城市公園的冷島效應研究——以常州市為例

王新軍,馮星瑩,陳凱莉,高吉喜

城市公園的冷島效應研究——以常州市為例

王新軍1,2,馮星瑩1,3,陳凱莉1,3,高吉喜4*

(1.常州工學院藝術與設計學院,江蘇 常州 213022；2.生態環境部南京環境科學研究所,江蘇 南京 210042；3.常州大學藝術學院,江蘇 常州 213016；4.生態環境部衛星環境應用中心,北京 100094)

在長江三角洲地區快速城市化的常州市內研究公園組成與冷島效應的量化關系.基于Landsat 8TIRS和天地圖高分辨率遙感影像提取公園指標以及冷島效應指標.使用輻射傳輸方程法反演研究區的地表溫度,使用ArcGIS的緩沖區分析和分段回歸的方法研究每個公園的地表溫度、降溫范圍和降溫幅度作為冷島效應指標;提取公園的周長、面積,并計算融合指數作為公園組成指標,在天地圖高清遙感影像中提取公園的綠地覆蓋率、水體覆蓋率、不透水面覆蓋率以及喬木覆蓋率作為公園地表覆蓋指標.通過相關性分析和回歸模型研究,發現公園的面積為26hm2、周長閾值為3600m,公園的面積和周長在閾值范圍內能夠發揮較強的降溫效率,超過閾值則降溫效率下降.公園的融合指數與冷島效應呈線性相關關系,融合指數較小的公園能獲得較大的降溫幅度.公園的喬木覆蓋率、水體覆蓋率與公園內部的地表溫度呈顯著相關關系,不透水面覆蓋率、綠地覆蓋率與公園內部的地表溫度相關性不顯著.公園規劃設計需要結合公園的面積、周長閾值,融合指數的數值以及喬木、水體的覆蓋率,充分發揮公園的冷島效應.

Landsat 8；輻射傳輸方程；冷島效應；公園規劃設計；公園組成

我國城鎮化率由2000年的36.2%增加到2019年的60.6%[1],快速城鎮化不僅增加了城市內人口數量,而且改變了城市地表覆蓋,使不透水面不斷增加而自然植被持續減少[2-3],進而改變了城市地表對太陽輻射的反射與吸收屬性,使城市地表升溫[4].城市與郊區的溫差被稱為熱島效應[5],熱島效應是21世紀最重要的環境問題之一[6],不僅加劇了城市內的大氣污染[7],而且增加能源、水的消耗,影響人體健康,引發心臟、肺部疾病[8-10].本世紀全球仍處在變暖的趨勢中,升溫的幅度與人類活動密切相關,全世界應共同努力將升溫控制在1.5℃范圍內[11].全球變暖的大背景將強化城市熱島效應,因此研究如何減緩城市熱島效應成為全球范圍的關注點.

