城市生態用地冷效應研究
——以深圳市為例

劉前媛， 周苑媛， 李云鵬

(成都市規劃設計研究院, 四川成都 610041)

人類活動對全球物質循環和能量流動影響顯著，迅速而劇烈地改變著自然生態系統[1-2]。城市的生態系統的結構、功能及動態都有顯著的人為特征[3]。城市化進程中不透水面大量替代植被、土壤等自然和半自然地表，導致物種豐度降低、土壤性狀退化、局地氣候模式變化等[4-8]。城市熱島效應(UHI)，即城市溫度(氣溫、地表溫度)高于其周圍郊區的現象[9-10]。UHI是城鎮化造成城市景觀格局變化和人為熱引起的典型城市環境問題[11-12]。城市高溫風險日益突出，嚴重影響城市的舒適度和宜居性，成為建設生態宜居城市亟需解決的問題。為了實現城市的可持續發展，有必要研究極端高溫氣候的形成機制和改善對策[13]。

城市生態用地特有的冷效應能減緩城市熱環境問題。城市生態用地冷效應是指城市生態用地通過吸收周圍環境多余熱量，提高空氣相對濕度，達到整體上降低空氣溫度的作用[14]。不同用地類型土地具有不同溫度，不透水面具有高溫，城市生態用地具有低溫已達成共識[2,7]。目前，對城市生態用地研究較多通過分析景觀指數與城市熱島效應的關聯規律，探討不同景觀組分、空間結構城市生態用地降溫效果。郭冠華等[15]指出隨粒度的增加，弱勢熱力斑塊類型下降并向其相鄰斑塊轉移；景觀指數在類型水平及景觀水平上明顯受空間面積的影響，“臨界粒度”為150 m。其他學者則研究發現對于不同類型城市生態用地，如公園水體、住宅區綠地等，其面積、形狀指數與溫度呈負相關[16-17]，聚集度與冷島強度呈正相關[18]。就景觀組分和空間結構而言，Zhou等[19]對美國Baltimore市夏季的各類土地比例與地表溫度進行分析發現，建筑、路面和喬灌木的比例與LST顯著相關。Connors等[20]發現草地和不透水表面的比例土地覆蓋層最好地解釋了濕度適宜住宅區的溫度。但景觀指數、景觀組分和其空間結構與城市熱島效應關聯規律具有不確定性，有學者指出缺乏對閾值的辨識[21]。匡文慧等[22]基于EcoCity模型對北京市城市地表覆蓋結構組分與熱環境關系進行分析發現在不同功能區內城市綠地比例不同會導致熱調節作用不同，在植被覆蓋度低的區域，降溫作用非常明顯[22]。馮曉剛等[23]對西安市7個公園的冷效應進行研究，發現在公園水體面積不小于30%時，平均降溫范圍和幅度明顯升高，公園的降溫范圍與公園中綠地面積和水體面積呈現較強的正相關關系。

城市生態用地冷效應受多重因素限制，導致不同類型生態用地的降溫效果存在時空差異。針對不同類型、不同面積、不同形狀特征的生態用地，其冷效應的臨界強度尚未出現定量識別，有待深入研究。深圳市為中國第一個改革開放城市，過去30年多間城市人口膨脹超過30倍，如此劇烈的城市擴張導致自然景觀被迅速地改造成城市景觀，大規模建設使人工地表面積急劇增長，不可避免地帶來了城市熱島效應[3]。因此，本研究以深圳市為例，綜合采用GIS、RS方法和分段線性回歸，探討城市生態用地的冷效應以及界定有效閾值。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區概況

深圳市位于中國廣東省南部沿海地區，陸地轄區范圍為東經113°46′～114°37′，北緯22°27′～22°52′。深圳市屬亞熱帶海洋性季風氣候，夏季高溫多雨，年平均氣溫22.4 ℃，最高氣溫為38.7 ℃，年平均降雨量1 933.3 mm。本研究選取深圳市西部作為研究區域(圖1)，主要因為深圳西部社會經濟發展強度大，人口集中，更能代表典型快速發展城市熱環境問題，且避免多幅遙感影像在跨景拼接中產生的數值誤差。研究區包含寶安區、福田區、光明新區、龍崗區、龍華新區、羅湖區、南山區及鹽田區；面積1 537.39 km2，占深圳市總面積76.8%；土地利用數據如表1所示。

圖1 研究區地理位置

表1 深圳市研究區內各類土地面積 單位：km2

1.2 數據來源

本研究使用的基礎數據主要包括：①2000、2016年深圳市土地利用與覆被數據，用于剖析城市地表溫度與土地利用類型關聯關系；②2000、2016年地表溫度數據，空間分辨率為30 m，由Landsat8 OLI/TIRS遙感影像反演獲得，遙感影像源自地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/)，用于獲得城市地表溫度，為冷效應研究提供數據支持。

