城市公園對城市熱環境的降溫效應
——以天津市為例

甘 爽，楊艷麗，孫艷玲，王中良

（天津師范大學 a.城市與環境科學學院，b.天津市水資源與水環境重點實驗室，天津 300387）

城市公園對城市熱環境的降溫效應
——以天津市為例

甘 爽a，楊艷麗a，孫艷玲a，王中良b

（天津師范大學 a.城市與環境科學學院，b.天津市水資源與水環境重點實驗室，天津 300387）

為了解城市公園對城市熱環境的影響，基于Landsat8遙感影像，通過反演天津市區地表溫度和分析各公園的緩沖區，研究天津市市內六區公園的特征要素對周圍環境的降溫效應.結果表明：一方面，不同公園的降溫范圍、降溫幅度和降溫速率有所不同，各公園降溫幅度與距離均近似成擬合二次多項式.另一方面，不同的公園特征要素對周邊環境的降溫效應存在差異，其中公園的綠地比例與降溫范圍、降溫幅度和降溫速率相關性最大，且二者呈擬合二次多項式.

城市熱島效應；城市公園；天津市；降溫效應；降溫范圍；降溫幅度；降溫速率

隨著城市化的不斷發展和人口數量的不斷增加，不透水面如公路和高層建筑的面積日趨增加，城市熱島效應逐漸加劇[1-3].城市熱島效應一方面會造成城區氣溫高于近郊氣溫，導致城區溫度梯度增大，同時，城區溫度升高使城區夏季高溫天氣的持續時間延長，容易引發城市居民的人體健康問題；另一方面，城市熱島效應使城區中形成閉合高溫中心，其產生的上升氣流會加劇污染[4-5].目前已有學者從土地覆被類型、人為活動強度和景觀空間格局特征等方面對緩解城市熱島進行研究[6-9].研究結果表明，河流對城市用地的地表溫度具有明顯的降溫作用[10]；而綠地對城市熱島的緩解作用也較為顯著，且不同綠地類型的降溫效應不同，其中，樹林和混合綠地對城市熱環境具有顯著的降溫效應[11-12].城市公園作為城市綠地及水體的一種表現形式，在美化城市和提供居民休閑服務的同時，還能對城市的熱環境起到一定的降溫作用，因此，也有學者就城市公園對周圍熱環境的降溫作用進行了一系列的研究.研究發現，公園的景觀構成、斑塊

形態和空間布局這3個方面的空間結構特征對城市的熱環境效應具有一定影響.此外，公園內部平均溫度與公園綠量有很大的相關性，綠量越大，內部溫度越低；在斑塊形態上，公園溫度與公園綠地形狀指數呈極強的負相關性；在空間布局上，林地及硬質地表分布的聚集度指數與溫度呈顯著正相關[13].也有學者發現不同公園的降溫效應不同，進而在降溫范圍、降溫幅度和降溫速率3個方面也有差異.公園面積越大，公園的降溫范圍越大，公園面積的最佳值為32 hm2；公園的水體比例越大，降溫幅度越大；公園內不透水面比例小于50%時，公園的降溫速率隨不透水面比例的增大而提高[14].

近年來，隨著城市化的快速發展，天津市熱島效應的程度不斷加劇，范圍也不斷擴大[15-16]，緩解天津市城市熱島效應已成為天津城市建設中一個亟待解決的問題.因此，本研究選取天津市市內六區的公園作為研究對象，分析其對城市熱島效應的緩解作用，以期為天津市的城市建設提供一定的理論參考.

1 資料來源和研究方法

1.1 研究區概況

天津市地處華北平原北部，東臨渤海，北依燕山，位于116°43′～118°04′E、38°34′～40°15′N，處于海河下游，地跨海河兩岸，是北京通往東北和華東地區鐵路的交通咽喉和遠洋航運的港口.地勢低平，屬溫帶大陸性季風氣候，降水集中在夏季，年降水量為360～970 mm，水資源短缺.近年來，隨著天津市經濟的迅速發展，城市化進程不斷加快，人口不斷增加，加之私家車持有量的增多，城市下墊面所受影響愈來愈深，城市的熱島效應愈加明顯，因此，本研究選取天津市市內六區作為研究區域.

1.2 數據來源與處理

采用天津市2013年8月25日的Landsat TM+遙感影像，該數據來源于中國科學院對地觀測與數字地球科學中心，條帶號為122，行編號為34，成像時天氣良好，數據質量良好.數據的預處理過程主要包括投影轉換、幾何校正、輻射校正和圖像切割.