國內外越來越多的研究表明城市綠地是緩解城市熱島效應應用最廣泛的方法[12-15].首先,植物的樹冠可以阻擋太陽輻射進入下層空間,從而降低地表溫度[16];其次,通過蒸騰作用植物可以消耗大量的太陽輻射降低葉片溫度[14],進而降低周邊環境的溫度.例如,將公園內樹冠覆蓋率從25%增加到40%,白天可以降低0.5℃的環境溫度[17].城市公園被廣泛用來研究城市綠地的降溫功能,有的研究使用空氣溫度的變化來評價城市綠地的降溫效果[18-20];由于從衛星熱紅外波段反演得到的地表溫度與空氣溫度高度正相關[21],越來越多的研究使用地表溫度來評價城市綠地的降溫效果[22-23],本研究也將使用地表溫度來研究公園綠地的冷島效應.城市公園綠地的面積、形狀、綠地覆蓋率、不透水面覆蓋率、水體覆蓋率是公園規劃設計的重要內容,對城市綠地的降溫效應也有重要的影響,有研究表明綠地覆蓋率、水體覆蓋率與降溫幅度呈正相關關系,而不透水面覆蓋率與降溫幅度呈負相關關系[19,24-26].城市綠地的面積與降溫幅度呈非線性關系,如果綠地面積超過閾值,降溫效應就會大幅降低.城市綠地面積閾值因城市而異,廈門的公園面積閾值約為55hm2[24],上海公園面積閾值約為40hm2[25],香港,雅加達,孟買和新加坡的城市綠地面積閾值約為0.60～0.62hm2,高雄,吉隆坡和臺南的城市綠地面積閾值約為0.92～0.96hm2,溫度、濕度都較高的低緯度地區的綠地面積閾值比較小[27].城市綠地的周長與冷島效應的量化研究還比較少,有研究發現冷島效應會隨城市綠地周長的增長而增強,同樣存在閾值關系,在周長閾值范圍內,綠地周長的增加能夠大幅增強冷島效應,當周長超過閾值時,冷島效應增加的幅度放緩,長春市城市綠地周長的閾值為2500m[28].較為復雜的城市綠地形狀與周邊環境有較長的接觸面能夠增加綠地與周邊環境的能量交換,可增強城市綠地的冷島效應[25];然而有一部分研究表明規則的城市綠地輪廓形狀更能夠增強冷島強度[19],由此可見城市綠地冷島效應的研究還存在很多的不確定性,需要更多的研究.

不少研究已經從不同角度,不同城市研究了城市公園的冷島效應,但是人口密度較大、城鎮化率較高的城市還需要更多的研究,公園周長對冷島效應的影響還需進一步探討,以應對全球氣候變化帶來的挑戰.本文以常州市公園綠地做為研究對象,研究目標包括:在城市綠地斑塊的尺度上研究公園的面積、周長、融合指數與冷島效應的量化關系;研究公園綠地的地表覆蓋類型與冷島效應的量化關系;城市公園規劃設計中的應用.

1 研究區概況與研究對象

常州市(31°09′N--32°04′N,119°08′E--120°12′E)位于江蘇省南部,地處長江下游南岸,太湖流域水網平原,為北亞熱帶濕潤區域[29].到2019年末,全市人口為473.6萬人,人口密度約為1079人/km2,城鎮化率73.3%,城市綠地覆蓋率約為43%[30].從1952年到2006年間統計的常州市夏季平均氣溫為26.7℃[31].本研究選擇常州(包括溧陽市)城市中心范圍內的24個公園綠地作為研究對象,公園面積2.73hm2～ 166.7hm2,包含輪廓規則的公園和輪廓不規則的公園,組成結構有明顯差異,圖1.

圖1 常州市24個公園位置及分布

2 材料與方法

2.1 遙感數據源

選取2019年8月21日的Landsat 8TIRS遙感數據,條帶號119,列編號38,云量覆蓋接近0,為影像的解譯提供了保證,研究區域無需拼合.該衛星過境時間為上午10:20,經中國氣象數據網(http://data. cma.cn/)查詢常州市衛星過境當天10:00氣溫約為33℃.

2.2 研究方法

2.2.1 公園指標的提取 選擇面積、周長、融合指數作為公園組成指標,綠地覆蓋率、樹木覆蓋率、水體覆蓋率、不透水面覆蓋率作為公園的地表覆蓋指標.在Arcmap 10.6中提取各個公園的面積、周長,由于公園的面積越大,周長也就越長,因此使用公園周長與面積的比值作為公園的融合指數研究公園輪廓對冷島效應的影響[24,32].該指標可以反映公園與周邊環境的接觸面積,當公園面積相同時,融合指數越大,則城市公園和周邊環境的接觸面就越多[33],反之亦然.

參考已有研究,將公園的地表覆蓋類型分為4類:林地(喬木為主,其他植被少于10%的綠地)、草地或灌木(草坪或灌木為主,其他植被少于10%的綠地)、水體和不透水面(包含道路、廣場和建筑等硬質景觀)[34].天地圖提供了0.6m分辨率的高清遙感影像,使用天地圖常州(http://www.mapcz.com.cn/)通過人工目視解譯的方式提取4類公園的地表覆蓋的信息,見表1.

