城市綠地的熱島效應緩解作用
——以常德市城市公園為例

□ 喬瑋潔

城市下墊面的改變使城市市區溫度高于周邊郊區或者更偏遠區域的溫度，形成城市熱島效應，也成為城市熱環境惡化的主要原因，不利于居民生活健康[1]。研究表明，城市公園在緩解城市熱島效應方面有顯著作用，建設系統的城市公園綠地系統，將是緩解極端城市氣候、提高居民生活幸福指數的重要途徑。而當城市綠地被“灰色”基礎設施侵占時，對應區域的地表溫度將會升高，且影響地表濕度指數[2]。過往研究顯示，綠地面積、歸一化植被覆蓋指數（NDVI）、植被覆蓋度（FVC）等綠地基本特征值對降低地表溫度有決定性影響[3]。岳曉蕾等通過對保定中心城區的城市綠地不同的時間序列進行分析，對綠地面積與降溫效率進行定量研究，結果表明不同城市綠地類型對于城市地表溫度有不同的降溫效率[4]；佟華等以北京為例，對綠地規劃形態對于夏季城市熱島緩解影響進行了分析論證，證明城市綠地的形態將影響自然風向，同時對周邊區域有降溫作用[5]。綜上所述，學界對于城市公園的內部基本特征及其周邊環境的降溫效率研究還不夠深入，對地表參數指標與降溫效率的關系的研究還可進一步加強。本文在前人研究基礎上，通過對湖南省常德市夏季城市公園的遙感數據進行分析，探究公園內部基本特征與地表溫度的關系，同時進一步研究其綠地面積、水體面積、NDMI與公園周邊緩沖區的地表溫度的關系，旨在為城市綠地系統規劃提供一定的參考策略。

1 研究區域及研究數據

本研究范圍為湖南省常德市武陵區，其地處大陸性亞熱帶季風氣候區，總面積約29.53km2。本研究集中對武陵區中心5個面積較大、使用人員密集的城市公園進行分析，分別為濱湖公園、屈原公園、白馬湖公園、丁玲公園以及詩墻公園。該5個公園內部特征參數、地理位置以及周邊用地性質均有異質性，其研究結果具有一定的代表性。

本次研究數據選取2017年8月Landsat 8衛星遙感數據，空間分辨率為30m，該數據云量少、影像清晰，同時包含熱紅外波段（SWIR）。研究首先利用ENVI5.4軟件對遙感數據進行前期處理，通過熱輻射定標、大氣校正、影像矢量圖形裁剪等基本處理后，對常德市武陵區5個城市公園內部的綠地面積、水體面積進行測量，并用ArcGIS劃分出間隔100m、總計寬度為500m的公園周邊緩沖區，進一步提取公園內部的FVC、NDMI以及LST，并對緩沖區的基本地表參數與LST進行擬合分析，研究公園特征以及緩沖區對城市熱島效應的降溫影響。

2 研究方法

2.1 地表特征參數提取

通過ENVI5.4將遙感數據進行反演，分別對城市公園與周邊緩沖區的地表特征參數進行提取。

（1）選擇TM5和TM4波段得出歸一化植被指數（NDVI）（如公式1），在此基礎上進一步計算植被覆蓋率（FVC）（如公式2）：

（2）利用TM5和TM6波段進行歸一化濕度（NDMI）地表特征參數的運算（如公式3）：

（3）經過計算地表比輻射率、黑體在熱紅外波段的輻射亮度［B（TS）］（如公式4），根據普朗克公式的反函數求得真實的地表溫度（LST）（如公式5）：

其中：公式4中，ε為輻射率，τ為大氣透過率，TS為地表真實溫度。公式5中，Landsat8 ETM+遙感圖像中，K1=774.89，K2=1321.00。

2.2 分析方法

第一，計算公園內部的植被覆蓋度、歸一化濕度指數、地表溫度等基本地表特征參數ASCII數據的平均值，通過對公園基本特征參數的測量與提取，進行內部各特征指數的相關性分析，同時分析其p值，并進行各參數的回歸分析，對比R2系數；采用皮爾遜相關系數分析，取值范圍為[-1,1]。第二，通過對緩沖區內的地表基本參數進行計算，運用SPSS 20完成相關性分析，并進行曲線擬合分析。