本研究選取天津市市內六區的8個公園作為研究對象，如圖1所示.利用緩沖區分析和梯度分析方法分析公園對城市熱環境的影響，作為研究對象的8個公園的面積及其內部景觀情況如表1所示.

圖1 天津市市內六區的主要公園Fig.1 Main parks of six districts in Tianjin

表1 天津市公園的特征參數Tab.1 Characteristic parameters of parks in Tianjin

1.3 研究方法

1.3.1 地面溫度反演

根據覃志豪提出的單窗算法[17]，利用熱紅外通道輻射值對溫度進行反演：

式（1）中：LST為地表溫度；a和b為常數，a= -67.355 4，b=0.458 61；Tsenor為亮度溫度，單位為K；Ta為大氣平均作用溫度，單位為K；C和D為中間變量，表達式分別為：

式（2）和（3）中：ε為地表比輻射率；τ為大氣透射率.地表比輻射率依據NDVI的方法計算[18]：

式（4）中：NDVI＜0.05時，ε取0.973；NDVI＞0.70時，ε取0.99；0.05≤NDVI≤0.70時，ε=0.004PV+0.986.

大氣透射率τ可以通過大氣總水汽含量w（g/cm2）

計算得到

式（5）中w=1.5g/cm.

亮度溫度可通過輻射亮度轉換得到

式（6）中：L（λ）=Gain·DN+Bias，其中Gain=3.342 0× 10-4，Bias=0.100 00；K1和K2因波段不同而存在差異，在第10波段K1=774.89 mW/（cm2·sr·μm），K2= 1 321.08 K，在第11波段，K1=480.89mW/（cm2·sr· μm），K2=1 201.14 K.

1.3.2 緩沖區分析

分別以市內六區的8個公園為中心，取30 m作為公園的緩沖區半徑，緩沖帶的個數取決于自公園邊界向公園外緩沖直至相鄰緩沖區間溫度無明顯變化為止.對各公園緩沖帶和公園內部的溫差與最外圍緩沖帶的距離進行曲線擬合分析，最終通過對擬合多項式求導得到降溫速率.

2 結果與分析

2.1 公園降溫效應的定量分析

基于各公園緩沖帶溫度數據，計算各緩沖帶間溫差，作各公園對周圍熱環境的降溫效應曲線，即公園各緩沖帶間溫差與降溫距離的關系圖，結果如圖2所示.

圖2 公園對周圍熱環境的降溫效應Fig.2 Cooling effect of city parks on surrounding thermal environments

由圖2可以看出，隨著降溫距離的不斷增大，各公園緩沖帶間的溫差逐漸縮小.由此可知，所有公園對其周圍的熱環境均存在一定的降溫效應，但不同公園對其周圍熱環境降溫效應的影響存在很大差異，主要表現為：①不同公園所表現的降溫范圍不同，其中河東公園降溫范圍最大，為560 m；中心公園降溫范圍最小，為45 m.②不同公園的緩沖帶間在溫度上存在著一定差異，最明顯的是水上公園，30 m緩沖帶與60 m緩沖帶間溫度相差2.67℃；③不同公園的降溫速率也有所差異，其中西沽公園、長虹公園和河東公園降溫速率較大，人民公園和中心公園降溫速率較小；④不同公園的降溫幅度不同，同一公園不同緩沖帶的降溫幅度也不相同，降溫距離越遠，降溫幅度越小.各公園的降溫幅度由大到小依次為：水上公園＞西沽公園＞人民公園＞長虹公園＞北寧公園＞河東公園＞中心公園＞王串場公園，其中降溫幅度最小的為0.01℃的王串場公園，最大的為水上公園，達到2.85℃；⑤各公園降溫范圍和降溫速率與距離無明顯相關性，而各公園降溫幅度與距離均成擬合二次多項式，如表2所示.由表2可知，不同公園的降溫幅度與距離的相擬合系數關性不同，西沽公園降溫幅度與距離的相關性最大，擬合系數為0.988 9；王串場公園降溫幅度與距離的相關性最小，擬合系數為0.370 0.

表2 公園降溫幅度T與距離L擬合二次多項式Tab.2 Quadratic polynomial between cooling amplitude T and distance L

2.2 公園特征要素與降溫效應關系分析

不同公園對周圍熱環境的降溫效應不同，而降溫效應主要由降溫范圍、降溫幅度和降溫速率3個方面反映[16]，即不同公園的降溫范圍、降溫幅度和降溫速率存在明顯差異，這些差異與公園面積、水體面積、綠地面積和不透水面面積等因素具有明顯相關性.為了找到各要素與公園降溫效應間的對應關系，將公園面積、水體比例、綠地比例和不透水面比例分別與降溫范圍、降溫幅度和降溫速率進行相關分析，得到與降溫效應3要素相關性最高的因素，從而對公園的降溫效應進行分析.