2.2.2 冷島效應指標的計算方法 有研究對比了蘇南太湖地區輻射傳輸方程法、單通道算法和分裂窗算法3種地表溫度反演的方法,結果發現輻射傳輸方程法反演的地表溫度數據最接近實測值,因此本研究也使用相同的方法進行地表溫度的反演探討公園綠地的冷島效應[22,25,35],反演結果如圖3所示.選擇公園的平均地表溫度、降溫幅度、降溫范圍三個指標來表示公園綠地的冷島效應[24].使用Arcmap 10.6提取ENVI5.3中反演的地表溫度可計算出公園的平均地表溫度.降溫范圍的計算需要將研究區的地表溫度反演結果作為輸入圖層,首先在ArcGIS 10.6中以公園輪廓為基礎建立間距為15m,長度為1005m的緩沖區,把公園外部空間劃分成67個間距為15m的環;然后在Arcmap 10.6中統計出每個環的平均溫度,環與環之間的溫差可以反映在公園外部地表溫度的變化情況;最后在Origin 9中通過散點圖與分段回歸的方法確定緩沖區地表溫度變化趨勢的拐點位置,即公園綠地的降溫范圍,而拐點處的地表溫度與公園的平均地表溫度的差值ΔT就是公園的降溫幅度,即拐點溫度與公園地表溫度之差[25].拐點位置的判斷,見圖2, 拐點位置(降溫范圍)為465m,拐點位置的地表溫度為41.07℃,降溫幅度=拐點溫度-公園地表溫度=4.05℃.

圖2 分段回歸法計算西林公園的冷島效應分析

2.3 數據分析

為了研究城市公園的組成結構對冷島效應影響,使用SPSS 22分析公園組成與地表覆蓋與公園綠地的冷島效應指標的相關性.根據相關性檢驗結果,構建擬合模型,研究二者之間的量化關系.

3 結果

3.1 公園的指標及其空間分布特征

24個公園的面積中位數為13.68(7.76, 27.48) hm2,周長為1563.05(1255.00,2722.31)m,面積和周長最小的公園為人民公園,面積為2.73hm2,周長為749.51m,最大的是金壇區城南公園面積166.70hm2,周長12069.54m.融合指數為125.17 (93.03,176.25),最大的公園是人民公園,最小的是燕山公園.公園的水體覆蓋率中位數為23.53(16.76, 28.67)%,綠地覆蓋率為57.23(46.65,62.87)%,不透水面覆蓋率為19.26(16.55,28.70)%,喬木覆蓋率為45.37(39.73, 52.18)%.與其他綠地地表覆蓋不同的是,所有的公園內都包含水體,而且大部分公園的水體面積大于不透水面;通過實地調研和高清衛星遙感影像分析發現,公園內的不透水面空間分布較為分散,而且喬木覆蓋率較大,靠近不透水面的樹冠能夠阻擋一部分不透水面的太陽輻射,比如布置在綠地中的道路或廣場,受到喬木樹冠的影響,減少了不透水面吸收的太陽輻射量.

3.2 公園指標與冷島效應的相關性

公園的地表溫度要低于城市中心區的平均溫度,見圖3.公園地表溫度的平均值為(36.90± 1.15)℃,地表溫度最高的公園是文化廣場(39.30℃),最低的是圩墩公園(34.90℃).降溫幅度平均值為(3.54±0.89)℃,降溫幅度最大的公園是圩墩公園(5.13℃),降溫幅度最小的是文化廣場(1.68℃).降溫范圍的中位數為172.5(90.0,397.5)m,降溫范圍最大的公園是天琴公園(570m),最小的是毓秀園(39m),見表1.

表1 公園組成結構與冷島效應指標

表2 公園結構與冷島效應Spearman相關性分析

注:** 相關性在0.01上顯著,* 相關性在0.05上顯著.