1.3 研究方法

1.3.1 地表溫度反演及景觀指數計算

基于ENVI 5.3平臺提取研究區，對其進行輻射校正、大氣校正、去云處理等遙感圖像預處理后基于單窗算法反演地表溫度[24]。基于ArcGIS 10.3平臺耦合地表溫度數據和土地利用數據，使用空間分析和地統計分析工具，分析不同土地利用類型均溫。

地表溫度反演公式見式(1)。

Ts=[a(1-C-D)+(b(1-C-D)+

C+D)TS-DTa]/C

(1)

式中：a=-67.355351，b=0.458606，C和D為中間變量，Ta為大氣平均作用溫度(K)。

在作用范圍、強度等分析中，基于Patch Analyst插件，計算城市生態用地斑塊面積和形狀指數，通過緩沖區分析對城市生態用地的冷效應進行研究分析，定量識別不同城市生態用地產生冷效應的降溫幅度和強度，基于分段線性回歸界定其冷效應的臨界面積及形狀特征。

1.3.2 分段線性回歸

本研究基于MATLAB R2014a編程實現分段線性回歸(Piecewise Regression)模型分析不同類型城市生態用地降溫效應的閾值。關注一個拐點的連續分段線性模型見式(2)。

(2)

式中：y表示溫度；x表示斑塊面積、距離等自變量；xbp表示拐點；β0為截距，β1和β2表示拐點前后的斜率；ε表示殘差；通過最小二乘法得到上各參數，并構造F統計量進行擬合檢驗。基于分段線性回歸，識別城市生態用地冷效應閾值。

2 結果與分析

2.1 深圳市地表溫度空間格局

深圳市研究區2000年、2016年地表溫度如圖2所示，不同土地利用類型均溫如表2所示。城市生態用地均溫都低于不透水面、裸地及耕地，溫度順序為不透水面>耕地>裸地>綠地>水體，且2016年均溫較2000年有微弱上升趨勢。

圖2 深圳市研究區地表溫度空間格局

2000—2016年高地溫區域呈現出面積增加并向外擴散的趨勢；高地溫區呈片狀分布，主要集中在工業園區、港區和機場區域等下墊面硬化程度強，人口往來頻繁區域。整體上，研究區內地溫空間分異明顯，呈現中西部強，東部弱的特征，與城市發展水平吻合。西部區域臨近珠三角區域在城市化過程中人口往來、經濟交流愈加頻繁，為新增工廠和居住地聚集區，城市熱島效應突出；低地溫區主要為綠地和水體。2000年除蛇口港、深圳機場和工業區，和集中居住區為高地溫區外，福田區和羅湖區幾乎整個區都為高地溫區域。2016年高地溫面積明顯增大，且呈現由中心向外擴散的趨勢，與城市建設擴張趨勢相同，主要集中在工業園區和港區，以及部分城中村高度集聚區域。羅湖區、福田區等由于舊城改造、加強城市生態建設，地溫降低最為明顯。

基于ArcGIS10.3平臺，使用地統計工具分析不同土地利用類型的溫度差異，結果如表2所示。

表2 不同土地利用類型均溫 單位：℃

2.2 城市生態用地降溫幅度及強度分析

本文選取在城市生態用地周圍的不透水面為研究對象，杜絕了因用地類型差異和空間配置等造成的誤差。以研究區邊界向內建立2 km緩沖區，采用研究區域邊界向內2 km緩沖區外的生態用地進行分析，避免研究區邊界外的影響[25]。以深圳市研究區2016年土地利用數據為基礎，對不同類型城市生態用地以5 m、10 m、15 m、20 m…100 m、150 m、200 m…900 m的距離分別建立緩沖區，分作以距城市生態用地5 m，5～10 m，10～15 m…800～900 m共計22個等級的空間范圍,分析城市生態用地的冷效應，探求降溫幅度及強度。降溫幅度定義為不透水面溫度超過研究區內均值時對應的最小距離，降溫強度定義為不透水面與城市生態用地的溫度差。以遠離城市生態用地的空間距離為橫坐標參數，以不同等級緩沖區內不透水面的平均地表溫度為縱坐標繪制散點圖。同樣基于分段線性回歸模型對降溫幅度有效閾值進行識別，R1為線性回歸擬合優度，R2為分段線性回歸擬合優度(圖3)。