分別對公園面積、水體比例、綠地比例和不透水面比例與降溫范圍進行相關性分析，并采用指數、線

性、對數和二項式等函數進行擬合，結果如圖3所示.

圖3 公園面積、水體比例、綠地比例和不透水面比例與降溫范圍的定量關系Fig.3 Quantitative relationship between park area，water proportion，grass proportion，imperious surface proportion and cooling scope

由圖3可以看出，公園面積和水體比例與降溫范圍的關系均采用對數函數擬合效果最好，呈明顯正相關，擬合決定系數分別為R2公園面積=0.076 5，R2水體比例= 0.102 0；綠地比例與降溫范圍的關系采用二次多項式函數擬合效果最好，擬合決定系數為R2綠地比例=0.1660，隨著綠地比例的增加，降溫范圍先遞增后遞減；不透水面比例與降溫范圍的關系采用指數函數擬合效果最好，二者呈明顯正相關，擬合決定系數為R2不透水面比例= 0.073 1.由擬合結果可知，公園面積、水體比例、綠地比例和不透水面比例與公園的降溫范圍均存在一定相關性，其中綠地比例與降溫范圍的相關性最大，當綠地比例小于50%時，降溫范圍隨綠地比例的增大而增大；當綠地比例超過50%后，降溫范圍隨綠地比例的增大而減小.因此，要使公園降溫效應的降溫范圍達到最遠就要使公園的綠地比例達到50%.

對公園面積、水體比例、綠地比例和不透水面比例與降溫幅度分別進行相關性分析，并進行線性、對數和多項式等函數擬合，結果如圖4所示.由圖4可以看出，公園面積、水體比例和綠地比例與降溫幅度的關系均采用二次多項式函數的擬合效果最好，擬合決定系數分別為R2公園面積=0.770 5，R2水體比例=0.727 8，R2綠地比例=0.873 8，其中公園面積和水體比例與降溫幅度呈顯著正相關，而降溫幅度隨綠地比例的增加先減小后增大；不透水面比例與降溫幅度采用指數函數擬合效果最好，二者呈負相關關系.由相關性分析可知，綠地比例與公園的降溫幅度相關性最大，當綠地比例小于55%時，降溫幅度隨綠地比例的增大而減小，當綠地比例大于55%后，降溫幅度隨綠地面積比例的增大而增大.因此，要使公園降溫效應的降溫幅度達到最佳，公園的綠地比例應高于55%.

對公園面積、水體比例、綠地面積比例和不透水面比例與降溫速率分別進行相關性分析，采用指數、線性、對數和多項式函數進行擬合分析，結果如圖5所示.由圖5可以看出，公園面積和綠地比例與降溫速率均采用二次多項式的擬合效果最好，擬合決定系數分別為R2公園面積=0.107 2和R2綠地比例=0.554 2；水體比例和不透水面比例與降溫速率均采用對數函數擬合效果最好，擬合決定系數分別是R2水體比例=0.541 6和R2不透水面比例=0.268 0，且均呈明顯的正相關關系.由擬合結果可知，綠地比例與公園的降溫速率相關性最大，擬合效果最好，當綠地比例小于50%時，公園對周圍熱環境的降溫速率隨公園綠地比例的增加而增大，當綠地比例大于50%后，降溫速率隨綠地比例的

增加而減小，因此，要使公園降溫效應的降溫速率達到最佳就需要使公園的綠地比例達到50%.

圖4 公園面積、水體比例、綠地比例和不透水面比例與降溫幅度的定量關系Fig.4 Quantitative relationship between park area，water proportion，grass proportion，imperious surface proportion and cooling amplitude

圖5 公園面積、水體比例、綠地面比例和不透水面比例與降溫速率的定量關系Fig.5 Quantitative relationship between park area，water proportion，grass proportion，imperious surface proportion and cooling rate

3 結 論

隨著城市化的發展，天津市的熱島效應越來越明

顯，在范圍和強度上也逐漸加劇，為了解決該問題，充分發揮公園對周圍熱環境的降溫效應作用，本研究通過對地表溫度進行反演，利用緩沖區分析和梯度差方法對公園特征要素與降溫范圍、降溫幅度和降溫速率的相關性進行表征，以此分析各公園的降溫效應，得到以下結論：

（1）不同公園對周圍熱環境降溫效應的影響存在很大的差異，不同公園的降溫范圍、降溫幅度和降溫速率也有所不同，各公園降溫幅度與距離均近似成擬合二次多項式.