通過SPSS 22的Kolmogorov-Smirnov檢驗,公園的10個指標中有5個指標的數據呈非正態分布,分別是:面積、周長、降溫范圍、不透水面覆蓋率、喬木覆蓋率;另外5個呈正態分布,分別是:地表溫度、降溫幅度、公園的融合指數、水體覆蓋率、綠地覆蓋率.存在非正態分布的數據適合使用Spearman進行相關性分析[36],結果發現地表溫度與公園面積、周長呈顯著負相關關系(<0.01),與水體覆蓋率和喬木覆蓋率呈顯著的負相關關系(<0.05),與融合指數呈顯著的正相關關系(<0.01),與綠地覆蓋率、不透水覆蓋率相關性不顯著.降溫幅度與面積、周長呈顯著正相關關系(<0.01),與喬木覆蓋率呈顯著正相關關系(<0.05),與融合指數呈負相關關系(<0.01),與水體覆蓋率、綠地覆蓋率、不透水覆蓋率相關性不顯著.降溫范圍與公園組成結構相關性皆不顯著,見表2.

圖3 研究區及24個公園與研究區域的地表溫度分布

3.3 公園組成指標與冷島效應的量化關系

基于相關性分析,構建公園面積、周長、融合指數與冷島效應的擬合模型,研究公園組成與冷島效應之間的量化關系.擬合模型的結果表明公園的地表溫度、降溫幅度與面積、周長呈指數函數關系,與融合指數呈線性關系(表3).隨著公園面積的增大,公園內部的地表溫度增加的幅度逐步降低.表3中模型(1)能夠解釋43%由公園面積對地表溫度的變異,公園面積閾值為26hm2,對應的地表溫度為36.52℃.在閾值范圍內時公園面積每增加1hm2平均降溫0.1℃,在27～167hm2之間時,平均降溫0.01℃.模型(2)解釋39%周長對地表溫度的變異,其閾值為3600m,周長閾值范圍內時每增加100m平均降溫0.12℃,在3600～12000m之間,平均降溫0.02℃;模型(3)解釋了融合指數對公園地表溫度的影響,融合指數每增大10,公園地表溫度增高0.1℃.

對于公園外部環境的溫度,模型(4)解釋27%的由公園面積對外部環境降溫幅度的變異,閾值為26hm2.公園面積在閾值范圍內時,公園面積每增加1hm2降溫幅度平均增加0.06℃,在27～167hm2之間時,平均降溫0.006℃.模型(5)解釋26%的由公園周長對外部環境降溫幅度的變異.該模型的閾值為2000m,當公園周長小于2000m時,每增加100m的周長,降溫幅度平均增加0.11℃;當公園周長在2000m～12000m之間時,每增加100m的周長,降溫幅度平均增加0.01℃.模型(6)解釋25%的融合指數對周邊環境降溫幅度的變異.公園融合指數每增加10,公園的降溫幅度減少0.08℃.公園融合指數與降溫幅度呈負相關關系.當公園面積保持不變時,公園的周長越長,其輪廓形狀就越復雜,公園的周長越小,其輪廓形狀就越簡單;輪廓形狀復雜的公園融合指數大,產生的降溫幅度小;輪廓形狀簡單的公園融合指數小,公園的降溫幅度就大,有利于公園形成較強的冷島效應.

表3 公園結構與冷島效應擬合模型

3.4 公園地表覆蓋與冷島效應的量化關系

其次,以同樣的方法研究降溫幅度的逐步回歸模型,同樣移除了綠地覆蓋率與不透水覆蓋率,= 0.69+0.05+0.04(2=0.44,=0.002),此模型能夠解釋44%的由公園地表覆蓋對降溫幅度的影響,保持喬木覆蓋率不變,增加公園內10%的水體覆蓋率可以增加0.4℃的降溫幅度;保持水體覆蓋率不變,增加公園內10%喬木覆蓋率可增加周邊環境0.5℃的降溫幅度,喬木對公園周邊環境的降溫幅度的影響要強于水體.