圖3 城市生態用地降溫幅度及閾值分析

將綠地和水體2類城市生態用地的冷效應強度進行分析，結果有：

(1)綠地和水體2類城市生態用地外空間尺度與不透水面相關系數為0.590 2和0.807 7，在顯著性水平α=0.01下均通過檢驗。說明離生態用地距離與不透水面溫度呈高度正向關聯關系。

(2)城市生態用地在其周圍一定范圍內具有明顯冷效應。隨距斑塊空間距離的增加，冷效應作用強度逐漸減弱至消失。在0～100 m范圍內冷效應極其顯著，在超過200 m以后，冷效應逐漸減弱至無。不同類型城市生態用地冷效應作用范圍和強度都不同，以整個研究區內不透水面平均溫度為基準，綠地降溫幅度為200 m，降溫強度為1.2 ℃；水體降溫幅度為500 m，最大降溫強度為2.5 ℃。

(3)基于分段線性回歸分析可發現，分段回歸擬合優度遠高于簡單線性回歸，且通過F檢驗。對降溫幅度進行有效降溫閾值識別，發現綠地為150 m，水體為100 m。從不透水面平均溫度的增幅來分析，相對于0～100 m范圍中的急劇變化，在空間尺度100～200 m范圍內，綠地水體2類城市生態用地周圍不透水面平均溫度都保持平穩上升趨勢，但增幅極低。在此區域內，綠地周圍不透水面平均溫度增幅僅0.36 ℃，水體周圍不透水面平均溫度增幅為0.54 ℃，表明冷效應作用已經逐漸變弱。

2.3 城市生態用地景觀指數與內部溫度關聯關系

為討論不同類型城市生態用地的冷效應的作用規律和影響范圍，以斑塊為核心，從不同面積、不同形狀特征等方面定量分析城市生態用地的冷效應。由于各類城市生態用地斑塊總數過大，為更好進行擬合分析，故以各景觀指數數據自身標準差為基本劃分依據，將城市生態用地斑塊面積劃分為100個等級。考慮到本文采用的熱紅外數據最小分辨率為30 m，剔除面積小于0.1 hm2的斑塊(圖4)。

圖4 城市生態用地景觀指數與斑塊溫度散點

城市生態用地斑塊面積等級和形狀指數與斑塊平均溫度的關系見圖4，規律有:

(1)城市生態用地的斑塊面積、形狀指數都與斑塊平均溫度呈負相關關系。綠地斑塊面積等級與斑塊溫度相關系數為-0.469 9，斑塊形狀指數與斑塊溫度相關系數為-0.657 9；水體斑塊面積等級與斑塊溫度相關系數為-0.467 6，斑塊形狀指數與斑塊溫度相關系數為-0.519 8；分析樣本均不小于100，在顯著性水平α=0.001上，均通過檢驗，表明景觀指數與斑塊溫度高度相關。

(2)綠地形狀指數與斑塊面積擬合度最高R2為0.519 9。城市生態用地斑塊溫度受內部因素和外部因素的影響，內部因素中斑塊面積對斑塊溫度降溫程度明顯高于形狀指數，形狀指數與斑塊溫度負相關性最高，但均存在臨界作用閾值。對于綠地，當斑塊面積等級過小(面積小于4 hm2)時斑塊溫度波動非常大，斑塊空間位置和外部環境等外界因素對斑塊溫度影響程度高于內部因素影響程度；當斑塊面積等級處于15～60區間(4～38 hm2)時，兩者負相關關系非常明顯，溫度下降趨勢極大；超過60級后，斑塊面積的降溫作用逐漸削弱至無。對于水體，當斑塊面積等級處于1～20級(0.1～2.3 hm2)時，溫度波動幅度極大，溫差高達10.26 ℃；當斑塊面積等級處于21～50級(2.4～8.7 hm2)時，溫度逐漸降低；當斑塊面積等級超過50級后，斑塊溫度則無明顯變化。

(3)城市生態用地斑塊形狀特征對斑塊溫度也有降溫作用。對于綠地當斑塊形狀指數小于2.69時，溫度出現較大波動；當形狀指數處于2.69～4.58區間時，斑塊平均溫度呈現明顯下降趨勢，說明斑塊形狀指數的降溫作用超過其他增溫影響因素；當斑塊形狀指數超過4.58時，斑塊內部平均溫度變化波動幅度極微，趨向平穩狀態。對于水體，當斑塊形狀指數處于1～1.60區間時，斑塊內部平均溫度普遍偏高，遠遠高于研究區水體平均溫度；當形狀指數逐漸增加處于1.60～2.99區間時，形狀指數與平均溫度兩者負相關關系非常明顯，但仍存在個別波動幅度大的斑塊；當形狀指數超過2.99后，斑塊內部溫度波動趨向平緩，表明形狀指數對斑塊自身溫度的影響作用已經減弱至無。