（2）公園的綠地比例是影響降溫范圍、降溫幅度和降溫速率的最主要因素.

（3）為了使公園能夠更好地對周圍熱環境起到降溫的作用，在規劃公園時要考慮：若欲增加公園的降溫范圍來改善公園的降溫效應，公園的綠地比例要低于50%；若考慮用降溫幅度來改善公園的降溫效應，公園的綠地比例應高于55%；若以提高公園的降溫速率為目的，公園的綠地比例應達到50%左右.

本研究主要從公園各特征要素與降溫效應的關系進行分析，公園外部的差異性對降溫效應的影響還有待在后期工作中進一步研究.

[1] 王桂新，沈續雷.上海城市化發展對城市熱島效應影響關系之考察[J].亞熱帶資源與環境學報，2010，5（2）：1-11. WANG G X，SHEN X L.On the relationship between urbanization and heat island effect in Shanghai[J].Journal of Subtropical Resources and Environment，2011，5（2）：1-11（in Chinese）.

[2]穆海振，孔春燕，湯緒，等.上海氣溫變化及城市化影響初步分析[J].熱帶氣象學報，2008，24（6）：672-678. MU H Z，KONG C Y，TANG X，et al.Preliminary analysis of temperature change in Shanghai and urbanization impacts[J].Journal of Tropical Meteorology，2008，24（6）：672-678（in Chinese）.

[3]曹愛麗，張浩，張艷，等.上海近50年氣溫變化與城市化發展的關系[J].地球物理學報，2008，51（6）：1663-1669. CAO A L，ZHANG H，ZHANG Y，et al.Decadal changes of air temperatureinShanghaiinrecent50yearsanditsrelation to urbanization[J]. ChineseJournalofGeophysics，2008，51（6）：1663-1669（inChinese）.

[4]周淑貞，張超.上海城市熱島效應[J].地理學報，1982，37（4）：372-382. CHOU S Z，ZHANG C.On the Shanghai urban heat island effect[J]. Acta Geographica Sinica，1982，37（4）：372-382（in Chinese）.

[5]張旭陽，寧海文，杜繼穩，等.西安城市熱島效應對夏季高溫的影響[J].干旱區資源與環境，2010，24（1）：95-101. ZHANG X Y，NING H W，DU J W，et al.The impact of urban heat island effect on high temperature in summer in Xi’an[J].Journal of Arid LandResourcesandEnvironment，2010，24（1）：95-101（inChinese）.

[6]宮阿都，陳云浩，李京，等.北京市城市熱島與土地利用/覆蓋變化的關系研究[J].中國圖象圖形學報，2007，12（8）：1476-1482. GONG A D，CHEN Y H，LI J，et al.Study on relationship between urban heat island and urban land use and cover change in Beijing[J].Journal of Image and Graphics，2007，12（8）：1476-1482（in Chinese）.

[7]WENG Q H，YANG S H.Managing the adverse thermal effects of urban development in a densely populated Chinese city[J].Journal of Environmental Management，2004，70（2）：145-156.

[8]王雪.城市綠地空間分布及其熱環境效應遙感分析[D].北京：北京林業大學，2006. WANG X.A Remote Sensing Study of Urban Green Space Distribution and Its Thermal Environment Effect[D].Beijing：Beijing Forestry University，2006（in Chinese）.

[9] 劉艷紅，郭晉平.基于植被指數的太原市綠地景觀格局及其熱環境效應[J].地理科學進展，2009，28（5）：798-804. LIU Y H，GUO J P.The research of NDVI-based urban green space landscape pattern and thermal environment[J].Progress in Geography，2009，28（5）：798-804（in Chinese）.

[10]李東海，艾彬，黎夏.基于遙感和GIS的城市水體緩解熱島效應的研究—以東莞市為例[J].熱帶地理，2008，28（5）：414-418. LI D H，AI B，LI X.Urban water body alleviating heat island effect based on RS and GIS：a case study of Dongguan city[J].Tropical Geography，2008，28（5）：414-418（in Chinese）.