通過上述研究可知,公園的面積閾值為26hm2,周長地表溫度閾值為3600m,降溫幅度的閾值為2000m,因此當周長大于3600m時能夠帶來公園內最高效的地表溫度的降溫效果,較高效率的周邊環境的降溫幅度;地表覆蓋中水體覆蓋率和喬木覆蓋率是產生冷島效應重要指標,而綠地覆蓋率、不透水面覆蓋率在公園這類綠地中對冷島效應的影響不大;小的融合指數有助于公園形成較強的冷島效應.因此上述指標是城市公園規劃設計中要考慮的重要內容,其量化關系有助于綠地規劃設計和城市規劃管理人員從公園規劃設計角度提升其冷島效應.

4 討論

4.1 公園的組成對冷島效應的影響

已有的研究表明公園的面積與冷島效應呈正相關關系,城市綠地的冷島效應會隨著面積的增大而增強,在不同地區公園的面積閾值也不相同,在面積閾值范圍內,綠地面積的增大會大幅增強冷島效應,超過面積閾值時,冷島效應增加的幅度放緩[24-25,28,37].本研究也驗證了公園面積與冷島效應存在閾值關系,且常州市公園的面積閾值為26hm2,在閾值范圍內增加城市公園綠地的面積是增強城市綠地冷島效應的重要策略.

目前城市綠地的周長與冷島效應的量化研究受到的關注還不夠,與已有的研究相似,本研究發現若要同時取得公園內和公園外最高效的冷島效應,則常州市公園的周長的閾值應為3600m,大于長春市城市綠地周長的閾值2500m[28].周長與公園的面積、公園的輪廓復雜程度都有關系.公園的輪廓形狀與冷島效應的相關性仍然存在不確定性,有研究表明與外環境接觸面大的公園輪廓有助于形成冷島效應[25],也有研究表明與外環境接觸面少的公園輪廓有助于形成冷島效應[38],因為較大的接觸面會增加公園與外界環境進行能量交換的機會,而這樣會減弱公園的冷島效應[39].本研究發現融合指數與降溫幅度呈負相關關系,公園的與外部環境的接觸面越小,越有利于公園形成較強的冷島效應.將面積、周長和融合指數相結合可以發現,公園的周長和面積在閾值范圍內、融合指數值越小越有助于高效發揮降溫功能.

4.2 公園的地表覆蓋與冷島效應

公園的地表覆蓋類型對冷島效應的發揮有不同的影響.公園的水體覆蓋率、喬木覆蓋率都能夠降低地表溫度[25],是重要的冷源,在本研究中也得到了驗證,而且公園內樹木覆蓋率與水體覆蓋率在降低園內地表溫度上作用相同,但是樹木對周邊環境的降溫效果要強于水體.有研究發現不透水面能夠增加公園內部的地表溫度,不透水面覆蓋率越大,公園的地表溫度越高[24],本研究未發現不透水面覆蓋率與地表溫度有顯著的相關關系.原因是本研究中的公園不透水面覆蓋率較低,中位數為19.26(16.55, 28.70)%,而且空間分布較分散,受喬木的遮蔭效果影響減少了太陽輻射量,比如公園中的道路、廣場旁喬木的樹冠阻攔了部分太陽輻射.同時公園中喬木與水體的降溫效果也弱化了公園內不透水面的增溫效應.本研究發現公園中的綠地覆蓋率與地表溫度相關性亦不顯著,主要是由于草坪、灌木的降溫效果遠低于喬木[18].

4.3 公園規劃設計中的應用

公園是城市重要的綠地類型,在改善城市熱環境,降低城市地表溫度發揮重要的功能[19,38].但是城市土地資源有限,在公園的規劃設計中應充分考慮公園面積、周長的閾值在冷島效應方面的作用,以及融合指數對冷島效應的影響.公園的規劃設計應結合閾值范圍合理控制公園的面積、周長以獲得效率較高的降溫效果;設計融合指數較小的公園形狀,具有較強的冷島效應.