3 結果與分析

3.1 城市公園地表參數與內部溫度的關系

研究范圍中的公園擁有不同的下墊面占比構成（如水體面積、綠地面積等）參數特征，其中城市公園綠地面積排序為屈原公園＞白馬湖公園＞丁玲公園＞濱湖公園＞詩墻公園（0.13km2＞0.12km2＞0.11km2＞0.10km2＞0.01km2），水體面積大小為濱湖公園＞白馬湖公園＞丁玲公園＞屈原公園＞詩墻公園（0.19km2＞0.15km2＞0.10km2＞0.03km2＞0km2）。經過ENVI軟件對遙感影像的分析，發現各個公園地表溫度如下：丁玲公園＞詩墻公園＞白馬湖公園＞屈原公園＞濱湖公園（39.65℃＞38.24℃＞38.18℃＞37.56℃＞36.31℃），其中屈原公園周長最長，為4.8km，白馬湖公園為武陵區范圍內總面積最大的城市公園。基于數據的相關性分析可得（如表1所示），研究范圍內的城市公園的總面積、周長、綠地面積以及水體面積等固有屬性參數，與公園內部溫度無顯著相關性，但其綠地面積、水體面積依舊對降低城市地表溫度有積極影響。其他特征參數如NDMI以及FVC與LST呈顯著負相關，其中NDMI相關性系數為-0.96，低于0.01，與內部溫度呈強顯著負相關。

表1 公園特征參數與內部地表溫度相關性

通過線性回歸分析，公園內部FVC隨著植被面積增加而升高，與前人研究中提到綠地面積與FVC呈正相關的研究結果一致，同時對熱環境有一定的降溫作用[6]。此外，分析結果顯示NDMI與水體面積呈正比關系，當公園內部或周邊有大面積水體時，其對LST的降溫影響指數高于綠地面積，即在緩解城市熱島效應中，水體比綠地作用更為明顯。

3.2 緩沖區特征參數對城市熱環境的影響

緩沖區內部地表參數與降溫幅度的相關性分析結果顯示，城市公園周邊緩沖區對城市地表溫度存在一定的降溫效果，緩沖區內的FVC與降溫幅度呈現顯著正相關，可增強城市公園的降溫效應，而數據顯示NDMI與降溫幅度呈負相關，某些學者的研究成果相左。通過對緩沖區的整體研究發現，由于屈原公園以及詩墻公園的特殊濱河地理位置，其周邊緩沖帶多為水體，而研究證明，NDMI受其影響較大。為進一步探討緩沖區內歸一化濕度指數與降溫之間的關系，本研究選取以屬性參數相似、公園內部溫度差異較大的屈原公園與丁玲公園的緩沖區為例，通過采用線性函數、二次函數、立體函數指數函數進行相關數據擬合分析，結果顯示NDMI與累計降溫為非線性函數關系，丁玲公園周邊緩沖區NDMI與累計降溫的回歸函數表達式為：y=-0.037x+0.007x2+0.131，R2=0.112；屈原公園的回歸函數表達式為：y=-0.027x+0.042x2+0.14，R2=0.741。通過進一步對比，屈原公園在周邊水體影響下，比所處內陸的丁玲公園的累計降溫速度更快，效果更明顯。從圖示中可看出，濱河的屈原公園曲線擬合的R方系數為0.741，證明研究具有較好的代表性。該結果表明在城市規劃過程中，通過合理的城市公園周邊環境設計，適當提高植被覆蓋度以及歸一化濕度指數，將能增強城市公園緩解熱島效應的效率。

4 結論

本文以湖南省常德市武陵區中大型城市公園為例，對公園內部，如綠地面積、水體面積、總面積、總周長等基本公園特征以及LST、NDMI、FVC等基本地表特征指數進行相關性分析，并通過進一步研究城市公園周邊500m緩沖區的地表參數，得出城市綠地在緩解城市熱島效應中的重要性。基本結論如下。

（1）公園內部的綠地面積與水體是影響地表溫度的重要因素，與地表溫度變化雖無顯著相關性，但是對改善熱環境有積極影響。

（2）公園的部分內在屬性，如總面積、周長，對地表溫度無明顯影響，在進行城市公園規劃設計時，不能一味追求公園面積，而應更重視其內在結構設計。

（3）提高公園周邊緩沖區內部的植被覆蓋度以及歸一化濕度指數有助于調控地表溫度，可考慮在城市綠地規劃與建設中可增加綠地與水體面積，以降低城市地表溫度。

此外，本研究由于研究方法以及研究場地具有一定的局限性，遙感數據存在一定的時間誤差，且由于為夏季時期數據，無法解釋冬季時期的城市公園地表參數對降溫效率的影響，同時還應充分考慮城市公園以及周邊環境的其他溫度影響要素，如植被的種類與高度、鋪裝類型以及周邊建筑占地面積等，在將來的城市綠地相關研究中，還需更系統、更量化地探究城市熱島效應的影響因素，以更直觀、有效地為城市設計者提供價值參考。