2.4 城市生態用地冷效應面積、形狀指數閾值界定

城市生態用地對周圍環境存在降溫作用，且斑塊面積(PS)和形狀指數(LSI)影響城市生態用地內部溫度。本文將閾值定義為隨著面積或指數增大，外界不透水面溫度趨于平緩的第一個拐點值，即分段線性回歸識別的拐點。

2.4.1 同一類型不同斑塊面積等級城市生態用地對外降溫規律

為更加直觀的驗證城市生態用地冷效應強度與斑塊面積等級變化的規律，建立100 m緩沖區，提取緩沖區內不透水面斑塊溫度，以確保緩沖區內不透水面溫度僅受斑塊面積影響，探求同一類型不同面積等級城市生態用地斑塊對其外部不透水面區域的降溫影響規律(圖5)。

圖5 城市生態用地冷效應面積閾值識別

隨著斑塊面積等級的增大，城市生態用地降溫強度整體上呈現增加的趨勢。斑塊面積等級與不透水面溫度相關系數按圖順序分別為-0.651 0、-0.421 6，在顯著性水平α=0.001上均通過檢驗，表明斑塊面積等級與降溫強度高度相關。溫度總體上表現為隨面積增加而降低，但下降速度不均一，逐漸趨于平緩。基于分段線性回歸進行的閾值識別結果顯示當綠地面積超過162.88 hm2，水體面積超過24.48 hm2時，降溫作用趨于平穩。另外存在個別面積等級溫差波動幅度較大，側面證實了面積等級不是唯一影響城市生態用地降溫規律的因素。緩沖區內不透水面溫度普遍低于綠地，表明相對于綠地，水體隨著斑塊面積等級增加降溫效果更加明顯，這是由于水體熱容量更大，其降溫效果更強也更明顯。

2.4.2 同一類型不同形狀特征城市生態用地對外降溫規律

形狀指數變化對城市生態用地降溫效應作用的關系如圖6所示，形狀指數變化對降溫作用的影響程度雖然沒有斑塊面積的影響程度強，分析發現不透水面溫度隨形狀指數的增大而降低，形狀指數與不透水面溫度的相關系數按圖順序分別為-0.577 9和-0.398 5，在顯著性水平α=0.01上通過檢驗，表明斑塊面積等級與降溫強度高度相關。基于分段線性回歸的閾值識別綠地形狀指數為4.19，水體為1.77。

圖6 城市生態用地冷效應形狀指數閾值識別

3 結論與討論

本文對深圳市西部2000年及2016年的城市熱環境進行分析研究，主要結論：

(1)地表溫度空間分布表現為呈片狀交叉分布，多中心向外擴散，地表溫度空間分布格局變化與城市建設、擴張趨勢基本吻合。城市不透水面表現為高地溫區，城市生態用地則表現為低地溫區，但臨近不透水面的城市生態用地溫度普遍高于其平均溫度。

(2)城市生態用地對其周圍一定空間范圍內具有明顯降溫效果，隨著空間距離增加而降低。綠地降溫幅度為200 m，降溫強度為1.2 ℃；水體降溫幅度為500 m，降溫強度為2.5 ℃。基于分段線性回歸的有效作用范圍識別，綠地為150 m而水體為100 m；閾值存在表明當超過距離閾值之后城市生態用地對外降溫作用趨于平緩。

(3)城市生態用地斑塊的斑塊面積和形狀特征對其內部平均溫度呈顯著負相關。斑塊平均溫度隨斑塊面積或形狀指數的增加而降低，但其影響作用存在閾值。斑塊面積與形狀指數對斑塊溫度的影響作用相互影響，當斑塊面積相似時，形狀指數低的往往溫度偏高；當斑塊形狀特征相似時，斑塊面積越小其溫度越高。景觀指數對其影響存在閾值，綠地形狀指數閾值為4.19，水體為1.77；綠地面積閾值為162.88 hm2、水體面積閾值為24.48 hm2。閾值是城市生態用地產生有效冷效應的臨界值，超過閾值后對外降溫效果趨向平穩。

本文深入分析了深圳市地表溫度空間分異特征及形成機理，討論城市生態用地冷效應規律以及閾值識別，為緩解城市熱環境提供定量參考和科學指示。城市熱環境機理復雜，城市生態用地的冷效應受風向、風力、地形、區域微氣候差異、人為活動因素等影響，目前大尺度研究難以控制變量；且遙感數據分辨率為30 m，存在混合像元問題。未來可深入探討城市生態用地的景觀配置和空間布局對區域溫度的影響，從區域面積、形狀、地類組合、地類配置、景觀配置等角度出發。