在公園的設計中增加喬木覆蓋率和水體覆蓋率能夠降低公園地表溫度和降溫幅度,因此應提高喬木覆蓋率和水體覆蓋率.雖然本研究未發現不透水面覆蓋率與地表溫度的存在相關關系,這是由于公園較為特殊的綠地空間分布形成的,但是大量的研究表明不透水面能夠增加地表溫度[40-42],因此公園設計需要充分利用喬木樹冠阻擋不透水面吸收太陽輻射.

5 結論

5.1 公園的面積、周長與冷島效應存在閾值關系,常州地區的公園綠地面積閾值為26hm2,周長閾值為3600m,閾值范圍內公園可產生高效的冷島效應;超過閾值,公園綠地產生的冷島效應的效率降低,即隨著公園面積或周長的增加,與之相關的冷島效應(降溫幅度、地表溫度)的變化量要小于閾值內的變化量;融合指數小的公園,能發揮較強的冷島效應.

5.2 公園的喬木覆蓋率和水體覆蓋率既可以降低公園內的地表溫度也可以增加周邊環境的降溫幅度,能夠影響公園內外的環境溫度,是產生冷島效應的重要地表覆蓋類型.而公園的綠地覆蓋率、不透水面覆蓋率與冷島效應的相關性不顯著.

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Study on the cooling effect of urban parks base on the case of Changzhou, Jiangsu, China.

WANG Xin-jun1,2, FENG Xing-ying1,3, CHEN Kai-li1,3, GAO Ji-xi4*

(1.School of Art and Design, Changzhou Institute of Technology, Changzhou, 213022, China；2.Nanjing Institute of Environmental Science, Ministry of Ecology and Environment, Nanjing, 210042, China；3.School of Art, Changzhou University, Changzhou 213016, China；4.Ministry of Ecology and Environment Center for Satellite Application on Ecology and Environment, Beijing 100094, China)., 2021,41(9)：4245～4252

This research selected parks in Changzhou, a rapidly urbanizing city in the Yangtze River Delta, to study the relationship between the composition of parks and their cooling effect. The park composition indicators and cooling effect indicators were extracted from high-spatial-resolution images created by Landsat 8TIRS and Tianditu. Land surface temperatures of the researched area were retrieved by the radiation transfer equation, and buffer analysis of ArcGIS, piecewise regression were used to analyze cooling effect indicators of each surveyed park, including the land surface temperature, the temperature drop range and the temperature drop amplitude. The perimeter, area and integration index of the parks were measured as their composition indicators. Afterwards, park land cover indicators, namely, the green coverage, water coverage, impervious surface coverage, and tree coverage were extracted from high-definition remote sensing images of Tianditu. Correlation analysis and the regression model between the park indicators and the cooling effect revealed that the temperature drop amplitude was nonlinearly related to the area and perimeter of a park, and the threshold were 26hm2and 3600m respectively, which means that a park has a strong cooling effect with its area and perimeter within the threshold, while the cooling effect decreases with its area and perimeter exceeding the threshold. A second finding was that the integration index of a park had a linear correlation with the cooling rate, meaning greater cooling effect for parks with a lower integration index. The third finding was that the tree coverage and water coverage of a park were strongly correlated with the surface temperature inside the park, while the impervious surface coverage rate and green space coverage rate showed no significant correlation with the land surface temperature inside the park. Based on the three findings, it was concluded that to give full play to an urban park’s cooling effect, planners and designers need give a thorough consideration of its area and perimeter thresholds, integration index value, and tree and water coverage.

Landsat 8；the radiation transfer equation；park planning and design；cooling effect；park composition

X171,X16,P463

A

1000-6923(2021)09-4245-08

王新軍(1978-),男,河南虞城人,副教授,博士,主要從事城市綠地的生態功能研究.發表論文40余篇.

2021-02-11

國家重點研發計劃(2017YFC050660);常州市城管局科技項目(19-20JH13)

* 責任作者, 研究員, gjx@nies.org