[11]陳旭，李霖，王江.城市綠地對熱島效應的緩解作用研究—以臺州市為例[J].生態環境學報，2015，24（4）：643-649. CHEN X，LI L，WANG J.Heat island effect mitigation by urban green spacesystem：acasestudyof Taizhoucity[J].Ecology and Environmental Sciences，2015，24（4）：643-649（in Chinese）.

[12]唐羅忠，李職奇，嚴春風，等.不同類型綠地對南京熱島效應的緩解作用[J].生態環境學報，2009，18（1）：23-28. TANG L Z，LI Z Q，YAN C F，et al.Mitigative effects of different vegetations on heat island effect in Nanjing[J].Ecology and Environmental Sciences，2009，18（1）：23-28（in Chinese）.

[13]馮悅怡，胡譚高，張力小.城市公園景觀空間結構對其熱環境效應的影響[J].生態學報，2014，34（12）：3179-3187. FENG Y Y，HU T G，ZHANG L X.Impacts of structure characteristics onthethermal environment effect of city parks[J].Acta Ecologica Sinica，2014，34（12）：3179-3187（in Chinese）.

[14]肖捷穎，季娜，李星，等.城市公園降溫效應分析—以石家莊市為例[J].干旱區資源與環境，2015，29（2）：75-79. XIAO J Y，JI N，LI X，et al.Cooling effect of city parks—a case of Shijiazhuang[J].Journal of Arid Land Resources and Environment，2015，29（2）：75-79（in Chinese）.

[15]程晨，閆維，李洪遠，等.基于Landsat TM/ETM+的天津城區及濱海新區熱島效應時空變化研究[J].自然資源學報，2010，25（10）：1727-1737. CHENG C，YAN W，LI H Y，et al.Study of temporal and spatial variation of urban heat island based on landsat TM in central city and Binhai new area of Tianjin[J].Journal of Natural Resources，2010，25（10）：1727-1737（in Chinese）.

[16]韓素芹，郭軍，黃歲樑，等.天津城市熱島效應演變特征研究[J].生態環境，2007，16（2）：280-284. HAN S Q，GUO J，HUANG S L，et al.Study on the evolution of urban heat island in Tianjin city[J].Ecology and Environment，2007，16（2）：280-284（in Chinese）.

[17]覃志豪，ZHANG M H，ARNON K，等.用陸地衛星TM6數據演算地表溫度的單窗算法[J].地理學報，2001，56（4）：456-466．QIN Z H，ZHANG M H，ARNON K，et al.Mono-window algorithm for retrieving land surface temperature from Landsat TM6 data[J].Acta Geographica Sinica，2001，56（4）：456-466（in Chinese）．

[18]覃志豪，李文娟，徐斌，等.陸地衛星TM6波段范圍內地表比輻射率的估計[J].國土資源遙感，2004，3（61）：28-41. QIN Z H，LI W J，XU B，et al.The estimation of land surface emissivity for Landsat TM6[J].Remote Sensing for Land Resources，2004，3（61）: 28-41（in Chinese）.

（責任編校 亢原彬）

Cooling effect of urban parks on urban thermal environment：a case of Tianjin

GAN Shuanga，YANG Yanlia，SUN Yanlinga，WANG Zhongliangb
（a.College of Urban and Environment Science，b.Tianjin Key Laboratory of Water Resources and Environment，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China）

In order to learn the impact of urban park on urban thermal environment，the cooling effect of characteristics elements of the six district of Tianjin city park on surrounding environment was studied by inverting land surface temperature of Tianjin downtown and analyzing the buffer of all parks based on Landsat8 remote sensing image.Results showed that on one hand，cooling scope，cooling amplitude and cooling rate of the parks were different，and the cooling amplitude and distance approximation falled into a quadratic polynomial fitting.On the other hand，the cooling effects of different park characteris-tics elements on surrounding environment were different，and the park grass area proportion had the largest correlation with cooling scope，cooling amplitude and cooling rate while they falled into a quadratic polynomial fitting.

urban heat island effect；urban park；Tianjin city；cooling effect；cooling scope；cooling amplitude；cooling rate

P461

A

1671-1114（2016）04-0033-06

2016-03-17

國家自然科學基金資助項目（41001022，31270510）；國家科技支撐計劃項目課題資助項目（2012BAC07B02）；教育部新世紀優秀人才支持計劃資助項目（NCET-10-0954）；天津師范大學市級重點實驗室開發研究基金課題資助項目（YF11700102）.

甘 爽（1994—），女，本科生.

孫艷玲（1977—），女，副教授，主要從事資源環境遙感與全球變化方面的研究.