個方向上各有一條城市主干道、城市快速道路橫穿而過，大量汽車經過釋放的熱量，極大影響了公園的降溫效應。西面僅有一條城市支路，車流量較少，且有一條垂直于公園的支路，在此方向上的降溫影響范圍有所提升（235 m）。北面方向為廣場開放空間，公園降溫影響范圍最遠（318 m）。

沙坪公園為典型圍合型公園，周邊建筑大多無序布局排列，空間形態散亂。在公園東面方向，雖然建筑圍合程度較高，但相對開敞的公園主入口為空氣流通提供了便利，在此方向上的降溫影響范圍為118 m。在公園南面方向上，建筑緊密穿插，建筑“風墻”效應較強，沒有穩定的降溫效應。公園西面，建筑密度雖然有所降低，但高、低層建筑此起彼伏，只有微弱的降溫效應（53 m）。在公園北面方向上，建筑密度顯著降低，并且有較寬的通風廊道，降溫影響范圍最大（186 m）。

由此可知，在公園外部空間上，通風廊道可以有效提升公園的降溫范圍，但在高密度城區內，由道路或綠地形成的通風廊道有限，公園降溫范圍更多的是受建筑空間形態的影響。相比于無序布局建筑所形成的“風墻”，規則布局的建筑更有利于空氣流通，從而使得公園降溫影響范圍更遠。

3 結 論

從公園內部景觀特征上看，公園的降溫效應主要受公園面積和寬度的影響，公園的最大降溫影響范圍大約是1倍公園寬度。雖然公園降溫效應隨公園面積的增大而逐漸增加，但是面積越大的公園其單位面積上的降溫效應越低，多個小型公園比同面積的一個大公園具有更好的降溫效應。形狀簡單的公園能較好維持內部溫度，適用于休憩型公園規劃設計，而形狀復雜的公園具有較好的降溫效應，適用于生態型公園規劃設計；綠地的降溫效應顯著高于水體。從公園外部空間形態上看，由自然地形起伏形成的峽谷或山脊，加速或阻礙空氣流通，從而影響公園的降溫范圍，山地型公園比盆地型公園具有更好的降溫效應；公園周邊建筑圍合及空間形態顯著影響公園降溫范圍，少量正對公園的通風廊道及規則布局的建筑形態可以有效提升公園降溫范圍。

山地城市在進行公園規劃時，應充分利用地形優勢，形成公園綠地與建設用地相互穿插、分散布局城市空間形態。同時針對公園綠地的使用對象及功能對公園綠地面積、形態進行優化，休憩型公園綠地集中規則布局，生態型公園綠地多樣分散布置。山地建筑在因地就勢的前提下，建筑群盡量呈規則組團布局，通過綠地廊道串聯各組團，以最大化發揮公園綠地的降溫生態效應，緩解城市熱島效應。

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圖表來源：

圖1-9：作者繪制

表1-2：作者繪制

Impact of Mountain Urban Park Form on Cooling Effect

HAN Guifeng, CAI Zhi

In order to study the mechanism that mountain urban park mitigate urban heat island effect, 10 parks in main city of Chongqing were taken as examples, remote sensing data collected by Landsat and measured data were used to analyze cooling effect from landscape feature inside the parks and building form around the parks respectively. The results show that: (1) park area, width and landscape shape index (LSI) are the main factors which obviously influence the cooling effect of urban park, and small area parks have better cooling effect than a large urban park with the same area as the total area of small parks. (2) Terrain and building space form also have a great impact on urban park cooling effect, ventilation corridor and geometry building layout can effectively promote the cooling effect of urban park, and mountain park has a better cooling effect than basin. In order to make the best cooling effect of urban park, area, layout and their combination should be considered comprehensively in urban planning.

Urban Park; Urban Heat Island; Cooling Effect; Mountain City; Park Form

P463.22+1

A

2095-6304（2016）06-0061-08

10.13791/j.cnki.hsfwest.20160611

2016-11-22

（編輯：劉志勇）

* 國家自然科學基金資助項目（41001364）

韓貴鋒： 重慶大學建筑城規學院，山地城市建設與新技術教育部重點實驗室，副教授，hangf@cqu.edu.cn

蔡 智：重慶大學建筑城規學院，碩士研究生

韓貴鋒, 蔡智. 山地城市公園形態對其降溫效應的影響[J]. 西部人居環境學刊, 2016, 31(06): 61-68.